硬盘结构及原理.ppt

硬盘驱动器的原理及结构 培训目的了解硬盘的有关参数 基本结构及其工作原理 硬盘驱动器的基本结构及原理 概述 随着微型电子计算机不断的发展 其外围设备也相应的在飞跃地发展 特别是磁记录技术的日新月异 使硬盘技术也有了突飞猛进的变化 硬盘是一种融机 电于一身的高科技产品 由于其容量大 存取速度快 价格便宜 在电脑资讯领域里 始终扮演着重要角色 以下我们将简单讲述硬盘的结构及每个部分的性能和工作原理 最后将讲述硬盘的工作原理 一 有关磁记录的基本参数 存储密度道密度道密度为磁盘径向单位长度的磁道数位密度位密度为单位长度上所记录的二进制数码的位数2 2存储容量能存储的数码总数称为存储容量 平均存取时间磁头从起始位置到达所要求的某一位置 并完成写或读所需要的全部时间数据传输率单位时间内磁盘机向主机内存传送数码的位数或字节数称为数据传输率 检读时间余量如果峰值检测 可用检读窗口宽度Tw表征检读分辨力 时钟间隔是判断0或1的时间基准 称为检读窗口 它的值取决于用何种编码方式 分辨率以FM制记录为例 全0信号频率1F 全1信号频率2F 其分辨率为 分辨率 2F幅度 1F幅度 100 即分辨率 读1幅度 读0幅度 100 由于脉冲拥挤效应 读1幅度要小于读0幅度 误码率为磁盘机与主机连续传输数据中出现错误的比率 有关硬盘的基本规格CAP540MB资料传输速度 10MB S平均存取时间 12msCSS 20000次MIN介面 IDE SCSI工作环境温度 使用中5 to55 非使用中 40 to60 电压 5v 5 12v 10 噪音 40dBmax 寿命 5年 150000小时min Shock vibration Shock Inuse5GS11mssinewaveVibration Inuse5 22Hz0 010inchp p 湿度 8 to80 高度 使用中 200ftto10000ft非使用中 500ftto40000ft 二 硬盘的结构 电路板部分介面控制器读写通道特制基体电路 applicationspecificintegratedcircuit 处理或辨别特殊信号 如磁轨信号 graycode 磁区信号 sectorcode 然后再将这些资料传给中央处理单元 微处理器伺服系统主轴马达 音圈马达 机构部分 headdiskassembly 主轴马达音圈马达头堆盘片底座和顶盖密封圈再循环过滤器 三 各部分性能指标 主轴马达速度非重复性马达振动量 Non repeatablerun out 噪音 acoustics 程度启动扭力 startingtorque 音圈马达一般而言 音圈马达的大小以越高越宽为最佳 其次 在线圈的运动区间密度 flexdensity 要保持固定 且越高越好 F 6500gauss 盘片表面粗度 surfaceroughness 以中心线平均粗糙度来表示 此值越大表示盘片表面越粗 相对地会增加磁头与盘片间的摩擦损耗 此值越小 会增加磁头与盘片间的粘滞摩擦力 表面平面度 surfaceflatness Reference 20micrometer 轴向偏摆度 axialrun out 指盘片在旋转时 垂直于盘片表面方向的最大摆度 Reference 0 05mm滑行高度 glideheight 在这个高度以上 无任何凸起物来导致飞行状态下磁头与盘片接触 Reference 2microinch以下 可飞行范围 flyablearea 润滑层厚度 lubricantthickness Reference 35 10A 动摩擦系数 dynamicfrictioncoefficient 此系数是指磁头与盘片的相对速度在5 1mm s时 所测到的Rc 0 3 抗冲击值 impactresistance 指磁头与盘片之组合所能承受的冲击能力 100G 10nsCSS涉及磁头 盘片与主轴马达间的匹配 介面控制器介面控制器必须与读写通道相匹配 主要注意如下事项 介面控制 interfacecontrol 非归零码速率 NRZrate 错误更正码的能力 errorcorrectioncode 一般有88bit 144bit 198bit三种 198bit更错能力最强 但最占空间 换蘅记忆体的控制 读写通道目前最为流行的读写通道IC 是将所有的读写功能 除了前置放大器 放在一个CHIP中 称之为COMBOCHIP 其功能如下 脉波侦测器与自动增益控制 pulsedetector AGC 滤波器与等化器 filter equalizer 编码器与解码器 ENDEC 时基产生锁相回路 timebasegenerator 资料同步锁相回路 datasynchronieer 四 各部分的结构及工作原理 主轴马达结构 由三部分组成 电机本体 转子位置传感器和电子转换开关 电机本体包括主定子和转子两部分 主转子相当于磁极 电枢绕组放在定子铁芯槽内 并形成多项形式 传感器的转子与主轴同轴 传感器的定子通常装在电机定子上 如图 为消除碳刷上电火花所带来的干扰 采用霍尔器件代替碳刷作为换向开关电路于无刷直流电机 无刷直流电机的位置传感器常用霍尔磁敏感式位置传感器 它是一种砷化镓或锑化铟半导体 1 主锭子2 主转子3 传感器锭子4 传感器转子5 电子换向开关 电机结构图 工作原理图 音圈马达如图所示 音圈马达位于磁场中 当线圈两端加上电压并产生电流时 据劳伦斯定律 会有力作用于线圈上 F rILB其中F为作用于线圈上的力N为线圈上的电流A为线圈总长度 其方向为电流方向m为磁通密度T为线圈于磁场内的长度与总长度之比此作用力之方向与磁通密度及电流方向互相垂直 盘片种类氧化物盘片电镀式金属薄膜盘片溅镀式金属薄膜盘片 以金属薄膜盘片为例 简述其基本结构 介面层介面层的主要目的是增强基板硬度及降低基板材料本身表面的粗糙度 因此该层大部分采用无电解镍处理 主要是因为无电解镍过程的平整特性 磁性材料层盘片读写性能的好坏主要取决于该层 目前磁性材料层已朝着厚度愈来愈薄 磁场强度愈来愈大的方向发展 其主要目的是减少磁化粒子间的互消作用 介面控制器介面控制电路的方框图 读写通道结构 前置放大器 preamplifier 脉波侦测器与自动增益控制 pulsedetector AGC 滤波器与等化器 filter equalizer 编码器与解码器 Endec 时基产生锁相回路 timebasegeneratorPLL 资料同步锁相回路 datasynchronizerPLL 原理 特制基体电路 applicationspecificintegratedcircuit 处理或辨别特殊信号 如磁轨信号 graycode 磁区信号 sectorcode 然后再将这些资料传给中央处理单元 伺服系统埋入式伺服控制将能够侦测出磁头目前所在位置的特殊定位信号和使用者的资料共同放在资料磁轨内 当盘片旋转时 硬盘电路将随时读取伺服码 利用伺服码的信号可精确地计算出磁头所在的位置 然后反馈给定位控制器做定位修正 工作原理框图 五 硬盘的基本原理 主轴稳速系统硬盘机大多采用锁相环伺服控制技术 锁相环稳速系统的稳定性 主要取决于基准输入信号的稳定度 根据输入信号是模拟量或数字量 锁相电路可分为模拟鉴相和数字鉴两种类型 模拟锁相电路一般采用RC电路产生基准信号 数字锁相电路一般用晶振产生基准信号 读写系统 写入电路硬盘接收到从主机送来的写命令控制写数据序列脉冲经过编码 再经写数据分频 最后送至此头的写驱动电路 使磁头线圈轮流导通 并利用恒流源电路向磁头线圈提供恒定的励磁电流 写在盘片上形成记录的位单元 磁头线圈分中心抽头 无中心抽头两种 中心抽头 有的接地 有的接电平 中心抽头的线圈可以减小负载的电感量 提高度出幅度 但两半线圈必须平衡 否则会降低读出分辩隆 读出电路前放主放大器自动增益回路低通滤波器鉴别电路数字滤波和整形电路均衡电路 六 接口电路 概述接口是硬盘的重要组成部分 硬盘档次的高低 与采用什么样的接口有很大的关系 另外 衡量硬盘性能的一个重要指标 数据传输率 也与接口有关 因此 对于计算机系统设计者来说 可以不关心硬盘的工作原理与电路结构 但必须熟悉接口和接口协议等 以下就简单讲述目前最为流行的四种接口 AT SCSI ESDI ST506 AT接口AT接口是一种智能型的主机接口 它由40芯插头向外连接 SCSI接口SCSI接口是小型计算机系统接口 SMALLCOMPUTERSYSTEMINTERFACE 的缩写 它由8位双向数据总线 1位奇偶校验和9条控制信号线组成 最多可在SCSI接口上连接8台设备 具有异步和同步两种数据传输方式 异步式数据传输率为1 5MB s 同步式可达4MB s ESDI接口ESDI接口 ENHANCEDSMALLDEVICEINTERFACE 是一种设备级接口 有串行 步行两种模式 串行模式在命令和状态的传输过程中使用串行命令传输方式 每次传输命令或状态时 利用传输请求和传输确认两个信号将16位命令字或状态字在接口之间传输 而同步方式则不同 其命令和状态均有相应的信号线来表示 ESDI接口在物理上采用34芯命令电缆及20芯的数据总线 ST506接口ST50