硬盤物理結(jié)構(gòu)及工作原理

1、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。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)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

2、定面板和盤體側(cè)面還設(shè)有螺封的整體，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。紋孔，以方便硬盤的安裝。金屬固定板金屬固定板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2.磁頭驅(qū)動組件磁頭驅(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

3、對磁頭進行正確的驅(qū)動和定位，并能在很短的時間內(nèi)精確定的輕型磁頭驅(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，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。頭將盤片刮傷等情況的發(fā)生而設(shè)計的。永磁鐵電磁線圈磁盤片電磁線圈4.前置控制電路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

4、和伺服定位等，由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。操作指令的準確性。前置控制電路磁道磁道柱面柱面扇區(qū)扇區(qū)盤片盤片盤片盤片主軸主軸磁道磁道SCSI硬盤硬盤SATA硬盤硬盤4. 固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤（固態(tài)硬盤（Solid State Disk）用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，如圖所示為）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（固態(tài)硬盤，它主要由控制單元和存

5、儲單元（FLASH芯片）組成。固態(tài)硬盤的接口規(guī)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（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）作芯片）作為存儲介質(zhì)，另外一種是采用為存儲介質(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、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，由視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)

6、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。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。 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，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，年，IBM研制研制成功了一種新型的硬盤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。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料，盤片和移動的磁頭共同密封在一個盒子里面，磁頭

7、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（化。這就是第一塊溫徹斯特硬盤（Winchester）。）。“溫徹斯特溫徹斯特”這個名字的來歷是：這個名字的來歷是：IBM3340硬盤擁有兩個硬盤擁有兩個30MB的存儲單元，而當(dāng)時一種很有名的的存儲單元，而當(dāng)時一種很有名的“溫徹斯特來福槍溫徹斯特來福槍”的口的口徑和裝藥也恰好包含了兩個數(shù)字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。于是這種硬盤的內(nèi)部代號就被定為“溫徹斯特溫徹斯特”。 現(xiàn)在的現(xiàn)在的IDE、SATA和和SCSI接口硬盤采用的都是接口硬盤采用的都是“溫徹思特溫徹思特”技術(shù)，簡稱為技術(shù)，簡稱為“溫盤溫

8、盤”。溫徹斯特技術(shù)的主要內(nèi)容是溫徹斯特技術(shù)的主要內(nèi)容是“頭盤組合件（頭盤組合件（HAD，Head Disk Assembly）”。將磁頭、盤。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（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），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，磁頭停靠在盤片上，當(dāng)盤片轉(zhuǎn)速達一定值涂潤滑劑，實行接觸起停。即平常盤片不轉(zhuǎn)時，磁頭停靠在盤片上，

9、當(dāng)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。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：溫徹斯特硬盤的特點如下：（1）磁頭、盤片、運動機構(gòu)密封。）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。）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。）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。）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。 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計算

10、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。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著一層

11、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。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(dāng)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(dāng)系統(tǒng)向硬盤寫入數(shù)據(jù)時，磁頭中

12、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)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(dāng)系統(tǒng)從硬盤中讀取數(shù)據(jù)時，磁發(fā)生改變，并在寫電流磁場消失后仍能保持，當(dāng)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，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)。經(jīng)過相關(guān)電路處理后還原成數(shù)據(jù)。 硬盤驅(qū)動器加電后，硬盤電路板上的主控芯片中的硬盤驅(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（數(shù)字信號處理器）開始對硬盤進行初始化

13、；即對硬盤進行初始化；即DSP首先運行首先運行ROM中的程序，部分硬盤會檢查各部件的完整中的程序，部分硬盤會檢查各部件的完整性，然后盤片電機起轉(zhuǎn)，當(dāng)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，性，然后盤片電機起轉(zhuǎn)，當(dāng)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

14、有固件中，只有硬盤的密碼是一定寫在其固件區(qū)的），一定要寫在盤片上，在硬盤的所有固件中，只有硬盤的密碼是一定寫在其固件區(qū)的），在固件被正常讀出后，硬盤初始化完成。接著主軸電機將啟動并帶動磁盤高速旋轉(zhuǎn)，在固件被正常讀出后，硬盤初始化完成。接著主軸電機將啟動并帶動磁盤高速旋轉(zhuǎn)，同時音圈電機啟動，帶動磁頭移動到硬盤的同時音圈電機啟動，帶動磁頭移動到硬盤的0柱面柱面0磁頭磁頭1扇區(qū)（也就是我們常說的扇區(qū)（也就是我們常說的0道），處于等待指令的啟動狀態(tài)。道），處于等待指令的啟動狀態(tài)。 接下來，電腦運行一個應(yīng)用程序時，應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)的接下來，電腦運行一個應(yīng)用程序時，應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)的API（App

15、lication Programming Interface，應(yīng)用程序接口）發(fā)出調(diào)用數(shù)據(jù)請求到，應(yīng)用程序接口）發(fā)出調(diào)用數(shù)據(jù)請求到CPU，然后，然后CPU發(fā)出指發(fā)出指令，當(dāng)硬盤接口電路接收到電腦的令，當(dāng)硬盤接口電路接收到電腦的CPU傳來的指令信號后，通過硬盤微處理器向電機傳來的指令信號后，通過硬盤微處理器向電機驅(qū)動芯片發(fā)出控制信號，接著電機驅(qū)動芯片將此信號翻譯成電壓驅(qū)動信號，驅(qū)動主軸驅(qū)動芯片發(fā)出控制信號，接著電機驅(qū)動芯片將此信號翻譯成電壓驅(qū)動信號，驅(qū)動主軸電機和音圈電機轉(zhuǎn)動，進而帶動盤片轉(zhuǎn)動，并將磁頭移動到數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)；這時根電機和音圈電機轉(zhuǎn)動，進而帶動盤片轉(zhuǎn)動，并將磁頭移動到數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)；

16、這時根據(jù)感應(yīng)阻值變化的磁頭會讀取磁盤上的數(shù)據(jù)信息。同時將讀取的數(shù)據(jù)信息傳送到磁頭據(jù)感應(yīng)阻值變化的磁頭會讀取磁盤上的數(shù)據(jù)信息。同時將讀取的數(shù)據(jù)信息傳送到磁頭信號放大芯片，磁頭芯片將信號放大后，再傳送到前置信號處理器，前置信號處理器信號放大芯片，磁頭芯片將信號放大后，再傳送到前置信號處理器，前置信號處理器將接收到的模擬信號解碼后再傳送到數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器再對數(shù)據(jù)信號將接收到的模擬信號解碼后再傳送到數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器再對數(shù)據(jù)信號進行進一步加工，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，之后傳送到接口電路；接口電路將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電腦進行進一步加工，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，之后傳送到接口電路；接口電路將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電腦能識別的接口數(shù)據(jù)信號后，反饋給電腦系統(tǒng)，完成指令操作。最后硬盤微處理器向磁能識別的接口數(shù)據(jù)信號后，反饋給電腦系統(tǒng)，完成指令操作。最后硬盤微處理器向磁頭發(fā)出歸位控制信號，使磁頭歸位。磁頭又處于等待指令的啟動狀態(tài)，如下圖所示為頭發(fā)出歸位控制信號，使磁頭歸位。磁頭又處于等待指令的啟動狀態(tài)，如下圖所示為硬盤工作過程圖。硬盤工作過程圖。電腦的CPU主板中的硬盤接口（IDE接口或