第 5 章磁存储设备

第5章磁存储设备 微机的磁存储设备主要有软盘系统和硬盘系统,包括软磁盘驱动器、硬盘驱动器，它可以将信息保存在软磁盘、硬盘并从中读取信息，是计算机保存信息及与外部世界交换信息的重要设备。驱动器存取的数据均通过其接口电路（适配卡或适配器）与主机进行传输。

5.1 硬盘 【教学目的和要求】 1、了解硬盘的分类与结构、接口种类、参数与读写模式； 2、掌握硬盘的技术指标及主从硬盘的设置； 3、了解常见硬盘品牌及型号； 4、掌握硬盘编号的识别【教学重点和难点】 1、硬盘的分类、接口、技术指标； 2、主从硬盘的设置； 3、硬盘编号的识别。【课时】 2课时【实验指导】掌握硬盘的安装与连接

5.1 硬盘 硬盘驱动器（Hard Disk Driver，记为HDD）简称硬盘（HD），是一种速度快、容量大的外部存储设备。硬盘的盘片是在一种金属圆盘上涂敷磁性介质制成的，因此称为硬盘。硬盘是电脑中非常重要的部件，用户所安装的操作系统（如Windows 98、Windows 2000）及应用软件（如Office 2000、WPS 2000、Photoshop、Flash）等都存放在硬盘中。

5.1.1 硬盘的分类与结构 按照接口方式，硬盘可以分为IDE硬盘和SCSI硬盘。按照硬盘的物理结构，可以分为固定硬盘（也称为温氏硬盘）和活动硬盘两类。按硬盘的尺寸分，有5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸和1.3英寸五种，台式微机通常使用3.5英寸硬盘，2.5英寸以下的硬盘主要用于笔记本。硬盘的读写操作采用接触式起、停方式，即在起动和停止时，磁头才与盘片接触，并停在盘片的起停区。系统加电后，随着盘片转速的提高，磁头迅速地悬浮在盘片上，浮动间隙一般为半个微米左右。这种工作方式可提高数据的存取速度，提高记录密度，并保护盘片不受磨损，延长硬盘寿命。由于盘片转速很高，磁头与盘片之间的间隙又很小，所以硬盘对环境的要求较高，通常采用全密封结构，硬盘及其驱动器是一体的，用户无法更换硬盘的盘片，硬盘又被称为固定盘（Fixed Disk）。硬盘内部结构

5.1.1 硬盘的分类与结构 硬盘驱动器由硬盘磁头组件（HDA）、印刷电路板组件（PCBA ）、马达和盘片几部分构成。均被密封在一个金属壳内。硬盘的盘片是一张圆形的金属片，金属片的两面都有一层很薄的可磁化层，盘片安装在转轴上。每一个盘片上都有两个读写磁头，上下各—，用来读取盘片两面的数据。磁头装在磁头臂上，磁头臂带动磁头移动。盘片的旋转快慢、磁头的活动方向都由硬盘的控制电路来控制。控制电路通过硬盘中的主轴电机控制盘片转速，通过步进电机控制磁头的运动。硬盘结构示意图

5.1.2 硬盘接口 目前常用硬盘的接口主要有IDE接口和SCSI接口两大类。硬盘接口示意图

5.1.2 硬盘接口 ⒈SCSI接口 SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）是一种高速硬盘接口标准，用一根50线扁平数据线与SCSI接口适配器连接。 ⒉IDE接口 IDE（Integrated Drive Electronics Interface，集成驱动器电气接口），用一根40线扁平数据线与硬盘适配器连接。 IDE接口源于CDC（Control Data Corporation，数据控制公司）、康柏（COMPAQ）、西部数据（Western Digital，简称WD）共同开发的磁盘控制接口，并于1989年由ANSI认可为ATA（AT Attachment，AT附加装置）标准。 ⒊SCSI接口与IDE接口的特点以下是SCSI接口和IDE接口特点的综合比较。 ①SCSI接口中的设备可以同时使用数据总线进行数据传输，而IDE接口中连接在同一条数据线上的设备只能交替占用数据线进行传输。 ②IDE最多可以连接4个设备，而SCSI接口可以连接7～15个设备。 ③SCSI接口的硬盘、光驱等设备的价格要比IDE接口设备高得多。

5.1.3 硬盘的参数 硬盘的参数包括Heads（磁头数）、Cylinders（柱面数）、WPcom （写电流补偿）、LZone（磁头起停区）、Sectors（扇区数）、Size（容量）。硬盘通常由两个以上盘片组成，硬盘的容量越大，盘片数相对越多。每个盘片有上下两个可读写盘面，一个盘面对应一个磁头（Head），因此磁头数是盘片数的两倍。硬盘的磁头安装在一个由控制器驱动的固定架上，受步进电机驱动做寻道工作。柱面（Cylinder）是相同半径上磁道的集合。盘片上的磁道被划分为若干个区域，称为扇区（Sector）。每个扇区的存储容量为512B，其作用是将数据分组存放。计算机系统能够自动计算硬盘的容量（Size），其计算公式是：（磁头数）×（柱面数）×（扇区数／柱面）×（字节数／扇区）。硬盘柱面、扇区划分示意图

5.1.4 硬盘读写模式 ⒈Normal Mode（普通模式）这是为兼容原有的IDE模式而设的，相当于标准IDE。在此模式下，对硬盘访问时，BIOS和IDE控制器对参数不做任何转换，支持的最大柱面数（Cyls）为1024 ，最大磁头数（Heads）为16，最大扇区数（Sectors）为63，每扇区字节数为512 。　　因此支持最大硬盘容量为：512×63×16×1024B＝504MB ⒉LBA（Logic Block Addressing） Mode（逻辑块地址模式） LBA模式是E-IDE接口的标准工作模式，支持32位数据传输，实现高容量高速的目标。在LBA模式下，设置的柱面、磁头、扇区等参数并不是实际硬盘的物理参数。访问硬盘时，由IDE控制器把由柱面、磁头、扇区等参数确定的逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。 ⒊Large Mode（大模式）当硬盘的柱面超过1024而又不为LBA支持时可采用此种模式。Large模式是把柱面数除以2，把磁头数乘以2，即使柱面数减少而总容量不变。实际工作时其相反的转换由BIOS完成，以便取得正确的硬盘地址。

5.1.5 硬盘的技术指标 ⒈转速硬盘的转速是指硬盘盘片每分钟转动的圈数，单位为RPM（Rotation Per Minute，转／分钟）。硬盘转速的大小决定硬盘性能的高低，转速越高，读写速度越快，等待时间越短，硬盘的整体性能越好。目前市场上主流IDE硬盘的转速一般为5400转或7200转。SCSI接口的硬盘，一般都已达到了7200转的转速，而更高的则达到了10000转。 ⒉磁头与传统的读写合一式磁头不同，MR磁头（Magneto Resistive heads）采用所谓感应写、磁阻读的分离式设计，以便针对读写的不同特性分别进行优化。另外，由于MR磁头是通过阻值变化而不是以前的电流变化来感应信号幅度，因而对信号变化相当敏感，读取准确率高，同时也为增加磁盘密度提供了可能性。 ⒊缓存与主板上的高速缓存（Cache）一样，硬盘缓存的目的是为了解决系统前后级读写速度不匹配的问题，以提高硬盘的读写速度。目前，大多数IDE硬盘的缓存在1MB到4MB之间，有些服务器用的硬盘缓存多达16MB。

5.1.5 硬盘的技术指标 ⒋平均访问时间硬盘的平均访问时间是指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。平均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括了硬盘的寻道时间和等待时间，即：平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间。硬盘的平均寻道时间（Average Seek Time）是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间。这个时间当然越小越好，目前硬盘的平均寻道时间通常在8ms到12ms之间，而SCSI硬盘则应小于或等于8ms。硬盘的等待时间，又叫潜伏期（Latency），是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需的时间的一半，一般应在4ms以下。

5.1.5 硬盘的技术指标 ⒌数据传输率硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。内部传输率（Internal Transfer Rate）也称为持续传输率（Sustained Transfer Rate），它反映了硬盘缓冲区未用时的性能。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。外部传输率（External Transfer Rate）也称为突发数据传输率（Burst Data Transfer Rate）或接口传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。目前Fast ATA接口硬盘的最大外部传输率为16.6MB/s，而Ultra ATA接口的硬盘则达到33.3MB/s。

5.1.5 硬盘的技术指标 ⒍容量作为计算机系统的数据存储器，容量是硬盘最主要的参数。硬盘的容量以兆字节（MB）或千兆字节（GB）为单位，1GB=1024MB。但硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1GB=1000MB，因此我们在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值要小。目前的主流硬盘的容量为40GB和80GB，而100GB以上的硬盘亦已开始逐渐普及。硬盘的容量指标还包括硬盘的单碟容量。所谓单碟容量是指硬盘一个盘片的容量，单碟容量越大，单位成本越低，平均访问时间也越短。目前市面上大多数硬盘的单碟容量为20GB以上，而更高的则达到了80GB，如IBM的钻石五代。

5.1.6 主、从硬盘的设置 标准IDE接口可同时连接两个硬盘，Master（主盘）和Slave （从盘）。扩展IDE（E-IDE）接口支持四个硬盘，连接在第一IDE接口（Primary IDE ）的两个硬盘称为Primary Master（第一主盘）和Primary Slave（第一从盘），连接在第二IDE接口（Secondary IDE）的两个硬盘称为 Secondary Master（第二主盘）、Secondary Slave（第二从盘）。硬盘正面标签上通常有这样的标注：Single表示用做单硬盘，Master表示在双硬盘中做主盘，Slave 表示在双硬盘中做从盘。不同品牌、不同规格甚至不同出厂时间的硬盘其跳线的方法都不完全相同，但通常都在硬盘标签上标有其跳线方法。其中PK是将硬盘磁头锁定在起停区，防止在硬盘运输过程中损坏硬盘；CS是用特殊的线缆来控制硬盘的主、从状态，很少使用；DS是主盘状态设定；SP是从盘状态设定。

5.1.7 物理硬盘、逻辑硬盘和虚拟硬盘 物理硬盘是指客观存在的硬盘，上面所述IDE 接口可连接的硬盘数均指物理硬盘。逻辑硬盘是通过FDISK（分区）人为地对一个物理盘划分为若干分区，由系统分别赋于逻辑盘符。虚拟硬盘是把内存的一部分模拟成磁盘并赋于一个盘符，其使用方法与物理盘相同。虚拟盘的显著特点是存取速度特别快，因为对虚拟盘的读写实际上是对内存储器的存取操作，因而虚拟盘的存取速度是硬盘的数千倍。但其致命的缺点是断电后虚拟盘及虚拟盘上的所有信息立刻全部丢失，不能永久保存信息。

5.1.8 常见的硬盘品牌及其型号 目前世界上主要的硬盘生产厂家有：IBM、Seagate（希捷）、Maxtor（迈拓）、Western Digital（西部数据）等。 1、IBM IBM 在全球存储器行业中排名第一，许多硬盘方面的革新都是由IBM 公司提出的，例如现在广泛使用的巨磁阻（GMR）磁头技术等。随着IBM玻璃硬盘的发售，IBM硬盘行业进入了一个高峰期，但也正是由于IBM玻璃硬盘（主要是60XP）系列的故障率比较高，对于IBM的120XP系列的销售有一定的影响。

5.1.8 常见的硬盘品牌及其型号 2、希捷（Seagate）希捷在高端SCSI存储市场，具有相当强大的实力，其IDE产品的性能也比较强。希捷公司面向入门级市场的产品主要为5400转的U系列，具体产品有U6/U5系列，它们虽然转速只有5400转，但U6系列的单碟容量高达40GB，因此磁盘性能不容小视。Barracuda（酷鱼）ATA系列是希捷公司的老招牌，自从希捷公司推出第一代Barracuda ATA 以来，现在已经推出了四代产品，从这一、二、三、四代硬盘的发展历程也可以看出硬盘工业的前进步伐。

5.1.8 常见的硬盘品牌及其型号 Maxtor公司作为主流的硬盘生产厂商之一，自从收购了昆腾的硬盘事业部以后，已经逐渐成为了全球第一大硬盘生产制造商，产品包括了多种型号，面向高中低各层次用户。高端IDE硬盘包括高能火球四代（Fireball Plus AS）、金钻六代（Diamond Max Plus 60）及金钻七代（Diamond Max PLus D740X）。中低端IDE硬盘包括星钻二代（Diamond Max 536DX）及星钻三代（Diamond Max D540X）、新火球一代（Diamond Max D540X）、美钻二代（Diamond Max 541DX）及美钻一代（Diamond Max 531DX）。其中的高端IDE硬盘转速为7200转，它们的磁盘性能相对较高。而中低端IDE硬盘转速为5400转，它们的磁盘性能一般，但单碟容量都较高。 3、迈拓（Maxtor）

5.1.8 常见的硬盘品牌及其型号 4、西部数据（Western Digital）西部数据产品的主要优势是价格，产品有面向高端和低端两个部分。WD1000BB-SE，WD1200BB，WD1000BB，WD800BB都是面向高端用户的产品，主要特点是7200转，缓存为2MB。特别是WD1000BB-SE硬盘，采用了8MB缓存，性能已经接近低端SCSI硬盘。

5.1.9 硬盘的选购 硬盘速度一直被称为计算机的瓶颈，所以选购一款高转速、性能稳定的硬是非常重要的。目前市面上的硬盘接口主要有IDE和SCSI，前者为家用型，后者适用于高端用户。用户在选购时除了考虑品牌、容量、接口等指标外，还要注意以下几个方面： 1、硬盘缓存（单位为KB或MB）硬盘缓存是用于硬盘和外部总线之间交换数据的一个空间，缓存越大，硬盘的数据传速率就越快。硬盘的缓存为SRAM，SRAM的特点就是速度快、密度低，但价格高。SRAM存储器的访问时间为2ns或更少，比DRAM快得多。目前硬盘的缓存多为2MB。 2、内部数据传输率内部数据舆率也叫持续数据传输率，它指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率，一般取决于硬盘的盘片转速和盘片数据线宽度。

5.1.9 硬盘的选购 3、外部数据传输率从硬盘的缓存中向外输出数据的速度，目前主流硬盘都采用了ATA 100和ATA 133技术，即理论值可达到100MB/s和133 MB/s。 4、单碟容量（单位为GB）单碟容量是指硬盘每一块碟片的最大存储容量。单碟容量大的好处在于，相同容量下单碟容量越大，读盘速度越快。选购硬盘除了要参照以上的这些参数外，还要考虑硬盘的保修期和水货问题。一般来说，正品硬盘在国内都有代理商。正品硬盘有自己的包装盒、保修卡、国内代理商的标贴、条形码，并承诺三年质保（一年保换，后两年保修）。水货硬盘均为散装，并且只承诺一年质保，包装也不正规，多数只有一防静电的塑料袋。

5.1.10 硬盘编号识别 当接触到硬盘的时候，就会发现硬盘上有一些编号，这就是硬盘的身份证。硬盘的参数和性能指标就会一目了然。下面我们简要介绍一下Maxtor、Seagate、WD的编号。 1、Maxtor硬盘编号：Maxtor的编号顺序为“系列号（转速）”+容量+接口类型+磁头数，如Maxtor 5T040H4：5T表示它是一款金钻六代硬盘，040表示这款硬盘的容量是40GB。“H”说明它是可以支持ATA100的。“4”代表这款硬盘中有4个物理磁头，按一张碟片最多由两个磁头读写计算，这块硬盘中有两张碟片，它的总容量是40GB，那么单碟容量为就为20GB。 2、Seagate硬盘编号：Seagate都是以ST开头，规则为ST+外形尺寸+容量+接口类型。如ST340810A，3表示3.5英寸硬盘，40810表示硬盘容量是40810MB，A表示普通台式机硬盘接口类型。 3、WD硬盘编号：西部数据的编号顺序为WD+容量+转速+接口类型。如WD1000BB，其中1000表示容量为100GB，第1个B代表转速为7200 r/min，第2个B代表接口为ATA100。

5.2 软盘与软盘驱动器 软磁盘（Floppy Diskette，简称软盘）是一种涂有磁性介质的聚酯薄膜圆盘，盘片较柔软，因此称为软盘。一个1.44MB的软盘，它有80个磁道，每个磁道有18个扇区，两面都可以存储数据。它的存储容量为：80×18×2×512B≈1440KB≈1.44MB。最常见的3.5英寸软盘

软盘驱动器 软盘驱动器（Floppy Diskette Driver，记为FDD）简称软驱，是用来驱动软盘旋转并同时对软盘进行读出或写入数据的设备。它主要包括两部分，一部分是机械驱动部分，主要用来驱动磁盘旋转并驱使磁头移动；另一部分是控制电路部分，主要是用来控制磁头定位、数据读写及状态检测等。软盘驱动器存取数据的速度比磁带机要快，但比硬盘要慢得多。 3.5英寸软盘驱动器

ZIP软盘 美国Iomega公司1995年推出了一种新一代超大容量ZIP软盘系统，它结合使用了硬盘驱动器的磁头和软盘磁介质的相关技术，大小为3.5英寸，容量高达100MB，具有外置并口、SCSI接口连接及内置SCSI接口连接等几种类型。 ZIP软盘驱动器

5.3 USB闪存盘 闪速存储器（Flash Memory）又称为快闪存储器，简称闪存或闪盘，习惯上被称为优盘，是一种移动存储设备，简单地说就是一种将电子记忆芯片挂接到计算机的USB等开放式标准接口上，完成数据的传输和存储功能的产品。

5.3.1 闪存盘的优点 • ⑴可靠性极高，采用闪速存储器（Flash）为存储介质，可以确保 100 万次以上的可靠写入。 • ⑵存储速度快，读出1000KB/s，写入680KB/s，是普通软驱传输速度的30倍以上。 • ⑶体积仅为76mm×23mm×13mm（长×宽×高），质量轻，携带方便，支持热插拔。 • ⑷兼容性好，是标准的磁盘驱动器，在Windows2000以上操作系统下不需要驱动程序。 • ⑸容量大，存储密度高，目前有16MB～256MB多种规格。 • ⑹具有磁盘写保护功能，可以防止意外的数据丢失和磁道损坏。 • ⑺支持HDD BIOS启动，可作为防病毒系统引导盘。 • ⑻支持软加密，可实现对整个盘的加密设置，只有在正确输入密码之后，才能浏览文件。 • ⑼支持错误处理，可避免数据丢失，数据至少可保存10年。 • ⑽抗震、防潮、耐高低温，适用性强。

5.3.2 优盘的结构与工作原理 • 优盘的内部是半导体结构，由大量有序排列的晶体管组成，用于存储数据资料，但和DRAM不同，Flash芯片掉电后数据不会消失，可以反复擦写。 • 优盘的结构主要由外壳、PCB板、IC控制芯片和Flash存储芯片四部分组成。其中IC控制芯片是优盘的大脑，不同的IC控制芯片关系到优盘的各种特殊功能，如优盘是否可以加密，是否能够当做驱动盘使用等。 • 虽然很多USB优盘标称可擦写100万次，数据至少保存10年。但这和Flash存储芯片的材质有一定关系，优盘在工作时是通过二氧化硅形状的变化来记忆数据的，如果Flash的材质不好，优盘使用一段时间后可能出现容量变小的情况。

优盘示例图 朗科加密Ⅲ型优盘蓝科火钻多功能型优盘

5.3.3 主流USB盘品牌 • 目前市场上的主流品牌主要是金士顿、台电科技、PNY、爱国者、宇瞻、联想、朗科、SSK 飚王、清华紫光、惠普等等。 • 值得注意的是，随着U盘技术的发展，U盘的容量也越来越大，已经由原来的32M发展到现在的256G。当然在市场上经常用到的还是8G左右的U盘。

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