硬盤構(gòu)造的基本原理

1、 目前流行的硬盤儲存器都具有非常完善而先進的內(nèi)置式程序保障系統(tǒng)，它包括硬盤微處理器執(zhí)行碼和大量硬盤運行所需的各種各樣的數(shù)據(jù)表。硬盤內(nèi)置式程序總的容量大小可以達到幾個Mbit。一旦硬盤的這種程序出現(xiàn)被損壞情況，那么，即使硬盤的整個機械裝置和電子器件完好無損，硬盤還是會出現(xiàn)部分或完全的工作故障。    本篇文章描述了硬盤程序保障的基本原理，硬盤的結(jié)構(gòu)和地址分配。硬盤的空間結(jié)構(gòu)    對一個硬盤來說，不是所有的空間都用來儲存用戶的數(shù)據(jù)信息。有相當一部分空間對用戶來說是看不見的，它包括服務(wù)區(qū)(Service Ar

2、ea)和備用區(qū)(Reserve Area)（詳見圖1）。圖1    服務(wù)區(qū)是用來儲存服務(wù)信息，即硬盤的內(nèi)部程序和一些輔助表格。備用區(qū)是用來替換用戶工作區(qū)內(nèi)的故障扇區(qū)和磁道。這兩個區(qū)域在硬盤正常工作狀態(tài)下是訪問不到的。用戶只能訪問到工作區(qū)的數(shù)據(jù)（通常情況下，這個區(qū)域被稱為硬盤的邏輯空間），而硬盤的容量標簽中標注的正是這一部分空間的容量，如HDD160G LBA:320173056。一個LBA（邏輯塊地址）就等于一個扇區(qū)，即512bit。這樣一來，知道了一個硬盤的LBA總體數(shù)量，也就知道了硬盤容量的大小。    硬盤在

3、正常工作（用戶）狀態(tài)下，對工作區(qū)（連續(xù)不斷的邏輯扇區(qū)）的訪問是通過LBA進行，即在0到最大LBA之間進行。    要想接觸到服務(wù)區(qū)，只有在一種專門的工作狀態(tài)下，即技術(shù)工作狀態(tài)下才可能實現(xiàn)。而要想進入這一工作狀態(tài)，則需要一把“鑰匙”指令，給出了“鑰匙”指令之后，就可以打開一組補充的技術(shù)指令。借助這些技術(shù)指令就可以進行諸如讀/寫服務(wù)區(qū)的扇區(qū)信息、獲取服務(wù)區(qū)模塊和表格配置圖、獲取扇區(qū)分配表、進行LBA與PCHS (Physical Cylinder Head Sector)（物理磁柱-磁頭-扇區(qū)）互換、進行低級格式化，以及讀/寫硬盤的閃存器等操作。服務(wù)信息服務(wù)

4、信息對硬盤運行來說是必須要有的，它可以分為以下幾類：微程序的管理模塊（overlay）；配置和設(shè)置表；缺陷表；工作記錄表（SelfScan, Calibrator程序的工作結(jié)果）。    硬盤微處理器的工作程序?qū)儆谟脖P工作所必需的一組程序。它包括初始診斷程序、伺服電機旋轉(zhuǎn)控制程序、磁頭定位程序、與硬盤控制器及緩沖存儲器的信息交換程序等。所有這些合起來稱作硬盤程序。在有些型號的硬盤中，工作程序被配置在微控制器的內(nèi)部存儲器或外部閃存器中（如2.5"的 “TOSHIBA”硬盤）。但是，對大部分型號的硬盤來說，它的部分工作程序存儲在磁盤的服務(wù)區(qū)上，而在

5、電路板的緩沖存儲器中，存儲的是初始化程序、定位程序，以及從磁盤服務(wù)區(qū)向內(nèi)存儲器讀與復(fù)制的工作程序初始加載器。由于程序是從服務(wù)區(qū)向微處理器的緩沖存儲器中重新加載，而這里也是微處理器的工作地點，所以，它們的名字叫做“管理程序或overlay程序”（詳見圖2）。圖2    在服務(wù)區(qū)內(nèi)，“overlay”是以模塊的形式，即程序的終端進行配置的，它包括模塊標題、模塊主體，以及用于檢測該模塊完整性的檢測綜合區(qū)。當“overlay”加載到緩沖存儲器時，硬盤微處理器對每個被加載的模塊檢測總數(shù)進行計算，然后將其與模塊的檢測總數(shù)比特進行比較。如果比較檢測總數(shù)的結(jié)果不一致，那

6、么，這個模塊就會被認為已經(jīng)損壞，而且不能被加載到緩沖儲存器中。這正是大多數(shù)具有“overlay”程序硬盤出現(xiàn)工作故障的常見原因。通常，在出現(xiàn)這種故障時，硬盤是不能夠完整地運行的，也就是說，不是所有的“overlay”程序都能夠被加載到緩沖存儲器之中，并參與硬盤的工作。不同的“overlay”程序出現(xiàn)損壞，故障會表現(xiàn)出不同的形式來。例如，硬盤一直會處在“忙碌”狀態(tài)，不能夠準備就緒，或者在硬盤的辨認過程中，“BIOS”會確認硬盤的出廠名稱（Mammoth, N40P, Calypso 等），或者型號在“BIOS”中會被確定出來，但此時的容量大小只有0G等。   

7、60;硬盤的配置和設(shè)置表包含有關(guān)于磁盤空間的邏輯和物理信息。這些表格對于電路板（一個家族的所有硬盤的電路板都是統(tǒng)一的）來說是必需的，是為了讓電路板獨立地設(shè)置到這一家族的這一類型號上，也就是說使電路板正確地選擇型號名稱、最大LBA值，正確地確定物理磁頭的數(shù)量和Zone分配表。    在設(shè)計某一型號的硬盤時，如容量為160G的雙磁盤硬盤時，自然而然一個磁盤上的容量為80G,而一個磁盤的一個表面容量，即四分之一硬盤的容量為40G。所以說，生產(chǎn)商在不需要投入很大研發(fā)費用的同時,可以向市場推出很多型號和容量都不同的硬盤。如在一些容量小的型號硬盤中，可以使用一些由于

8、某些參數(shù)原因而不能夠被所有型號硬盤所使用的零件。舉例說明，在容量最小的一些硬盤中，生產(chǎn)商可以使用某一表面具有缺陷的磁盤，因為在這個硬盤中，該表面是不使用的。    配置表與工作程序一樣，是以模塊的形式被配置在硬盤的服務(wù)區(qū)內(nèi)，也包括標題、模塊主體（表格）和檢測總數(shù)區(qū)。在鑒別硬盤時，配置表以同樣的方式加載到微處理器的緩沖存儲器之中，并計算和檢查檢測總數(shù)。配置表和工作程序一樣，對硬盤的工作是至關(guān)重要的。     通常情況下，一旦配置表發(fā)生損壞，那么硬盤在計算機的BIOS中便無法得到鑒別和確認，或者在鑒別過程中，所顯示的硬

9、盤容量、型號、名稱及批號會出現(xiàn)錯誤等。    缺陷表。目前的生產(chǎn)技術(shù)還不能夠確保所生產(chǎn)的每一個磁盤沒有任何缺陷。由于載體材料的非單一性、拋光打磨上的缺陷，以及在制作磁層時介入雜質(zhì)等因素，都有可能使硬盤的某些區(qū)域在讀寫過程中產(chǎn)生錯誤。    帶ST506/412接口的老式硬盤，其缺陷磁道標示貼在密封硬盤的外殼上，而且每一個硬盤都有一個備用容量，如20mbit的ST225型硬盤實際上有21.5mbit的容量，也就是說1.5mbit的容量是用來供壞扇區(qū)和壞道使用的?，F(xiàn)在市場上流行的硬盤也有一個富余容量，用來將工作區(qū)中的壞

10、扇區(qū)和壞道與備用區(qū)的正常扇區(qū)和磁道進行替換。在使用了這樣一種替換機制以后，即使在磁盤工作區(qū)的磁表面上出現(xiàn)大塊區(qū)域的缺陷，硬盤的總體容量也不會減少。為了進行這樣的替換，硬盤中有一個專門的缺陷隱藏程序，叫做“Defect Management”（缺陷管理）程序。該程序運行的主要目的是發(fā)現(xiàn)硬盤中所有磁盤上的缺陷區(qū)域，然后再將其放置在一種名曰“缺陷表”的專門表格之中。之后，再對邏輯空間向物理空間進行轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)進行重新計算，這樣一來也就隱藏了缺陷。    缺陷表是在生產(chǎn)廠家的廠內(nèi)試驗過程中填寫的。廠家發(fā)現(xiàn)的所有“壞”扇區(qū)序號均被填寫在該表之中。這種操作被稱為“更新

11、（隱藏）缺陷”（UPDATE  DEFECT）。這樣，當硬盤工作時，如需訪問被隱藏的缺陷扇區(qū)，那么，硬盤會變更訪問的地址，將訪問指向備用區(qū)。所以，目前由生產(chǎn)廠家推出的最新型硬盤，在用戶數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)是沒有缺陷扇區(qū)的。    大部分型號的硬盤都有兩個缺陷表，即初始缺陷表(Primary或P-List)和生長缺陷表（Grown 或G-List）。初始缺陷表由生產(chǎn)廠家在進行工廠內(nèi)部檢測SELFSCAN (intelligent burn-in)過程中填寫。生長缺陷表不由廠家填寫，是用來填寫在硬盤使用過程中所發(fā)現(xiàn)的缺陷。因此，幾乎所有硬盤的用戶指令表中有一個

12、叫“Assign”的指令，通過該指令就可以將對壞扇區(qū)的訪問轉(zhuǎn)向備用區(qū)。這一指令被許多檢測程序所使用，其中包括廠家所推薦的修復(fù)硬盤壞扇區(qū)程序。在“Western Digital”（西數(shù)）硬盤中，有一種“Data Lifeguard”（數(shù)據(jù)救生）系統(tǒng)，可以在硬盤沒有訪問時重新指定壞扇區(qū)。為此，硬盤要對磁盤的表面進行自我檢測，并將用戶數(shù)據(jù)挪到備用區(qū)內(nèi)，有缺陷的扇區(qū)被打上“BAD”（壞）標志。從隱藏缺陷的類型上講，這種方法與給出“Assign”指令一致?！案皇俊?、“昆騰”、“邁拓”和“IBM”硬盤可以在“寫”的過程中自動隱藏缺陷，也就是說，數(shù)據(jù)是寫入缺陷扇區(qū)，但硬盤本身可以將訪問重新指向備用區(qū)，這時，

13、缺陷扇區(qū)被打上“BAD”標志，其編號被填寫到G-List表中。    工作記錄表包含硬盤生產(chǎn)和運行過程中的一些輔助信息（如檢測結(jié)果、檢測程序運行記錄等）。通常情況下，這些表格內(nèi)容并不重要，而且在一般用戶工作狀態(tài)下，它們的損壞并不會影響到硬盤的工作。但是，這些模塊在用戶準備對硬盤進行二次使用（刷新），以及執(zhí)行“SelfScan”和 “Calibrator”等操作時會需要。    兩種隱藏缺陷的方法    當使用“重新指定”（Assign)方法時，硬盤在“BAD”扇區(qū)的辨別區(qū)內(nèi)會打上被位移

14、扇面的標記，然后再在該扇區(qū)的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)打上備用扇區(qū)的序號，即需要訪問，進行讀寫操作的扇區(qū)序號。通常，這個扇區(qū)就是用戶存儲數(shù)據(jù)的工作區(qū)之后的第一個扇區(qū)（詳見圖3）。圖 3. 重新指定扇區(qū)法    在進行讀寫操作和訪問壞扇區(qū)時，控制器會發(fā)現(xiàn)上面所說的那個標志和重新指定的地址，這樣就會將磁頭定位在備用區(qū)，以便讀寫正常扇區(qū)上的數(shù)據(jù)。缺陷扇區(qū)在此情況下似乎已經(jīng)消失，但是，硬盤在每次工作時都會遇到壞扇區(qū)，并對磁頭進行重新定位，使其在備用區(qū)進行讀寫操作。每次遇到這種情況，我們就會聽見硬盤磁頭發(fā)出“吱吱”的聲音，而且硬盤的運行速度也會有所降低?！癆ssign”操作只能隱藏

15、數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的缺陷。如果錯誤與鑒別區(qū)和伺服標記破壞有關(guān)，那么，“Assign”操作是不能隱藏這種缺陷的。    生產(chǎn)廠家隱藏缺陷扇區(qū)的方法被稱為“忽略缺陷扇區(qū)法”。使用這種方法時，缺陷扇區(qū)被忽略，而下一個扇區(qū)被冠以缺陷扇區(qū)的序號（以此類推），這樣，最后一個扇區(qū)就被移到了磁盤的備用區(qū)（見圖4）。圖4.    使用這種隱藏方法會破壞低級格式化的連續(xù)性和完整性。LBA 向 PCHS轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)該考慮到壞扇區(qū)，并在數(shù)據(jù)訪問時將其忽略。邏輯磁盤空間與物理格式之間的關(guān)系借助一種專用的程序-譯碼器實現(xiàn)，這種專用程序考慮到了磁盤的物理格

16、式、區(qū)域劃分，以及壞扇區(qū)與壞磁道已不再工作等因素。所以，忽略缺陷扇區(qū)法要求必須對譯碼器表進行重新統(tǒng)計計算，而且還會破壞用戶事先寫入數(shù)據(jù)的完整性。正因如此，這種隱藏方法只有在硬盤處在一種專門的技術(shù)工作狀態(tài)下才能使用。硬盤服務(wù)區(qū)的檢測.    為了檢查硬盤服務(wù)區(qū)信息的完整性，需要使用一套專門的程序，以便能夠?qū)⒂脖P轉(zhuǎn)入技術(shù)狀態(tài)，一個模塊接著一個模塊來訪問到硬盤的服務(wù)區(qū)，檢查硬盤服務(wù)信息的所有結(jié)構(gòu)。例如，為了對硬盤進行檢測，可以在“Windows”系統(tǒng)軟件中使用PC-3000軟件-硬件綜合系統(tǒng)。在檢測和恢復(fù)硬盤服務(wù)區(qū)信息方面，該系統(tǒng)具有相當發(fā)達的專用菜單。

17、60;   當運行服務(wù)區(qū)（Service Area）結(jié)構(gòu)檢測（structure test）程序時，服務(wù)區(qū)的每一個模塊都會依次得到檢查。檢查的項目包括模塊標示符、標示符的長度、檢測總和及其它參數(shù)（見表1）表 1-Id:磁柱 :磁頭: 扇區(qū): 大小:讀 : Hdr :CS : 日期:     Vers.: 說明                  &#

18、160;                 -19:  -1:   0:     2:  19:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:0100W :Overlay of microprogram  1B:  -1:   0:    22:

19、0;  2:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:0100W :Overlay of microprogram  1A:  -1:   0:    25:   4:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:0200? :                

20、   42:  -2:   0:     0:   2:Yes  : Ok  : Ok  :03-01-04:0202? :Configuration (HDD ID)      43:  -2:   0:     3: 360:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:0200? :P-List

21、 (Primary defect)  44:  -2:   0:   364:   8:Yes  : Ok  : Ok  :05-01-04:0200? :G-List (Grown defect)        59:  -2:   0:   373:   4:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:0

22、100? :T-List (Track defect)       5A:  -2:   0:   378:   1:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:0100? :                     &

23、#160;          20:  -2:   0:   380: 144:Yes  : Ok  : Ok  :01-01-04:0701? :Translator (PD List)    25:  -2:   0:   525:  15:No   :  :   : :   :                  Translator (RBB List)   23:  -2:   0:   541:   6:Yes  : Ok  : Ok  :24-10-03:C807? :Translator (S