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硬盘的外部结构  

2015-03-14 16:25:14|  分类: 硬盘问题大全 |  标签: |举报 |字号 订阅

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硬盘是一个集机、电、磁于一体的高精密系统。其内部是密封的,对用户而言既是黑匣子,也是透明的,用户根本不用关心其内部的运行,只需把标准接口接上即可正常使用。

对上图的解释:

1. 缓存:这就是我们经常说的缓存,其实就和内存条上的内存颗粒一样,是一片SDRAM。缓存的作用主要是和硬盘内部交换数据,我们平时所说的内部传输率其实也就是缓存和硬盘内部之间的数据传输速率。

2. 电源接口和光驱一样,硬盘的电源接口也是由4针组成。其中,红线所对应的+5V电压输入,黄线对应输出的是+12V电压。现在的硬盘电源接口都是梯形,不会因为插反方向而使硬盘烧毁。

3. 跳线:跳线的作用是使IDE设备在工作时能够一致。当一个IDE接口上接两个设备时,就需要设置跳线为“主盘”或者“从盘”,具体的设置可以参考硬盘上的说明。

4. IDE接口:硬盘IDE接口是和主板IDE接口进行数据交换的通道。我们通常说的UDMA/33模式就是指缓存和主板IDE接口之间的数据传输率(也就是外部数据传输率)33.3MB/s,目前的接口规范已经从UDMA/33发展到UDMA/66UDMA/100

但是由于内部传输率的限制,实际上外部传输率达不到理论上的那么高。为了使数据传输更加可靠,UDMA/66模式要求使用80针的数据传输线,增加接地功能,使得高速传输的数据不致出错。在UDMA/66线的使用中还要注意,其兰色的一端要接在主板IDE口上,而黑色的一端接在硬盘上。

5. 电容:硬盘存储了大量的数据,为了保证数据传输时的安全,需要高质量的电容使电路稳定。这种黄色的钽电容质量稳定,属于优质元件,但价格较贵,所以一般用量都比较少,只是在最需要的地方才使用。

6. 控制芯片:硬盘的主要控制芯片,负责数据的交换和处理,是硬盘的核心部件之一。

硬盘的电路板可以互相换(当然要同型号的),在硬盘不能读出数据的时候,只要硬盘本身没有物理损坏且能够加电,我们就可以通过更换电路板的方式来使硬盘“起死回生”。

2-2

硬盘内部结构

A 磁头组件:这个组件是硬盘中最精密的部位之一,它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环,实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合,采用非接触式磁头盘片结构,加电后在高速旋转的磁盘表面移动,与盘片之间的间隙只有0.10.3μm,这样可以获得很好的数据传输率。

B 磁头驱动机构:磁头驱动机构由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成,高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位,并能在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道。

C 磁盘片:盘片是硬盘存储数据的载体,现在硬盘盘片大多采用金属薄膜材料,种金属薄膜与软盘的不连续颗粒载体相比具有更高的存储密度、高剩磁及高矫顽力等优点。

D 主轴组件:主轴组件包括主轴部件,如轴承和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高,主轴电机的速度也在不断提升,有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术(FDB)。采用FDB电机不仅可以使硬盘的工作噪音降低许多,而且还可以增加硬盘的工作稳定性。

E 前置控制电路:前置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。

目前,微机上安装的硬盘几乎都是采用温彻斯特(Winchester)技术制造的硬盘,这种硬盘也被称为温盘。这种结构的特点为:

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,而在工作时因盘片高速旋转,从而带动磁头“悬浮”在盘片上面呈飞行状态(空气动力学原理),这个“悬浮”的高度约为0.1米~0.3微米,这个高度是非常小的,图2-4标出了这个高度与头发、烟尘和手指印的大小比较关系,从这里就可以直观的“看”出这个高度到底有多“高”了。

2-4 磁头高度

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。

综上所述,硬盘内部的完整结构如图2-5所示。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20所示。与磁头接触的表面靠近主轴,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(LandingZone),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,而硬盘数据的存放就是从最外圈开始的,所以在硬盘启动的时候有时能听到“吧嗒、吧嗒”声,这是磁头从启停区转到“0”磁道寻道时,由于转速不够,又被磁力拉回,与主轴磕碰发出的声音,很显然,出现这种声音可不是什么好兆头。那么磁头是如何找到“0”磁道的位置的呢?

从图2-6中还可以看到,有一个“0”磁道检测器,就是由它来完成硬盘的初始定位的。早期的硬盘,每次关机之前需要运行一个叫Parking的程序,其作用就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,硬盘不工作的时候,磁头就停留在这个启停区。当需要从硬盘读写数据时,磁盘开始旋转,当旋转速度达到额定的高速时,磁头就会被盘片旋转产生的气流所抬起,这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。读写完毕,盘片停止旋转,磁头又回归到启停区。盘片旋转产生的气流相当强,足以使磁头托起与盘面保持一个微小的距离。这个距离越小,磁头读写数据的速度就越快,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 0.1~0.5 微米,现在的水平已经达到 0.005~0.01微米,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,更重要的是,不让磁性层损伤磁头。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,也就难以读出盘上的磁化翻转(磁极转换形式,也就是磁盘上实际记录数据的方式)。

磁盘上的磁道与唱片上的纹路很类似,其区别就在于磁盘盘面上的磁道是一个个的同心各磁道之间互不相连,而唱片只有一条从外侧向中心呈螺旋状的纹路(光盘的纹路和唱片的纹路是非常相象的,不过光盘是从内向外)。放送唱片时,唱针从唱片外侧向中心连续移动。而在磁盘上读/写数据时,磁头保持静止不动,只有在需要从一条磁道进到另一条磁道时,磁头才会移动。

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,否则会增加轴承的工作负荷。为了长时间高速存储和读取信息,硬盘驱动器的磁头小,惯性也小,所以硬盘驱动器的寻道速度要明显快于软驱和光驱。

硬盘驱动器磁头的飞行悬浮高度低,飞行一旦磁头与盘体发生碰撞,就可能造成数据丢失,形成坏块,甚至造成损坏磁头和盘体的严重后果。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。

硬盘的盘片是硬质磁性合金盘片片厚一般在 0.5 毫米左右,直径主要有 1.8 英寸、2.5英寸3.5英寸和5.25英寸四种,其中2.5英寸和3.5英寸盘片应用最广,目前也有大量的新型硬盘如微型硬盘上市,直径为0.8英寸或1英寸。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,2.5英寸硬盘的转速在5400r/min7200r/min之间,3.5英寸硬盘的转速在4500r/min5400r/min之间,而5.25英寸硬盘转速则在3600r/min4500r/min之间。现在2.5英寸硬盘的转速最高已达15000r/min3.5英寸硬盘的转速最高已达12000r/min

旧式硬盘驱动器的磁头是一种读写合一的薄膜磁头,这种磁头体积小重量轻,与盘片的 磨擦较小。但在盘片高速旋转时磁头仍然与盘片产生较大的磨擦,因而容易引起盘片发热,增加能耗,从而限制了盘片的转速。又因为磁头是读写合一,磁头只能单向工作,读写不能

同时进行,影响了数据传输速率。现在的硬盘驱动器磁头已从MR磁头(磁致电阻磁头,这种磁头不但轻小,而且还可以做到读写分离),发展到GMR(巨磁阻)磁头、MRX(扩展磁阻)磁头、窄磁道薄膜感应性写入磁头等新型磁头,而且还有更多采用最新技术的新型磁头不断面世,其性能也更加优越。

 

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