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硬盘工作原理摘要：今天几乎所有的台式电脑和服务器都配有一个或多个硬盘驱动器，而每台大型主机和超级计算机则一般连接几百个硬盘驱动器。您甚至会发现有些摄像机和录像机之类的设备也用硬盘代替了磁带。这些不计其数的硬盘专门负责以相对固定的形式保存变化的数字信息，它们使计算机即使在断电情况下，也具有记忆能力。此次报告将讨论硬盘的基本结构以及硬盘的基本工作原理。关键词：硬盘；结构；工作原理硬盘是电脑主要的存储媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。硬盘发明于20世纪50年代。最初这些直径达20英寸的宽大磁盘只能保存几兆的数据。它们先是被称为“固定磁盘”或“温彻斯特盘”（IBM公司一种流行产品的代号），后来又被称为“硬盘”以区别于“软盘”。一、 硬盘的发展1956年，IBM的IBM350RAMAC是现代硬盘的雏形，它相当于两个冰箱的体积，不过其储存容量只有5MB。1973年IBM3340问世，它拥有“温彻斯特”这个绰号，来源于他两个30MB的储存单元，恰是当时出名的“温彻斯特来福枪”的口径和填弹量。至此，硬盘的基本架构被确立。1980年，两位前IBM员工创立的公司开发出5.25英寸规格的5MB硬盘，这是首款面向台式机的产品，而该公司正是希捷公司。80年代末，IBM公司推出MR技术令磁头灵敏度大大提升，使盘片的储存密度较之前的20Mbpsi提高了数十倍，该技术为硬盘容量的巨大提升奠定了基础。1991年，IBM应用该技术推出了首款3.5英寸的1GB硬盘。1970年到1991年，硬盘盘片的储存密度以每年25%30%的速度增长；从1991年开始增长到60%到80%；至今，速度提升到100%甚至是200%，从1997年开始的惊人速度提升得益于IBM的GMR技术，它使磁头灵敏度进一步提升，进而提高了储存密度。1995年，为了配合Intel的LX芯片组，昆腾与Intel携手发布UDMA33接口EIDE标准将原来接口数据传输率从16.6MB/s提升到了33MB/s同年，希捷开发出液态轴承马达。所谓的FDB就是指将陀螺仪上的技术引进到硬盘生产中，用厚度相当于头发直径十分之一的油膜取代金属轴承，减轻了硬盘噪音与发热量。1999年这是我们与历史产生隔膜的一年相信不少的电脑爱好者都是从这年以后才开始接触电脑的，然而在这之前硬盘还一直在6.4G左右打转。一直没有新的突破，然而就在这年著名的硬盘公司Maxtor，也就是迈拓推出了他的DiamondMax40产品，也就是钻石九代。单碟磁盘容量达到了10G这样前所未有的情况，也就是这样的情况促使了大容量硬盘的诞生。从此硬盘发展的脚步又开始放快，一直不停歇的到了2003年。经历了价格波动，接口波动，电机转速等等。基本已经将我们带入了一个民用硬盘暂时的顶峰状态。二、 硬盘的基本内部结构（1） 浮动磁头组件由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有0.10.3um，可以获得极高的数据传输率。现在转速5400rpm的硬盘飞高都低于0.3um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性。（2）磁头驱动机构由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。（3）盘片和主轴组件盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软磁盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。主轴组件包括主轴部件如轴瓦和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术。（4）前置控制电路前置放大电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。 硬盘是计算机中最重要的部件之一，按不同的接口和外形尺寸，其种类有很多，除了现在最常见的台式机中使用的3.5英寸EIDE和SATA接口的产品外，还有其他类型的硬盘。三、 硬盘的基本参数（1）硬盘的转速硬盘的转速(Rotate Speed)，硬盘的马达直接决定了硬盘的转速。理论上讲，硬盘的转速越快越好，因为较高的硬盘转速可以极大地缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间。但是，硬盘的高转速带给硬盘的负面影响就是转速越快，硬盘表面的发热量越大，如果再加上机箱散热不佳和其他周边散热过多的原因，很可能造成机器运行不稳定。也正是这个原因，目前市场上绝大多 数笔记本电脑中的专用硬盘，其转速一般都不会超过4500rpm 。（2）硬盘的平均寻道时间、平均访问时间和平均潜伏时间所谓硬盘的平均寻道时间(Average Seek Time)，其实就是指硬盘在盘面上移动读写头至指定磁 道寻找相应目标数据所用的时间。我们在描述硬盘读取数据能力时，目前主要以毫秒为计算单位，而 硬盘读取数据一次大多在614ms 之间。当硬盘的单碟容量增大时，磁头的寻道动作和移动距离会相 应减少，这样也就导致硬盘本身的平均寻道时间减少，从而提高了硬盘传输数据的速度。而平均访问时间(Average Access Time)，指的就是平均寻道时间与平均潜伏时间的总和。平均访问时间基本上也就能够代表硬盘找到某一数据所用的时间。平均访问时间越短越好，一般情况下应 该控制在11 18ms 之间，建议用户选择那些平均访问时间在15ms 以下的硬盘。所谓平均潜伏时间(Average Latency Time)，其准确的概念定位就是指相应磁道旋转到磁头下方的时间，一般情况下在26ms 之间。（3）硬盘的外部传输率和内部传输率所谓硬盘的外部数据传输率 (External Transfer Rate)就是指电脑通过接口将数据交给硬盘的传输速度，而内部数据传输率(Internal Transfer Rate)就是指硬盘将这些数据记录在自身盘片上的速度，也称最大或最小持续传输率(Sustained Transfer Rate)。从实际应用方面分析，硬盘的外部数据传输率比其内部传输率速度要快很多，在它们之间有一块缓冲区可以缓解二者的速度差距。而从硬盘缓冲区读取数据的速度又称之为突发数据传输率(Burst data Transfer Rate)。普通的EIDE 硬盘理论上的传输速率，都已达到了17.5MB/s 左右，而采用Ultra DMA/33 、Ultra DMA/ 66 技术后，传输率瞬间速度便可以达到33.3MB/s 和66MB/s，至于Ultra DMA/100 和Ultra DMA/160， 也是指在这个速度上的提升。（4）硬盘的缓冲区所谓硬盘的缓冲区(硬件缓冲)就是指硬盘本身的高速缓存(Cache)，它能够大幅度地提高硬盘整体性能。高速缓存其实就是指硬盘控制器上的一块存取速度极快的DRAM 内存，分为写通式和回写式。所 谓写通式，就是指在读硬盘时系统先检查请求，寻找所要求的数据是否在高速缓存中。如果在则称为被命中，缓存就会发送出相应的数据，磁头也就不必再向磁盘访问数据，从而大幅度改善硬盘的性能。所谓回写式，指的是在内存中保留写数据，当硬盘空闲时再次写入。从这一点上而言，回写式具有高于写通式的系统性能。较早期的硬盘大多带有128KB、256KB、512KB等高速缓存，目前的高档硬盘高速缓存大多已经达到1MB、2MB甚至更高，在高速缓存的取材上也采用了速度比DRAM 更快的同步内存SDRAM，确保硬盘性能 更为卓越。四、 硬盘的工作过程硬盘利用特定磁粒子的极性记录数据。磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，然后利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据;写的操作正好与此相反。另外，硬盘中还有一个存储缓冲区，是为协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设。由于硬盘的结构比软盘复杂，所以其格式化也比软盘复杂，分为低级格式化、硬盘分区、高级格式化及建立文件系统。硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的单片机初始化模块完成初始化，此时磁头置于盘片中心位置。初始化后，主轴电机将启动并以高速旋转，装载磁头的小车机构移动将浮动磁头置于盘片表面的00 道，处于等待命令的启动状态。当接口电路接收到电脑系统传来的命令信号后通过前置放大控制电路驱动音圈电机发出磁信号。根据感应阻值变化的磁头正确定位盘片数据信息，并将接收后的数据信息解码通过放大控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统完成命令操作。结束硬盘操作的断电状态在反力矩弹簧的作用下将浮动磁头驻留到盘面中心。五、 硬盘技术硬盘所采用的技术，目前主要包括3 个方面，一是磁头技术，二是防震技术，三是数据保护技术。 随着各大制造厂商的技术竞争，目前这3 个方面的技术要点也逐渐走向融合。1.磁头技术 (1)磁阻磁头技术(Magneto-Resistive Head) 磁阻磁头技术是一种比较传统的硬盘磁头技术 ，是完全基于磁电阻效应工作的，其核心就是一片金属材料，其电阻随磁场的变化而 变化。应用这种磁阻磁头技术的原 理就是:通过磁阻元件连着的一个 十分敏感的放大器可以测出微小的 电阻变化。所以越先进的MR 技术可 以提高记录密度来记录数据，增加 单碟片容量即硬盘的最高容量，进 而提高数据传输率。 (2 )巨型磁阻磁头(G M R) 这是MR 磁阻磁头技术的换代技术，目前绝大多数的硬盘产品都应用了这种技术。采用了巨 型磁阻磁头技术的硬盘，其读、写工作是分别由不同的磁头来完成的，这种变化从而可以有效地 提高硬盘的工作效率，并使增大磁道密度成为可能。 (3 )O A W(光学辅助温式技术) O AW 是美国希捷公司新研制技术代号，很可能是未来磁头技术的发展方向。应用这种O AW 技 术，未来的硬盘可以在1 英寸面积内写入1 0 5 0 00 以上的磁道，单碟容量更是有望突破3 6 GB 。2.防震技术 (1)SPS 防震保护系统 这是昆腾公司在其火球7 代(EX)系列之后普遍采用的硬盘防震动保护系统。其设计思路就是分散外 来冲击能量，尽量避免硬盘磁头和盘片之间的意外撞击，使硬盘能够承受1000G 以上的意外冲击力。 (2)ShockBlock 防震保护系统 虽然这是Maxtor 公司的专利技术，但其设计思路与防护风格与昆腾公司的SPS 技术有着异曲同工 之妙，也是为了分散外来的冲击能量，尽量避免磁头和盘片相互撞击，但它能承受的最大冲击力却可 以达到1500G 甚至更高。3.数据保护技术 (1)S.M.A.R.T 技术 S.M.A.R.T 技术是目前绝大多数硬盘已经普遍采用的通用安全技术，而应用S.M.A.R.T 技术，用户 们能够预先测量出某些硬盘的特性。举个例子，如监测硬盘磁头的飞行高度。因为一旦磁头开始出现 飞得太高或太低的情况，硬盘在运行中就极有可能报错，S.M.A.R.T 技术就是一种对硬盘故障预先发出 报警的廉价数据保护。 当然，利用S.M.A.R.T 技术可预测的硬盘故障一般是硬盘性能恶化的结果，其中约60%为机械性质 的，40%左右则是对软性故障的有效预测。应用S.M.A.R.T 技术可以有效地防止并减少硬盘数据丢失， 而预先报警系统更能够让电脑用户及时掌握自己硬盘的性能和实际使用状况。 (2)数据卫士 西部数据(WD)公司的数据卫士能够在硬盘工作的空余时间里，每8 个小时便自动执行硬盘扫描、检 测、修复盘片的各扇区等步骤。以上操作完全是自动运行，无需用户干预与控制，特别是对初级用户 与不懂硬盘维护的用户十分适用。 (3)DPS(数据保护系统) 昆腾公司在推出火球7 代硬盘以后，从8 代开始的所有硬盘中，都内建了所谓的DPS(数据保护系统)系统模式。D PS 系统模式的工作原理是在其硬盘的前3 0 0 MB 内，存放操作系统等重要信息，D PS可在系统出现问题后的9 0s 内自动检测恢复系统数据，如果不行，则启用随硬盘附送的D PS 软盘， 进入程序后D PS 系统模式会自动分析造成故障的原因，尽量保证用户硬盘上的数据不受损失。 (4)MaxSafe 技术 M a x S a fe 技术是迈拓公司在其金钻2 代以后普遍采用的技术。M a x S a fe 技术的核心就是将附加的E CC 校验位保存在硬盘上，使硬盘在读写过程中，每一步都要经过严格的校验，以此来保证硬 盘数据的完整性。4.其他综合技术方面 (1)PRML(Partial Response Maximum Likelihood，硬盘最大相似性技术)读取技术 利用PRML 读取技术可以使单位硬盘盘片存储更大量的信息。在增加硬盘容量的同时，还可以有效 地提高硬盘数据的读取和传输率。 (2)Ultra DSP(超级数字信号处理器)技术及接口技术 应用Ultra DSP 进行数学运算，其速度较一般CPU 快10 50 倍。采用Ultra DSP 技术，单个的DSP 芯片可以同时提供处理器及驱动接口的双重功能，以减少其他电子元件的使用，可大幅度地提高硬盘 的速度和可靠性。 接口技术可以极大地提高硬盘的最大外部传输率，最大的益处在于，可以把数据从硬盘直接传输 到主内存而不占用更多的CPU 资源，提高系统性能。Maxtor 公司2000 年最新的钻石9 代和金钻4 代都 采用了双DSP 芯片技术，将硬盘的系统性能提升到极致。 (3)3D Defense System(3D 保护系统) 3D Defense System 是美国希捷公司独有的一种硬盘保护技术。3D Defense System