硬盤的工作原理 - 全文

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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，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，硬盤中還有一個存儲緩沖區(qū)，是為協(xié)調(diào)硬盤與主機在數(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)?！　∮脖P驅(qū)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完成初始化，此時磁頭置于盤片中心位置。初始化后，主軸電機將啟動并以高速旋轉(zhuǎn)，裝載磁頭的小車機構(gòu)移動將浮動磁頭置于盤片表面的00 道，處于等待命令的啟動狀態(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)動音圈電機發(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)浇涌陔娐罚答伣o主機系統(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，筆記本電腦硬盤的 17mm的厚度幾乎沒有什么機型可以裝配，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， 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，硬盤的接口傳輸率越來越體現(xiàn)出它在整個電腦系統(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)，實際上是指把控制器與盤體集成在一起的硬盤驅(qū)動器，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?，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 的處理負荷。要使用 Ultra-ATA ，需要一個空閑的 PCI擴展槽，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，在同一時間點內(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 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)，實際上是集成工藝制成的多個磁頭的組合。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，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)軸中心附近也寫進了數(shù)據(jù)，所以它就要在盤片的附近安裝一個裝置，用來放置磁頭。所以筆記本硬盤在讀盤的時候會產(chǎn)生“咯嗒、咯嗒”的聲音，其實是它在“靠岸”。這種設(shè)計也帶來了一些好處，在硬盤不工作的時候，由于磁頭遠離盤片，就不會出現(xiàn)因震動而劃傷盤片的現(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)展做出了一個非常重要的貢獻，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，實現(xiàn)更高的存儲密度?，F(xiàn)有的 MR 磁頭能夠達到盤片密度為 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)動機構(gòu)由音圈電機和磁頭驅(qū)動小車組成，新型大容量硬盤還具有高效的防震動機構(gòu)。高精度的輕型磁頭驅(qū)動機構(gòu)，能夠正確驅(qū)動和定位磁頭，并在很短的時間內(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

　　在硬盤中，與磁頭技術(shù)一樣重要的另一項技術(shù)就是電機技術(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 ，流體動態(tài)軸承電機)技術(shù)是在 1996年第一次推出的，目前已經(jīng)到了第三代，流體動態(tài)軸承電機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;同時油膜可有效吸收震動，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，降低了噪音，增強了對震動的抵抗能力，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)，它的主軸電機轉(zhuǎn)速高達 15000r/min 。現(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。電機技術(shù)發(fā)展了，直接帶動的就是硬盤主軸轉(zhuǎn)速的提高，而轉(zhuǎn)速決定著硬盤的尋道時間。當(dāng)然，在提高硬盤主軸轉(zhuǎn)速的同時，需要考慮的是硬盤的發(fā)熱量及振動問題，還有硬盤的工作噪聲問題。所以，電機技術(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固性，此外玻璃材料在硬盤高轉(zhuǎn)速時具有更高的穩(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。

　　7 .筆記本電腦硬盤其他組件

　　( 1 )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)動和伺服定位等，由于磁頭讀取的信號微弱，因此，將放大電路密封在腔體內(nèi)可減少外來信號的干擾，提高操作命令的準(zhǔn)確性。

　　( 2 )控制電路板。

　　控制電路板大多采用貼片式元件焊接，包括主軸調(diào)速電路、磁頭驅(qū)動與伺服定位電路、讀寫電路、控制及接口電路等。在電路板上還有一塊高效的單片機 ROM

　　芯片，其固化的軟件可以完成硬盤的初始化，加電和啟動主軸電機，初始尋道定位以及故障檢測等。在電路板上還安裝有容量不等的高速緩存芯片 。

　　( 3 )固定蓋板。

　　即硬盤的面板，標(biāo)注產(chǎn)品的型號、產(chǎn)地和設(shè)置數(shù)據(jù)等，和底板結(jié)合成為一個密封的整體，保證硬盤盤片和機構(gòu)的穩(wěn)定運行。固定蓋板和盤體側(cè)面還設(shè)有安裝孔，以方便安裝。

　　( 4 )硬盤緩存。

　　硬盤緩存的作用類似于 CPU中的一、二級高速緩存，主要用來緩解速度差和實現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)存取等，硬盤的數(shù)據(jù)緩存也隨著硬盤的不斷發(fā)展而不斷增大，早期硬盤的數(shù)據(jù)緩存只有 128KB甚至更小，而那時 2MB 的數(shù)據(jù)只能在高端的 SCSI 硬盤上看到。當(dāng)接口技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個相對成熟的階段時，緩存的大小與速度是直接關(guān)系到硬盤傳輸速度的重要因素。緩存是硬盤與外部總線交換數(shù)據(jù)的場所。硬盤讀數(shù)據(jù)的過程是將磁信號轉(zhuǎn)化為電信號后，通過緩存一次次地填充與清空，再填充，再清空，一步步按照 PCI總線的周期送出。可見，緩存的作用是相當(dāng)重要的。

　　目前主流硬盤的緩存主要為 2MB ～ 8MB 。其類型一般是 DDR SDRAM 或 SDRAM ，目前一般以 DDR SDRAM 為主。

　　電腦硬盤的工作原理

　　電腦硬盤在邏輯上被劃分為磁道、柱面以及扇區(qū)。

　　硬盤的每個盤片的每個面都有一個讀寫磁頭，磁盤盤面區(qū)域的劃分如圖所示。

　　磁頭靠近主軸接觸的表面，即線速度最小的地方，是一個特殊的區(qū)域，它不存放任何數(shù)據(jù)，稱為啟停區(qū)或著陸區(qū)(landing zone)，啟停區(qū)外就是數(shù)據(jù)區(qū)。在最外圈，離主軸最遠的地方是“0”磁道，硬盤數(shù)據(jù)的存放就是從最外圈開始的。那么，磁頭是如何找到“0”磁道的位置的 呢?在硬盤中還有一個叫“0”磁道檢測器的構(gòu)件，它是用來完成硬盤的初始定位。“0”磁道是如此的重要，以致很多硬盤僅僅因為“0”磁道損壞就報廢，這是 非?？上У?。

　　早期的硬盤在每次關(guān)機之前需要運行一個被稱為parking的程序，其作用是讓磁頭回到啟停區(qū)?，F(xiàn)代硬盤在設(shè)計上已摒棄了這個雖不復(fù)雜卻很讓人不愉 快的小缺陷。硬盤不工作時，磁頭停留在啟停區(qū)，當(dāng)需要從硬盤讀寫數(shù)據(jù)時，磁盤開始旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度達到額定的高速時，磁頭就會因盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流而抬起， 這時磁頭才向盤片存放數(shù)據(jù)的區(qū)域移動。

　　盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流相當(dāng)強，足以使磁頭托起，并與盤面保持一個微小的距離。這個距離越小，磁頭讀寫數(shù)據(jù)的靈敏度就越高，當(dāng)然對硬盤各部件的要求也越 高。早期設(shè)計的磁盤驅(qū)動器使磁頭保持在盤面上方幾微米處飛行。稍后一些設(shè)計使磁頭在盤面上的飛行高度降到約0.1μm～0.5μm，現(xiàn)在的水平已經(jīng)達到 0.005μm～0.01μm，這只是人類頭發(fā)直徑的千分之一。

　　氣流既能使磁頭脫離開盤面，又能使它保持在離盤面足夠近的地方，非常緊密地跟隨著磁盤表面呈起伏運動，使磁頭飛行處于嚴(yán)格受控狀態(tài)。磁頭必須飛行在盤面上方，而不是接觸盤面，這種位置可避免擦傷磁性涂層，而更重要的是不讓磁性涂層損傷磁頭。

　　但是，磁頭也不能離盤面太遠，否則，就不能使盤面達到足夠強的磁化，難以讀出盤上的磁化翻轉(zhuǎn)(磁極轉(zhuǎn)換形式，是磁盤上實際記錄數(shù)據(jù)的方式)。

　　硬盤驅(qū)動器磁頭的飛行懸浮高度低、速度快，一旦有小的塵埃進入硬盤密封腔內(nèi)，或者一旦磁頭與盤體發(fā)生碰撞，就可能造成數(shù)據(jù)丟失，形成壞塊，甚至造成 磁頭和盤體的損壞。所以，硬盤系統(tǒng)的密封一定要可靠，在非專業(yè)條件下絕對不能開啟硬盤密封腔，否則，灰塵進入后會加速硬盤的損壞。另外，硬盤驅(qū)動器磁頭的 尋道伺服電機多采用音圈式旋轉(zhuǎn)或直線運動步進電機，在伺服跟蹤的調(diào)節(jié)下精確地跟蹤盤片的磁道，所以，硬盤工作時不要有沖擊碰撞，搬動時要小心輕放。 這種硬盤就是采用溫徹斯特(winchester)技術(shù)制造的硬盤，所以也被稱為溫盤，目前絕大多數(shù)硬盤都采用此技術(shù)。