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[转帖]硬 盘 的 秘 密 (技术篇)

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发表于 2005-4-7 18:47:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
概 述 篇
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% ], M1 L2 I' F/ ?2 l( g  一、 硬盘的发展历史
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  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; I, J. x# Y, t( o
  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。
6 x1 S9 ^- D: N5 c3 @4 o  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。( V) a- }% i  s
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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。: U( d$ `: K8 b4 o# ?: ~
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    二、硬盘的结构和原理0 P1 |5 {8 e. k; y8 A
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 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。
- i* j: i# ~+ d. @1 e; v  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。2 F7 u: m  [& y8 ]7 [; f
  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。
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: Q, _, `6 v6 ?1 }6 L/ A(一)硬盘的外部结构。+ S! S' ~( Z$ ]

+ m6 ?# H2 a, B  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。
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7 L) h. L4 ^/ |$ G9 T  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。" D7 S0 @4 G! I1 o- B2 |  m+ @

/ J/ N. L1 i0 v) L1 ~9 @8 G% C' g8 q, @  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。8 k( t9 d5 i3 t; S+ k

0 _! b! x1 \# S/ Z; p  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。, l' f  s6 P& Y) n

# ^% k; n! l. F: D(二) 硬盘的内部结构
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- z- C; V. ]8 p  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
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7 t6 j3 z, v/ _& ?3 Z8 D8 P- S- H 揭开外盖后的硬盘,结构一目了然
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  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3 A$ x3 t' J) b; q2 a( Q: N

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放大了的磁头部分' C1 {7 w. ]& [# @' d# p! m
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  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。2 l. j0 D5 W( f1 a2 i6 j7 g

0 G8 O+ e) j! b8 W: G3.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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  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。: T0 y8 E& v( l5 d) E) \. l8 }
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(三)硬盘的工作原理3 N6 N) Z* f1 M' T' g0 F; R/ X

3 }9 u3 b( n/ t1 e, b* W  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。5 i7 K: u' {" c
    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 ' z- r- ?+ H  b8 H
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