第5章 硬盘驱动器

第5章硬盘驱动器5.1硬盘的外观5.2硬盘的内部结构5.3硬盘的工作原理5.4硬盘接口5.5硬盘的性能指标5.6硬盘的工作模式5.7硬盘的保养5.8硬盘品牌及选购5.1硬盘的外观1．背面从外观上看，硬盘具有金属外壳，其背面裸露着控制芯片、电阻等电子元件，如图5–1所示。这些电子元件裸露在外面而不包裹在金属匣子里面的原因在于这样更有利于散热。散热对硬盘的稳定运行非常重要。2．正面硬盘的正面贴着硬盘的标签，上面标有硬盘的生产厂家、转速、容量、工作电压等信息，如图5–2所示。图5–1硬盘背面图5–2硬盘正面5.2硬盘的内部结构硬盘的内部结构主要由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口及附件等几大部分组成。盘头组件(HDA，HardDiskAssembly)是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴驱动机构、前置读写控制电路等，如图5–3所示。图5–3硬盘的内部结构1．浮动磁头组件浮动磁头组件由读写磁头、传动杆和传动轴三部分组成，如图5–4所示。磁头是硬盘技术最重要和最关键的一环，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 μm～0.3 μm，可以获得极高的数据传输率。现在转速5400r/min的硬盘飞高都低于0.3 μm，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。图5–4磁头组件2．磁头驱动机构磁头驱动机构由音圈电机、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。3．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盘的不连续颗粒载体具有更高的密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。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。5．硬盘的磁道、扇区和柱面硬盘上的数据都是存储在磁盘片上的。当磁盘旋转时，若磁头都保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面上划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫磁道。图5–5磁盘的磁道磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧度，这些弧度便是磁盘的扇区，每个扇区可存放512个字节的信息。磁盘读取或写入数据时，都以扇区为单位。磁盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘片上半径相同的磁道处于同一圆柱面上，称之为硬盘的柱面，如图5–6所示。可以看出，硬盘的柱面数与盘片的磁道数是相同的。图5–6柱面硬盘的每个盘片都有两个面，每个面都有一个读写磁头，所以硬盘的容量由三个参数决定，即：磁盘容量=磁头数×柱面数×扇区数×512B其中磁头数=盘面数，柱面数=每个盘面的磁道数。例如，某IDE接口硬盘的磁道数为1120，磁头数为16，每个磁道有59个扇区，则磁盘容量为：1120×16×59×512B=54132736013≈541MB5.3硬盘的工作原理硬盘的工作原理非常复杂，在这里我们以硬盘的一个工作来讲述硬盘的工作原理。当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，此时磁头置于盘片的中心位置，初始化完成后主轴电机将启动并高速旋转，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时，该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进行正确定位并将接收后的数据信息解码，然后通过放大控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统以完成指令操作。当硬盘断电停止工作时，在反力矩弹簧的作用下浮动磁头驻留到盘面中心。5.4硬盘接口1．IDE接口IDE(集成设备电子部件)接口也叫ATA接口，目前PC机使用的硬盘大多数都是IDE接口，如图5–7所示。图5–7IDE接口图5–880针和40针数据线2．SCSI接口SCSI(SmallComputerSystemInterface，小型计算机系统接口)接口是一种系统级接口，如图5–9所示。由于SCSI接口比IDE接口可以支持更大的带宽、更多的连接设备和更长的传输距离(普通SCSI接口的最大有效传输距离可达12 cm)。SCSI接口常用在服务器的硬盘上，也常用在ZIP软驱、MO驱动器、扫描仪、刻录机等设备上。图5–9SCSI接口目前，市场上有许多不同形式的SCSI接口，包括Ultra、Ultra2、Ultra160SCSI。UltraSCSI带有8个地址，运行速率为20MB/s。Ultra2分有几种不同的形式，其中，Ultra2SCSI(也被称为LVDSCSI)的数据传输率为40MB/s；另外一种形式的Ultra2接口的最大数据带宽可以达到80 MB/s。Ultra160SCSI在性能上有了进一步的提高，最大传输率为160MB/s。一条SCSI总线最多可以连接15块硬盘。无论是在速度还是在容量方面，SCSI接口都具有非常好的扩展性能。5.5硬盘的性能指标1．转速转速是指硬盘碟片转动的速度，其单位为r/min(转/分钟)，这个参数当然是越大越好。目前市场上的主流IDE硬盘转速有7200r/min和5400r/min两种，转速对于硬盘的传输速率有着非常重要的影响，转速越高，传输速率就越快。2．平均寻道时间平均寻道时间是指硬盘磁头移动到数据所在磁道时所用的时间，单位为毫秒(ms)。注意它与平均访问时间的差别，平均寻道时间的值越小越好。现在的硬盘完成数据搜索的时间只需要11ms，所以在购买硬盘时一般应该选择平均寻道时间低于9ms的产品。3．反应时间反应时间就是硬盘完成第一次转轮旋转的时间，它是反映非曲直硬盘转速最直接的一个性能指标。5400r/min的硬盘拥有的是5.55ms的反应时间，而7200r/min的硬盘反应时间可以达到4.17ms。4．平均潜伏期平均潜伏期是指当磁头移动到数据所在的磁道后，等待所要的数据继续转动(半圈或多些、少些)到磁头下的时间，单位为ms。5．最大内部数据传输率最大内部数据传输率也叫持续数据传输率(SustainedTransferRate)，它是指磁头到磁盘缓存间的最大数据传输率，单位为Mb/s，即兆位/秒的意思(注意与MB/s之间的差别：MB/s=Mb/s÷8)。6．外部数据传输率外部数据传输率是指从硬盘缓冲区读取数据的速率，常以数据接口速率代替，单位为MB/s。7．数据缓存数据缓存指的是硬盘内部的高速存储器，在电脑中就像存储器一样将一些数据暂时性地保存起来以供读取和再读取。目前硬盘的高速缓存一般为512 KB～2 MB，主流ATA硬盘的数据缓存都为2 MB，而在SCSI硬盘中最高的数据缓存现已经达到了16MB。8．单碟容量单碟容量是硬盘盘体内每张磁碟的最大容量。每块磁盘内都有若干张碟片，所有碟片的容量之和就是磁盘的总容量。9．数据保护技术硬盘的数据保护技术主要有以下几种： S.M.A.R.T技术S.M.A.R.T(硬盘自分析、自、自)技术是目前硬盘普遍采用的数据安全技术，它能够通过在硬盘工作的监测系统对电机、电路、磁盘、磁头的状态进行分析，当有异常发生时就会发出警告，有的时候还会自动降速并备份数据。数据卫士西部数据(WD)公司的数据卫士能够在硬盘工作的空余时间里，每八个小时便自动执行硬扫描、检测、修复盘片的各扇区等操作。DPS(数据保护系统)昆腾公司在推出火球7代硬盘以后，从8代开始的所有硬盘中都内建了所谓的DPS(数据保护系统)系统模式。MaxSafe技术MaxSafe技术是迈拓公司在其金钻2代以后普遍采用的技术。MaxSafe技术的核心就是将附加的ECC校验位保存在硬盘上，使硬盘读写过程中的每一步都经过严格的校验，以此来保证硬盘数据的完整性。5.6硬盘的工作模式从主板的支持度来看，目前硬盘的工作模式主要有三种：NORMAL、LBA和LARGE模式。NORMAL即我们平时讲的普通模式，也是最早的IDE方式。在此方式下对硬盘访问时，BIOS和IDE控制器对参数不作任何转换。该模式支持的最大柱面数为1024，最大磁头数为16，最大扇区数为63，每扇区字节数为512，因此支持的最大硬盘容量为512×63×16×1024≈528MB。在此模式下即使硬盘的实际物理容量很大，但可访问的硬盘空间也只能是528MB。LBA(LogicalBlockAddressing)即逻辑块寻址模式。应用这种模式所管理的硬盘空间突破了528MB的瓶颈，可达8.4GB。在LBA模式下，设置的柱面、磁头、扇区等参数并不是实际硬盘的物理参数。LARGE又称为大硬盘管理模式。当硬盘的柱面超过1024而又不为LBA支持时可采用此种模式。LARGE模式采取的方法是把柱面数除以2，把磁头数乘以2，其结果是总容量不变。例如，在NORMAL模式下柱面数为1220，磁头数为16，进入LARGE模式，则柱面数为610，磁头数为32。这样在DOS中显示的柱面数小于1024，即可正常工作。5.7硬盘的保养保养硬盘特别要注意以下五个方面：(1)要正确设置硬盘的登陆区保护零磁道。(2)要特别注意保持硬盘使用环境的清洁。(3)在硬盘拆装时要注意防止静电。(4)要尽量减少和避免意外的震动与冲击。(5)要注意保持合理的使用温度(1～40℃)。5.8硬盘品牌及选购硬盘的生产厂家主要有IBM、迈拓(Maxtor)、三星(Samsung)、希捷(ST，Seagate)、昆腾(Quantum)、富士通(Fujitsu)、西部数据(WD)等。每种品牌的硬盘都有若干个系列，例如，IBM有Deskstar(桌面之星)，面向普通台式机用户；Travelstar(移动之星)，面向笔记本电脑；Ultrastar，面向高端服务器或工作端用户。目前市场上的硬盘主流技术指标为：7200r/min，数据缓存为2MB。IDE接口类型为ATA100，平均寻道时间低于9.0ms。用户购买硬盘时，应尽量购买主流技术产品或更高技术产品。现在质量信任度好的硬盘主要有IBM和迈拓公司的产品。