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標題: 硬盤(pán)的物理結構和原理 [打印本頁(yè)]
作者: 我愛(ài)打黑拳    時(shí)間: 2007-7-24 21:31
標題: 硬盤(pán)的物理結構和原理
一、引言
  自1956年IBM推出第一臺硬盤(pán)驅動(dòng)器IBM RAMAC 350至今已有四十多年了，其間雖沒(méi)有CPU那種令人眼花繚亂的高速發(fā)展與技術(shù)飛躍，但我們也確實(shí)看到，在這幾十年里，硬盤(pán)驅動(dòng)器從控制技術(shù)、接口標準、機械結構等方面都進(jìn)行了一系列改進(jìn)。正是這一系列技術(shù)上的研究與突破，使我們今天終于用上了容量更大、體積更小、速度更快、性能更可靠、價(jià)格更便宜的硬盤(pán)。
如今，雖然號稱(chēng)新一代驅動(dòng)器的JAZ、DVD-ROM、DVD-RAM、CD-RW、MO、PD等紛紛登陸大容量驅動(dòng)器市場(chǎng)，但硬盤(pán)以其容量大、體積小、速度快、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，依然當之無(wú)愧地成為桌面電腦最主要的外部存儲器，也是我們每一臺PC必不可少的配置之一。

二、硬盤(pán)磁頭技術(shù)

1、磁頭
磁頭是硬盤(pán)中最昂貴的部件，也是硬盤(pán)技術(shù)中最重要和最關(guān)鍵的一環(huán)。傳統的磁頭是讀寫(xiě)合一的電磁感應式磁頭，但是，硬盤(pán)的讀、寫(xiě)卻是兩種截然不同的操作，為此，這種二合一磁頭在設計時(shí)必須要同時(shí)兼顧到讀/寫(xiě)兩種特性，從而造成了硬盤(pán)設計上的局限。而MR磁頭（Magnetoresistive heads），即磁阻磁頭，采用的是分離式的磁頭結構：寫(xiě)入磁頭仍采用傳統的磁感應磁頭（MR磁頭不能進(jìn)行寫(xiě)操作），讀取磁頭則采用新型的MR磁頭，即所謂的感應寫(xiě)、磁阻讀。這樣，在設計時(shí)就可以針對兩者的不同特性分別進(jìn)行優(yōu)化，以得到最好的讀/寫(xiě)性能。另外，MR磁頭是通過(guò)阻值變化而不是電流變化去感應信號幅度，因而對信號變化相當敏感，讀取數據的準確性也相應提高。而且由于讀取的信號幅度與磁道寬度無(wú)關(guān)，故磁道可以做得很窄，從而提高了盤(pán)片密度，達到200MB/英寸2，而使用傳統的磁頭只能達到20MB/英寸2，這也是MR磁頭被廣泛應用的最主要原因。目前，MR磁頭已得到廣泛應用，而采用多層結構和磁阻效應更好的材料制作的GMR磁頭（Giant Magnetoresistive heads）也逐漸普及。

2、磁道
當磁盤(pán)旋轉時(shí)，磁頭若保持在一個(gè)位置上，則每個(gè)磁頭都會(huì )在磁盤(pán)表面劃出一個(gè)圓形軌跡，這些圓形軌跡就叫做磁道。這些磁道用肉眼是根本看不到的，因為它們僅是盤(pán)面上以特殊方式磁化了的一些磁化區，磁盤(pán)上的信息便是沿著(zhù)這樣的軌道存放的。相鄰磁道之間并不是緊挨著(zhù)的，這是因為磁化單元相隔太近時(shí)磁性會(huì )相互產(chǎn)生影響，同時(shí)也為磁頭的讀寫(xiě)帶來(lái)困難。一張1.44MB的3.5英寸軟盤(pán)，一面有80個(gè)磁道，而硬盤(pán)上的磁道密度則遠遠大于此值，通常一面有成千上萬(wàn)個(gè)磁道。

3、扇區
磁盤(pán)上的每個(gè)磁道被等分為若干個(gè)弧段，這些弧段便是磁盤(pán)的扇區，每個(gè)扇區可以存放512個(gè)字節的信息，磁盤(pán)驅動(dòng)器在向磁盤(pán)讀取和寫(xiě)入數據時(shí)，要以扇區為單位。1.44MB3.5英寸的軟盤(pán)，每個(gè)磁道分為18個(gè)扇區。

4、柱面
硬盤(pán)通常由重疊的一組盤(pán)片構成，每個(gè)盤(pán)面都被劃分為數目相等的磁道，并從外緣的“0”開(kāi)始編號，具有相同編號的磁道形成一個(gè)圓柱，稱(chēng)之為磁盤(pán)的柱面。磁盤(pán)的柱面數與一個(gè)盤(pán)面上的磁道數是相等的。由于每個(gè)盤(pán)面都有自己的磁頭，因此，盤(pán)面數等于總的磁頭數。所謂硬盤(pán)的CHS,即Cylinder（柱面）、Head（磁頭）、Sector（扇區），只要知道了硬盤(pán)的CHS的數目，即可確定硬盤(pán)的容量，硬盤(pán)的容量=柱面數×磁頭數×扇區數×512B。

三、硬盤(pán)接口技術(shù)
硬盤(pán)接口是連接硬盤(pán)驅動(dòng)器和計算機的專(zhuān)用部件，它對計算機的性能以及在擴充系統時(shí)計算機連接其他設備的能力都有很大影響。硬盤(pán)驅動(dòng)器接口的類(lèi)型主要有：

1、    ST506/412接口與ESDI接口
ST506/412是PC/XT、AT時(shí)代的標準接口標準。ST506/412最多可安裝4個(gè)硬盤(pán)驅動(dòng)器，允許最大硬盤(pán)空間為150MB。而ESDI（Enhanced Small Device Interface，增強型小型設備接口）是ST506/412接口的改進(jìn)版，但與ST506/412接口互不兼容。ESDI支持的硬盤(pán)容量上增加到300MB，最大數據傳輸率為2MB/sec。目前這兩種接口均已遭淘汰。

2、SCSI接口
  SCSI（Small Computer System Interface）即“小型計算機系統接口”是一種系統級的接口，支持硬盤(pán)的容量突破了528MB的限制，可以同時(shí)掛接7個(gè)不同的設備。目前SCSI接口有二個(gè)標準：SCSI-2和SCSI-3。SCSI-2又稱(chēng)為Fast SCSI，在8bit總線(xiàn)下能達到10M/s的數據傳輸率。而SCSI-3包括Ultra SCSI（8bit）、Ultra wide SCSI（含16bit和32bit）和Ultra2 SCSI。其中Ultra2 SCSI在8bit數據寬度下提供40M/s的數據傳輸率，在16位總線(xiàn)下最高能達到80M/s。SCSI接口的硬盤(pán)被廣泛應用于網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器、工作站和小型計算機系統上，但由于SCSI接口硬盤(pán)的價(jià)格要比IDE接口硬盤(pán)高，而且使用時(shí)還必須另外購買(mǎi)SCSI接口卡，因而在家用電腦上仍以IDE接口的硬盤(pán)為主流。

3、IDE接口
  IDE（Integrated Drive Electronics）接口是Compaq公司為解決老式的ST506/412接口速度慢、成本高而開(kāi)發(fā)出硬盤(pán)接口標準，亦即ATA（AT Attachment）接口標準。由于IDE接口的硬盤(pán)具有價(jià)格低廉、穩定性好、標準化程度高等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛的應用。ATA接口標準亦已由ATA、ATA-2、ATA-3發(fā)展到今天的Ultra ATA。
  Ultra ATA（也稱(chēng)為Ultra DMA/33）是由Intel和Quantum公司共同提出的硬盤(pán)接口標準，與Fast ATA相比，Ultra ATA有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
  外部數據傳率由Fast ATA的16.6MB/s提高到33.3MB/s；
  采用CRC循環(huán)冗余檢驗，通過(guò)兩個(gè)寄存器的重復測試來(lái)提高數據傳輸的可靠性；由硬盤(pán)直接產(chǎn)生選通信號，并且同時(shí)將數據傳送到總線(xiàn)上，從而減少數據傳輸的延遲時(shí)間。
  要發(fā)揮Ultra ATA的威力，除了要有一塊Ultra ATA接口的硬盤(pán)外，還需要有操作系統和芯片組的支持。目前支持Ultra ATA的芯片組包括Intel的430TX、440LX，SiS 5597/5581，VIA的VP2、VP3，ALi的Aladdin IV+，AMD-640以及所有100Mhz的芯片組。雖然，Ultra ATA向下兼容于Fast ATA，兩者都是使用40pin的接口，但如果芯片組或操作系統不支持，即使是Ultra ATA硬盤(pán)也只能達到16.6MB/s的外部傳輸率。

4、IEEE 1394接口
  IEEE 1394并不是硬盤(pán)專(zhuān)用接口，但它卻可以方便地連接包括硬盤(pán)在內的63個(gè)不同設備，并支持即插即用和熱插撥。在數據傳輸率方面，IEEE 1394可以提供100MB/s、400MB/s、1.2GB/s三檔高速傳輸率，是現時(shí)所有硬盤(pán)望塵莫及的。雖然目前市面上仍未能見(jiàn)到IEEE 1394接口的硬盤(pán)，但由于IEEE 1394接口的先進(jìn)性，它必然會(huì )取代SCSI和IDE而成為明日的硬盤(pán)接口。目前Windows 98已支持IEEE 1394。

四、硬盤(pán)數據保護技術(shù)
硬盤(pán)容量越做越大，我們在硬盤(pán)里存放的數據也越來(lái)越多。那么，這么大量的數據存放在這樣一個(gè)鐵盒子里究竟有多安全呢？雖然，目前的大多數硬盤(pán)的無(wú)故障運行時(shí)間（MTBF）已達300，000小時(shí)以上，但這仍不夠，一次故障便足以造成災難性的后果。因為對于不少用戶(hù)，特別是商業(yè)用戶(hù)而言，數據才是PC系統中最昂貴的部分，他們需要的是能提前對故障進(jìn)行預測。正是這種需求與信任危機，推動(dòng)著(zhù)各廠(chǎng)商努力尋求一種硬盤(pán)安全監測機制，于是，一系列的硬盤(pán)數據保護技術(shù)應運而生。
　　1、S.M.A.R.T.技術(shù)
　　S.M.A.R.T.技術(shù)的全稱(chēng)是Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology，即“自監測、分析及報告技術(shù)”。在A(yíng)TA-3標準中，S.M.A.R.T.技術(shù)被正式確立。S.M.A.R.T.監測的對象包括磁頭、磁盤(pán)、馬達、電路等，由硬盤(pán)的監測電路和主機上的監測軟件對被監測對象的運行情況與歷史記錄及預設的安全值進(jìn)行分析、比較，當出現安全值范圍以外的情況時(shí)，會(huì )自動(dòng)向用戶(hù)發(fā)出警告，而更先進(jìn)的技術(shù)還可以提醒網(wǎng)絡(luò )管理員的注意，自動(dòng)降低硬盤(pán)的運行速度，把重要數據文件轉存到其它安全扇區，甚至把文件備份到其它硬盤(pán)或存儲設備。通過(guò)S.M.A.R.T.技術(shù)，確實(shí)可以對硬盤(pán)潛在故障進(jìn)行有效預測，提高數據的安全性。但我們也應該看到，S.M.A.R.T.技術(shù)并不是萬(wàn)能的，它只能對漸發(fā)性的故障進(jìn)行監測，而對于一些突發(fā)性的故障，如盤(pán)片突然斷裂等，硬盤(pán)再怎么smart也無(wú)能為力了。因此不管怎樣，備份仍然是必須的。
2、DFT技術(shù)
　　DFT（Drive Fitness Test，驅動(dòng)器健康檢測）技術(shù)是IBM公司為其PC硬盤(pán)開(kāi)發(fā)的數據保護技術(shù)，它通過(guò)使用DFT程序訪(fǎng)問(wèn)IBM硬盤(pán)里的DFT微代碼對硬盤(pán)進(jìn)行檢測，可以讓用戶(hù)方便快捷地檢測硬盤(pán)的運轉狀況。
　　據研究表明，在用戶(hù)送回返修的硬盤(pán)中，大部分的硬盤(pán)本身是好的。DFT能夠減少這種情形的發(fā)生，為用戶(hù)節省時(shí)間和精力，避免因誤判造成數據丟失。它在硬盤(pán)上分割出一個(gè)單獨的空間給DFT程序，即使在系統軟件不能正常工作的情況下也能調用。
　　DFT微代碼可以自動(dòng)對錯誤事件進(jìn)行登記，并將登記數據保存到硬盤(pán)上的保留區域中。DFT微代碼還可以實(shí)時(shí)對硬盤(pán)進(jìn)行物理分析，如通過(guò)讀取伺服位置錯誤信號來(lái)計算出盤(pán)片交換、伺服穩定性、重復移動(dòng)等參數，并給出圖形供用戶(hù)或技術(shù)人員參考。這是一個(gè)全新的觀(guān)念，硬盤(pán)子系統的控制信號可以被用來(lái)分析硬盤(pán)本身的機械狀況。
　　而DFT軟件是一個(gè)獨立的不依賴(lài)操作系統的軟件，它可以在用戶(hù)其他任何軟件失效的情況下運行。
作者: fytxjn    時(shí)間: 2007-7-24 21:51
學(xué)習了，看看哈
作者: 9skyservice    時(shí)間: 2007-7-26 00:14
看了太好了
作者: panqk    時(shí)間: 2007-7-26 01:04
磁頭是硬盤(pán)中最昂貴的部件
作者: panqk    時(shí)間: 2007-7-26 01:05
磁頭是硬盤(pán)中最昂貴的部件?????????????
作者: 我愛(ài)打黑拳    時(shí)間: 2007-8-5 21:35
是的啊，謝謝跟帖
作者: pmag    時(shí)間: 2007-8-6 21:18
謝謝你了
作者: fengzhishan    時(shí)間: 2007-8-19 08:03
太好了



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