[转帖]硬 盘 的 秘 密 (技术篇）

寒雨轩

概 述 篇
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* F2 D, X: v0 r$ ^　　一、 硬盘的发展历史

　　在发明磁盘系统之前，计算机使用穿孔纸带、磁带等来存储程序与数据，这些存储方式不仅容量低、速度慢，而且有个大缺陷：它们都是顺序存储，为了读取后面的数据，必须从头开始读，无法实现随机存取数据。
% J/ R+ l7 W! I# S1 z8 F  u' ?　　1956年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM350RAMAC（RandomAccessMethodofAccountingandControl），其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域，从而成功地实现了随机存储，这套系统的总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘，盘片表面涂有一层磁性物质，它们被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。IBM350RAMAC的出现使得航空售票、银行自动化、医疗诊断和航空航天等领域引入计算机成为了可能。1973年，IBM又发明了Winchester（温氏）硬盘，其特点是工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，这便是现代硬盘的原型。IBM随后生产的3340硬盘系统即采用了温氏技术，共有两个30MB的子系统。“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片、磁头沿盘片径向移动”是“温彻斯特”硬盘技术的精髓。今天个人电脑中的硬盘容量虽然已经高达几十GB以上，但仍然没有脱离“温彻斯特”模式。
& |0 ?  g' m  Y9 u6 }9 u7 ]　　PC时代之前的硬盘系统都具有体积大、容量小、速度慢和价格昂贵的特点，这是因为当时计算机的应用范围还太小，技术与市场之间是一种相互制约的关系，使得包括存储业在内的整个计算机产业的发展都受到了限制。1979年，IBM发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可能。70年代末与80年代初是微型计算机的萌芽时期，包括希捷、昆腾、迈拓在内的许多著名硬盘厂商都诞生于这一段时间。1979年，IBM的两位员工AlanShugart和FinisConner决定要开发像5.25英寸软驱那样大小的硬盘驱动器，他们离开IBM后组建了希捷公司，次年，希捷发布了第一款适合于微型计算机使用的硬盘，容量为5MB，体积与软驱相仿。希捷当时的产品赢得了苹果和IBM等大客户的青睐，销量很不错，现在已成为全球存储设备工业的领导者之一。

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上图是1982年用在IBM-XT上的一块10M的硬盘，除了外型略大，无论外观还是内部结构和现在最先进的硬盘并无大的差别。
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) m0 L  j: d- W0 x　   二、硬盘的结构和原理
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+ |& _+ [, d! E& a 　从计算机系统的结构来看，存储器分为内存储器和外存储器两大类。内存储器与CPU直接联系，负责各种软件的运行。外存储器包括软盘、硬盘、光盘、磁带机等。硬盘和软盘很相似，它们的工作原理大致相同，不同的是软盘与软盘驱动器是分开的，而硬盘与硬盘驱动器却是装在一起。另外，在使用时，二者速度差异很大。
$ r& f) l" J7 r9 R% Z2 C4 P. K! @　　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。
　　硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。硬盘作为精密设备，尘埃是其大敌，必须完全密封。

1 {  k" d( h/ r% G4 U$ D- d3 g% A$ \（一）硬盘的外部结构。

　　目前市场上的常见的硬盘除昆腾公司的Bigfoot(大脚)系列为5.25英寸结构外，其他都为3.25英寸产品，其中又有半高型和全高型之分。　常用的3.5英寸硬盘外形大同小异，在没有元件的一面贴有产品标签，标签上是一些与硬盘相关的内容。在硬盘的一端有电源插座、硬盘主、从状态设置跳线器和数据线联接插座。

　　1.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。
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　　2.控制电路板　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。

* U1 ]. z5 M# s! n. i& V2 w　　3.固定盖板　就是硬盘的面板，标注产品的型号、产地、设置数据等，和底板结合成一个密封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行。固定盖板和盘体侧面还设有安装孔，以方便安装。
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* |+ z8 J, R+ W- [) n  `（二） 硬盘的内部结构

$ q7 K- N9 F5 h! B4 n: W' t) B　　硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口及附件等几大部分组成，而盘头组件(HardDiskAssembly，HDA)是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴驱动机构、前置读写控制电路

) j2 P' ^5 Z" x$ y! H% h! S2 l# R 揭开外盖后的硬盘，结构一目了然
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4 q! }) p4 ]- N" t6 N1 T　　1.浮动磁头组件　由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术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，加电后在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有0.1～0.3um，可以获得极高的数据传输率。现在转速5400rpm的硬盘飞高都低于0.3um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性
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; X2 b& q8 ?1 q3 u1 y1 ?- @! m放大了的磁头部分

* D5 ^  D9 m+ l1 Y" K6 E　　2.磁头驱动机构　由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。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，并在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。

3.盘片和主轴组件　盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软磁盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。主轴组件包括主轴部件如轴瓦和驱动电机等。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。
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3 b4 j' i/ h* A( ]　　4.前置控制电路　前置放大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。
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, E6 A; ^7 V+ K/ V5 G. h; t- r（三）硬盘的工作原理

% i- x' T+ x9 w( g　 概括地说，硬盘的工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，写的操作正好与此相反。另外，硬盘中还有一个存储缓冲区，这是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设的。由于硬盘的结构比软盘复杂得多，所以它的格式化工作也比软盘要复杂，分为低级格式化，硬盘分区，高级格式化并建立文件管理系统。
4 H3 e! U: k) _$ j( v! D* Q2 ^　   硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的单片机初始化模块进行初始化工作，此时磁头置于盘片中心位置，初始化完成后主轴电机将启动并以高速旋转，装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于盘片表面的00道，处于等待指令的启动状态。当接口电路接收到微机系统传来的指令信号，通过前置放大控制电路，驱动音圈电机发出磁信号，根据感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定位，并将接收后的数据信息解码，通过放大控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统完成指令操作。结束硬盘操作的断电状态，在反力矩弹簧的作用下浮动磁头驻留到盘面中心。

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从上图可清楚看到磁头上下紧贴着盘片