硬盘基础知识

1. 硬盘基础知识

2. 什么是硬盘？ • 硬盘（Hard Disk，也称硬盘存储器）是各种数据的主要存放场所之一，平常所用的操作系统（如Windows98等）、各种应用软件、资料和游戏都存放在硬盘中，是计算机的重要部件之一。

3. 硬盘的工作原理 • 硬盘存储数据是根据电、磁转换的原理来实现的。硬盘驱动器加电后，磁盘片由主轴电机驱动进行高速旋转，设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读出来。 • 当系统向硬盘写入数据时，磁头中写数据电流产生磁场使盘片表面磁性物质状态发生改变，并在写电流磁场消失后仍能保持，当系统从硬盘中读取数据时，磁头经过盘片指定区域，盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化，经过相关电路处理后还原成数据。

4. 硬盘的发展历史 • 1956年，美国IBM公司制造出世界上第一块容量为5MB的硬盘。 • 1968年，IBM公司又提出了温彻斯特(Winchester)技术。温彻斯特技术的精髓是：“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，并且是悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触”，这也是现代绝大多数硬盘的原型。 • 1973年，IBM公司制造出了第一台采用温彻斯特技术的硬盘，从此硬盘技术的发展有了正确的结构基础，现在使用的硬盘大多是此技术的延伸。

5. 硬盘的结构 • 硬盘尺寸主要有5.25英寸和3.5英寸两种，现在市场上普遍使用的是3.5英寸硬盘。用于笔记本电脑中的有2.5英寸、1.8英寸和0.9英寸等几种。 • 硬盘主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。

6. 硬盘的主要部件

7. 硬盘的外部结构 • 在硬盘的正面都贴有硬盘的标签，标签上一般都标注着与硬盘相关的信息，例如产品型号、产地、出厂日期、产品序列号等。在硬盘的一端有电源接口插座、主从设置跳线器和数据线接口插座，而硬盘的背面则是控制电路板。 • 总得来说，硬盘外部结构可以分成如下几个部份：

8. 硬盘正面

9. 硬盘背面

10. 接口 • 包括电源插口和数据接口两部分，其中电源插口与主机电源相联，为硬盘工作提供电力保证；数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换的纽带，根据联接方式的差异，分为EIDE接口和SCSI接口等。

11. 固定面板 • 就是硬盘正面的面板，它与底板结合成一个密封的整体，保证了硬盘盘片和机构的稳定运行。在面板上最显眼的莫过于产品标签，上面印着产品型号、产品序列号、产品、生产日期等信息。 • 固定面板和盘体侧面还设有安装孔，以方便安装。 • 除此，还有一个透气孔，它的作用就是使硬盘内部气压与大气气压保持一致。

12. 固定面板

13. 控制电路板 • 一般在硬盘的背面，大多采用贴片式元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块高效的单片机ROM芯片，其固化的软件可以进行硬盘的初始化，执行加电和启动主轴电机，加电初始寻道、定位以及故障检测等。在电路板上还安装有容量不等的高速缓存芯片。

14. 控制电路板

15. 硬盘的内部结构 • 硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其它附件组成，其中磁头盘片组件(Hard Disk Assembly，HDA)是构成硬盘的核心，它封装在硬盘的净化腔体内，包括有浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路这几个部份。

16. 硬盘的内部结构 • 将硬盘面板揭开后，内部结构即可一目了然。

17. 硬盘的内部结构 • 细看硬盘内部结构。

18. 硬盘的内部结构 • 细看硬盘内部结构。

19. 浮动磁头组件 • 是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份组成。 • 磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加后电在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0.1～0.3 μm ，这样可以获得很好的数据传输率。现在转速为7200RPM的硬盘飞高一般都低于0.3 μm，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输率的可靠性。

20. 浮动磁头组件

21. 磁头驱动机构 • 盘硬的寻道是靠移动磁头，而移动磁头则需要该机构驱动才能实现。磁头驱动机构由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成，高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并能在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道。

22. 磁盘片 • 盘片是硬盘存储数据的载体，现在硬盘的盘片大多采用金属薄膜材料，这种金属薄膜较软盘的不连续颗粒载体具有更高的存储密度、高剩磁及高矫顽力等优点。另外，IBM还有一种被称为“玻璃盘片”的材料作为盘片基质，玻璃盘片比普通盘片在运行时具有更好的稳定性。硬盘的盘片是完全平整的，简直可以当镜子使用。

23. 磁盘片

24. 磁盘片 • 磁盘片表面上以磁盘片中心为圆心，不同半径的同心圆称为磁道。 • 不同磁盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面。 • 磁盘片被分成许多扇形的区域，每个区域叫一个扇区。

25. 磁盘片

26. 磁盘片 • 磁盘片的数据结构按照磁道从低到高可以分为5部分：

27. 磁盘片 • MBR（Master Boot Record，主引导记录），位于硬盘的0柱面、0磁头、1扇区的位置，被称之为零磁道位置。它由分区命令Fdisk产生的。MBR结束标志为55AA。

28. 磁盘片 • DBR（DOS Boot Record，Dos引导记录），该层位于硬盘的0柱面、1磁头、1扇区的位置，它是由格式化命令Format产生的。DBR结束标志也是55AA。

29. 磁盘片 • FAT（File Allocation Table，文件分配表），位于硬盘的0柱面、1磁头、2扇区的位置，FAT表面大小由硬盘的容量来决定。

30. 磁盘片 • DIR（Directory，文件目录），当在DOS模式下输入DIR后，屏幕上显示的内容就是该区的内容。

31. 磁盘片 • DATA，数据层，主要负责硬盘中数据的存放，当数据复制到硬盘时，数据就存储在这个区中。

32. 主轴组件 • 主轴组件包括主轴部件如轴承和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术(FDB，Fluid Dynamic Bearing motors)。采用FDB电机不仅可以使硬盘的工作噪音降低许多，而且还可以增加硬盘的工作稳定性。

33. 主轴组件

34. 前置控制电路 • 前置电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。

35. 硬盘的性能指标 • 硬盘也是计算机的重要部件，同样对计算机的整体性能起着决定性的作用。我们就介绍一下硬盘主要的性能指标。

36. 主轴转速 • 硬盘的主轴转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因素之一，它在很大程度上决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志。 • 从目前的情况来看，7200RPM的硬盘在国内市场已经逐步取代了5400RPM硬盘的地位，成为了主流，而更高转速的硬盘，如SCSI硬盘的主轴转速已经达到10000RPM甚至15000RPM，但由于价格原因让普通用户难以接受。

37. 主轴转速 • 随着硬盘转速的提升，会使硬盘的发热量不断升高，若硬盘散发的热量不能及时地传导出去，硬盘就会升温。为此，可以在硬盘上安装一个硬盘散热风扇，增强散热效果。

38. 单碟容量 • 因为标准硬盘的碟片数是有限的，靠增加碟片来扩充容量满足不断增长的存储容量的需求是不可行的。只有提高每张碟片的容量才能从根本上解决这个问题。 • 单碟容量的一个重要意义在于提升硬盘的数据传输速度。硬盘单碟容量的提高得益于数据记录密度的提高，而记录密度同数据传输率是成正比的，单碟容量越高，它的数据传输率也将会越高。

39. 高速缓存 • 指在硬盘内部的高速存储器，硬盘的数据被磁头读取后先存到硬盘上的缓存芯片中，再由接口传送给系统，缓存的容量和速度都对硬盘速都有直接影响。 • 目前硬盘的高速缓存一般为512KB～2MB，最近出现的8MB缓存硬盘。

40. 最大内部数据传输率 • 也叫持续数据传输率(Sustained Transfer Rate)，单位为Mb/s。它是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线密度(指同一磁道上的数据容量)。 • 注意，在这项指标中常常使用Mb/s或Mbps为单位，这是兆位/秒的意思，如果需要转换成MB/s(兆字节/秒)，就必须将Mbps数据除以8(一字节8位数)。

41. 外部数据传输率 • 也称为突发数据传输率(Burst Data Transfer Rate) ，它是指从硬盘缓冲区读取数据的速率，单位为MB/s。 • 目前有Ultra DMA/33、Ultra DMA/66和Ultra DMA/100三中，现在主流的硬盘已经全部采用Ultra DMA/100技术，外部数据传输率可达100MB/s。

42. 寻道时间 • 是指硬盘磁头移动到数据所在磁道而所用的时间，单位为毫秒(ms)。寻道时间又分为平均寻道时间和道间步进时间： • 平均寻道时间则为磁头移动到正中间的磁道需要的时间，单位为毫秒(ms) ； • 道间步进时间表示磁头从一个磁道转移至另一磁道的时间，单位为毫秒(ms)。

43. 潜伏期 • 表示当磁头移动到数据所在的磁道后，等待所要的数据块继续转动（半圈或多些、少些）到磁头下的时间，其单位为毫秒(ms)。 • 平均潜伏期就是盘片转半圈的时间。

44. 全程访问时间 • 指磁头开始移动直到最后找到所需要的数据块所用的全部时间，单位为毫秒(ms)。 • 平均访问时间指磁头找到指定数据的平均时间，单位为毫秒(ms) 。通常是平均寻道时间和平均潜伏时间之和。

45. 连续无故障时间(MTBF) • 是指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间，单位是小时。一般硬盘的MTBF至少在30,000小时以上。

46. 新型磁头技术 • MR（Magneto一Resistive Head，磁阻磁头）技术可以更高的实际记录密度、记录数据，从而增加硬盘容量，提高数据吞吐率。 • GMR（Giant Magneto Resistive，巨型磁阻磁头）是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据，使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，从而可以实现更高的存储密度。

47. S.M.A.R.T技术 • S.M.A.R.T(Self－Monitoring、Analysis＆Reporting Technology，自动监测、分析和报告)技术可有效保护硬盘，使得硬盘可以监测和分析自己的工作状态和性能，并将其显示出来。

48. SPS防震技术 • SPS(Shock Protection System，震动保护系统) 是由昆腾公司开发，使硬盘在受到撞击时，保持磁头不受震动，磁头和磁头臂停泊在盘片上，冲击能量被硬盘其他部分吸收，这样能有效地提高硬盘的抗震性能，使硬盘在运输、使用及安装的过程中最大限度地免受震动的损坏。

49. 硬盘的工作模式 • 硬盘的工作模式主要有三种，分别是： • NORMAL • LBA • LARGE。

50. NORMAL模式 • NORMAL（普通模式）是最早的 IDE 方式，在硬盘访问时，BIOS 和 IDE 控制器对参数不做任何转换。该模式支持的最大硬盘的容量为528MB。也就是说，在此模式下，硬盘的实际物理容量再大，也只能用到其中的 528M。