（机械设计及理论专业论文）微气囊抗震移动硬盘性能的研究及应用.pdf

摘要 摘要 现有的移动硬盘抗震方法基本可归为主动抗震和被动抗震两大类，主动抗震 技术可以对低频振动和高加速度冲击有效兼容，但要加装加速度传感器和相应控 制电路，制作工艺复杂且成本较高，一般仅适于军事安全领域使用。被动抗震则 具有结构简单，抗震效果好且成本较低的优点，因而更适于在民用领域推广。本 文提出了一种基于被动抗震原理的新型微气囊抗震移动硬盘，并对其进行了理论 及试验研究。 发明了一种新型抗震移动硬盘，该型抗震移动硬盘采取悬挂式，硬盘体在壳 体中间位置悬空，不与移动硬盘外壳直接接触。硬盘体上面、下面、左右前面通 过支架与微气囊减震装置连接，保证受到各方位碰撞冲击时都可以有效减小冲 击，保证其正常工作。根据能量守恒定律，对微气囊抗震移动硬盘在自由落体过 程中硬盘体变形能进行了分析，分别建立了硬盘体与地面发生碰撞前后的能量关 系式，并对两者进行了比较分析；基于弹性理论中应力与形变的关系，建立了求 解移动硬盘体在振动发生时刻的变形能的计算方程，并根据试验研究的需要提出 了其简化模型。 实际制作一块质量和外形尺寸同2 5 寸笔记本硬盘相同的铝质硬盘体模型， 并利用自行设计的试验装置对安装普通移动硬盘外壳和新型微气囊抗震移动硬 盘外壳的铝质硬盘体模型分别进行了跌落撞击试验，得出了硬盘体模型受到撞击 时盘身应变值与起始下落高度的关系曲线，并将应变值带入之前推导出的硬盘体 变形能简化模型中，得出了有抗震装置保护的移动硬盘的抗震性能远优于普通移 动硬盘的结论。 关键词移动硬盘；微气囊；抗震保护 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r et w ok i n d so fm e t h o d so na n t i 。s h o c kf o rm o b i l eh a r dd i s k , w h i c ha r e a c t i v ea n t i - s h o c ka n dp a s s i v ea n t i s h o c k a c t i v ea n t i s h o c kt e c h n o l o g yi su s e di nl o w f r e q u e n c ya n t i s h o c ka n dh i g ha c c e l e r a t i o nf i e l d ，b u ti ti sv e r yc o m p l e xa n de x p e n s i v e ， b e c a u s ei tn e e d sa c c e l e r a t i o ns e n s o ra n dc o n t r o lc i r c u i t ，i ti so n l yu s e do nm i l i t a r y s e c u r i t ya s p e c t c o m p a r i n gw i t hi t , p a s s i v ea n t i - s h o c kt e c h n o l o g yh a sg o o da n t i s h o c k p e r f o r m a n c e ，s i m p l es t r u c t u r ea n dc h e a p e r , s oi ti ss u i tt ob ea p p l i e dt on o r m a lu s e r s i nt h i sp a p e r , an e wa n t i - s h o c km o b i l eh a r dd i s kb a s e do ns u b m i n i a t u r ea i rc h a m b e r t e c h n o l o g yi sp r e s e n t e d ，t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi sa p p l i e do ni t an e wa n t i - s h o c km o b i l eh a r dd i s ki sd e v e l o p e d ，a n dah a r dd i s kb o d yi sh a n g e d i n s i d ei t , w h i c hk e 印ss o m ed i s t a n c ef r o mt h ec r u s t e a c hs u r f a c eo ft h eh a r dd i s k b o d yi sc o n n e c t e d 、析mc r u s tb yb r a c k e t , s ow h e nt h em o b i l eh a r dd i s kf a l l so nt h e f l o o ri na n ys i t u a t i o n , i tc a nb ep r o t e c t e dp e r f e c t l y a c c o r d i n gt ot h ec o n s e r v a t i o no f e n e r g y , d e f o r m a t i o ne n e r g yo ft h eh a r dd i s kb o d yi sa n a l y z e dd u r i n gt h ef a l l i n g p r o c e s s ，t w of o r m u l a sf o rd e f o r m a t i o ne n e r g yo f h a r dd i s kb o d ya r ee s t a b l i s h e d ，o n ei s b e f o r et h ec o l l i s i o n , t h eo t h e ri sa r t h e nc o m p a r et h et w of o r m u l a sa n da n a l y z e t h e m b a s e do nr e l a t i o n s h i po fs t r e s sa n ds t r a i n0 1 1e l a s t i ct h e o r y , f o r m u l a sf o r c o u n t i n gd e f o r m a t i o ne n e r g yo fh a r dd i s kb o d ya r ee s t a b l i s h e dw h e nt h es h a k ei s o c c u r r e d a c c o r d i n gt ot h en e e d so fe x p e r i m e n ta n dr e s e a r c h , as i m p l ed e f o r m a t i o n e n e r g yf o r m u l ai sd e v e l o p e d a2 5i n c ha l u m i n o u sn o t eb o o kh a r dd i s kb o d ym o d e li sm a n u f a c t u r e d , w i t ht h e s a m es h a p ea n ds i z eo ft h er e a lo n e 。e x p e r i m e n t sa r ea p p l i e do nt h en o r m a lm o b i l e d i s ka n dt h ea n t i s h o c km o b i l ed i s ku s i n gan e we x p e r i m e n t a le q u i p m e n tw h i c hc a l l m e a s u r et h ep o r t r a i ts t r a i nv a l u er e s p e c t i v e l y , r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r a i nv a l u ea n d 铆lh e i g h ti so b t a i n e d a f t e rt h a t ，s t r a i nv a l u ei sp u ti n t ot h ef o r e g o i n gs i m p l e d e f o r m a t i o ne n e r g yf o r m u l a , t h er e s u l tp r o v e st h a tt h ea n t i - s h o c kp e r f o r m a n c eo ft h e a n t i s h o c km o b i l eh a r dd i s ki sb e t t e rt h a nt h en o r m a lo n e k e y w o r d s ：m o b i l eh a r dd i s k ；s u b m i n i a t u r ea i rc h a m b e r ；a n t i s h o c kp r o t e c t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：稽序曹日期： 关于论文使用授权的说明 f7 | 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 11 课题背景 第1 章绪论 移动硬盘主要由外壳、电路板( 控制芯片、数据和电源接口) 和硬盘体( 笔 记本硬盘) 3 大部分组成。其中硬盘体是移动硬盘最主要的核心组成部分，也是 移动硬盘最脆弱的部件，硬盘体通常是25 寸笔记本硬盘，少数情况下也由35 寸台式机硬盘充当。本研究所涉及的新型抗震移动硬盘的就是通过一种新型抗震 移动硬盘外壳对硬盘体实施有效抗震保护，达到保护硬盘体的目的。本章将肘移 动硬盘的核心的部件硬盘体的背景资料做一些| 兑明，以指导和启发本研究的 进行。 111 硬盘产生和发展 现在的i d e 硬盘如图1 1 所示，容量动辄2 0 g b 转速则大多为7 2 0 0 r p m ，数 据缓存则是2 m b ，这就是现在主流i d e 硬盘的标准“1 。那你知不知道以前的硬盘 是什么样子呢? 现在大家看到的硬盘大多是3 5 英盘，但以前的硬盘又是什么 一样子呢? 到今日这个样子，又经过了多少发展过程呢? 带着这些问题，让我们 来看看硬盘的历史发展。 图1 1 i d e 硬盘简图 f i g1 - 1 e h a r dd i s k 最早的硬盘可算是1 9 5 6 年9 月，i b m 的一个工程小组向世界展示了第一台 磁盘存储系统i b m3 5 9r a m a c ( r a n d o ma c c e s sm e t h o do fa c c o u n t i n ga n dc o n t r 0 1 ) 北京丁啦大学工学硕士学位论文 如图卜2 所示。1 ，它的磁头可以直接移动到盘片l 的任何一块存储区域，从而成 功地实现了随机存储，这套系统的总容量只有5 m b ，共使用了5 0 个直径为2 4 英 寸的磁盘，这些盘片表面涂有一层磁性物质，它们被叠起柬固定在一起，绕着同 个轴旋转。此款r a m a c 在那时主要用于飞机预约、自动银行、医学诊断及太空 领域内。普通用户是不可能用到得，当然当时的电脑也不多，还没有所谓的p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 。 圈1 - 2m m3 5 0r a m a c 磁盘存储系统 f i 9 1 - 2 m m3 5 0 m a g n e t i cd i s ks t o r a g es y s t e m 由于r a m a c 庞大的体积及低效的性能，使用或者制造都非常不便，因此 在】9 6 8 年i b m 公司叉提出了“温彻斯特w i n c h e s t e r ”技术探讨对硬盘技术做 重大改造的可能性”。“温彻斯特”技术的精隋是：“密封、固定并高速旋转的 镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片 直接接触”，这也是现代绝大多数硬盘的原型。在此项温氏技术提出后的5 年， 即1 9 7 3 年，i b m 公司制造出了第一台采用“温彻期特”技术的硬盘，从此硬盘 技术的发展有了正确的结构基础，现在大家所用的硬盘大多是此技术的延伸。 下面让我们分块柬介绍硬盘技术的历史与发展。 1111 磁头技术 硬盘技术的更新换代，其中一个非常重要的技术就足磁头技术“1 ，现在的硬盘 啦碟容量一般都在1 0 g b 以上，昂高的单碟容量已经达到了2 0 g b ，以后硬盘的 单碟容量还将继续增大，对于单碟容量，它直接联系的技术就是碰头技术，磁头 技术越先进，硬盘的单碟容量就可以做得更高。 最早的磁头是采用铁磁性物质它在不论磁头的感应敏感程度或精密度上都不 第1 章绪论 理想，因此早期的硬盘单碟容量均非常低，单碟低了，硬盘的总容量就受到非常 大的限制，因为在一块硬盘内封装的盘片数是非常有限的( 目前一般的硬盘封装 盘片数在3 至5 片) 。同时早期使用的磁头在体积上也小，它使得早期的硬盘体 积上相对而言比较庞大，这给用户的使用带来了非常的不便。 1 9 7 9 年，i b m 发明了薄膜磁头“，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高 读写速度提供了可能。接着在2 0 世纪8 0 年代未期，i b m 公司对硬盘发展做出了 非常重要的一个贡献，即研发了m r ( m a g n e t or e s i s t i v e ) 磁阻磁头“，这种磁 头在读取数据时对信号变化相当敏感，这使得盘片的存储密度能够比以往2 0 m b 每英寸提高了数十倍，磁盘存储密度提高了，单碟容量自然而然就提高了，而单 碟的提高就带动着整块硬盘容量的增大。 在1 9 9 1 年，i b m 公司将此项m r 磁头技术应用于35 英寸硬盘中，使得普通电 脑用户使用的硬盘容量首次达到了1 g b ，从此我们使用的硬盘容量开始进入了 g b 数量级。现在有些用户使用得迈拓钻石十一代( d i a m o n d m a x8 0 ) ，它能提供 高达8 0 g b 的容量，这些都是从那时的m 只磁头技术开始的。当然这么高的容量 最后还得归功于g m r ( g a i n t m a g n e t or e s i s t i v e ，巨磁阻) 磁头技术如圈卜3 所 示，g m r 是m 公司在m r 技术的基础上研发成功的新一代磁头技术，它是最 新的磁头技术，现在生产的硬盘全都应用了g m r 磁头技术。g m r 比m r 具有 更高的信号变化灵敏度，从而使得硬盘的单碟容量可以做得更高，目前最新的磁 头技术为第四代g m r 磁头技术。 图1 - 3 巨磁阻磁头 f i 9 1 - 3 m a g a e f i c h e a d so f g i a m m a g u e t o i m p e d a n c e 北京刖止大学t 。学颂十学似论文 112 电机技术 在硬盘中，与磁头技术一样重要的另一项技术就是电机技术了，它直接影响 着硬盘转速的大小。目前最快主轴转速的硬盘即希捷公司推出的c h e e t a h x l 5 ( 捷 豹x 1 5 系列) 如图卜4 所示- 它的主轴电机转速高达1 5 ，0 0 0 r p m 。目前主流的i d e 硬盘转速为7 2 0 0 r p m 而丰浦的s c s i 砸舟转谆刚为io , 0 0 0 r p m 。 图卜4 捷豹x 1 5 硬盘 f i g1 - 4 c h e e t a h x l 5 h a r d d i s k 早期的硬盘转速一般只有4 0 0 0 r p m 甚至更低，低转速的主要原因是出于电机 技术的限制，随着技术的革新，转速提高到了4 4 0 0 r p m 及4 9 0 0 r p m ，再后来就是 5 4 0 0 r p m 了。 目前还有相当大部份的i d e 硬盘转速只有5 4 0 0 r p m ，这些产品的定位足低价 位电脑市场，如上面提到的迈拓钻石1 叶t ( d i a m o n d m a x8 0 ) ，虽然它能提供 最高容量达8 0 g b ，但其转速却只有5 4 0 0 t p m 。在5 4 0 0 r p m 后，推出的即7 2 0 0 r p m ， 这也是目日i 最高的i d e 硬盘转速。 这里提一个比较优秀的电机技术是希捷公司独有的f l u i dd y n a m i cb e a t i n g ( f d b ) 电机它在1 9 9 6 年第一次推出，现在已经发展到了第三代技术，最新推 出的7 2 0 0 r p mb a r r a c u d aa t ai i i ( 希捷新酷鱼三代) 采用的就是f d b1 1 1 电机技 术，它能有效降低噪音，减少震动，延长寿命和增强对震动的抵抗能力，电机技 术发展了，直接影响的就是硬盘主轴转速的提高，而转速就决定着硬盘的寻道时 间。当然在提高硬盘主轴转速的同时需要考虑得是硬盘的发热量及振动问题，还 有就是硬盘的工作噪声问题。所以电机技术直接决定着硬盘的快慢、工作温度及 工作噪声等。 13 接口技术 硬盘接口一直是人们关心的技术。，随着电脑其他配件( 如c p u 、内存 第1 章绪论 显示等子系统) 性能的大步迈进，硬盘的接口传输率越来越体现出它在整个电脑 系统的瓶颈效应，硬盘接口越来越受到人们的关注。 1 、最早的硬盘接口要算是s t - 5 0 6 4 1 2 接口，它是希捷开发的一种硬盘接口， 首先使用这种接口的硬盘为希捷的s t - - 5 0 6 及s t 一4 1 2 。s t 一5 0 6 接口使用起来 相当简便，它不需要任何特殊的电缆及接头，但是它支持的传输速度很低，因此 到了1 9 8 7 年左右这种接口就基本上被淘汰了，采用该接口的老硬盘容量多数都 低于2 0 0 m b 。早期i b mp c x t 和p c a t 机器使用的硬盘就是s t - - 5 0 6 4 1 2 硬盘 或称m f m 硬盘，m f m ( m o d i f i e d f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 是指一种编码方案。 2 、接在s t - 5 0 6 4 1 2 接口后发布得是e s d i ( e n h a n c e ds m a l ld r i v ei n t e r f a c e ) 接口，它是迈拓公司于1 9 8 3 年开发的。其特点是将编解码器放在硬盘本身之中， 而不是在控制卡上，理论传输速度是前面所述的s t - 5 0 6 的2 - - - 4 倍，一般可达到 1 0 m b p s 。但其成本较高，与后来产生的i d e 接口相比无优势可言，因此在九十 年代后就补淘汰了。 3 、i d e 与e i d e 接1 2 1 ，i d e ( i n t e g r a t e dd r i v ee l e c t r o n i c s ) 的本意实际上是 指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，我们常说的i d e 接口，也叫a t a ( a d v a n c e dt e c h n o l o g ya t t a c h m e n t ) 接口，现在p c 机使用的硬盘大多数都是i d e 兼容的，只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。把盘体与控制 器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到 了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其 他厂商生产的控制器兼容，对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。 4 、a t a 1 ( i d e ) 接口，a t a 是最早的i d e 标准的正式名称，i d e 实际上是指 连在硬盘接口的硬盘本身。a t a 在主板上有一个插口，支持一个主设备和一个从 设备，每个设备的最大容量为5 0 4 m b ，a t a 最早支持的p 1 0 - 0 模式( p r o g r a m m e d i o 0 ) 只有3 3 m b s ，而a t a 1 一共规定了3 种p i o 模式和4 种d m a 模式( 没 有得到实际应用) ，要升级为a t a 2 ，你需要安装一个e i d e 适配卡。 5 、a t a 2 ( e i d ee n h a n c e di d e f a s t a t a ) 接口，这是对触r a 一1 的扩展，它 增加了2 种p i o 和2 种d m a 模式，把最高传输率提高到了1 6 7 m b s ，同时引 进了l b a 地址转换方式，突破了老b i o s 固有5 0 4 m b 的限制，支持最高可达 8 1 g b 的硬盘。如你的电脑支持a t a 2 ，则可以在c m o s 设置中找到( l b a ， l o g i c a l b l o c ka d d r e s s ) 或( c h s ，c y l i n d e r , h e a d , s e c t o r ) 的设置。其两个插口分 别可以连接一个主设备和一个从设置，从而可以支持四个设备，两个插口也分为 主插口和从插口。通常可将最快的硬盘和c d - - r o m 放置在主插口上，而将次 要一些的设备放在从插口上，这种放置方式对于4 8 6 及早期的p e n t i u m 电脑是必 要的，这样可以使主插口连在快速的p c i 总线上，而从插口连在较慢的i s a 总 线上。 6 、a t a 3 ( f a s t a t a - 2 ) 接口，这个版本支持p i o - 4 ，没有增加更高速度的工 北京下业大学t 学硕士学何论文 作模式( 即仍为1 6 7 m b s ) ，但引入了简单的密码保护的安全方案，对电源管理 方案进行了修改，引入了s m a r t ( s e l f - m o n i t o r i n g ，a n a l y s i sa n dr e p o r t i n g t e c h n o l o g y ，自监测、分析和报告技术) 。 7 、a t a - 4 ( u l t m a t a 、u l t r a d m a 、u l t r a d m a 3 3 、u l t r a d m a 6 6 ) 接口，这个 新标准将p i o 4 下的最大数据传输率提高了一倍，达到3 3 m b s ，或更高的 6 6 m b s 。它还在总线占用上引入了新的技术，使用p c 的d m a 通道减少了c p u 的处理负荷。要使用u l t r a - a t a ，需要一个空闲的p c i 扩展槽，如果将u l t r a a t a 硬盘卡插在i s a 扩展槽上，则该设备不可能达到其最大传输率，因为i s a 总线 的最大数据传输率只有8 m b s 。其中的u 1 仃a 删6 6 ( 即u l t r ad m a 6 6 ) 是目 前主流桌面硬盘采用的接口类型，其支持最大外部数据传输率为6 6 7 m b s 。 8 、s e r i a la t a 接口，新的s 甜a la t a ( 即串行御r a ) ，是英特尔公司在今年 i d f ( i n t e ld e v e l o p e rf o r u m ，英特尔开发者论坛) 发布的将于下一代外设产品中 采用的接口类型，就如其名所示，它以连续串行的方式传送资料，在同一时间点 内只会有1 位数据传输，此做法能减小接口的针脚数目，用四个针就完成了所有 的工作( 第1 针发出、2 针接收、3 针供电、4 针地线) 。这样做法能降低电力消 耗，减小发热量。最新的硬盘接口类型a t a 1 0 0 就是s e r i a la 1 r a 是初始规格，它 支持的最大外部数据传输率达1 0 0 m b s ，上面介绍的那两款i b md e s k s t a r7 5 g x p 及d e s k s t a r4 0 g v 就是第一次采用此a t a 1 0 0 接口类型的产品。在2 0 0 1 年第二 季度将推出s e r i a la r al x 标准的产品，它能提高1 5 0 m b s 的数据传输率。对于 s e r i a la t a 接口，一台电脑同时挂接两个硬盘就没有主、从盘之分了，各设备对 电脑主机来说，都是m a s t e r ，这样我们可省了不少跳线功夫。 1 1 1 4 盘片技术 在硬盘磁头、电机及接口不断更新的过程中，存储数据的盘片也在更新中n 1 “3 ，一般而言，早期的硬盘的盘片都是使用塑料材料作为盘片基质，然后再在塑 料基质上涂上磁性材料就可构成硬盘的盘片。 其次于塑料基质后推出的采用铝材料作为硬盘盘片基质，现在市场上的i d e 硬盘一般来说都是使用铝材料作为硬盘盘片基质。而最新的硬盘盘片则是采用玻 璃材料作为盘片基质，采用玻璃材料能使硬盘具有更多的平滑性及更高的坚固 性，此外玻璃材料在硬盘高转速时具有更高的稳定性。i b m 公司最新推出的 d e s k s t a r7 5 g x p 及d e s k s t a r4 0 g v 如图1 5 所示就是采用玻璃材料作为硬盘盘片 基质。 15 硬盘减震技术 图l _ 5i b md e s k s t a r 4 0 g v 硬盘 f i g1 5m md e s k s t a 一0 g v h a r d d i s k 对于硬盘的历史发展来说，除了卜面介绍的四大点外，其他还有各种硬盘的 附加技术，如硬盘数据保护技术及防震技术，它们也随着硬盘的发展而不断更新， 但一般而占，不同硬盘厂商都有自己的一套硬盘保护技术，如昆腾的数据保护系 统d p s 、茬动保护系统s p s ；迈拓的数据保护系统m a x s a f e 、震动保护系统 s h o c k b l o c k ：西部数据公司的数据保护系统d a t as a f e g u i d e ( 数据卫士) 等等。 这些保护技术都是在原有技术的基础卜推出第二代、第三代等技术。 从上面的硬盘历史发展中，可以看出硬盘总是朝着容量更大、速度更快、结 构更精细、复杂的方向发展，因此硬盘的抗震技术越来越受到人们的重视，成为 衡量一款硬盘性能的重要标志，特别是今年来移动硬盘的大量使用，更对其抗震 性能提出了更高的要求。 1 2 硬盘的结构及震动敏感性 121 硬盘的存储原理与存储结构 磁铁有两个极性，一个是南极( s 极) 一个是北极( n 极) ，硬盘正是利用磁 粒子的极性来记录数据的。盘片表面的那些磁粉就是磁粒子。盘片被划分成若干 个同一t l , 圆( 称为磁道) ，在每个同心圆的磁道上就好像有无数的任意排列的小磁 铁，当这些小磁铁受到来自磁头磁场的影响时排列的方向随之改变，利用磁头 的磁力统一某区域小磁铁的方向，就可以使该区域磁场呈现相同极性如果把s n 两种极性与二进制中的0 和l 对应，就可以表示二进制数据，这些磁粒子都 是水磁体，即便磁头离开，它依然可以长时刚保持形成的极性，这样就能达到储 存信息的目的了。磁头在读取数据时，可以感应磁粒子的不同极性，从而转换成 不同的电脉冲信号，利用解码器将这些原始信号翻译出来，就成为了电脑能使用 的数据。在讲解移动硬盘的存储结构前，先介绍一下几个概念： 北京t 业大学t 学硕士学位论文 ( 1 ) 盘面：每个盘片都有上、下两面( s i d e ) ，两面都会用来存储数据，成 为有效盘面( 也有个别硬盘盘片只用一面) 。每个有效盘面都有一个盘面号，由上 而下从0 号开始依次编号，又因为每个有效盘都对应一个读写磁头，所以磁头号 等价于盘面号。通常一块硬盘有3 个相同的盘片，故磁头号( 盘面号) 编号为o 至 5 。 ( 2 ) 磁道：盘片低级格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆称为磁道 ( t r a c k ) 。磁道由外向圆心从0 开始顺序编号，一个盘面上通常有几千条磁道。 这里要注意，磁道是看不见的，它不过是盘面上被极化的一些磁化区，但存有数 据的磁盘在磁力显微镜下面能够被识别出磁道的轨迹。盘片旋转时，磁道角速度 相同，但由于半径不同，其线速度不同。通常我们所说的0 磁道就是指的盘片有 效区的最外圈。 ( 3 ) 柱面：多个盘片时，立体来看，所有盘面上相同半径的磁道构成一个 圆柱，称做柱面( c y l i n d e r ) ，所以一块硬盘的柱面数等价于每个盘面的磁道数。 例如，一个三张盘片的硬盘，o 柱面就是指的这三张盘片的0 磁道所构成的圆柱。 ( 4 ) 物理扇区：低级格式化划分磁道的同时，每个磁道又被划分成若干段 圆弧，每段圆弧叫做一个物理扇区( s e c t o r ) ，从1 开始编号( 前面几个概念都是从 o 开始编号) ，目前行业标准里，一条磁道常被分6 3 个物理扇区，当然一条磁道 也可以分成更多或更少的扇区，但一般应为奇数，主要是出于考虑间隔因子( 也 叫交叉因子) 的缘故，限于篇幅，这里就不详细介绍了。操作系统并不是在磁道 上连续的记录数据，而是以每个物理扇区中的数据作为一个基本单元读出或写 入，所以扇区是硬盘读写数据的基本单位( 存储数据的单位为“簇 ，属于逻辑部 分文件系统中的内容，这里不讨论) 。每个扇区包含两个要部分：数据地址段和 数据段，正常情况下，每个扇区包括5 1 2 b y t e 的数据和4 b y t e 其他信息。 1 2 2 硬盘抗震技术的发展情况 在计算机的各种组件中，硬盘被认为是抗震动的薄弱环节n 5 卅7 1 。针对计算机 硬盘在实际使用中出现的抗震问题，广大科研工作者也进行了很多的研究n 8 2 1 i 。 特别是随着移动硬盘的大范围使用，针对其抗震性能的研究也逐渐增多，从国内 外已发表的文献和有关资料来看，对移动硬盘的抗震性能的研究和改进主要集中 在三个方面嘲1 ：第一，提高这些硬盘的抗震能力( a s e i s m a t i ca b i l i t y ) ，通过优化设 计等来提高其抗震能力，这是保护微型硬盘和提高其抗震能力的最基本最好的方 法。第二，用空间加速度传感器( 1 r i a x i a ls e n s o r ) 实施主动的控制( a c t i v es h o c k c o n t r 0 1 ) 来避免微型硬盘中敏感部位的损害。当可携带式电子产品跌落时，可以 用传感器检测重力加速度，然后把微型硬盘的敏感元件( s e n s i t i v ec e l l ) 如滑动头 等通过执行器放置到安全位置。第三，实施被动的震动隔离( p a s s i v es h o c k 第1 章绪论 i s o l a t i o n ) ，在冲击碰撞环境下，我们可以用隔震器来隔离减少对微型硬盘的冲 击。 在提高磁盘存储设备的抗冲击、抗震性能方面国外开展的比较早圆3 。8 0 年 代至9 0 年代中期，国外主要采用被动控制技术，如钢丝绳减振器、油膜减振器、 金属丝网减振器、复刚度双橡胶减振器及二级减振技术等。从9 0 年代中期至今， 国外磁盘驱动器的振动、冲击加固已实施主动控制技术，主动控制技术可以对低 频振动和高g 值冲击有效兼容。如1 9 9 7 年q u a n t u m 公司在其产品火球七代首次 使用了独特创新技术s p s ( s h o c kp r o t e c t i o ns y s t e m ) ，可以防止振动和高g 值冲 击对盘片造成物理损伤；1 9 9 8 年m a x t o r 使用s h o c kb l o c k 磁头组件内加固主动 控制技术，使硬盘驱动器在工作状态抗冲击能力超过1 0 0 9 ，进一步提高了抗冲 击振动性能；s e a g a t e 宣称新创酷鱼a t a 抗冲击强度能力可达3 0 0 9 瞳“捌。美国 的百事灵公司新近推出的一款抗震移动硬盘内部盘体采用矽霸电子专利凝结网 ( s g w ) s h o c kr e s i s t a n t 技术，形象地说就是给硬盘穿上了一件防震衣，据相 关文献称其抗震高度可以达到2 米左右嗍。 我国从9 0 年代中期开始重视磁存储设备的抗冲击、振动研究，对被动外加 固理论与技术进行了深入研究，己获得一些具有可实施性的较好成果啪3 ，如我国 研制的钢丝绳减震器和无谐振峰隔振缓冲器已在计算机外部设备加固中得到应 用啪3 。2 0 0 3 年，西安电子科技大学的张林采用外加固硬盘主动控制方法对硬盘 抗震系统进行研究，得出了数字控制系统的控制效果要明显优于模拟控制系统的 结论。2 0 0 5 年，哈尔滨工业大学的赵广用被动隔震的方法分析并设计了一个连 接基础和微型硬盘的振动隔离器。 2 0 0 6 年，中国的张建辉等人首次创造性地采用微气囊弹性缓冲技术实现了 对移动硬盘的有效减震口1 弼，并通过与北京华旗资讯数码科技有限公司的合作推 出了全球首创的具有超强抗震性能爱国者移动存储王，该型抗震移动硬盘能够达 到从3 米高度跌落到水泥地面硬盘无损伤的超强抗震效果。 1 3 几种典型的硬盘抗震技术 在计算机系统中，硬盘无疑是最脆弱的部件，在所有的故障中，来自硬盘故 障的比例最高，这在很大程度上与硬盘的先天脆弱性有关。加之硬盘存储着的数 据往往十分关键，因此不管对何种类型的硬盘产品，可靠性高于一切，而性能、 容量等人们最为重视的指标也只能靠边站。在进入2 0 0 0 年之后，各个硬盘厂商 充分意识到可靠性的重要性，遂不断发展出针对桌面硬盘的数据保护技术和防震 技术，以此来提高数据的安全性和硬盘可靠性，同时也提升了自身产品的竞争力。 在这场技术竞赛中，迈拓、i b m 、希捷、西部数据都先后加盟，衍生出诸如 m a x s a f e s h o c k b l o c k ( 迈拓) 、3 dd e f e n s es y s t e m ( 希捷) 、d a t al i f e g u a r d ( 西部 北京t 业人学工学硕+ 学位论文 数据) 在内的大批优秀技术，这些技术的引入让硬盘的可靠性获得根本改观，同 时也为后来的发展打下良好的基础。大约在2 0 0 3 年，2 5 英寸笔记本硬盘成为新 的热点，除了日立( 当时已经购并i b m 存储部门) 、东芝、富士通等该领域的传 统厂商外，希捷、西部数据、三星先后杀入。由于2 5 英寸硬盘在应用中更容易 遭受震动，对数据威胁极大，各大硬盘厂商纷纷在以往技术成果的基础上，针对 性开发出新的抗震技术，其中典型的代表者包括日立的“f e m t os l i d e r 飞米滑 橇磁头和e s p ( e x t r as e n s o r yp r o t e c t i o n ) 下落感应技术、西部数据“s h o c kg u a r d ” 和“d u r a s t e pr a m p ”技术等等，这些技术在实用中同样起到十分明显的效果。 1 3 1 迈拓s h o c k b l o c k 抗震技术 近年来，迈拓在硬盘领域声势大不如前，除了来自渠道方面的影响外，与技 术发展相对迟缓、产品卖点缺乏有很大的关系，加之迈拓没有进入2 5 英寸硬盘 市场，让外界感觉迈拓正在走下坡路。其实在2 0 0 3 年以前，迈拓一直保持快速 发展态势，尤其是在2 0 0 0 年成功收购昆腾公司的硬盘业务之后，迈拓的市场影 响力与日俱增，无论产品还是技术上都一度领先对手。而在硬盘保护领域，迈拓 在当时拿出的就是名为m a x s a f e 和s h o c k b l o c k 两项技术一前者专门针对硬盘的 数据保护，确保数据在硬盘中的完整性；后者则致力于提升硬盘的抗震性能，提 高硬盘的硬件可靠性。这两项技术引入后便成为迈拓硬盘的看家法宝，直到现在， 迈拓硬盘的宣传中还有它们的身影。 为了保证数据的安全性，硬盘在关闭电源后磁头必须停止在一个特定的区 域，该区域也被称为硬盘的“着陆区 。由于着陆区没有存储数据，磁头与之接 触当然也就不会对数据造成损坏。磁头的磁臂为一个弹性的钢质固件，一旦磁头 受震动偏离该位置，磁臂的弹力也会把磁头自动弹回。但即便如此，可能造成损 害的超常规震动冲击随时都会发生，比如说工人在安装过程中动作粗鲁、运输过 程中受到颠簸，甚至用螺丝刀敲击硬盘时略微用力带来的瞬间冲击都可能把磁头 震离“着陆区，造成磁盘介质上的碎屑脱落。即便损害位置是在无关紧要的位 置，但产生的碎屑无疑会成为可怕的安全隐患。 针对这一问题，迈拓拿出了s h o c k b l o c k 防震技术，该技术从两个角度来降 低震动造成的伤害：第一，通过增强磁头磁盘组件的紧密度来减弱磁头受到的震 动载入。迈拓对硬盘的结构进行重新设计，使得磁头磁盘组件( h d a ) 比先前 方案在紧密度上提高2 5 ，简单点说就是硬盘的内部结构变得更紧凑。这种设计 可有效减轻硬盘受震动的形变程度，避免磁头撞击盘片事件的发生。而如果盘体 结构比较松散，当外界震动传导到硬盘时，震动能量很容易被传导给磁头组件， 从而造成灾难性的后果。迈拓提出的s h o c k b l o c k 技术对硬盘的抗震性进行全面 的优化设计，最大限度降低了外部震动的传导性，从而明显提升了产品的可靠性。 第二，s h o c k b l o c k 技术将磁头重量适当减轻，使其受震移位的可能性降至最低。 第1 章绪论 据悉，迈拓新设计的磁头比以前的磁头在重量上减轻了4 0 。此举的效果非常明 显，因为要让磁头从“着陆区”移开，就需要有足够大的力量同磁臂的弹力相抵 抗，由于磁头重量减轻了4 0 ，受到同等震动时磁头对磁臂支架产生的推力就 只有以前的6 0 ，由于力量减小，磁头位置偏移的可能性就被大大降低，硬盘的 抗震性能获得显著提高。 m a x s a f e 技术与s h o c k b l o c k 技术引入之后，起到良好的效果，在相当长一 段时间内迈拓都将这两项技术作为主要的宣传卖点，也正是在那个时期，迈拓硬 盘赢得极好的口碑。乃至到今天，m a x s a f e 与s h o c k b l o c k 技术还被迈拓广泛采 用。另一方面，迈拓收购昆腾硬盘业务后也获得了昆腾的d p s ( d a t ap r o t e c t i o n s y s t e m ) 和s p s ( s h o c kp r o t e c t i o ns y s t e m ) 硬盘保护技术，这两者也被迈拓继续 发扬光大。 1 3 2 日立磁头载入载出与涡流磁臂锁技术 日立接手i b m 的硬盘业务后，迅速改用保守但可靠的铝制盘片，硬盘产品的 可靠性恢复到i b m 采用玻璃硬盘之前的水平。但玻璃硬盘事件的后果严重，以至 于日立在很长时间内都没有走出阴影，直到今天消费市场对日立硬盘也是心存疑 虑。而在日立接手之后，硬盘可靠性成为优先于性能的第一要素，为保障这一点， 日立先后引入了磁头载入载出( r a m pl o a d u n l o a dd y n a m i c s ) 与涡流磁臂锁 ( e d d yc u r r e n tl a t c h ) 两项技术。 磁头载入载出( r a m pl o a d u n l o a dd y n a m i c s ) 可大幅度提升硬盘在非工作 状态下的抗震能力。我们知道，硬盘在非工作状态下，磁头都是停止在一个没有 存储数据的“着陆区”，但该区域仍位于磁盘内部，一旦发生撞击仍会产生致命 的碎屑。日立提出磁头载入载出技术彻底解决了这个问题：该技术将磁头的着 陆区转移到盘片外圈，并设立专门的停靠斜坡，即便硬盘遭遇剧烈的震动，磁头 也始终固定于斜坡上，不会与盘片直接撞击，由此显著提升硬盘的抗震性能。 相比之下，涡流磁臂锁( e d d yc u r r e n tl a t c h ) 技术用于提高硬盘在工作状态 下的可靠性，这项技术在2 0 0 4 年1 2 月份提出，目前已被广泛应用在日立的桌面 硬盘和笔记本硬盘产品线中。我们知道，硬盘在通电后启动，磁头就会离开“着 陆区开始飞行，而不管盘片的转速是否达到额定值，而在启动过程中，盘片的 转速总是由高到底，磁头飞行高度也是从零开始逐步升高。倘若在刚启动时遭遇 震动( 如搬动机箱、移动笔记本电脑等均有可能) ，磁头与盘片的数据区很容易 发生直接撞击，损伤硬盘的概率相当之高。而采用涡流磁臂锁技术之后，硬盘磁 头在盘片静止或低转速状态下不会有任何动作，只有当盘片转速达到额定的7 2 0 0 转或5 4 0 0 转( 笔记本硬盘) 时磁头才会从盘片边缘的着陆区移动到盘片表面读 写数据，这样就可以保证磁头与盘片的安全间距，硬盘的可靠性得到更进一步提 北京t 业大学- t 学硕十学1 _ ) = 论文 升。涡流磁臂锁技术的实现机理也不复杂：首先通过盘片旋转诱导锁内电流，随 着转速的升高，锁内的感应电流逐渐增强，当转速达到额定的每分钟7 2 0 0 转或 5 4 0 0 转时，锁内感应电流也将达到额定值，同时涡流磁臂锁自动打开，磁头便 可以自由载出到磁盘表面进入工作状态。 磁头载入载出技术和涡流磁臂锁技术目前广泛用于日立品牌的桌面硬盘和 笔记本硬盘产品中，这两项技术对提高硬盘的抗震性能可谓立竿见影，至少在静 态抗震和启动抗震性方面，日立硬盘可以说首屈一指。但受历史原因的负累，日 立在桌面硬盘市场认可度一般。不过在笔记本硬盘领域，日立是当之无愧的老大， 成熟的5 k 8 0 、5 k 1 0 0 系列( 5 4 0 0 转) 和高性能的7 k 6 0 、7 k 1 0 0 ( 7 2 0 0 转) 系 列拥有极好的口碑，而它在该领域也一直保持技术领先