硬件X档案——硬盘篇

熊云飞
1999年 第11期 20版

#1    硬盘的外部结构
    硬盘作为计算机主要的外部存储设备，随着设计技术的不断更新和广泛应用，不断朝着容量更大、体积更小、速度更快、性能更可靠、价格更便宜的方向发展。迈拓和昆腾等公司都已推出单碟4.3GB、最高18GB的IDE大容量硬盘。
    目前市场上的硬盘除昆腾公司的Bigfoot（大脚）系列为5.25英寸结构外，其他都为3.25英寸产品，其中5.25英寸又有半高型和全高型之分。^112001a^1为采用5.25英寸半高型设计的昆腾BigfootTX4.0硬盘的外部结构，3.25英寸硬盘结构与此相似。
    1.接口
    包括电源插口和数据接口两部分，其中电源插口与主机电源相联，为硬盘工作提供电力保证。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换的纽带，根据联接方式的差异，分为EIDE接口和SCSI接口。EIDE接口由于造价低廉、使用方便，为多数硬盘采用。采用SCSI接口则必须另配SCSI卡才能使用，虽然其价格相对较高，但却具有优秀的传输性能，多在计算机网络服务器和高档图形工作站等设备中使用。（^112001b^）
    2.控制电路板
    采用贴片式元件焊接，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单片机ROM芯片，其固化的软件可以进行硬盘的初始化，执行加电和启动主轴电机，加电初始寻道、定位以及故障检测等。基于稳定运行和加强散热的原因，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，通常为128KB或256KB，而目前最新产品为了获得更高的传输效率，已逐步使用512KB的数据缓存。
    3.固定盖板
    实际是硬盘的面板，标注产品的型号、产地、设置数据等，和底板结合成一个密封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行。
    4.安装螺孔
    用于硬盘的安装，对于3.25英寸的产品，固定盖板和侧面都具有安装孔，可以方便灵活地放置。
#1    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（Hard Disk Assembly，HDA）是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内（^112001c^3），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。
    1.浮动磁头组件
    由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成（^112001d^4）。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0.1～0.3um，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。由于早期硬盘采用的磁感应磁头在读写使用和设计上的局限性，新型大容量的硬盘产品都采用了新型MR（Magnetoresistive heads）磁阻磁头。
    MR磁阻磁头采用了读写分离的磁头结构，写操作时使用传统的磁感应磁头，读操作则采用MR磁头。分离设计可以针对磁头的不同特性分别进行优化，以得到最佳的读写性能。由于MR磁头采用特殊材料制成，在磁场作用下可改变MR元件的电阻值和电流，当磁头飞过盘片表面时通过阻值变化去感应信号，因而对信号变化相当敏感，数据读取的准确性也非常高。同时MR磁头具有极窄的道密度，可以把盘片磁道做得很窄而相应整体密度将提高，从而使硬盘的单碟容量可以达到以GB为单位。随着技术的发展，具备更窄的道密度，采用多层结构、磁阻效应更好的材料制作的GMR（Giant  Magnetoresistive heads）磁头也已在超大容量的硬盘中使用。
    2.磁头驱动机构
    由音圈电机和磁头驱动小车组成（^112001e^5），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。磁头机构的电机有步进电机、力矩电机和音圈电机三种，前两种应用在低容量硬盘中，现已被淘汰，大容量硬盘多采用音圈电机驱动。
    音圈是中间插有与磁头相连的磁棒的线圈，当电流通过线圈时，磁棒就会发生位移，进而驱动装载磁头的小车，并根据控制器在盘面上磁头位置的信息编码来得到磁头移动的距离，达到准确定位的目的。音圈电机是密封型的控制系统，能够自动调整，速度比早期的驱动电机要快而且安全系数高。
    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，主轴电机的速度也在不断提升，导致了传统滚珠轴承电机磨损加剧、温度升高、噪声增大的弊病，对速度的提高带来了负面影响。因而生产厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机（Fluid dynamic bearing motors）技术，液态轴承电机使用黏膜液油轴承，以油膜代替滚珠可以避免金属面的直接磨擦，噪声和温度减小到最低。而油膜具有有效吸收震动的能力，可以提高主轴部件的抗震能力，从理论上讲液态轴承电机无磨损，寿命无限长，是目前超高速硬盘的发展趋势。
    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。
    5.其他新技术
    PRML（Partial Response Maximum  Likelyhood，局部响应最大相似）读取通道技术。PRML技术应用于硬盘信号读取时，能避免因磁道过窄造成的信号干扰，大幅度地提高盘片的密度。同时由于磁盘密度的增大，磁头在相同时间内可以读取到更多的信号，使得读取速度得以提高。而通过最大相似原理的多点采样可以把磁头读取到的信号与标准信号进行对比，以得出最匹配的信号再传送出去，从而大大地提高了数据读取的准确性。PRML技术的普遍采用，使硬盘的容量、速度、可靠性都有了不同程度的提高。
    S.M.A.R.T.技术。S.M.A.R.T.（Self－Monitoring，Analysis and Reporting Technology）即自监测、分析及报告技术，它可以监控磁头、磁盘、电机、电路等，由硬盘的监测电路和主机上的监测软件对被监测对象的运行情况与历史记录和预设的安全值进行分析、比较，当出现安全值范围以外的情况时，会自动向用户发出警告。而更先进的技术还可以自动降低硬盘的运行速度，把重要数据文件转存到其它安全扇区等，通过S.M.A.R.T.技术可以对硬盘潜在故障进行有效预测，提高数据的安全性。
#1    硬盘的工作原理
    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（^112001f^6），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，驱动音圈电机发出磁信号，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。结束硬盘操作的断电状态，在反力矩弹簧的作用下浮动磁头驻留到盘面中心。
    硬盘的三种控制模式：
    LBA模式  逻辑块设置方式，最大可管理的硬盘容量为8.4GB，大容量硬盘的最佳设置方式。
    Large模式  大模式设置方式，最大可管理的硬盘容量为1GB，不支持LBA模式的硬盘控制器可选择使用。
    Normal模式  普通设置方式，原始的硬盘管理模式，可管理硬盘容量仅为504M。大容量硬盘如采用此方式设置，只能管理到504M。
#1    硬盘的维护
    硬盘的高速读取和有效的数据存储性能是其他任何载体都无法比拟的，相对而言，由于技术的先进和精密性，硬盘的故障率通常低于其他存储设备。但只有正确的维护和使用才能保证硬盘发挥最佳的性能。
    1.保证正常的工作环境，震动、潮湿、电压不稳定都可能导致硬盘损坏。
    2.不要轻易进行硬盘的低级格式化操作，避免对盘片性能带来不必要的影响。
    3.避免频繁的高级格式化操作，它同样对盘片性能带来影响，在不重新分区的情况下，可采用加参数“Q”的快速格式化命令。
    4.硬盘中如出现坏道，即使是一个簇都可能具有扩散的破坏性，在保修期内应尽快找商家和厂家更换或维修，已过保修期则尽可能减少格式化硬盘，减少坏簇的扩散。
    5.由于硬盘是在无尘的超净化车间里装配的，切记不要打开硬盘的盖板，高速低飞的磁头组件旋转带动的灰尘或污物都可能使磁头或盘片损坏，导致数据丢失，即使仍可继续使用，硬盘寿命也会大大缩短。


 