2022年硬盤的結構、工作原理與維護(共39張PPT)

硬盤HARDDISK一、硬盤發(fā)展綜述二、硬盤的結構及工作原理三、硬盤的接口及各種技術四、硬盤的管理與維護硬盤簡介硬盤的英文全稱是（HardDisk），直譯為“堅固的磁盤”，從外形看頗似一個四四方方的金屬盒子，底層控制電路板裸露在腹部，尾部是與電腦主板連接的信息接口、電源接口和設置屬性的跳線。盒子內部密封了硬質合金盤片（主要是鋁，也有用玻璃材料的）、磁頭、磁臂、磁臂伺服定位系統(tǒng)等部件。大小有5.25，3.5，2.5和1.8英寸（后兩種常用于筆記本及部分袖珍精密儀器中）幾種，現(xiàn)在臺式機中常用3.5英寸的盤片。

什么是硬盤？在發(fā)明磁盤系統(tǒng)之前，計算機使用穿孔紙帶、磁帶等來存儲程序與數(shù)據(jù)，這些存儲方式不僅容量低、速度慢，而且有個大缺陷：它們都是順序存儲，為了讀取后面的數(shù)據(jù)，必須從頭開始讀，無法實現(xiàn)隨機存取數(shù)據(jù)。1956年9月，IBM的一個工程小組向世界展示了第一臺磁盤存儲系統(tǒng)IBM350RAMAC，其磁頭可以直接移動到盤片上的任何一塊存儲區(qū)域，從而成功地實現(xiàn)了隨機存儲。這個重達上百公斤、由50片直徑為24英寸的磁盤組成的龐然大物，其容量僅為5MB，但在當時卻是劃時代的產(chǎn)物。

硬盤的發(fā)展歷史---

硬盤的發(fā)展歷史---

1973年，IBM又發(fā)明了Winchester（溫氏）硬盤，其特點是工作時磁頭懸浮在高速轉動的盤片上方，而不與盤片直接接觸，這便是現(xiàn)代硬盤的原型?！懊芊?、固定并高速旋轉的鍍磁盤片、磁頭沿盤片徑向移動”是“溫徹斯特”硬盤技術的精髓。今天個人電腦中的硬盤容量雖然已經(jīng)高達幾十GB以上，但仍然沒有脫離“溫徹斯特”模式。

硬盤的發(fā)展歷史---1979年，IBM發(fā)明了薄膜磁頭，為進一步減小硬盤體積、增大容量、提高讀寫速度提供了可能。上圖是1982年用在IBM-XT上的一塊10M的硬盤，除了外型略大，無論外觀還是內部結構和現(xiàn)在最先進的硬盤并無大的差別。<>快速，目前的1394支持傳輸率為400Mbps3um，以利于讀取較大的高信噪比信號，提供數(shù)據(jù)傳輸存儲的可靠性。平均訪問時間（AverageAccessTime）建立RESCUEDISK4、文件目錄區(qū)(FDT)二、硬盤的結構及工作原理隨著硬盤容量的擴大和速度的提高，主軸電機的速度也在不斷提升，有不少廠商開始采用精密機械工業(yè)的液態(tài)軸承電機技術。硬盤容量（Volume）

容量的單位為兆字節(jié)（MB）或千兆字節(jié)（GB）。SeagateSoftSonic（液體軸承馬達）現(xiàn)在的硬盤接口綜合起來說可以分成如下幾種：IDE(即ATA)、SCSI、USB、IEEE1394(即火線)與FibreChannel（光纖），而最常見的也就是我們普通用戶所用得就屬IDE，因為它價格相對比較便宜，而且性能也不差，所以在PC中得到了非常廣泛的應用；內部傳輸率主要依賴于硬盤的旋轉速度。用七個字概括就是——更快、更大、更穩(wěn)定1、更快的主軸電機轉速和緩存技術2、更大的硬盤高速緩存和單碟容量3、新型磁頭技術4、“濕盤”（wetdisk）技術5、ULTRADSP(超級數(shù)字信號處理器)的應用6、PRML（PartialResponseMaximumLikelyhood，局部響應最大相似）讀取通道技術。

硬盤的發(fā)展方向---

一、硬盤發(fā)展綜述二、硬盤的結構及工作原理三、硬盤的接口及各種技術四、硬盤的管理與維護硬盤簡介

硬盤的結構---

硬盤主要由：盤片，磁頭，盤片轉軸及控制電機，磁頭控制器，數(shù)據(jù)轉換器，接口，緩存等幾個部分組成。

硬盤中所有的盤片都裝在一個旋轉軸上，每張盤片之間是平行的，在每個盤片的存儲面上有一個磁頭，磁頭與盤片之間的距離比頭發(fā)絲的直徑還小，所有的磁頭聯(lián)在一個磁頭控制器上，由磁頭控制器負責各個磁頭的運動。磁頭可沿盤片的半徑方向運動，加上盤片每分鐘幾千轉的高速旋轉，磁頭就可以定位在盤片的指定位置上進行數(shù)據(jù)的讀寫操作。硬盤作為精密設備，塵埃是其大敵，必須完全密封。

硬盤的外部結構---

包括電源插口和數(shù)據(jù)接口兩部分大多采用貼片式元件焊接，包括主軸調速電路、磁頭驅動與伺服定位電路、讀寫電路、控制與接口電路等就是硬盤的面板，和底板結合成一個密封的整體，保證硬盤盤片和機構的穩(wěn)定運行

硬盤的內部結構---硬盤內部結構由固定面板、控制電路板、盤頭組件、接口及附件等幾大部分組成，而盤頭組件(HardDiskAssembly，HDA)是構成硬盤的核心，封裝在硬盤的凈化腔體內，包括浮動磁頭組件、磁頭驅動機構、盤片及主軸驅動機構、前置讀寫控制電路等。揭開外蓋后的硬盤，結構一目了然

硬盤的內部結構---

1.浮動磁頭組件：由讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸三部分組成。磁頭是硬盤技術最重要和關鍵的一環(huán)，實際上是集成工藝制成的多個磁頭的組合，它采用了非接觸式頭、盤結構，加電后在高速旋轉的磁盤表面飛行，飛高間隙只有0.1～0.3um，可以獲得極高的數(shù)據(jù)傳輸率?，F(xiàn)在轉速5400rpm的硬盤飛高都低于0.3um，以利于讀取較大的高信噪比信號，提供數(shù)據(jù)傳輸存儲的可靠性。讀寫磁頭傳動軸傳動手臂

硬盤的內部結構---

2.磁頭驅動機構：由音圈電機和磁頭驅動小車組成，新型大容量硬盤還具有高效的防震動機構。高精度的輕型磁頭驅動機構能夠對磁頭進行正確的驅動和定位，并在很短的時間內精確定位系統(tǒng)指令指定的磁道，保證數(shù)據(jù)讀寫的可靠性。

硬盤的內部結構---

3.盤片和主軸組件：盤片是硬盤存儲數(shù)據(jù)的載體，現(xiàn)在的盤片大都采用金屬薄膜磁盤，這種金屬薄膜較之軟磁盤的不連續(xù)顆粒載體具有更高的記錄密度，同時還具有高剩磁和高矯頑力的特點。主軸組件包括主軸部件如軸瓦和驅動電機等。隨著硬盤容量的擴大和速度的提高，主軸電機的速度也在不斷提升，有不少廠商開始采用精密機械工業(yè)的液態(tài)軸承電機技術。

硬盤的內部結構---

4.前置控制電路：前置放大電路控制磁頭感應的信號、主軸電機調速、磁頭驅動和伺服定位等，由于磁頭讀取的信號微弱，將放大電路密封在腔體內可減少外來信號的干擾，提高操作指令的準確性。

硬盤的工作原理---

概括地說，硬盤的工作原理是利用特定的磁粒子的極性來記錄數(shù)據(jù)。磁頭在讀取數(shù)據(jù)時，將磁粒子的不同極性轉換成不同的電脈沖信號，再利用數(shù)據(jù)轉換器將這些原始信號變成電腦可以使用的數(shù)據(jù)，寫的操作正好與此相反。另外，硬盤中還有一個存儲緩沖區(qū)（緩存），這是為了協(xié)調硬盤與主機在數(shù)據(jù)處理速度上的差異而設的。由于硬盤的結構比軟盤復雜得多，所以它的格式化工作也比軟盤要復雜，分為低級格式化，硬盤分區(qū)，高級格式化并建立文件管理系統(tǒng)。

硬盤的工作原理---

硬盤驅動器加電正常工作后，利用控制電路中的單片機初始化模塊進行初始化工作，此時磁頭置于盤片中心位置，初始化完成后主軸電機將啟動并以高速旋轉，裝載磁頭的小車機構移動，將浮動磁頭置于盤片表面的00道，處于等待指令的啟動狀態(tài)。當接口電路接收到微機系統(tǒng)傳來的指令信號，通過前置放大控制電路，驅動音圈電機發(fā)出磁信號，根據(jù)感應阻值變化的磁頭對盤片數(shù)據(jù)信息進行正確定位，并將接收后的數(shù)據(jù)信息解碼，通過放大控制電路傳輸?shù)浇涌陔娐?，反饋給主機系統(tǒng)完成指令操作。結束硬盤操作的斷電狀態(tài)，在反力矩彈簧的作用下浮動磁頭駐留到盤面中心。一、硬盤發(fā)展綜述二、硬盤的結構及工作原理三、硬盤的接口及各種技術四、硬盤的管理與維護硬盤簡介

硬盤接口目的：使大家對硬盤接口的發(fā)展有一個整體上的了解

用一個詞形容---繽紛萬種

現(xiàn)在的硬盤接口綜合起來說可以分成如下幾種：IDE(即ATA)、SCSI、USB、IEEE1394(即火線)與FibreChannel（光纖），而最常見的也就是我們普通用戶所用得就屬IDE，因為它價格相對比較便宜，而且性能也不差，所以在PC中得到了非常廣泛的應用；對于SCSI，在服務器上最?？吹剿嫩欅E，因為它具有很好的并行處理能力，同時也具有相對比較高的磁盤性能，因此非常適合服務器的需要，當然它的價格也不菲；USB與IEEE1394相對而言是新一點的接口類型，不過正因為是比較新的接口技術，所以在某些方面做得比IDE與SCSI好，例如可同時掛接多個設備等；至于光纖大家都知道它的特點，寬帶寬，但價格也極其貴。下面分別介紹一下這幾種接口的特點及優(yōu)缺點----

硬盤接口

硬盤接口1、IDE/ATA(IntegratedDriveElectronics/AdvancedTechnologyAttachment)ATA接口優(yōu)點：<>價格低廉<>兼容性非常好ATA接口缺點：<>速度慢<>只能內置使用<>對接口電纜的長度有很嚴格的限制

類型特性存取周期數(shù)據(jù)傳輸率PIOMode0ATA-1600ns3.3MB/secPIOMode1ATA-1383ns5.2MB/secPIOMode2ATA-1240ns8.3MB/secPIOMode3ATA-2180ns11.1MB/secPIOMode4ATA-2120ns16.6MB/secPIOMode4ATA-3120ns16.6MB/secUltraDMA33UltraATA60ns33MB/secUltraDMA66UltraATA6630ns66MB/secUltraDMA100UltraATA/100-100MB/sec

硬盤接口2、SCSI(SmallComputerSystemInterface小型計算機系統(tǒng)接口)SCSI接口優(yōu)點：<>適應面廣，在一塊SCSI控制卡上就可以同時掛接15個設備<>高性能（具有很多任務、寬帶寬及少CPU占用率等特點）<>具有外置和內置兩種SCSI接口缺點：<>價格昂貴<>安裝復雜

硬盤接口3、USB（UniversalSerialBus通用串行總線）USB接口優(yōu)點：<>價格低廉<>連接簡單快捷，兼容性強，具有很好的擴展性<>高速度，USB2.0接口的傳輸速度高達480Mbps，是串口的4000多倍USB接口缺點：<>設備之間的通信效率低<>連接電纜的長度比較短

硬盤接口4、IEEE1394（Firewire、iLink、Lynx）IEEE1394優(yōu)點：<>即時數(shù)據(jù)傳輸(Real-TimeDataTransfer)<>支持熱插拔，驅動程序安裝簡易<>快速，目前的1394支持傳輸率為400Mbps<>通用I/O連接頭，點對點的通訊架構IEEE1394缺點：<>價格昂貴的IEEE1394硬盤適配器5、FibreChannel（光纖通道）光纖通道優(yōu)點：<>具有很好的升級性<>可以用非常長的光纖電纜（帶有FiberOpticCabling時，光纖長度可以超過10公里）<>具有非常寬的帶寬（現(xiàn)在一般的光纖都具有1.06GBps，而如果采用多光纖通道可以達到更寬的帶寬）<>具有很強的通用性

光纖通道缺點：<>價格非常昂貴<>組建復雜

硬盤接口

硬盤技術參數(shù)

硬盤容量（Volume）

容量的單位為兆字節(jié)（MB）或千兆字節(jié)（GB）。目前的主流硬盤容量為40-60GB。影響硬盤容量的因素有單碟容量和碟片數(shù)量。許多人發(fā)現(xiàn)，計算機中顯示出來的容量往往比硬盤容量的標稱值要小。這是由于不同的單位轉換關系造成的。我們知道，在計算機中1GB＝1024MB=1048576KB，而硬盤廠家通常是按照1G＝1000MB=1000000KB進行換算的，因此我們在BIOS中或格式化硬盤時看到的容量往往會比廠家的標稱值小5%左右。

硬盤技術參數(shù)

轉速（Rotationalspeed）

硬盤的轉速是指硬盤盤片每分鐘轉過的圈數(shù)，單位為RPM（RotationPerMinute）。一般硬盤的轉速都達到5400RPM（每分鐘5400轉），而部分硬盤如邁拓的金鉆系列則達到了7200RPM。有些SCSI接口的硬盤使用了液態(tài)軸承技術，轉速可達10000－15000RPM。

硬盤技術參數(shù)

平均尋道時間（AverageSeekTime）

硬盤的平均尋道時間是指硬盤的磁頭從初始位置移動到盤面指定磁道所需的時間，是影響硬盤內部數(shù)據(jù)傳輸率的重要參數(shù)。這個時間越小越好。目前IDE硬盤的平均尋道時間通常在8ms到11ms之間。硬盤的等待時間（Latency）硬盤的等待時間又叫潛伏期，是指磁頭已處于要訪問的磁道，等待所要訪問的扇區(qū)旋轉至磁頭下方的時間。平均等待時間通常為盤片旋轉一周所需時間的一半，因此硬盤轉速越快，等待時間就越短，一般應在4ms以下。

硬盤技術參數(shù)

平均訪問時間（AverageAccessTime）

硬盤讀取數(shù)據(jù)的實際過程大致是：硬盤接收到讀取指令后，磁頭從初始位置移到目標磁道位置（經(jīng)過一個尋道時間），然后從目標磁道上找到所需讀取的數(shù)據(jù)（經(jīng)過一個等待時間）。這樣我們看到硬盤在讀取數(shù)據(jù)時，要經(jīng)過一個平均尋道時間和一個平均等待時間，平均訪問時間＝平均尋道時間＋平均等待時間。在等待時間內，磁頭已到達目標磁道上方，只等所需數(shù)據(jù)扇區(qū)旋轉到磁頭下方即可讀取。這個時間當然越小越好，但它受限于硬盤的機械結構。因此轉速也是影響硬盤內部數(shù)據(jù)傳輸率的重要參數(shù)。

硬盤技術參數(shù)

緩存（Cache）

由于CPU與硬盤之間存在巨大的速度差異，為解決硬盤在讀寫數(shù)據(jù)時CPU的等待問題，在硬盤上設置適當?shù)母咚倬彺?，以解決二者之間速度不匹配的問題。硬盤緩存與CPU上的高速緩存作用一樣，是為了提高硬盤的讀寫速度，當然緩存越大越好。目前硬盤緩存通常為一般為2MB，甚至有的高端硬盤采用8MB的緩存設計，性能的提升自然更加明顯。

硬盤技術參數(shù)

數(shù)據(jù)傳輸率（DateTransferRate）

硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率是指硬盤讀寫數(shù)據(jù)的速度，單位為兆字節(jié)每秒（MB/s）。硬盤數(shù)據(jù)傳輸率包括內部傳輸率和外部傳輸率兩個指標。內部傳輸率(InternalTransferRate)內部傳輸率也稱為持續(xù)傳輸率（SustainedTransferRate），是磁頭到硬盤的高速緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸速度，它反映了硬盤緩沖區(qū)沒有使用時的性能，這可以說是影響硬盤整體速度的瓶頸。內部傳輸率主要依賴于硬盤的旋轉速度。值得注意的是Mb/S或Mbps為單位，這是兆位/秒

硬盤技術參數(shù)

外部傳輸率(ExternalTransferRate)外部傳輸率也稱為突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率（BurstDataTransferRate）或接口傳輸率。它指的是系統(tǒng)總線與硬盤緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，與硬盤接口類型和硬盤緩存的大小有關。1、數(shù)據(jù)保護技術S.M.A.R.T（Self-MonitoringAnalysisandReportTechnology，自我檢測分析及報告技術簡稱）DFT(IBM)Maxsafe(Maxtor)DriveSelfTest(Seagate)2、減震技術SPSII(Maxtor)Seashield(Seagate)3、降噪技術IBMDriveNoiseSuppressionSystem(DNSS)降噪技術MaxtorSilentStore技術SeagateSoftSonic（液體軸承馬達）

硬盤附加技術

硬盤的邏輯組織

從邏輯上分，硬盤分為五大部分1、主引導區(qū)（MBR）2、系統(tǒng)引導區(qū)/DOS引導區(qū)（DBR）3、文件分配表(FAT)4、文件目錄區(qū)(FDT)5、數(shù)據(jù)區(qū)一、硬盤發(fā)展綜述二、硬盤的結構及工作原理三、硬盤的接口及各種技術四、硬盤的管理與維護硬盤簡介磁頭可沿盤片的半徑方向運動，加上盤片每分鐘幾千轉的高速旋轉，磁頭就可以定位在盤片的指定位置上進行數(shù)據(jù)的讀寫操作。MaxtorSilentStore技術內部傳輸率主要依賴于硬盤的旋轉速度。浮動磁頭組件：由讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸三部分組成。內部傳輸率主要依賴于硬盤的旋轉速度。4、文件目錄區(qū)(FDT)<>適應面廣，在一塊SCSI控制卡上就可以同時掛接15個設備3um，可以獲得極高的數(shù)據(jù)傳輸率。4、“濕盤”（wetdisk）技術6、PRML（PartialResponseMaximumLikelyhood，局部響應最大相似）讀取通道技術。UltraDMA66UltraDMA66建立RESCUEDISK<>具有外置和內置兩種06GBps