硬盤物理結(jié)構(gòu)及工作原理

關(guān)于硬盤物理結(jié)構(gòu)及工作原理第一頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤的外部結(jié)構(gòu)硬盤的物理結(jié)構(gòu)可以分為外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩個部分，其邏輯結(jié)構(gòu)主要涉及硬盤盤片的數(shù)據(jù)存儲。從外部看，硬盤的結(jié)構(gòu)主要包括金屬固定面板、控制電路板和接口三部分。1.金屬固定面板硬盤外部總會有一個金屬的面板，用于保護整個硬盤，如圖所示。一般在硬盤金屬面板正面貼有產(chǎn)品標簽，標簽上多會標注產(chǎn)品的型號、產(chǎn)地、設(shè)置數(shù)據(jù)等，這些信息是正確使用硬盤的基本依據(jù)。金屬面板和底板結(jié)合成一個密封的整體，保證硬盤盤片和機構(gòu)的穩(wěn)定運行。固定面板和盤體側(cè)面還設(shè)有螺紋孔，以方便硬盤的安裝。金屬固定板第二頁，共十八頁，2022年，8月28日2.控制電路板在硬盤的金屬蓋板上會固定有一個電路板，這個電路板就是硬盤的控制電路板，如圖所示。為了節(jié)省空間，該電路板上的電子元器件大多采用貼片式元件焊接，這些電子元器件組成了功能不同的電子電路，這些電路包括主軸調(diào)速電路、磁頭驅(qū)動與伺服定位電路、讀寫電路、控制與接口電路等。在電路板上有幾個主要的芯片：主控芯片、BIOS芯片、緩存芯片、電機驅(qū)動芯片。對于不同的硬盤，其電路板上的主要芯片種類也是不同的。硬盤的外部結(jié)構(gòu)緩存芯片主控芯片晶振電機驅(qū)動芯片數(shù)字信號處理芯片電源控制芯片電源接口SATA數(shù)據(jù)接口盤片電機接口第三頁，共十八頁，2022年，8月28日3.接口在硬盤的頂端會有幾個不同的硬盤接口，如圖所示，這些接口主要包括電源插座接口、數(shù)據(jù)接口和主、從跳線接口，其中電源插口與主機電源相聯(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行傳輸交換的紐帶。中間的主、從盤跳線接口，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)置方法一般標注在盤體外的標簽上，也有一些標注在接口處，早期的硬盤還可能印在電路板上。硬盤的外部結(jié)構(gòu)第四頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)打開硬盤的外殼，硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一覽無遺。仔細觀察和了解后，總結(jié)出硬盤的內(nèi)部主要包括磁頭組件、磁頭驅(qū)動組件、盤片、主軸組件、前置控制電路等。1.磁頭組件磁頭組件包括讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸三部分組成。磁頭組件中最主要的部分是磁頭，另外的兩個部分可以看作是磁頭的輔助裝置。傳動軸帶動傳動臂，使磁頭到達指定的位置。磁頭是硬盤中對盤片進行讀寫工作的工具，是硬盤中最精密的部位之一。磁頭是用線圈纏繞在磁芯上制成的，工作原理則是利用特殊材料的電阻值會隨著磁場變化的原理來讀寫盤片上的數(shù)據(jù)。硬盤在工作時，磁頭通過感應(yīng)旋轉(zhuǎn)的盤片上磁場的變化來讀取數(shù)據(jù)；通過改變盤片上的磁場來寫入數(shù)據(jù)。為避免磁頭和盤片的磨損，在工作狀態(tài)時，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，間隙只有0.1～0.3um，而不與盤片直接接觸，在電源關(guān)閉之后，磁頭會自動回到盤片上的著陸區(qū)，此處盤片并不存儲數(shù)據(jù)，是盤片的起始位置。如圖所示為磁頭組件及磁頭驅(qū)動組件。第五頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.磁頭驅(qū)動組件磁頭的移動是靠磁頭驅(qū)動組件實現(xiàn)的，硬盤的尋道時間的長短與磁頭驅(qū)動組件關(guān)系非常密切。磁頭的驅(qū)動機構(gòu)由電磁線圈電機、磁頭驅(qū)動小車、防震動裝置構(gòu)成，高精度的輕型磁頭驅(qū)動機構(gòu)能夠?qū)Υ蓬^進行正確的驅(qū)動和定位，并能在很短的時間內(nèi)精確定位系統(tǒng)指令指定的磁道，保證數(shù)據(jù)讀寫的可靠性。電磁線圈電機包含著一塊永磁鐵，該磁鐵的磁力很強，對于傳動手臂的運動起著關(guān)鍵性的作用。防震裝置是為了避免磁頭將盤片刮傷等情況的發(fā)生而設(shè)計的。永磁鐵電磁線圈第六頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.盤片與主軸組件盤片是硬盤存儲數(shù)據(jù)的載體，盤片是在鋁合金或玻璃基底上涂敷很薄的磁性材料、保護材料和潤滑材料等多種不同作用的材料層加工而成，其中磁性材料的物理性能和磁層結(jié)構(gòu)直接影響著數(shù)據(jù)的存儲密度和所存儲數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。金屬盤片具有很高的存儲密度、高剩磁及高矯頑力；玻璃盤片比普通金屬盤片在運行時具有更好的穩(wěn)定性。如圖所示，為硬盤的盤片和主軸組件。主軸組件包括主軸部件軸瓦和驅(qū)動電機等。隨著硬盤容量的擴大和速度的提高，主軸電機的速度也在不斷提升，有廠商開始采用精密機械工業(yè)的液態(tài)軸承電機技術(shù)，這種技術(shù)的應(yīng)用有效的降低了硬盤工作噪音。磁盤片電磁線圈第七頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.前置控制電路前置放大電路控制磁頭感應(yīng)的信號、主軸電機調(diào)速、磁頭驅(qū)動和伺服定位等，由于磁頭讀取的信號微弱，將放大電路密封在腔體內(nèi)可減少外來信號的干擾，提高操作指令的準確性。前置控制電路第八頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤邏輯結(jié)構(gòu)新買來的硬盤是不能直接使用的，必須對它進行分區(qū)并進行格式化才能儲存數(shù)據(jù)。經(jīng)過格式化分區(qū)之后，邏輯上每個盤片的每一面都會被分為磁道、扇區(qū)、柱面這幾個虛擬的概念，并非像切豆腐一樣真的進行切割。如所示為硬盤劃分的邏輯結(jié)構(gòu)圖。另外，不同的硬盤中的盤片數(shù)不同，一個盤片有兩面，這兩面都能存儲數(shù)據(jù)，每一面都會對應(yīng)一個磁頭，習慣上將盤面數(shù)計為磁頭數(shù)，用來計算硬盤容量。扇區(qū)，磁道（或柱面）和磁頭數(shù)構(gòu)成了硬盤結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，用這些參數(shù)計算硬盤的容量，基計算公式為：存儲容量=磁頭數(shù)×磁道（柱面）數(shù)×每道扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)磁道柱面扇區(qū)盤片盤片主軸第九頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤邏輯結(jié)構(gòu)1.磁道當磁盤旋轉(zhuǎn)時，磁頭若保持在一個位置上，則每個磁頭都會在磁盤表面劃出一個圓形軌跡，這些圓形軌跡就叫做磁道。磁盤上的磁道是一組記錄密度不同的同心圓，如圖所示。磁表面存儲器是在不同形狀(如盤狀、帶狀等)的載體上，涂有磁性材料層，工作時，靠載磁體高速運動，由磁頭在磁層上進行讀寫操作，信息被記錄在磁層上，這些信息的軌跡就是磁道。這些磁道用肉眼是根本看不到的，因為它們僅是盤面上以特殊方式磁化了的一些磁化區(qū)，磁盤上的信息便是沿著這樣的軌道存放的。相鄰磁道之間并不是緊挨著的，這是因為磁化單元相隔太近時磁性會產(chǎn)生相互影響，同時也為磁頭的讀寫帶來困難，通常盤片的一面有成千上萬個磁道。磁道第十頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤邏輯結(jié)構(gòu)2.扇區(qū)分區(qū)格式化磁盤時，每個盤片的每一面都會劃分很多同心圓的磁道，而且還會將每個同心圓進一步的分割為多個相等的圓弧，這些圓弧就是扇區(qū)。為什么要進行扇區(qū)的劃分呢？因為，讀取和寫入數(shù)據(jù)的時候，磁盤會以扇區(qū)為單位進行讀取和寫入數(shù)據(jù)，即使計算機只需要某個扇區(qū)內(nèi)的幾個字節(jié)的文件，也必須一次把這幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)中的全部512字節(jié)的數(shù)據(jù)全部讀入內(nèi)存，然后再進行篩選所需數(shù)據(jù)，所以為了提高計算機的運行速度，就需要對硬盤進行扇區(qū)劃分。另外，每個扇區(qū)的前后兩端都會有一些特定的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用來構(gòu)成扇區(qū)之間的界限標志，磁頭通過這些界限標志來識別眾多的扇區(qū)。3.柱面硬盤通常由一個或多個盤片構(gòu)成，而且每個面都被劃分為數(shù)目相等的磁道，并從外緣開始編號（即最邊緣的磁道為0磁道，往里依次累加）。如此磁盤中具有相同編號的磁道會形成一個圓柱，此圓柱稱為磁盤的柱面。磁盤的柱面數(shù)與一個盤面上的磁道數(shù)是相等的。由于每個盤面都有一個磁頭，因此，盤面數(shù)等于總的磁頭數(shù)。第十一頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤的種類硬盤的種類比較多，若是按照硬盤的接口類型的不同來分，大致可以分為IDE硬盤、SATA硬盤、SCSI硬盤、移動硬盤、固態(tài)硬盤硬盤按照其工作形式的不同可以分為兩種，一種是機械硬盤，另一種是固態(tài)硬盤。比較常見的機械硬盤按照其接口形式的不同可以分為IDE硬盤、SATA硬盤、SCSI硬盤三種。1.IDE硬盤IDE（IntegratedDriveElectronics）硬盤是指采用IDE接口的硬盤，如圖所示

。IDE算是所有現(xiàn)存并行ATA接口規(guī)格的通稱。這種硬盤相對來說價格低廉、兼容性強、工作穩(wěn)定、容量大、噪音低，應(yīng)用比較多。但是，這種硬盤采用并行數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸速度的不斷提升使得信號干擾逐漸變強，不利于數(shù)據(jù)的傳輸。第十二頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤的種類2.SATA硬盤SATA（SerialAdvancedTechnologyAttachment）硬盤是指采用SATA接口的硬盤，如圖所示。SATA接口采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，理論上傳輸速度比IDE接口要快很多，解決了IDE硬盤數(shù)據(jù)傳輸信號干擾限制傳輸速率的問題，并且采用該接口的硬盤支持熱插拔，執(zhí)行率也很高。3.SCSI硬盤SCSI（SmallComputerSystemInterface）硬盤就是采用SCSI接口的硬盤，采用這種接口的硬盤主要用于服務(wù)器，如圖所示。這種接口使用50針，外觀和普通硬盤接口有些相似。SCSI硬盤和普通IDE硬盤相比有很多優(yōu)點：接口速度快，并且由于主要用于服務(wù)器，因此硬盤本身的性能也比較高，硬盤轉(zhuǎn)速快，緩存容量大，CPU占用率低，擴展性遠優(yōu)于IDE硬盤，并且同樣支持熱插拔。SCSI硬盤SATA硬盤第十三頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤的種類4.固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤（SolidStateDisk）用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，如圖所示為固態(tài)硬盤，它主要由控制單元和存儲單元（FLASH芯片）組成。固態(tài)硬盤的接口規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的完全相同，在產(chǎn)品外形和尺寸上與普通硬盤幾乎一致。固態(tài)硬盤的存儲介質(zhì)分為兩種，一種是采用閃存（FLASH芯片）作為存儲介質(zhì)，另外一種是采用DRAM作為存儲介質(zhì)。廣泛應(yīng)用于軍事、車載、工控、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)終端、電力、醫(yī)療、航空、導(dǎo)航設(shè)備等領(lǐng)域。但是，由于固態(tài)硬盤的成本比較高，銷售價格相對較高，所以還沒有得到普及。第十四頁，共十八頁，2022年，8月28日溫徹斯特技術(shù)隨著計算機行業(yè)的不段發(fā)展，存儲文件用的硬盤也在不斷的發(fā)展，1973年，IBM研制成功了一種新型的硬盤IBM3340。這種硬盤擁有幾個同軸的金屬盤片，盤片上涂著磁性材料，盤片和移動的磁頭共同密封在一個盒子里面，磁頭能從旋轉(zhuǎn)的盤片上讀出磁信號的變化。這就是第一塊溫徹斯特硬盤（Winchester）?！皽貜厮固亍边@個名字的來歷是：IBM3340硬盤擁有兩個30MB的存儲單元，而當時一種很有名的“溫徹斯特來福槍”的口徑和裝藥也恰好包含了兩個數(shù)字“30”。于是這種硬盤的內(nèi)部代號就被定為“溫徹斯特”。現(xiàn)在的IDE、SATA和SCSI接口硬盤采用的都是“溫徹思特”技術(shù)，簡稱為“溫盤”。溫徹斯特技術(shù)的主要內(nèi)容是“頭盤組合件（HAD，HeadDiskAssembly）”。將磁頭、盤片、主軸等運動部分密封在一個殼體中，就形成一個頭盤組合件（HAD），頭盤組合件與外界環(huán)境隔絕，避免了灰塵的污染。其中，磁頭浮動塊采用小型化輕浮力設(shè)計，盤片表面涂潤滑劑，實行接觸起停。即平常盤片不轉(zhuǎn)時，磁頭?？吭诒P片上，當盤片轉(zhuǎn)速達一定值時，磁頭浮起并保持一定的浮動間隙。這樣簡化了機械結(jié)構(gòu)，縮短了起動時間。溫徹斯特硬盤的特點如下：（1）磁頭、盤片、運動機構(gòu)密封。（2）固定并高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤片表面平整光滑。（3）磁頭沿盤片徑向移動。（4）磁頭對盤片接觸式啟停，但工作時呈飛行狀態(tài)不與盤片直接接觸。第十五頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤工作原理計算機中的數(shù)據(jù)都是保存在硬盤中的，那么硬盤的工作原理到底是怎樣的呢？簡單的說，硬盤的工作原理就是利用盤片上的磁性粒子的極性來記錄保存數(shù)據(jù)的，其實就是電磁轉(zhuǎn)換的原理。硬盤存儲數(shù)據(jù)的位置是在盤片的表面，但是盤片的材料一般為合金材料或者是玻璃材料，并非磁性材料，因此不具備記錄數(shù)據(jù)的條件，需要在盤片上附著一層磁性粉，這些磁粉在硬盤工作過程中，通過磁頭釋放磁性信號將磁粉做以不同的磁化從而記錄數(shù)據(jù)，另外，硬盤在進行數(shù)字記錄是，首先要將記錄的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)為二進制數(shù)，然后將磁化狀態(tài)記錄在磁粉介質(zhì)之上。硬盤驅(qū)動器加電后，磁盤片由主軸電機驅(qū)動進行高速旋轉(zhuǎn)，設(shè)置在盤片表面的磁頭會在電路控制下徑向移動到指定位置然后將數(shù)據(jù)存儲或讀出來。當系統(tǒng)向硬盤寫入數(shù)據(jù)時，磁頭中寫數(shù)據(jù)電流產(chǎn)生磁場使盤片表面磁性物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生改變，并在寫電流磁場消失后仍能保持，當系統(tǒng)從硬盤中讀取數(shù)據(jù)時，磁頭經(jīng)過盤片指定區(qū)域，盤片表面磁場使磁頭產(chǎn)生感應(yīng)電流或線圈阻抗產(chǎn)生變化，經(jīng)過相關(guān)電路處理后還原成數(shù)據(jù)。第十六頁，共十八頁，2022年，8月28日硬盤的工作過程硬盤驅(qū)動器加電后，硬盤電路板上的主控芯片中的DSP（數(shù)字信號處理器）開始對硬盤進行初始化；即DSP首先運行ROM中的程序，部分硬盤會檢查各部件的完整性，然后盤片電機起轉(zhuǎn)，當轉(zhuǎn)速達到預(yù)定轉(zhuǎn)速時，盤片轉(zhuǎn)速引起一定的氣流托起磁頭，磁頭開始運動，并定位到盤片的固件區(qū)，讀取硬盤的固件程序和壞道表（固件區(qū)在硬盤上的物理位置并不是一定的，完全由硬盤的設(shè)計決定；同時，并不是所有的固件都一定要寫在盤片上，在硬盤的所有固件中，只有硬盤的密碼