第7章 硬盘驱动器.ppt

第7章硬盘驱动器 硬盘驱动器简称硬盘 是微机中最常使用的外部存储设备 它具有比其他外部存储器大得多的存储容量和快得多的存取速度等优点 硬盘的存储介质是若干个钢性磁盘片 硬盘由此得名 7 1硬盘驱动器的分类 1 按盘径尺寸分类目前的硬盘产品按内部盘径尺寸分为5 25in 3 5in 2 5in 1 8in 1in等几种 其中 5 25in硬盘已经退出市场 3 5in硬盘主要用在台式机中 2 5in硬盘主要用在笔记本电脑中 1 8in和1in硬盘主要用在小型笔记本电脑 PDA MP3 CF卡中 被称为微硬盘 2 按接口类型分类 1 IDE接口IDE是智能驱动设备 IntelligentDriveElectronics 或集成驱动设备 IntegratedDriveElectronics 的缩写 IDE接口是一个集成存储设备的接口 通过它 控制器被集成在硬盘驱动器或光盘驱动器中 IDE接口硬盘采用ATA AdvancedTechnologyAttachment 规范 因此一般也称IDE硬盘为ATA硬盘 2 SerialATA 简称SATA 接口2000年Intel发布SATA接口技术 现在SATA硬盘已经逐渐取代了传统的PATA硬盘 成为市场上的主流 SATA预计生命期为10年 计划推出3代产品 SATA1 0数据传输速率的有效带宽峰值为150MB s SATA2 0标准的数据传输速率为300MB s SATA3 0标准的数据传输速率为600MB s 目前硬盘实际应用的最新SATA版本是SATA2 5 3 SCSI接口SCSI SmallComputerSystemInterface 小型计算机系统接口 最早研制于1979年 最初是为小型计算机研制的一种接口技术 但随着计算机技术的发展 现在它被完全移植到了普通微机上 SCSI规范发展到今天 已经是第6代技术了 从刚创建的SCSI 8位 WideSCSI 8位 UltraWideSCSI 8位 16位 UltraWideSCSI2 16位 Ultra160SCSI 16位 到今天的Ultra320SCSI 数据传输速率从1 2MB s发展到现在的320MB s 有了质的飞跃 SCSI硬盘同样也发展到了第6代产品 3 按存储技术分类传统的硬盘采用IBM的温彻斯特 Winchester 技术 而新型的硬盘采用半导体存储技术 即固态硬盘 Solid StateDisk SSD 三星电子 TDK Sandisk PQI A Data等公司通过Flash芯片制造了32GB 64GB 128GB等容量 采用IDE SATA接口的SSD固态硬盘 这种产品主要用在小型笔记本电脑 UMPC 平板电脑 TabletPC 等市场 固态硬盘有许多优势 但目前价格太贵 随着闪存芯片价格的下降 固态硬盘会逐渐被市场接受 该产品大规模投放市场只是时间问题 SSD的外观如图7 5所示 7 2硬盘驱动器的结构 自从IBM于1956年9月向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM350之后 半个世纪以来 硬盘的温彻斯特 Winchester 结构一直没有改变 本章主要介绍温彻斯特硬盘 1 硬盘的外部结构从外观上看 硬盘由电源接口 数据接口 控制电路板 固定盖板 安装螺孔等组成 相同类型的硬盘结构都是相似的 如图7 6所示 1 电源接口电源接口与主机电源相连 为硬盘工作提供能源 IDE硬盘的电源接口为4针接口 而SATA硬盘的电源接口为15针 显然 现有的ATX电源没有这类电源插头 通常需要采用SATA电源转接线与传统电源线转接 如图7 7所示 2 数据接口数据接口是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换的纽带 根据连接方式的差异 分为IDE SATA等接口 IDE接口为40根针 如图7 8a所示 数据线分40线和80线两种 SATA把ATA标准的并行数据传输方式改为连续串行的方式 这样在同一时间内只会有1位数据传输 此做法能减小接口的针脚数目 用4根针就能完成数据的传输 第1针数据输出 第2针信号输入 第3针供电 第4针地线 SATA硬盘使用7针端口 如图7 8b所示 3 控制电路板控制电路板采用贴片式元器件焊接 包括主轴调速电路 磁头驱动与伺服定位电路 读写电路 控制与接口电路等 在电路板上还有一块高效的ROM芯片 其固化的软件可以进行硬盘的初始化 加电和启动主轴电动机 加电初始寻道 定位及故障检测等操作 为了稳定运行和加强散热 控制电路板都是裸露在硬盘表面的 在电路板上还安装有高速缓存芯片 通常容量为2MB或8MB 而目前最新产品为了获得更高的传输效率 其数据缓存也逐步增大 4 固定盖板硬盘的固定盖板面板上标注有产品的型号 产地 设置数据等 它与底板结合成一个密封的整体 以保证硬盘盘片和机构的稳定运行 5 安装螺孔用于硬盘的安装 对于3 5in硬盘 固定盖板和侧面都有安装孔 可以方便灵活地安装 2 硬盘的内部结构硬盘内部结构由固定面板 控制电路板 盘头组件 接口及附件等几大部分组成 而盘头组件 HardDiskAssembly HAD 是构成硬盘的核心 封装在硬盘的净化腔体内 包括浮动磁头组件 磁头驱动机构 盘片及主轴驱动机构 前置读写控制电路等 如图7 9所示 7 3硬盘驱动器的基本工作原理 整个硬盘系统由硬盘驱动器 硬盘适配器及连接电缆3部分组成 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进行初始化工作 此时磁头置于盘片中心位置 初始化完成后主轴电动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 处于等待指令的启动状态 当接口电路接收到微机系统传来的指令信号 通过前置放大控制电路 驱动音圈电动机发出信号 根据感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定位 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指令操作 结束硬盘操作后的断电状态是在反力矩弹簧的作用下使浮动磁头驻留到盘面中心实现的 盘片的每个记录表面设有一个读写磁头 整个磁头组件由相应的驱动机构带动并可沿径向移动 硬盘与软盘一样 盘片上记录信息的圆形轨迹称为磁道 每个磁道分为多个扇区 由于硬盘由多个盘片构成 因此各个盘片上半径相同的所有磁道处于同一个圆柱面上 从而引进了硬盘柱面的概念 7 4硬盘驱动器的主要参数 1 容量硬盘容量的单位为GB 目前 主流硬盘容量一般为160 250GB 最大的桌面硬盘容量为1TB 1000GB 目前多数硬盘由1 5张碟片组成 所以又可以分为硬盘总容量和硬盘单碟容量 从数量上说 每张碟片的储存容量越高 达到相同容量所用的碟片数量就越少 系统的可靠性也就越高 同时 高密度盘片可使硬盘在读取相同数据量时 磁头的寻道动作和移动距离减少 从而使平均寻道时间减少 加快硬盘的读写速度 因此 单碟容量成了减少碟片数量最直接的办法 目前桌面硬盘的单碟容量有80GB 133GB 160GB 250GB等容量 计算机中显示出来的容量往往比硬盘容量的标称值要小 这是由于不同的单位转换关系造成的 我们知道 在计算机技术中1GB 1024MB 而硬盘厂家通常按照1GB 1000MB换算 2 转速硬盘的转速与硬盘性能关系非常大 转速是指带动碟片转动的主轴转动的速度 目前ATA和SATA硬盘的主轴转速一般为5400 10000r min 主流硬盘的转速为7200r min 由于受到制造技术的限制 硬盘转速的提升比较缓慢 这是新的硬盘接口出现后性能仍不能提升较大的重要原因 另外高转速也带来了高热量 3 缓存硬盘通过磁头在碟片上来回移动读写数据为机械操作 速度比较慢 硬盘缓存提供一个数据的缓冲区域 把从硬盘读取的数据暂时保存 然后一次性传输出去 或者把从总线传输来的数据暂时保存 然后逐渐写入硬盘 目的是解决硬盘与计算机其他部件速度不匹配的问题 目前 硬盘缓存的容量通常为2MB 8MB 16MB或更大 理论上硬盘上的缓存越大越好 但测试发现 由于日常应用时对硬盘的读写并非那么频繁 需要暂存的数据并不是很多 8MB已经可以基本满足硬盘的需要 大的缓存对延长硬盘的寿命有一定的好处 4 接口硬盘的数据接口主要有ATA 也称PATA 和SATA 目前最新接口是SATA2 5版本 5 平均寻道时间 averageseektime 平均寻道时间是指硬盘磁头移动到数据所在磁道时所用的时间 单位为ms 注意它与平均访问时间的差别 平均寻道时间当然是越小越好 现在选购硬盘时应该选择平均寻道时间低于9ms的产品 6 平均潜伏期 averagelatency 平均潜伏期是指当磁头移动到数据所在的磁道后 等待所要的数据块继续转动 半圈或多些 少些 到磁头下的时间 单位为ms 7 单磁道时间 singletrackseek 单磁道时间是指磁头从一磁道转移至另一磁道的时间 单位为ms 8 全程访问时间 maxfullseek 全程访问时间是指磁头开始移动直到最后找到所需要的数据块所用的全部时间 单位为ms 9 平均访问时间 averageaccess 平均访问时间是指磁头找到指定数据的平均时间 通常是平均寻道时间和平均潜伏时间之和 单位为ms 注意 现在不少硬盘广告中所说的平均访问时间大部分都是用平均寻道时间代替的 10 最大内部数据传输率 maximuminternaldatatransferrate 最大内部数据传输率也叫持续数据传输率 sustainedtransferrate 单位为Mbit s 注意与MB s之间的差别 它是指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率 一般取决于硬盘的盘片转速和盘片数据线密度 指同一磁道上的数据间隔度 注意 在这项指标中常常使用Mbit s 兆位 秒 为单位 如果需要转换成MB s 就必须将Mbit s数据除以8 1B 8bit 例如 某硬盘给出的最大内部数据传输率为131Mbit s 但如果按MB s计算就只有16 37MB s 11 外部数据传输率 externaltransferrate 外部数据传输率通称突发数据传输率 burstdatatransferrate 是指从硬盘缓冲区读取数据的速率 在广告或硬盘特性表中常以数据接口速率代替 单位为MB s 目前主流硬盘普通采用的是UltraATA 100 它的最大外部数据率即为100MB s 而在SCSI硬盘中 采用最新的Ultra320SCSI接口标准 其数据传输率可达320MB s 内部数据传输率与外部数据传输率的关系如图7 10所示 由于外部数据传输率受内部数 7 5硬盘RAID技术 现在新出的主板芯片组的南桥芯片中都集成了SATA控制器及RAID功能 如nForce3250支持4个SATA PATA串行接口 支持RAID0 1 0 1的SATARAID和IDEPATARAID VT8251南桥芯片可以支持最多4个SATA设备 可以实现硬盘阵列RAID0 1 0 1和JBOD RAID RedundantArrayofIndependentDisks 独立磁盘冗余阵列 有时也简称磁盘阵列 DiskArray 是一种把多块独立的硬盘 物理硬盘 按不同的方式组合起来形成一个硬盘组 逻辑硬盘 从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供数据备份的技术 1 RAID0RAID0 条带模式 从严格的意义上说并不算真正的RAID结构 它是将多个物理硬盘连续以位或字节为单位来分割数据 以并行方式读写多个硬盘 从而组建成一个逻辑硬盘 以3块硬盘组成的RAID0为例 当在硬盘上写入数据时 它会将数据分割成3部分 分别同时写入3块硬盘 反之 当读硬盘时也是同样的道理 分别从3块硬盘上读数据 这样就提高了硬盘性能 但RAID0只是单纯地提高性能 不提供数据冗余 如果其中一个硬盘出现故障将会影响到所有的数据 RAID0适用于对性能要求较高 而对数据安全要求不高的领域 RAID0存储方式如图7 11所示 2 RAID1RAID1 镜像模式 的操作方式是把用户写入硬盘的数据百分之百地自动复制到另外一个硬盘上 它通过在成对的硬盘上相互备份数据以达到保障数据安全的目的 RAID1提供了较高的数据安全性 当一个硬盘出现故障时 可以自动切换到备份镜像硬盘上读写 从而达到保全数据的目的 它的不足是硬盘利用率会降低 RAID1存储方式如图7 12所示 3 RAID0 1RAID0 1是RAID0和RAID1的组合 将4个硬盘以2个硬盘为一组 每一组内组成RAID0 然后两组之间再组成RAID1模式 以实现高性能和高安全性的统一 在性能上它相当于两块硬盘并行运行 而且只有在两组中分别有一块硬盘同时损坏时系统才会瘫痪 所以它的安全性也是相当高的 虽然它同时拥有速度和数据的可靠性 但镜像占用了一定的硬盘空间 所以硬盘使用率低 CPU占用率也比较高 而且同时需要4块或更多的硬盘来组建 RAID0 1存储方式如图7 13所示 不管是RAID0 RAID1还是RAID0 1模式 在组建时最好是使用完全一样的硬盘 这样才能达到最佳的效果 4 JBODJBOD JustaBunchofDrives 简单硬盘串联 也称作数据迭加 它将几个物理硬盘组成单一的逻辑硬盘 并且这些硬盘是简单串联在一起的 从而扩展硬盘容量并生成一个可利用的总容量 但是 JBOD不会提高任何性能或者数据安全性 7 6主流硬盘驱动器 经过近几年激烈的硬盘市场竞争 一些规模不足 产品不全或市场决策失误的厂商退出了硬盘市场 如IBM的硬盘部门被日立收购 而技术力量雄厚 市场经营有道的厂商得到壮大 目前 经营桌面硬盘业务的主力厂商还有4家 分别是希捷 Seagate 西部数据 WesternDigital 日立 Hitachi 和三星 Samsung 1 希捷酷鱼7200 980GBSATA 2 5希捷酷鱼9代80GBSATA硬盘磁盘转速为7200r min 平均寻道时间11ms 缓存容量8MB 运行噪声25dB 支持SATA2 5标准 包括支持NCQ 热插拔 300MB s传输等最新SATA特性 希捷7200 980GBSATA2 5的PCB上看不到常见的缓存芯片 这是由于在新一代7200 9系列中 希捷使用了新一代的agere主控芯片 将8MB缓存与主控芯片整合为一体 2 日立80GBSATA 2 5日立80GB的SATA硬盘属于7K80系列 硬盘转速为7200r min 缓存8MB 平均寻道时间为8 800ms 单碟容量为80GB 传输速率为300MB s 由于采用了铝镁合金盘片 因此稳定性比较出色 3 希捷酷鱼7200 9160GBSATA 2 5希捷160GB酷鱼9代硬盘磁盘转速为7200r min 平均寻道时间11ms 缓存容量8MB 运行噪声25dB 与160GBPATA硬盘ST3160812A相同 SATA版本的酷鱼 Barracuda 7200 9支持SATA2 5标准 包括支持NCQ 热插拔 300MB s传输速率等最新SATA特性 盘体正面覆盖了一块厚实的金属顶盖 在有效保护磁盘的同时也加强了整体的散热效果 希捷7200 9160GBSATA2 5产品采用agere主控芯片 内部整合有8MB的数据缓存 4 日立160GBSATA日立160GBSATA硬盘采用了串行SATA接口 传输速率为300MB s 单碟容量为80GB 电动机转速为7200r min 平均寻道时间为8 5ms 缓存为8MB 5 三星金宝160GBSATA硬盘这款160GB硬盘采用SATA串口 符合SATA 2 5接口标准 并向下兼容SATA I标准 硬盘型号为HD160HJ CNG 容量为160GB 缓存为8MB 转速为7200r min 采用一张碟片设计 单碟容量160GB 6 希捷酷鱼7200 10250GBSATA 2 5此款250GB硬盘主轴转速为7200r min 接口符合SATA 2 5标准 拥有平均8 5ms寻道时间 缓存容量为8MB 工作噪声为28dB 空闲运行时所发出的声音几乎不会被使用者所察觉 希捷7200 10采用了垂直记录技术 因此在性能上有了一定的提升 特别是平均读写时间上 7 日立250GBSATA 2 5此款硬盘容量为250GB 采用了串行SATA接口 传输速率为300MB s 单碟容量为80GB 电动机转速为7200r min 外部传输速率最高为300MB s 平均寻道时间为8 5ms 缓存为8MB 日立HDT722525DLA380属于日立7K250系列 单碟容量为80GB的碟片 主要增加了有Load unload 磁头载入载出 TagandSeek 重排指令序列 Eddycurrentlatch 涡流六磁臂锁 这三项技术 分别对磁盘的抗震性 稳定性以及故障率有所帮助 而且盘基也由过去的玻璃盘片换成成本更低 安全性更好的铝质盘片 8 三星金宝250GB这款250GB硬盘采用SATA串口 符合SATA 2 5接口标准 并向下兼容SATA I标准 硬盘型号为SP2504C CNG 容量为250GB 缓存为8MB 转速为7200r min 采用两张碟片设计 单碟容量125GB 技术上 三星金宝3 5in硬盘拥有NoiseGuard 噪声卫士 SilentSeek 静音寻道 ImpacGuard 内部抗碰撞加固技术 SSB ShockSkinBumper震动缓冲外壳 四大专利技术 不仅大大的降低了硬盘工作时产生的噪声 使硬盘工作时更加安静 同时也降低了硬盘高速运转时产生的共振现象 另外 当硬盘遇到震动时 内部抗碰撞加固技术可以自动让磁头归位 并且这种磁头移动并不会对磁盘进行任何的操作 因此可以更好的保护磁头和磁盘 7 7硬盘驱动器的选购 硬盘的选购与其他产品一样 在没有充足的经济实力支持下 以 够用 为原则 如果考虑得更长远一点 就是想到以后的升级等问题 在购买硬盘时应以主流产品为主 近期一般指容量为160GB或200GB 转速为7200r min 数据缓存为2MB或8MB 接口类型为SATA150 平均寻道时间低于9 0ms 因此 总的来说 可以结合 够用就好 和 考虑升级 两个因素选择硬盘 7 8实训 安装和设置硬盘 7 8 1IDE接口硬盘的安装IDE接口硬盘驱动器的安装方法如下 1 将硬盘固定在安装架上 一般机箱都设有安装硬盘的位置 先用专用螺钉 一般为粗丝 将硬盘固定在硬盘架上 然后将硬盘架用螺钉固定在该位置上 如图7 14所示 安装时 硬盘要紧固在托架上 不能晃动 否则容易造成磁头撞损盘面数据区 损坏硬盘 2 连接硬盘电源线 硬盘电源插座为大的4芯电源线 颜色分别为红 黑 黑 黄 如图7 15所示 在电源上选择一根4芯硬盘电源线 将电源线D形插头与硬盘电源插座相连接 应注意方向 反了将插不进去 3 连接IDE数据线 IDE和EIDE接口的硬盘使用的数据线有两种 适合UltraDMA33的普通40芯的扁平数据线 适合UltraDMA66 100 133的80芯专用数据线 此线较细 与旧的40针数据线有明显不同 扁平数据线1脚的确定方法及80芯数据线的连接方法 如图7 16所示 硬盘线的红线对准硬盘上信号线插座的第1脚 一般标有序号 插头对准插座引脚插入 将配套的40芯扁平数据线一端与硬盘上的数据线插座相连 请注意方向 数据线有红色标志的一端应该与插座上标有1的插针对齐 即