硬盤的工作原理

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　　1 .筆記本電腦硬盤的工作原理

　　硬盤利用特定磁粒子的極性記錄數(shù)據(jù)。磁頭在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，將磁粒子的不同極性轉(zhuǎn)換成不同的電脈沖信號，然后利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(gè)存儲緩沖區(qū)，是為協(xié)調(diào)硬盤與主機(jī)在數(shù)據(jù)處理速度上的差異而設(shè)。由于硬盤的結(jié)構(gòu)比軟盤復(fù)雜，所以其格式化也比軟盤復(fù)雜，分為低級格式化、硬盤分區(qū)、高級格式化及建立文件系統(tǒng)。　　硬盤驅(qū)動(dòng)器加電正常工作后，利用控制電路中的單片機(jī)初始化模塊完成初始化，此時(shí)磁頭置于盤片中心位置。初始化后，主軸電機(jī)將啟動(dòng)并以高速旋轉(zhuǎn)，裝載磁頭的小車機(jī)構(gòu)移動(dòng)將浮動(dòng)磁頭置于盤片表面的00 道，處于等待命令的啟動(dòng)狀態(tài)。

　　當(dāng)接口電路接收到電腦系統(tǒng)傳來的命令信號后通過前置放大控制電路驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)發(fā)出磁信號。根據(jù)感應(yīng)阻值變化的磁頭正確定位盤片數(shù)據(jù)信息，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(jī)系統(tǒng)完成命令操作。結(jié)束硬盤操作的斷電狀態(tài)在反力矩彈簧的作用下將浮動(dòng)磁頭駐留到盤面中心。

　　2 .筆記本電腦硬盤結(jié)構(gòu)

　　由于受到筆記本電腦尺寸的限制，筆記本電腦硬盤也不能做得很大。第一代產(chǎn)品面世之時(shí)，筆記本電腦硬盤的 17mm的厚度幾乎沒有什么機(jī)型可以裝配，還有過高的發(fā)熱量和噪聲等。在第二代產(chǎn)品中，硬盤廠商將這個(gè)厚度降到了 12.5mm 。12.5mm 可以使 4200r/min 硬盤順利地裝入普通筆記本電腦，但是對筆記本電腦不斷向超輕薄方向發(fā)展的趨勢，它卻難有作為。

　　在過去的兩年中，筆記本硬盤 12.5mm 產(chǎn)品已經(jīng)逐漸被 9.5mm產(chǎn)品所替代。這樣就為輕薄筆記本電腦的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但這還只是厚度的改變，其外形并沒有發(fā)生改變，它們?nèi)匀欢际?2.5英寸的硬盤。也就是說，它們的盤片大小都是一樣的。

　　就在 2.5 英寸 9.5mm 的硬盤正在大行其道時(shí)， 1.8 英寸的硬盤悄然走入了人們的視野?？梢哉f，目前 1.8英寸筆記本硬盤技術(shù)已經(jīng)成熟。它對超輕薄筆記本電腦的發(fā) 展提供了必要的條件。

　　3 .筆記本電腦硬盤接口

　　硬盤接口一直是人們關(guān)心的技術(shù)，隨著筆記本電腦其他配件(如 CPU、內(nèi)存、顯示等子系統(tǒng))性能的大步邁進(jìn)，硬盤的接口傳輸率越來越體現(xiàn)出它在整個(gè)電腦系統(tǒng)的瓶頸效應(yīng)，硬盤接口問題越來越受到人們的關(guān)注。硬盤接口有電源接口與數(shù)據(jù)接口，其中電源插口與主機(jī)電源相連，為硬盤提供電力。數(shù)據(jù)接口則是硬盤數(shù)據(jù)和主板控制器之間傳輸交換的紐帶，根據(jù)連接方式的差異分為IDE ( Integrated Drive EleCTRonICs )與 EIDE 接口等。

　　現(xiàn)在的筆記本硬盤采用的都是 IDE 接口技術(shù)，實(shí)際上是指把控制器與盤體集成在一起的硬盤驅(qū)動(dòng)器，我們常說的 IDE 接口，也叫 ATA (Advanced Technology Attachment )接口。把盤體與控制器集成在一起的做法減少了硬盤接口的電纜數(shù)目與長度，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫搅嗽鰪?qiáng)，硬盤制造起來變得相對簡單，廠商不需要再擔(dān)心自己生產(chǎn)的硬盤控制器的兼容性，對用戶而言，硬盤安裝起來也更為方便。

　　隨著技術(shù)的不斷更新， IDE 接口不斷推出各種新的技術(shù)指標(biāo) ATA-1 ～ ATA-4 直到最新的 Serial ATA 接口(即串行 ATA)， ATA-4 (包含 Ultra ATA 、 Ultra DMA 、 Ultra DMA/33 、 Ultra DMA/66四種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))接口這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)將 PIO-4 下的最大數(shù)據(jù)傳輸率提高了一倍，達(dá)到 33Mb/s ，或更高的 66Mb/s 。它還在總線占用上引入了新的技術(shù)，使用 PC 的 DMA 通道減少了 CPU 的處理負(fù)荷。要使用 Ultra-ATA ，需要一個(gè)空閑的 PCI擴(kuò)展槽，其中的 Ultra ATA/66 (即 Ultra DMA/66 )是目前主流筆記本硬盤采用的接口類型，其支持最大外部數(shù)據(jù)傳輸率為66.7Mb/s 。

　　新的 Serial — ATA (即串行 ATA )是 Intel公司采用的接口類型，就如其名所示，它以連續(xù)串行的方式傳送資料，在同一時(shí)間點(diǎn)內(nèi)只會有 1位數(shù)據(jù)傳輸，此做法能減小接口的針腳數(shù)目，用四個(gè)針就完成了所有的工作(第 1 針發(fā)出、第 2 針接收、第 3 針供電、第 4針地線)。這樣的做法能降低電力消耗，減小發(fā)熱量。最新的硬盤接口類型 ATA-100 就是 Serial ATA 的初始規(guī)格，它支持的最大外部數(shù)據(jù)傳輸率達(dá) 100Mb/s 。

　　4 .筆記本電腦硬盤磁頭

　　硬盤技術(shù)的更新?lián)Q代，其中一個(gè)非常重要的技術(shù)就是磁頭技術(shù)。磁頭是硬盤技術(shù)中最重要和最關(guān)鍵的一環(huán)，實(shí)際上是集成工藝制成的多個(gè)磁頭的組合。采用磁頭和盤非接觸式結(jié)構(gòu)，加電后磁頭好像在高速旋轉(zhuǎn)的磁盤表面飛行，飛高間隙只有 0.1 m m ～ 0.3 m m，可以獲得極高的數(shù)據(jù)傳輸率。現(xiàn)在轉(zhuǎn)速 5400r/min 的硬盤飛高都低于 0.3 m m ，以利于讀取較大的高信噪比信號，提供數(shù)據(jù)傳輸存儲能力?，F(xiàn)在的硬盤單碟容量一般都在 10GB 以上，最高的單碟容量已經(jīng)達(dá)到了 20GB，以后硬盤的單碟容量還將繼續(xù)增大，對于單碟容量，與它直接聯(lián)系的技術(shù)就是磁頭技術(shù)，磁頭技術(shù)越先進(jìn)，硬盤的單碟容量就可以做得越高。由于筆記本硬盤密度太小，就連轉(zhuǎn)軸中心附近也寫進(jìn)了數(shù)據(jù)，所以它就要在盤片的附近安裝一個(gè)裝置，用來放置磁頭。所以筆記本硬盤在讀盤的時(shí)候會產(chǎn)生“咯嗒、咯嗒”的聲音，其實(shí)是它在“靠岸”。這種設(shè)計(jì)也帶來了一些好處，在硬盤不工作的時(shí)候，由于磁頭遠(yuǎn)離盤片，就不會出現(xiàn)因震動(dòng)而劃傷盤片的現(xiàn)象。

　　最早的磁頭是應(yīng)用鐵磁性物質(zhì)，它不論在磁頭的感應(yīng)敏感程度還是在精密度上都不理想，因此早期的硬盤單碟容量均非常低。1979 年發(fā)明了薄膜磁頭，使進(jìn)一步縮小硬盤體積、增大容量、提高讀寫速度成為可能。接著，在 20 世紀(jì) 80 年代末期， IBM公司對硬盤發(fā)展做出了一個(gè)非常重要的貢獻(xiàn)，即研發(fā)了 MR 磁阻磁頭技術(shù)。磁阻磁頭是基于磁致電阻效應(yīng)工作的，其核心是一片金屬材料，電阻隨磁場的變化而變化。磁阻元件連接著一個(gè)對電阻變化十分敏感的放大器，可以測出微小的電阻變化。所以，后來的MR 技術(shù)可以通過提高記錄密度來記錄更多的數(shù)據(jù)，增加單碟片容量即硬盤的最高容量，提高數(shù)據(jù)傳輸率。PRML 讀取技術(shù)能使盤片存儲更多的信息，即增加了盤片的容量，同時(shí)可以有效地提高數(shù)據(jù)的讀取和傳輸速率。 GMR 是 IBM 公司在 MR技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)成功的新一代磁頭技術(shù)，它是最新的磁頭技術(shù)，現(xiàn)在生產(chǎn)的硬盤全都應(yīng)用了 GMR 磁頭技術(shù)。GMR 巨磁阻磁頭與 MR 磁頭一樣，其原理是利用特殊材料的電阻阻值隨磁場變化讀取盤片上的數(shù)據(jù)，但是 GMR磁頭使用了磁阻效應(yīng)更好的材料和多層薄膜結(jié)構(gòu)，因而比 MR 磁頭更為敏感，相同的磁場變化能引起更大的電阻值變化，實(shí)現(xiàn)更高的存儲密度?，F(xiàn)有的 MR 磁頭能夠達(dá)到盤片密度為 3Gb ～ 5Gb 每平方英寸( Gb 每平方英寸)，而 GMR 磁頭每平方英寸可以達(dá)到 10Gb ～40Gb 以上。

　　目前 GMR 磁頭已經(jīng)處于成熟推廣期，在今后的數(shù)年內(nèi)，它將會逐步取代 MR 磁頭，成為最流行的磁頭技術(shù)。 GMR 比 MR具有更高的信號變化靈敏度，從而使硬盤的單碟容量做得更大，目前最新的磁頭技術(shù)為 第四代 GMR 磁頭技術(shù)。此外，磁頭的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由音圈電機(jī)和磁頭驅(qū)動(dòng)小車組成，新型大容量硬盤還具有高效的防震動(dòng)機(jī)構(gòu)。高精度的輕型磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠正確驅(qū)動(dòng)和定位磁頭，并在很短的時(shí)間內(nèi)精確定位系統(tǒng)命令指定的磁道，保證數(shù)據(jù)讀寫的可靠性。

　　5 .筆記本電腦硬盤電機(jī)

　　在硬盤中，與磁頭技術(shù)一樣重要的另一項(xiàng)技術(shù)就是電機(jī)技術(shù)，它直接影響著硬盤轉(zhuǎn)速的大小及傳輸速率的大小。FDB ( Fluid Dynamic Bearing ，流體動(dòng)態(tài)軸承電機(jī))技術(shù)是在 1996年第一次推出的，目前已經(jīng)到了第三代，流體動(dòng)態(tài)軸承電機(jī)使用的是黏膜液油軸承，以油膜代替滾珠。這樣可以避免金屬面的直接磨擦，將噪聲及溫度降至最低;同時(shí)油膜可有效吸收震動(dòng)，使抗震能力得到提高，可減少磨損，提高壽命。FDB 有效地減少了震動(dòng)，降低了噪音，增強(qiáng)了對震動(dòng)的抵抗能力，延長了硬盤的使用壽命。

　　目前筆記本硬盤的速度最快為 7200r/min ，而主流轉(zhuǎn)速為 4200r/min 。目前主軸轉(zhuǎn)速較快的硬盤是希捷公司推出的 CheetahX15 (捷豹 X15 系列)，它的主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá) 15000r/min ?，F(xiàn)在主流的 IDE 硬盤轉(zhuǎn)速為 7200r/min ，而主流的SCSI 硬盤轉(zhuǎn)速則為 10000r/min 。

　　可見，筆記本硬盤受其先天影響速度不可能太快。電機(jī)技術(shù)發(fā)展了，直接帶動(dòng)的就是硬盤主軸轉(zhuǎn)速的提高，而轉(zhuǎn)速決定著硬盤的尋道時(shí)間。當(dāng)然，在提高硬盤主軸轉(zhuǎn)速的同時(shí)，需要考慮的是硬盤的發(fā)熱量及振動(dòng)問題，還有硬盤的工作噪聲問題。所以，電機(jī)技術(shù)直接決定著硬盤的快慢、工作溫度及工作噪聲等。

　　6 .筆記本電腦硬盤材料

　　( 1 )盤片材料。

　　一般而言，早期硬盤的盤片都是使用塑料材料作為盤片基質(zhì)，然后再在塑料基質(zhì)上涂上磁性材料構(gòu)成的。

　　隨后推出采用鋁質(zhì)材料作為硬盤盤片基質(zhì)，目前市場上的 IDE硬盤幾乎都是使用鋁硬盤盤片基質(zhì)，而采用玻璃材料作為盤片基質(zhì)則是最新的硬盤盤片技術(shù)。玻璃材料能使硬盤具有平滑性及更高的堅(jiān)固性，此外玻璃材料在硬盤高轉(zhuǎn)速時(shí)具有更高的穩(wěn)定性。IBM 公司是采用玻璃材料作為硬盤盤片基質(zhì)的先鋒，富士通筆記本硬盤也有相應(yīng)的玻璃材料產(chǎn)品。

　　( 2 )筆記本電腦硬盤外殼。

　　筆記本硬盤外殼只是一層很薄的鐵片，很容易彎曲變型，而臺式電腦硬盤則采用很厚的金屬材質(zhì)，不易變型。之所以采用很薄的材質(zhì)制作硬盤，是為了使筆記本硬盤做得更輕，所以，在筆記本使用過程中不要用力按或者在表面放重物，這樣會使磁頭過于接近盤片而導(dǎo)致盤片劃傷。