硬盤內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)與工作原理詳解

1、硬盤內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和工作原理詳解分類：其他2012-05-07 09:23239人閱讀評論(0)收藏舉報工作磁盤存儲產(chǎn)品任務(wù)ibm一般硬盤正面貼有產(chǎn)品標(biāo)簽，主要包括廠家信息和產(chǎn)品信息，如商標(biāo)、型號、序列號、生產(chǎn)日期、容量、參數(shù)和主從設(shè)置方法等。這些信息是正確使用硬盤的基本依據(jù)，下面將逐步介紹它們的含義。硬盤主要由盤體、控制電路板和接口部件等組成，如圖1-1所示。盤體是一個密封的腔體。硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常是指盤體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；控制電路板上主要有硬盤BIOS、硬盤緩存（即CACHE）和主控制芯片等單元，如圖1-2所示；硬盤接口包括電源插座、數(shù)據(jù)接口和主、從跳線，如圖1-3所示。圖1-1 硬盤的外觀圖1-

2、2 控制電路板圖1-3 硬盤接口電源插座連接電源，為硬盤工作提供電力保證。數(shù)據(jù)接口是硬盤與主板、內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通道，使用一根40針40線（早期）或40針80線（當(dāng)前）的IDE接口電纜進(jìn)行連接。新增加的40線是信號屏蔽線，用于屏蔽高速高頻數(shù)據(jù)傳輸過程中的串?dāng)_。中間的主、從盤跳線插座，用以設(shè)置主、從硬盤，即設(shè)置硬盤驅(qū)動器的訪問順序。其設(shè)置方法一般標(biāo)注在盤體外的標(biāo)簽上，也有一些標(biāo)注在接口處，早期的硬盤還可能印在電路板上。此外，在硬盤表面有一個透氣孔（見圖1-1），它的作用是使硬盤內(nèi)部氣壓與外部大氣壓保持一致。由于盤體是密封的，所以，這個透氣孔不直接和內(nèi)部相通，而是經(jīng)由一個高效過濾器和盤體相通

3、，用以保證盤體內(nèi)部的潔凈無塵，使用中注意不要將它蓋住。1.2 硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常專指盤體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。盤體是一個密封的腔體，里面密封著磁頭、盤片（磁片、碟片）等部件，如圖1-4所示。圖1-4 硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)硬盤的盤片是硬質(zhì)磁性合金盤片，片厚一般在0.5mm左右，直徑主要有1.8in（1in=25.4mm）、2.5in、3.5in和5.25in 4種，其中2.5in和3.5in盤片應(yīng)用最廣。盤片的轉(zhuǎn)速與盤片大小有關(guān)，考慮到慣性及盤片的穩(wěn)定性，盤片越大轉(zhuǎn)速越低。一般來講，2.5in硬盤的轉(zhuǎn)速在5 400 r/min7 200 r/ min之間；3.5in硬盤的轉(zhuǎn)速在4 500 r/min

4、5 400 r/min之間；而5.25in硬盤轉(zhuǎn)速則在3 600 r/min4 500 r/min之間。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在2.5in硬盤的轉(zhuǎn)速最高已達(dá)15 000 r/min，3.5in硬盤的轉(zhuǎn)速最高已達(dá)12 000 r/min。有的硬盤只裝一張盤片，有的硬盤則有多張盤片。這些盤片安裝在主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，在主軸電機(jī)的帶動下高速旋轉(zhuǎn)。每張盤片的容量稱為單碟容量，而硬盤的容量就是所有盤片容量的總和。早期硬盤由于單碟容量低，所以，盤片較多，有的甚至多達(dá)10余片，現(xiàn)代硬盤的盤片一般只有少數(shù)幾片。一塊硬盤內(nèi)的所有盤片都是完全一樣的，不然控制部分就太復(fù)雜了。一個牌子的一個系列一般都用同一種盤片，使用不同

5、數(shù)量的盤片，就出現(xiàn)了一個系列不同容量的硬盤產(chǎn)品。盤體的完整構(gòu)造如圖1-5所示。圖1-5 盤體的完整結(jié)構(gòu)硬盤驅(qū)動器采用高精度、輕型磁頭驅(qū)動/定位系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能使磁頭在盤面上快速移動，可在極短的時間內(nèi)精確地定位在由計算機(jī)指令指定的磁道上。目前，磁道密度已高達(dá)5 400Tpi（每英寸磁道數(shù)）或更高；人們還在研究各種新方法，如在盤上擠壓（或刻蝕）圖形、凹槽和斑點等作為定位和跟蹤標(biāo)記，以提高到和光盤相等的道密度，從而在保持磁盤機(jī)高速度、高位密度和高可靠性的優(yōu)勢下，大幅度提高存儲容量。硬盤驅(qū)動器內(nèi)的電機(jī)都是無刷電機(jī)，在高速軸承支持下機(jī)械磨損很小，可以長時間連續(xù)工作。高速旋轉(zhuǎn)的盤體產(chǎn)生明顯的陀螺效應(yīng)，所以

6、，在硬盤工作時不宜搬動，否則，將增加軸承的工作負(fù)荷。為了高速存儲和讀取信息，硬盤驅(qū)動器的磁頭質(zhì)量小，慣性也小，所以，硬盤驅(qū)動器的尋道速度明顯快于軟驅(qū)和光驅(qū)。硬盤驅(qū)動器磁頭與磁頭臂及伺服定位系統(tǒng)是一個整體。伺服定位系統(tǒng)由磁頭臂后的線圈和固定在底板上的電磁控制系統(tǒng)組成。由于定位系統(tǒng)限制，磁頭臂只能在盤片的內(nèi)外磁道之間移動。因此，不管開機(jī)還是關(guān)機(jī)，磁頭總在盤片上；所不同的是，關(guān)機(jī)時磁頭停留在盤片啟停區(qū)，開機(jī)時磁頭“飛行”在磁盤片上方。硬盤上的數(shù)據(jù)是如何組織與管理的呢？硬盤首先在邏輯上被劃分為磁道、柱面以及扇區(qū)，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1-6所示。圖1-6 磁頭、柱面和扇區(qū)每個盤片的每個面都有一個讀寫磁頭，磁盤

7、盤面區(qū)域的劃分如圖1-7所示。磁頭靠近主軸接觸的表面，即線速度最小的地方，是一個特殊的區(qū)域，它不存放任何數(shù)據(jù)，稱為啟停區(qū)或著陸區(qū)（Landing Zone），啟停區(qū)外就是數(shù)據(jù)區(qū)。在最外圈，離主軸最遠(yuǎn)的地方是“0”磁道，硬盤數(shù)據(jù)的存放就是從最外圈開始的。那么，磁頭是如何找到“0”磁道的位置的呢？從圖1-5中可以看到，有一個“0”磁道檢測器，由它來完成硬盤的初始定位。“0”磁道是如此的重要，以致很多硬盤僅僅因為“0”磁道損壞就報廢，這是非?？上У?。這種故障的修復(fù)技術(shù)在后面的章節(jié)中有詳細(xì)的介紹。圖1-7 硬盤盤片的啟停區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)早期的硬盤在每次關(guān)機(jī)之前需要運行一個被稱為Parking的程序，其作用是

8、讓磁頭回到啟停區(qū)?，F(xiàn)代硬盤在設(shè)計上已摒棄了這個雖不復(fù)雜卻很讓人不愉快的小缺陷。硬盤不工作時，磁頭停留在啟停區(qū)，當(dāng)需要從硬盤讀寫數(shù)據(jù)時，磁盤開始旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到額定的高速時，磁頭就會因盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流而抬起，這時磁頭才向盤片存放數(shù)據(jù)的區(qū)域移動。盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流相當(dāng)強，足以使磁頭托起，并與盤面保持一個微小的距離。這個距離越小，磁頭讀寫數(shù)據(jù)的靈敏度就越高，當(dāng)然對硬盤各部件的要求也越高。早期設(shè)計的磁盤驅(qū)動器使磁頭保持在盤面上方幾微米處飛行。稍后一些設(shè)計使磁頭在盤面上的飛行高度降到約0.1m0.5m，現(xiàn)在的水平已經(jīng)達(dá)到0.005m0.01m，這只是人類頭發(fā)直徑的千分之一。氣流既能使磁頭脫離開盤面，

9、又能使它保持在離盤面足夠近的地方，非常緊密地跟隨著磁盤表面呈起伏運動，使磁頭飛行處于嚴(yán)格受控狀態(tài)。磁頭必須飛行在盤面上方，而不是接觸盤面，這種位置可避免擦傷磁性涂層，而更重要的是不讓磁性涂層損傷磁頭。但是，磁頭也不能離盤面太遠(yuǎn)，否則，就不能使盤面達(dá)到足夠強的磁化，難以讀出盤上的磁化翻轉(zhuǎn)（磁極轉(zhuǎn)換形式，是磁盤上實際記錄數(shù)據(jù)的方式）。硬盤驅(qū)動器磁頭的飛行懸浮高度低、速度快，一旦有小的塵埃進(jìn)入硬盤密封腔內(nèi)，或者一旦磁頭與盤體發(fā)生碰撞，就可能造成數(shù)據(jù)丟失，形成壞塊，甚至造成磁頭和盤體的損壞。所以，硬盤系統(tǒng)的密封一定要可靠，在非專業(yè)條件下絕對不能開啟硬盤密封腔，否則，灰塵進(jìn)入后會加速硬盤的損壞。另外，硬

10、盤驅(qū)動器磁頭的尋道伺服電機(jī)多采用音圈式旋轉(zhuǎn)或直線運動步進(jìn)電機(jī)，在伺服跟蹤的調(diào)節(jié)下精確地跟蹤盤片的磁道，所以，硬盤工作時不要有沖擊碰撞，搬動時要小心輕放。這種硬盤就是采用溫徹斯特（Winchester）技術(shù)制造的硬盤，所以也被稱為溫盤。其結(jié)構(gòu)特點如下。磁頭、盤片及運動機(jī)構(gòu)密封在盤體內(nèi)。磁頭在啟動、停止時與盤片接觸，在工作時因盤片高速旋轉(zhuǎn)，帶動磁頭“懸浮”在盤片上面呈飛行狀態(tài)（空氣動力學(xué)原理），“懸浮”的高度約為0.1m0.3m，這個高度非常小，圖1-8標(biāo)出了這個高度與頭發(fā)、煙塵和手指印的大小比較關(guān)系，從這里可以直觀地“看”出這個高度有多“高”。圖1-8 盤片結(jié)構(gòu)及磁頭高度示意圖磁頭工作時與盤片不

11、直接接觸，所以，磁頭的加載較小，磁頭可以做得很精致，檢測磁道的能力很強，可大大提高位密度。磁盤表面非常平整光滑，可以做鏡面使用。下面對“盤面”、“磁道”、“柱面”和“扇區(qū)”的含義逐一進(jìn)行介紹。1. 盤面號硬盤的盤片一般用鋁合金材料做基片，高速硬盤也可能用玻璃做基片。玻璃基片更容易達(dá)到所需的平面度和光潔度，且有很高的硬度。磁頭傳動裝置是使磁頭部件作徑向移動的部件，通常有兩種類型的傳動裝置。一種是齒條傳動的步進(jìn)電機(jī)傳動裝置；另一種是音圈電機(jī)傳動裝置。前者是固定推算的傳動定位器，而后者則采用伺服反饋返回到正確的位置上。磁頭傳動裝置以很小的等距離使磁頭部件做徑向移動，用以變換磁道。硬盤的每一個盤片都有

12、兩個盤面（Side），即上、下盤面，一般每個盤面都會利用，都可以存儲數(shù)據(jù)，成為有效盤片，也有極個別的硬盤盤面數(shù)為單數(shù)。每一個這樣的有效盤面都有一個盤面號，按順序從上至下從“0”開始依次編號。在硬盤系統(tǒng)中，盤面號又叫磁頭號，因為每一個有效盤面都有一個對應(yīng)的讀寫磁頭。硬盤的盤片組在214片不等，通常有23個盤片，故盤面號（磁頭號）為03或05。2. 磁道磁盤在格式化時被劃分成許多同心圓，這些同心圓軌跡叫做磁道（Track）。磁道從外向內(nèi)從0開始順序編號。硬盤的每一個盤面有3001 024個磁道，新式大容量硬盤每面的磁道數(shù)更多。信息以脈沖串的形式記錄在這些軌跡中，這些同心圓不是連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，而是被劃

13、分成一段段的圓弧，這些圓弧的角速度一樣。由于徑向長度不一樣，所以，線速度也不一樣，外圈的線速度較內(nèi)圈的線速度大，即同樣的轉(zhuǎn)速下，外圈在同樣時間段里，劃過的圓弧長度要比內(nèi)圈劃過的圓弧長度大。每段圓弧叫做一個扇區(qū)，扇區(qū)從“1”開始編號，每個扇區(qū)中的數(shù)據(jù)作為一個單元同時讀出或?qū)懭搿Ｒ粋€標(biāo)準(zhǔn)的3.5in硬盤盤面通常有幾百到幾千條磁道。磁道是“看”不見的，只是盤面上以特殊形式磁化了的一些磁化區(qū)，在磁盤格式化時就已規(guī)劃完畢。3. 柱面所有盤面上的同一磁道構(gòu)成一個圓柱，通常稱做柱面（Cylinder），每個圓柱上的磁頭由上而下從“0”開始編號。數(shù)據(jù)的讀/寫按柱面進(jìn)行，即磁頭讀/寫數(shù)據(jù)時首先在同一柱面內(nèi)從“0

14、”磁頭開始進(jìn)行操作，依次向下在同一柱面的不同盤面即磁頭上進(jìn)行操作，只在同一柱面所有的磁頭全部讀/寫完畢后磁頭才轉(zhuǎn)移到下一柱面，因為選取磁頭只需通過電子切換即可，而選取柱面則必須通過機(jī)械切換。電子切換相當(dāng)快，比在機(jī)械上磁頭向鄰近磁道移動快得多，所以，數(shù)據(jù)的讀/寫按柱面進(jìn)行，而不按盤面進(jìn)行。也就是說，一個磁道寫滿數(shù)據(jù)后，就在同一柱面的下一個盤面來寫，一個柱面寫滿后，才移到下一個扇區(qū)開始寫數(shù)據(jù)。讀數(shù)據(jù)也按照這種方式進(jìn)行，這樣就提高了硬盤的讀/寫效率。一塊硬盤驅(qū)動器的圓柱數(shù)（或每個盤面的磁道數(shù)）既取決于每條磁道的寬窄（同樣，也與磁頭的大小有關(guān)），也取決于定位機(jī)構(gòu)所決定的磁道間步距的大小。更深層的內(nèi)容請

15、參考其他書籍，限于篇幅，這里不再深入介紹。4. 扇區(qū)操作系統(tǒng)以扇區(qū)（Sector）形式將信息存儲在硬盤上，每個扇區(qū)包括512個字節(jié)的數(shù)據(jù)和一些其他信息。一個扇區(qū)有兩個主要部分：存儲數(shù)據(jù)地點的標(biāo)識符和存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，如圖1-9所示。圖1-9 硬盤扇區(qū)的構(gòu)成標(biāo)識符就是扇區(qū)頭標(biāo)，包括組成扇區(qū)三維地址的三個數(shù)字：扇區(qū)所在的磁頭（或盤面）、磁道（或柱面號）以及扇區(qū)在磁道上的位置即扇區(qū)號。頭標(biāo)中還包括一個字段，其中有顯示扇區(qū)是否能可靠存儲數(shù)據(jù)，或者是否已發(fā)現(xiàn)某個故障因而不宜使用的標(biāo)記。有些硬盤控制器在扇區(qū)頭標(biāo)中還記錄有指示字，可在原扇區(qū)出錯時指引磁盤轉(zhuǎn)到替換扇區(qū)或磁道。最后，扇區(qū)頭標(biāo)以循環(huán)冗余校驗（CR

16、C）值作為結(jié)束，以供控制器檢驗扇區(qū)頭標(biāo)的讀出情況，確保準(zhǔn)確無誤。扇區(qū)的第二個主要部分是存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，可分為數(shù)據(jù)和保護(hù)數(shù)據(jù)的糾錯碼（ECC）。在初始準(zhǔn)備期間，計算機(jī)用512個虛擬信息字節(jié)（實際數(shù)據(jù)的存放地）和與這些虛擬信息字節(jié)相應(yīng)的ECC數(shù)字填入這個部分。扇區(qū)頭標(biāo)包含一個可識別磁道上該扇區(qū)的扇區(qū)號。有趣的是，這些扇區(qū)號物理上并不連續(xù)編號，它們不必用任何特定的順序指定。扇區(qū)頭標(biāo)的設(shè)計允許扇區(qū)號可以從1到某個最大值，某些情況下可達(dá)255。磁盤控制器并不關(guān)心上述范圍中什么編號安排在哪一個扇區(qū)頭標(biāo)中。在很特殊的情況下，扇區(qū)還可以共用相同的編號。磁盤控制器甚至根本就不管數(shù)據(jù)區(qū)有多大，只管讀出它所找到的

17、數(shù)據(jù)，或者寫入要求它寫的數(shù)據(jù)。給扇區(qū)編號的最簡單方法是l，2，3，4，5，6等順序編號。如果扇區(qū)按順序繞著磁道依次編號，那么，控制器在處理一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)期間，磁盤旋轉(zhuǎn)太遠(yuǎn)，超過扇區(qū)間的間隔（這個間隔很小），控制器要讀出或?qū)懭氲南乱簧葏^(qū)已經(jīng)通過磁頭，也許是相當(dāng)大的一段距離。在這種情況下，磁盤控制器就只能等待磁盤再次旋轉(zhuǎn)幾乎一周，才能使得需要的扇區(qū)到達(dá)磁頭下面。顯然，要解決這個問題，靠加大扇區(qū)間的間隔是不現(xiàn)實的，那會浪費許多磁盤空間。許多年前，IBM的一位杰出工程師想出了一個絕妙的辦法，即對扇區(qū)不使用順序編號，而是使用一個交叉因子（interleave）進(jìn)行編號。交叉因子用比值的方法來表示，如31

18、表示磁道上的第1個扇區(qū)為1號扇區(qū)，跳過兩個扇區(qū)即第4個扇區(qū)為2號扇區(qū)，這個過程持續(xù)下去直到給每個物理扇區(qū)編上邏輯號為止。例如，每磁道有17個扇區(qū)的磁盤按21的交叉因子編號就是：l，10，2，11，3，12，4，13，5，14，6，15，7，16，8，17，9，而按31的交叉因子編號就是：l，7，13，2，8，14，3，9，15，4，10，16，5，11，17，6，12。當(dāng)設(shè)置1l的交叉因子時，如果硬盤控制器處理信息足夠快，那么，讀出磁道上的全部扇區(qū)只需要旋轉(zhuǎn)一周；但如果硬盤控制器的后處理動作沒有這么快，磁盤所轉(zhuǎn)的圈數(shù)就等于一個磁道上的扇區(qū)數(shù)，才能讀出每個磁道上的全部數(shù)據(jù)。將交叉因子設(shè)定為21時

19、，磁頭要讀出磁道上的全部數(shù)據(jù)，磁盤只需轉(zhuǎn)兩周。如果21的交叉因子仍不夠慢，磁盤旋轉(zhuǎn)的周數(shù)約為磁道的扇區(qū)數(shù)，這時，可將交叉因子調(diào)整為31，如圖1-10所示。圖1-10 不同交叉因子的效果示例圖1-10所示的是典型的MFM（Modified Frequency Modulation，改進(jìn)型調(diào)頻制編碼）硬盤，每磁道有17個扇區(qū)，畫出了用三種不同的扇區(qū)交叉因子編號的情況。最外圈的磁道（0號柱面）上的扇區(qū)用簡單的順序連續(xù)編號，相當(dāng)于扇區(qū)交叉因子是11。1號磁道（柱面）的扇區(qū)按21的交叉因子編號，而2號磁道按31的扇區(qū)交叉因子編號。早期的硬盤管理工作中，設(shè)置交叉因子需要用戶自己完成。用BIOS中的低級格式

20、化程序?qū)τ脖P進(jìn)行低級格式化時，就需要指定交叉因子，有時還需要設(shè)置幾種不同的值來比較其性能，而后確定一個比較好的值，以期硬盤的性能較好?，F(xiàn)在的硬盤BIOS已經(jīng)自己解決這個問題，所以，一般低級格式化程序不再提供這一選項設(shè)置。系統(tǒng)將文件存儲到磁盤上時，按柱面、磁頭、扇區(qū)的方式進(jìn)行，即最先是第1磁道的第一磁頭下（也就是第1盤面的第一磁道）的所有扇區(qū)，然后，是同一柱面的下一磁頭，一個柱面存儲滿后就推進(jìn)到下一個柱面，直到把文件內(nèi)容全部寫入磁盤。系統(tǒng)也以相同的順序讀出數(shù)據(jù)。讀出數(shù)據(jù)時通過告訴磁盤控制器要讀出扇區(qū)所在的柱面號、磁頭號和扇區(qū)號（物理地址的三個組成部分）進(jìn)行。磁盤控制器則直接使磁頭部件步進(jìn)到相應(yīng)的

21、柱面，選通相應(yīng)的磁頭，等待要求的扇區(qū)移動到磁頭下。在扇區(qū)到來時，磁盤控制器讀出每個扇區(qū)的頭標(biāo)，把這些頭標(biāo)中的地址信息與期待檢出的磁頭和柱面號做比較（即尋道），然后，尋找要求的扇區(qū)號。待磁盤控制器找到該扇區(qū)頭標(biāo)時，根據(jù)其任務(wù)是寫扇區(qū)還是讀扇區(qū)，來決定是轉(zhuǎn)換寫電路，還是讀出數(shù)據(jù)和尾部記錄。找到扇區(qū)后，磁盤控制器必須在繼續(xù)尋找下一個扇區(qū)之前對該扇區(qū)的信息進(jìn)行后處理。如果是讀數(shù)據(jù)，控制器計算此數(shù)據(jù)的ECC碼，然后，把ECC碼與已記錄的ECC碼相比較。如果是寫數(shù)據(jù)，控制器計算出此數(shù)據(jù)的ECC碼，與數(shù)據(jù)一起存儲。在控制器對此扇區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理期間，磁盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由于對信息的后處理需要耗費一定的時間，在這段時間內(nèi)，磁盤已轉(zhuǎn)了相當(dāng)?shù)慕嵌?。交叉因子的確定是一個系統(tǒng)級的問題。一個特定硬盤驅(qū)動器的交叉因子取決于：磁盤控制器的速度、主板的時鐘速度、與控制器相連的輸出總線的操作速度等。如果磁盤的交叉因子值太高，就需多花一些時間等待數(shù)據(jù)在磁盤上存入和讀出。如果交叉因子值太低，就會大大降低磁盤性能。前面已經(jīng)述及，系統(tǒng)在磁盤上寫入信息時，寫滿一個磁道后轉(zhuǎn)到同一柱面的下一個磁頭，當(dāng)柱面寫滿時，再轉(zhuǎn)向下一柱