第2章 硬盤物理和邏輯結(jié)構(gòu)

1、數(shù)據(jù)恢復(fù)的本質(zhì)是找到用戶所需要的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)不論是哪種類型的，其必然存儲(chǔ)于一定的介質(zhì)之上。因此我們有必要了解一下當(dāng)今市場上主流的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。根據(jù)使用的材料和存儲(chǔ)原理的不同，存儲(chǔ)介質(zhì)可分為三大類： 電存儲(chǔ)技術(shù)介質(zhì)，如內(nèi)存、閃存等； 磁存儲(chǔ)技術(shù)介質(zhì)，如磁帶、磁盤等； 光存儲(chǔ)技術(shù)介質(zhì)，如光盤、DVD等。 電存儲(chǔ)技術(shù)主要是指半導(dǎo)體存儲(chǔ)器SCM（Semiconductor Memory）。早期的SCM采用典型的晶體管觸發(fā)器作為存儲(chǔ)位元，加上選擇、讀寫等電路構(gòu)成存儲(chǔ)器?，F(xiàn)代的SCM采用超大規(guī)模集成電路工藝制成存儲(chǔ)芯片，每個(gè)芯片中包含相當(dāng)數(shù)量的存儲(chǔ)位元，再由若干芯片構(gòu)成存儲(chǔ)器。 磁存儲(chǔ)，主要指磁表面存儲(chǔ)器

2、MSM（Magnetic Surface Memory）。磁表面存儲(chǔ)器是用非磁性金屬或塑料作基體，在其表面涂敷、電鍍、沉積或?yàn)R射一層很薄的高導(dǎo)磁率、硬矩磁材料的磁面，用磁層的兩種剩磁狀態(tài)記錄信息“0”和“1”?；w和磁層合稱為磁記錄介質(zhì)。依記錄介質(zhì)的形狀可分別稱為磁卡存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器、磁鼓存儲(chǔ)器和磁盤存儲(chǔ)器。計(jì)算機(jī)中目前廣泛使用的MSM是磁盤和磁帶存儲(chǔ)器。光盤存儲(chǔ)器ODM（Optical Disk Memory）和MSM類似，也是將用于記錄的薄層涂敷在基體上構(gòu)成記錄介質(zhì)。不同的是基體的圓形薄片由熱傳導(dǎo)率很小，耐熱性很強(qiáng)的有機(jī)玻璃制成。在記錄薄層的表面再涂敷或沉積保護(hù)薄層，以保護(hù)記錄面。記錄薄

3、層有非磁性材料和磁性材料兩種，前者構(gòu)成光盤介質(zhì)，后者構(gòu)成磁光盤介質(zhì)。采用光存儲(chǔ)技術(shù)的介質(zhì)有CD、DVD光盤等。硬盤是一個(gè)集機(jī)、電、磁于一體的高精系統(tǒng)。其內(nèi)部是密封的，對(duì)用戶而言既是黑匣子，也是透明的，用戶根本不用關(guān)心其內(nèi)部的運(yùn)行，只需把標(biāo)準(zhǔn)接口接上即可正常使用，其正面如圖2-1所示。 圖2-1 硬盤正面在硬盤的正面貼有產(chǎn)品標(biāo)簽，主要有廠家的信息和產(chǎn)品信息，如商標(biāo)、型號(hào)、序列號(hào)、生產(chǎn)日期、容量、參數(shù)、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)，如圖2-2所示。 圖2-2 硬盤產(chǎn)品標(biāo)簽圖2-2所示的是WD200BB的產(chǎn)品標(biāo)簽。從型號(hào)上可以判斷，它是一款容量為20GB的7200RPM高速硬盤，

4、產(chǎn)品序列號(hào)為WMA9L1203351，產(chǎn)地為馬來西亞，出廠日期是2001年8月15日。 在硬盤的背面則是控制電路板，如圖2-3所示。從圖2-3中可以清楚地看出各部件的位置?？偟脕碚f，硬盤外部結(jié)構(gòu)可以分成控制電路板和外殼兩個(gè)部份。 圖2-3硬盤背面大多數(shù)的控制電路板，包括主軸調(diào)速電路、磁頭驅(qū)動(dòng)與伺服定位電路、讀寫電路、高速緩存、控制與接口電路等。在電路板上還有一塊ROM芯片，里面固化的程序可以對(duì)硬盤進(jìn)行初始化，執(zhí)行加電和啟動(dòng)主軸電機(jī)，加電初始尋道、定位以及故障檢測(cè)等。在電路板上還安裝有容量不等的高速數(shù)據(jù)緩存芯片。讀寫電路的作用就是控制磁頭進(jìn)行讀寫操作。磁頭驅(qū)動(dòng)電路直接控制尋道電機(jī)，使磁頭定位。主

5、軸調(diào)速電路是控制主軸電機(jī)帶動(dòng)盤體以恒定速率轉(zhuǎn)動(dòng)的電路。緩存（Cache）對(duì)磁盤性能所帶來的作用是毋庸置疑的，在讀取零碎文件數(shù)據(jù)時(shí)，大緩存能帶來非常大的優(yōu)勢(shì)。 在硬盤的一端有電源接口插座、主從設(shè)置跳線器和數(shù)據(jù)線接口插座，電源插口與主機(jī)電源相聯(lián)，為硬盤工作提供電力保證。數(shù)據(jù)接口則是硬盤數(shù)據(jù)和主板控制器之間進(jìn)行傳輸交換的紐帶，根據(jù)聯(lián)接方式的差異，分為EIDE接口、SCSI接口和SATA串口。EIDE接口多用在桌面硬盤，經(jīng)常聽說的40針、80芯的接口電纜指的就是這類數(shù)據(jù)線，如圖2-4所示。SCSI接口則多用在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和高檔圖形工作站中，如圖2-5所示。SATA串口數(shù)據(jù)傳輸目前最高達(dá)到150MB/S，

6、是當(dāng)前的主流產(chǎn)品，如圖2-6所示。圖2-4 硬盤EIDE接口圖2-5 硬盤SCSI接口 （68針）圖2-6 硬盤SATA接口 S-ATA采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式，因此每個(gè)S-ATA線纜（或通道）只能連接一塊硬盤，相應(yīng)的也就不必像并行硬盤那樣設(shè)置主、從跳線。 硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)由固定面板、控制電路和板、磁頭、盤片、主軸、電機(jī)、接口及其它附件組成，其中磁頭盤片組件是構(gòu)成硬盤的核心，它封裝在硬盤的凈化腔體內(nèi)，包括有浮動(dòng)磁頭組件、磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、盤片、主軸驅(qū)動(dòng)裝置及前置讀寫控制電路這幾個(gè)部份。 圖2-7揭開硬盤面板 圖2-8內(nèi)部結(jié)構(gòu) 磁頭組件。這個(gè)組件是硬盤中最精密的部位之一，它由讀寫磁頭、傳動(dòng)手臂、傳動(dòng)軸三部分組

7、成。磁頭是硬盤技術(shù)中最重要和關(guān)鍵的一環(huán)，實(shí)際上是集成工藝制成的多個(gè)磁頭的組合，采用非接觸式頭、盤結(jié)構(gòu)，加電后在高速旋轉(zhuǎn)的磁盤表面移動(dòng)，與盤片之間的間隙只有0.10.3m，這樣可以獲得很好的數(shù)據(jù)傳輸率，如圖2-9所示。 圖2-9 磁頭組件 磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電磁線圈電機(jī)、磁頭驅(qū)動(dòng)小車、防震動(dòng)裝置構(gòu)成，高精度的輕型磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)Υ蓬^進(jìn)行正確的驅(qū)動(dòng)和定位，并能在很短的時(shí)間內(nèi)精確定位系統(tǒng)指令指定的磁道。 磁盤片。盤片是硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的載體，現(xiàn)在硬盤盤片大多采用金屬薄膜材料，這種金屬薄膜與軟盤的不連續(xù)顆粒載體相比具有更高的存儲(chǔ)密度、高剩磁及高矯頑力等優(yōu)點(diǎn)。 主軸組件。主軸組件包括主軸部件如軸

8、承和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。隨著硬盤容量的擴(kuò)大和速度的提高，主軸電機(jī)的速度也在不斷提升，有廠商開始采用精密機(jī)械工業(yè)的液態(tài)軸承電機(jī)技術(shù)（FDB）。采用FDB電機(jī)不僅可以使硬盤的工作噪音降低許多，而且還可以增加硬盤的工作穩(wěn)定性。 前置控制電路。前置電路控制磁頭感應(yīng)的信號(hào)、主軸電機(jī)調(diào)速、磁頭驅(qū)動(dòng)和伺服定位等，由于磁頭讀取的信號(hào)微弱，將放大電路密封在腔體內(nèi)可減少外來信號(hào)的干擾，提高操作指令的準(zhǔn)確性。目前，微機(jī)上安裝的硬盤幾乎都是采用溫徹斯特（Winchester）技術(shù)制造的硬盤，這種硬盤也被稱為溫盤。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：（1）磁頭、盤片及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封在盤體內(nèi)；（2）磁頭在啟動(dòng)、停止時(shí)與盤片接觸，而在工作時(shí)因盤片高速

9、旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)磁頭“懸浮”在盤片上面呈飛行狀態(tài)（空氣動(dòng)力學(xué)原理），這個(gè)“懸浮”的高度約為0.1微米0.3微米，這個(gè)高度是非常小的，圖2-10標(biāo)出了這個(gè)高度與頭發(fā)、煙塵和手指印的大小比較關(guān)系，從這里就可以直觀的“看”出這個(gè)高度到底有多“高”了；圖2-10 磁頭高度 （3）磁頭工作時(shí)與盤片不直接接觸，所以磁頭的加載較小，磁頭可以做得很精致，檢測(cè)磁道的能力很強(qiáng)，可大大提高位密度；（4）磁盤表面非常平整光滑，可以做鏡面使用。每個(gè)盤片的每個(gè)面都有一個(gè)讀寫磁頭，磁盤盤面區(qū)域的劃分如圖2-23所示。與磁頭接觸的表面靠近主軸，即線速度最小的地方，是一個(gè)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)（Land

10、ingZone），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，而硬盤數(shù)據(jù)的存放就是從最外圈開始的 。圖2-11硬盤盤片的啟停區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū) 5.“濕盤”技術(shù) 如果要把磁盤密度進(jìn)一步增大，目前以金屬薄膜盤片以及玻璃盤片為 基礎(chǔ)的“溫盤”技術(shù)便無能為力了，我們知道，當(dāng)磁盤密度達(dá)到一定程度時(shí)，信號(hào)便會(huì)變得更加微弱，并且相鄰信號(hào)之間的干擾也更為嚴(yán)重 要解決這個(gè)問題只能把磁頭進(jìn)一步貼近盤片，但目前的磁頭飛行高度己 不到0.08um，要進(jìn)一步令磁頭靠近盤片非常困難，因?yàn)檫@要克服磁頭抖 動(dòng)及盤片細(xì)微凹凸等引起的問題。為此，有人提出干脆把磁頭緊貼磁盤 (Contact recording)，就像錄

11、音機(jī)那樣。但對(duì)盤片及磁頭而言，這種接 觸是致命的，磁頭與盤片會(huì)兩敗俱傷于是，一種全新的盤片一“濕盤 ”(wet disk)，被提上研發(fā)口程，“濕盤”可以最大限度地減少磁頭與 盤片的摩擦，但其中還有下少技術(shù)與工藝上的問題有待解決。我們期待 著這新型磁盤材鈞的早日間世。2.4.1 盤片 硬盤的盤片一般用鋁合金作基片，高速旋轉(zhuǎn)的硬盤也有用玻璃作基片的。玻璃基片更容易達(dá)到其要求的平面度和光潔度，并且有很高的硬度。磁頭傳動(dòng)裝置是使磁頭部件作徑向移動(dòng)的部件，磁頭傳動(dòng)裝置以很小的等距離使磁頭部件作徑向移動(dòng)，用以變換磁道。 硬盤的每一個(gè)盤片都有兩個(gè)盤面（Side），即上、下盤面，一般每個(gè)盤面都利用上，即都裝上

12、磁頭可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，成為有效盤片，也有極個(gè)別的硬盤其盤面數(shù)為單數(shù)。每一個(gè)這樣的有效盤面都有一個(gè)盤面號(hào)，按順序從上而下自“0”開始依次編號(hào)。在硬盤系統(tǒng)中，盤面號(hào)又叫磁頭號(hào)，就是因?yàn)槊恳粋€(gè)有效盤面都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的讀寫磁頭。硬盤的盤片組在214片不等，通常有23個(gè)盤片，故盤面號(hào)（磁頭號(hào)）為03或05。 磁盤在格式化時(shí)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)自0開始順序編號(hào)。硬盤的每一個(gè)盤面有3001024個(gè)磁道，新式大容量硬盤每面的磁道數(shù)更多，如圖2-12所示。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)，而是被劃分成一段段的圓弧，每段圓弧叫做一個(gè)扇區(qū)，扇

13、區(qū)從“1”開始編號(hào)，每個(gè)扇區(qū)中的數(shù)據(jù)是作為一個(gè)單元同時(shí)讀出或?qū)懭氲?。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的3.5英寸硬盤盤面通常有幾百到幾千條磁道。這些磁道是看不見的，它們只是盤面上以特殊形式磁化了的一些磁化區(qū)。這些磁道是在磁盤格式化時(shí)就規(guī)劃好了的。 圖2-12磁頭、柱面和扇區(qū) 所有盤面上的同一磁道構(gòu)成一個(gè)圓柱，通常稱作柱面（Cylinder），每個(gè)圓柱上的磁頭，由上而下從“0”開始編號(hào)。數(shù)據(jù)的讀寫是按柱面進(jìn)行的，即磁頭在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)首先在同一柱面內(nèi)從“0”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才移動(dòng)磁頭轉(zhuǎn)移到下一柱面。也就是說，一個(gè)磁道已寫滿數(shù)據(jù)，就在同一柱面

14、的下一個(gè)盤面來寫，一個(gè)柱面寫滿后，才移到下一個(gè)柱面，從下一個(gè)柱面的1扇區(qū)開始寫數(shù)據(jù)。而不是在同一盤面的下一磁道來寫，一個(gè)盤面寫滿后再從下一個(gè)盤面的0磁道開始寫，讀數(shù)據(jù)也是按照這種方式進(jìn)行，這樣就提高了硬盤的讀/寫效率。 操作系統(tǒng)以扇區(qū)（Sector）形式將信息存儲(chǔ)在硬盤上，每個(gè)扇區(qū)包括512個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和一些其他信息。一個(gè)扇區(qū)有兩個(gè)主要部分：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)地點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，如圖2-13所示。 圖2-13 硬盤扇區(qū)的構(gòu)成 標(biāo)識(shí)符就是扇區(qū)頭標(biāo)，包括有組成扇區(qū)三維地址的三個(gè)數(shù)字：扇區(qū)所在的磁頭（或盤面）、磁道（或柱面號(hào)），以及扇區(qū)在磁道上的位置即扇區(qū)號(hào)。頭標(biāo)中還包括一個(gè)字段，其中有顯示扇區(qū)是

15、否能可靠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，或者是否已發(fā)現(xiàn)某個(gè)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(cuò)時(shí)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(yàn)（CRC）值作為結(jié)束，以供控制器檢驗(yàn)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(gè)主要部分是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段 硬盤的容量由盤面數(shù)（磁頭數(shù)）、柱面數(shù)和扇區(qū)數(shù)決定，其計(jì)算公式為：硬盤容量盤面數(shù)柱面數(shù)扇區(qū)數(shù)512字節(jié)硬盤容量單位 ：KB（Kilobyte）、MB（Megabyte）、GB（Gigabyte）、TB（Terabyte）、PB（Petabyte）、EB（Exabyte） 各種單位之間的換算關(guān)系如下：1KB210B1，

16、024Byte1MB210KB220B1，048，576Byte1GB210MB220KB230B=1，073，741，824Byte1TB210GB220MB230KB240B=1，099，511，627，776Byte1PB210TB220GB230MB240KB=250B=1，125，899，906，842，624Byte1EB210PB220TB230GB240MB=250KB=260B=152，921，504，606，846，976Byte系統(tǒng)在管理硬盤扇區(qū)時(shí)以簇為單位進(jìn)行，并采用LBA方式來定位扇區(qū)。 LBA，全稱為Logic Block Address（即扇區(qū)的邏輯塊地址）。顯然

17、，它是相對(duì)硬盤扇區(qū)三維物理地址而言的。扇區(qū)的三維物理地址與硬盤上的物理扇區(qū)一一對(duì)應(yīng)，即三維物理地址可完全確定硬盤上的物理扇區(qū)。那么為什么還要引入LBA地址呢？首先，由于INT 13的限制，三維地址C/H/S的最大值只能為1024/16/63，容量最大只能達(dá)到10241663512 Byte =1032192Byte=504MB。另外，在系統(tǒng)管理文件時(shí)去記錄煩瑣的C/H/S也非常吃力，效率非常低，使用邏輯扇區(qū)后，可在硬盤讀寫操作時(shí)脫離柱面、磁頭等硬件參數(shù)的制約。由DOS假設(shè)硬盤的全部存儲(chǔ)區(qū)域都由一系列的扇區(qū)組成，每個(gè)扇區(qū)固定包含512個(gè)字節(jié)。此外，在硬盤中每4、8、16個(gè)或更多的扇區(qū)組成一個(gè)簇，在對(duì)一個(gè)具體的簇進(jìn)行讀寫操作時(shí)，DOS劃分一個(gè)一維數(shù)據(jù)的邏輯扇區(qū)號(hào)要比指出“簇200”在“柱面40、磁頭2、扇區(qū)512”要簡單一些。如果一個(gè)簇的扇區(qū)跨越在兩個(gè)盤面（即兩個(gè)磁頭）之間，用“柱面、磁頭、扇區(qū)”的表示方法就更復(fù)雜了，這樣就引入了LBA的概念。在LBA方式下