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机械硬盘内部硬件结构和工作原理详解

机械硬盘内部硬件结构和工作原理详解

 

 

      一般硬盘正面贴有产品标签,主要包括厂家信息和产品信息,如商标、型号、序列号、生产日期、容量、参数和主从设置方法等。这些信息是正确使用硬盘的基本依据,下面将逐步介绍它们的含义。

硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件等组成,如图1-1所示。盘体是一个密封的腔体。硬盘的内部结构通常是指盘体的内部结构;控制电路板上主要有硬盘BIOS、硬盘缓存(即CACHE)和主控制芯片等单元,如图1-2所示;硬盘接口包括电源插座、数据接口和主、从跳线,如图1-3所示。

1-1 硬盘的外观


1-2 控制电路板

 

1-3 硬盘接口


      电源插座连接电源,为硬盘工作提供电力保证。数据接口是硬盘与主板、内存之间进行数据交换的通道,使用一根4040线(早期)或4080线(当前)的IDE接口电缆进行连接。新增加的40线是信号屏蔽线,用于屏蔽高速高频数据传输过程中的串扰。中间的主、从盘跳线插座,用以设置主、从硬盘,即设置硬盘驱动器的访问顺序。其设置方法一般标注在盘体外的标签上,也有一些标注在接口处,早期的硬盘还可能印在电路板上。

      此外,在硬盘表面有一个透气孔(见图1-1),它的作用是使硬盘内部气压与外部大气压保持一致。由于盘体是密封的,所以,这个透气孔不直接和内部相通,而是经由一个高效过滤器和盘体相通,用以保证盘体内部的洁净无尘,使用中注意不要将它盖住。

   1.2 硬盘的内部结构硬盘的内部结构通常专指盘体的内部结构。盘体是一个密封的腔体,里面密封着磁头、盘片(磁片、碟片)等部件,如图1-4所示。


1-4 硬盘内部结构

      硬盘的盘片是硬质磁性合金盘片,片厚一般在0.5mm左右,直径主要有1.8in1in=25.4mm)、2.5in3.5in5.25in 4种,其中2.5in3.5in盘片应用最广。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,2.5in硬盘的转速在5 400 r/min7 200 r/ min之间;3.5in硬盘的转速在4 500 r/min5 400 r/min之间;而5.25in硬盘转速则在3 600 r/min4 500 r/min之间。随着技术的进步,现在2.5in硬盘的转速最高已达15 000 r/min3.5in硬盘的转速最高已达12 000 r/min

有的硬盘只装一张盘片,有的硬盘则有多张盘片。这些盘片安装在主轴电机的转轴上,在主轴电机的带动下高速旋转。每张盘片的容量称为单碟容量,而硬盘的容量就是所有盘片容量的总和。早期硬盘由于单碟容量低,所以,盘片较多,有的甚至多达10余片,现代硬盘的盘片一般只有少数几片。一块硬盘内的所有盘片都是完全一样的,不然控制部分就太复杂了。一个牌子的一个系列一般都用同一种盘片,使用不同数量的盘片,就出现了一个系列不同容量的硬盘产品。

1-5 盘体的完整结构

      硬盘驱动器采用高精度、轻型磁头驱动/定位系统。这种系统能使磁头在盘面上快速移动,可在极短的时间内精确地定位在由计算机指令指定的磁道上。目前,磁道密度已高达5 400Tpi(每英寸磁道数)或更高;人们还在研究各种新方法,如在盘上挤压(或刻蚀)图形、凹槽和斑点等作为定位和跟踪标记,以提高到和光盘相等的道密度,从而在保持磁盘机高速度、高位密度和高可靠性的优势下,大幅度提高存储容量。

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,将增加轴承的工作负荷。为了高速存储和读取信息,硬盘驱动器的磁头质量小,惯性也小,所以,硬盘驱动器的寻道速度明显快于软驱和光驱。

硬盘驱动器磁头与磁头臂及伺服定位系统是一个整体。伺服定位系统由磁头臂后的线圈和固定在底板上的电磁控制系统组成。由于定位系统限制,磁头臂只能在盘片的内外磁道之间移动。因此,不管开机还是关机,磁头总在盘片上;所不同的是,关机时磁头停留在盘片启停区,开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。

 

 硬盘的逻辑结构

   硬盘上的数据是如何组织与管理的呢?硬盘首先在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区,其结构关系如图1-6所示。

1-6 磁头、柱面和扇区

      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1-7所示。磁头靠近主轴接触的表面,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,称为启停区或着陆区(Landing Zone),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,硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。那么,磁头是如何找到“0”磁道的位置的呢?从图1-5中可以看到,有一个“0”磁道检测器,由它来完成硬盘的初始定位。“0”磁道是如此的重要,以致很多硬盘仅仅因为“0”磁道损坏就报废,这是非常可惜的。这种故障的修复技术在后面的章节中有详细的介绍。

1-7 硬盘盘片的启停区和数据区

      早期的硬盘在每次关机之前需要运行一个被称为Parking的程序,其作用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。硬盘不工作时,磁头停留在启停区,当需要从硬盘读写数据时,磁盘开始旋转。旋转速度达到额定的高速时,磁头就会因盘片旋转产生的气流而抬起,这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。盘片旋转产生的气流相当强,足以使磁头托起,并与盘面保持一个微小的距离。这个距离越小,磁头读写数据的灵敏度就越高,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0.1μm0.5μm,现在的水平已经达到0.005μm0.01μm,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面足够近的地方,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,而更重要的是不让磁性涂层损伤磁头。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,难以读出盘上的磁化翻转(磁极转换形式,是磁盘上实际记录数据的方式)。

       硬盘驱动器磁头的飞行悬浮高度低、速度快,一旦有小的尘埃进入硬盘密封腔内,或者一旦磁头与盘体发生碰撞,就可能造成数据丢失,形成坏块,甚至造成磁头和盘体的损坏。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。这种硬盘就是采用温彻斯特(Winchester)技术制造的硬盘,所以也被称为温盘。其结构特点如下。

      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,在工作时因盘片高速旋转,带动磁头“悬浮”在盘片上面呈飞行状态(空气动力学原理),“悬浮”的高度约为0.1μm0.3μm,这个高度非常小,图1-8标出了这个高度与头发、烟尘和手指印的大小比较关系,从这里可以直观地“看”出这个高度有多“高”。

 


1-8 盘片结构及磁头高度示意图

      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。

下面对“盘面”、“磁道”、“柱面”和“扇区”的含义逐一进行介绍。

      1. 盘面-号硬盘的盘片一般用铝合金材料做基片,高速硬盘也可能用玻璃做基片。玻璃基片更容易达到所需的平面度和光洁度,且有很高的硬度。磁头传动装置是使磁头部件作径向移动的部件,通常有两种类型的传动装置。一种是齿条传动的步进电机传动装置;另一种是音圈电机传动装置。前者是固定推算的传动定位器,而后者则采用伺服反馈返回到正确的位置上。磁头传动装置以很小的等距离使磁头部件做径向移动,用以变换磁道。

硬盘的每一个盘片都有两个盘面(Side),即上、下盘面,一般每个盘面都会利用,都可以存储数据,成为有效盘片,也有极个别的硬盘盘面数为单数。每一个这样的有效盘面都有一个盘面号,按顺序从上至下从“0”开始依次编号。在硬盘系统中,盘面号又叫磁头号,因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。硬盘的盘片组在214片不等,通常有23个盘片,故盘面号(磁头号)为0305

      2. 磁道-磁盘在格式化时被划分成许多同心圆,这些同心圆轨迹叫做磁道(Track)。磁道从外向内从0开始顺序编号。硬盘的每一个盘面有3001 024个磁道,新式大容量硬盘每面的磁道数更多。信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中,这些同心圆不是连续记录数据,而是被划分成一段段的圆弧,这些圆弧的角速度一样。由于径向长度不一样,所以,线速度也不一样,外圈的线速度较内圈的线速度大,即同样的转速下,外圈在同样时间段里,划过的圆弧长度要比内圈划过的圆弧长度大。每段圆弧叫做一个扇区,扇区从“1”开始编号,每个扇区中的数据作为一个单元同时读出或写入。一个标准的3.5in硬盘盘面通常有几百到几千条磁道。磁道是“看”不见的,只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化区,在磁盘格式化时就已规划完毕。