好文档就是一把金锄头!
欢迎来到金锄头文库![会员中心]
电子文档交易市场
安卓APP | ios版本
电子文档交易市场
安卓APP | ios版本

硬盘内部硬件结构和工作原理详解.docx

14页
  • 卖家[上传人]:206****923
  • 文档编号:41832335
  • 上传时间:2018-05-31
  • 文档格式:DOCX
  • 文档大小:231.35KB
  • / 14 举报 版权申诉 马上下载
  • 文本预览
  • 下载提示
  • 常见问题
    • 硬盘内部硬件结构和工作原理详解一般硬盘正面贴有产品标签,主要包括厂家信息和产品信息,如商标、型号、 序列号、生产日期、容量、参数和主从设置方法等这些信息是正确使用硬盘 的基本依据,下面将逐步介绍它们的含义硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件等组成,如图 1-1 所示盘体是一个 密封的腔体硬盘的内部结构通常是指盘体的内部结构;控制电路板上主要有 硬盘 BIOS、硬盘缓存(即 CACHE)和主控制芯片等单元,如图 1-2 所示;硬盘 接口包括电源插座、数据接口和主、从跳线,如图 1-3 所示图 1-1 硬盘的外观图 1-2 控制电路板图 1-3 硬盘接口电源插座连接电源,为硬盘工作提供电力保证数据接口是硬盘与主板、内存 之间进行数据交换的通道,使用一根 40 针 40 线(早期)或 40 针 80 线(当前) 的 IDE 接口电缆进行连接新增加的 40 线是信号屏蔽线,用于屏蔽高速高频数 据传输过程中的串扰中间的主、从盘跳线插座,用以设置主、从硬盘,即设 置硬盘驱动器的访问顺序其设置方法一般标注在盘体外的标签上,也有一些 标注在接口处,早期的硬盘还可能印在电路板上此外,在硬盘表面有一个透气孔(见图 1-1),它的作用是使硬盘内部气压与 外部大气压保持一致。

      由于盘体是密封的,所以,这个透气孔不直接和内部相 通,而是经由一个高效过滤器和盘体相通,用以保证盘体内部的洁净无尘,使 用中注意不要将它盖住1.2 硬盘的内部结构硬盘的内部结构通常专指盘体的内部结构盘体是一个密封的腔体,里面密封 着磁头、盘片(磁片、碟片)等部件,如图 1-4 所示图 1-4 硬盘内部结构硬盘的盘片是硬质磁性合金盘片,片厚一般在 0.5mm 左右,直径主要有 1.8in(1in=25.4mm)、2.5in、3.5in 和 5.25in 4 种,其中 2.5in 和 3.5in 盘 片应用最广盘片的转速与盘片大小有关,考虑到惯性及盘片的稳定性,盘片 越大转速越低一般来讲,2.5in 硬盘的转速在 5 400 r/min~7 200 r/ min 之间;3.5in 硬盘的转速在 4 500 r/min~5 400 r/min 之间;而 5.25in 硬盘 转速则在 3 600 r/min~4 500 r/min 之间随着技术的进步,现在 2.5in 硬盘 的转速最高已达 15 000 r/min,3.5in 硬盘的转速最高已达 12 000 r/min有的硬盘只装一张盘片,有的硬盘则有多张盘片。

      这些盘片安装在主轴电机的 转轴上,在主轴电机的带动下高速旋转每张盘片的容量称为单碟容量,而硬 盘的容量就是所有盘片容量的总和早期硬盘由于单碟容量低,所以,盘片较 多,有的甚至多达 10 余片,现代硬盘的盘片一般只有少数几片一块硬盘内的 所有盘片都是完全一样的,不然控制部分就太复杂了一个牌子的一个系列一 般都用同一种盘片,使用不同数量的盘片,就出现了一个系列不同容量的硬盘 产品盘体的完整构造如图 1-5 所示图 1-5 盘体的完整结构硬盘驱动器采用高精度、轻型磁头驱动/定位系统这种系统能使磁头在盘面上 快速移动,可在极短的时间内精确地定位在由计算机指令指定的磁道上目前, 磁道密度已高达 5 400Tpi(每英寸磁道数)或更高;人们还在研究各种新方法, 如在盘上挤压(或刻蚀)图形、凹槽和斑点等作为定位和跟踪标记,以提高到 和光盘相等的道密度,从而在保持磁盘机高速度、高位密度和高可靠性的优势 下,大幅度提高存储容量硬盘驱动器内的电机都是无刷电机,在高速轴承支持下机械磨损很小,可以长 时间连续工作高速旋转的盘体产生明显的陀螺效应,所以,在硬盘工作时不 宜搬动,否则,将增加轴承的工作负荷为了高速存储和读取信息,硬盘驱动 器的磁头质量小,惯性也小,所以,硬盘驱动器的寻道速度明显快于软驱和光 驱。

      硬盘驱动器磁头与磁头臂及伺服定位系统是一个整体伺服定位系统由磁头臂 后的线圈和固定在底板上的电磁控制系统组成由于定位系统限制,磁头臂只 能在盘片的内外磁道之间移动因此,不管开机还是关机,磁头总在盘片上; 所不同的是,关机时磁头停留在盘片启停区,开机时磁头“飞行”在磁盘片上 方1.3 硬盘的逻辑结构(1)硬盘上的数据是如何组织与管理的呢?硬盘首先在逻辑上被划分为磁道、柱面 以及扇区,其结构关系如图 1-6 所示图 1-6 磁头、柱面和扇区每个盘片的每个面都有一个读写磁头,磁盘盘面区域的划分如图 1-7 所示磁 头靠近主轴接触的表面,即线速度最小的地方,是一个特殊的区域,它不存放 任何数据,称为启停区或着陆区(Landing Zone),启停区外就是数据区在 最外圈,离主轴最远的地方是“0”磁道,硬盘数据的存放就是从最外圈开始的 那么,磁头是如何找到“0”磁道的位置的呢?从图 1-5 中可以看到,有一个 “0”磁道检测器,由它来完成硬盘的初始定位0”磁道是如此的重要,以 致很多硬盘仅仅因为“0”磁道损坏就报废,这是非常可惜的这种故障的修复 技术在后面的章节中有详细的介绍图 1-7 硬盘盘片的启停区和数据区早期的硬盘在每次关机之前需要运行一个被称为 Parking 的程序,其作用是让 磁头回到启停区。

      现代硬盘在设计上已摒弃了这个虽不复杂却很让人不愉快的 小缺陷硬盘不工作时,磁头停留在启停区,当需要从硬盘读写数据时,磁盘 开始旋转旋转速度达到额定的高速时,磁头就会因盘片旋转产生的气流而抬 起,这时磁头才向盘片存放数据的区域移动盘片旋转产生的气流相当强,足 以使磁头托起,并与盘面保持一个微小的距离这个距离越小,磁头读写数据 的灵敏度就越高,当然对硬盘各部件的要求也越高早期设计的磁盘驱动器使 磁头保持在盘面上方几微米处飞行稍后一些设计使磁头在盘面上的飞行高度 降到约 0.1μm~0.5μm,现在的水平已经达到 0.005μm~0.01μm,这只是人 类头发直径的千分之一气流既能使磁头脱离开盘面,又能使它保持在离盘面 足够近的地方,非常紧密地跟随着磁盘表面呈起伏运动,使磁头飞行处于严格 受控状态磁头必须飞行在盘面上方,而不是接触盘面,这种位置可避免擦伤 磁性涂层,而更重要的是不让磁性涂层损伤磁头但是,磁头也不能离盘面太 远,否则,就不能使盘面达到足够强的磁化,难以读出盘上的磁化翻转(磁极 转换形式,是磁盘上实际记录数据的方式)硬盘驱动器磁头的飞行悬浮高度低、速度快,一旦有小的尘埃进入硬盘密封腔 内,或者一旦磁头与盘体发生碰撞,就可能造成数据丢失,形成坏块,甚至造 成磁头和盘体的损坏。

      所以,硬盘系统的密封一定要可靠,在非专业条件下绝 对不能开启硬盘密封腔,否则,灰尘进入后会加速硬盘的损坏另外,硬盘驱 动器磁头的寻道伺服电机多采用音圈式旋转或直线运动步进电机,在伺服跟踪 的调节下精确地跟踪盘片的磁道,所以,硬盘工作时不要有冲击碰撞,搬动时 要小心轻放这种硬盘就是采用温彻斯特(Winchester)技术制造的硬盘,所以也被称为温 盘其结构特点如下①磁头、盘片及运动机构密封在盘体内②磁头在启动、停止时与盘片接触,在工作时因盘片高速旋转,带动磁头“悬 浮”在盘片上面呈飞行状态(空气动力学原理),“悬浮”的高度约为0.1μm~0.3μm,这个高度非常小,图 1-8 标出了这个高度与头发、烟尘和手 指印的大小比较关系,从这里可以直观地“看”出这个高度有多“高”图 1-8 盘片结构及磁头高度示意图③磁头工作时与盘片不直接接触,所以,磁头的加载较小,磁头可以做得很精 致,检测磁道的能力很强,可大大提高位密度④磁盘表面非常平整光滑,可以做镜面使用下面对“盘面”、“磁道”、“柱面”和“扇区”的含义逐一进行介绍1. 盘面号硬盘的盘片一般用铝合金材料做基片,高速硬盘也可能用玻璃做基片玻璃基 片更容易达到所需的平面度和光洁度,且有很高的硬度。

      磁头传动装置是使磁 头部件作径向移动的部件,通常有两种类型的传动装置一种是齿条传动的步 进电机传动装置;另一种是音圈电机传动装置前者是固定推算的传动定位器, 而后者则采用伺服反馈返回到正确的位置上磁头传动装置以很小的等距离使 磁头部件做径向移动,用以变换磁道硬盘的每一个盘片都有两个盘面(Side),即上、下盘面,一般每个盘面都会 利用,都可以存储数据,成为有效盘片,也有极个别的硬盘盘面数为单数每 一个这样的有效盘面都有一个盘面号,按顺序从上至下从“0”开始依次编号 在硬盘系统中,盘面号又叫磁头号,因为每一个有效盘面都有一个对应的读写 磁头硬盘的盘片组在 2~14 片不等,通常有 2~3 个盘片,故盘面号(磁头号) 为 0~3 或 0~52. 磁道磁盘在格式化时被划分成许多同心圆,这些同心圆轨迹叫做磁道(Track)磁 道从外向内从 0 开始顺序编号硬盘的每一个盘面有 300~1 024 个磁道,新式 大容量硬盘每面的磁道数更多信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中,这些 同心圆不是连续记录数据,而是被划分成一段段的圆弧,这些圆弧的角速度一 样由于径向长度不一样,所以,线速度也不一样,外圈的线速度较内圈的线 速度大,即同样的转速下,外圈在同样时间段里,划过的圆弧长度要比内圈划 过的圆弧长度大。

      每段圆弧叫做一个扇区,扇区从“1”开始编号,每个扇区中 的数据作为一个单元同时读出或写入一个标准的 3.5in 硬盘盘面通常有几百到几千条磁道磁道是“看”不见的,只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁 化区,在磁盘格式化时就已规划完毕1.3 硬盘的逻辑结构(2)3. 柱面所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱,通常称做柱面(Cylinder),每个圆柱 上的磁头由上而下从“0”开始编号数据的读/写按柱面进行,即磁头读/写数 据时首先在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作,依次向下在同一柱面的不同 盘面即磁头上进行操作,只在同一柱面所有的磁头全部读/写完毕后磁头才转移 到下一柱面,因为选取磁头只需通过电子切换即可,而选取柱面则必须通过机 械切换电子切换相当快,比在机械上磁头向邻近磁道移动快得多,所以,数 据的读/写按柱面进行,而不按盘面进行也就是说,一个磁道写满数据后,就 在同一柱面的下一个盘面来写,一个柱面写满后,才移到下一个扇区开始写数 据读数据也按照这种方式进行,这样就提高了硬盘的读/写效率一块硬盘驱动器的圆柱数(或每个盘面的磁道数)既取决于每条磁道的宽窄 (同样,也与磁头的大小有关),也取决于定位机构所决定的磁道间步距的大 小。

      更深层的内容请参考其他书籍,限于篇幅,这里不再深入介绍4. 扇区操作系统以扇区(Sector)形式将信息存储在硬盘上,每个扇区包括 512 个字 节的数据和一些其他信息一个扇区有两个主要部分:存储数据地点的标识符 和存储数据的数据段,如图 1-9 所示图 1-9 硬盘扇区的构成标识符就是扇区头标,包括组成扇区三维地址的三个数字:扇区所在的磁头 (或盘面)、磁道(或柱面号)以及扇区在磁道上的位置即扇区号头标中还 包括一个字段,其中有显示扇区是否能可靠存储数据,或者是否已发现某个故 障因而不宜使用的标记有些硬盘控制器在扇区头标中还记录有指示字,可在 原扇区出错时指引磁盘转到替换扇区或磁道最后,扇区头标以循环冗余校验 (CRC)值作为结束,以供控制器检验扇区头标的读出情况,确保准确无误扇区的第二个主要部分是存储数据的数据段,可分为数据和保护数据的纠错码 (ECC)在初始准备期间,计算机用 512 个虚拟信息字节(实际数据的存放地) 和与这些虚拟信息字节相应的 ECC 数字填入这个部分扇区头标包含一个可识别磁道上该扇区的扇区号有趣的是,这些扇区号物理 上并不连续编号,它们不必用任何特定的顺序指定。

      扇区头标的设计允许扇区 号可以从 1 到某个最大值,某些情况下可达 255磁盘控制器并不关心上述范 围中什么编号安排在哪一个扇区头标中在很特殊的情况下,扇区还可以共用 相同的编号磁盘控制器甚至根本就不管数据区有多大,只。

      点击阅读更多内容
      关于金锄头网 - 版权申诉 - 免责声明 - 诚邀英才 - 联系我们
      手机版 | 川公网安备 51140202000112号 | 经营许可证(蜀ICP备13022795号)
      ©2008-2016 by Sichuan Goldhoe Inc. All Rights Reserved.