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深入了解硬盘的内部结构

2015-12-21 20:43来源:中国存储网
导读:硬盘是一种最为常见的外存储器,是一种集机、电、磁于一体的高精度存储设备。硬盘基本上由控制电路板和盘体两大部分组成。

目前存储方式基本上分为磁存储、电存储和光存储几种。U盘及各种存储卡属于电存储方式,VCD、DVD盘等属于光存储方式,而应用最广的还是磁存储——硬盘。各种存储方式除了存储介质上的物理特性不同外,逻辑层面上仍然是基于文件系统结构的,所以本书中以硬盘为主介绍常用的存储结构及恢复思路。

硬盘是一种最为常见的外存储器,是一种集机、电、磁于一体的高精度存储设备。1956年9月,IBM的一个工程小组向世界展示了第一套磁盘系统IBM 350,这套系统的总容量只有5MB,使用了50个直径为24英寸的磁盘,磁头可以在盘片上的任何一块存储区域移动。1968年,IBM公司又提出了“温彻斯特(Winchester)”技术,即密封、固定并高速旋转的镀磁盘片,磁头沿盘片径向移动,磁头悬浮在高速旋转的盘片上方而不与盘片接触。目前,我们使用的硬盘所采用的都是这种技术。

1.1.1 硬盘结构

 

深入了解硬盘的内部结构

硬盘内部的结构

硬盘基本上由控制电路板和盘体两大部分组成。

1. 控制电路板

控制电路板是由接口、DSP处理器、ROM、缓存、磁头驱动电路和盘片电机驱动电路等组成的:

深入了解硬盘的内部结构 接口包括电源接口和数据接口及硬盘内部的盘片电机接口、磁头接口——

电源接口提供硬盘工作所需要的电流。

数据接口提供与计算机交换数据的通道。

盘片电机接口提供盘片电机转动所需的电流。

磁头接口用于提供电路板到磁头和音圈电机的信号连接。

深入了解硬盘的内部结构 DSP处理器用于控制信号和数据的转换、编码等操作。

深入了解硬盘的内部结构 ROM中存储了硬盘初始化操作的部分程序,有的ROM为独立的芯片(可能是EPROM、Flash等),有的集成到了DSP中。

深入了解硬盘的内部结构 缓存用于暂存盘体和接****换的数据,以解决接口速度和硬盘内部读写速度的差别。缓存的大小对硬盘的数据传输速率有一定的影响,随着硬盘的不断发展,缓存的容量也在不断增大。

深入了解硬盘的内部结构 磁头驱动电路负责驱动磁头准确定位和对磁头信号进行整形放大等。

深入了解硬盘的内部结构 电机驱动电路负责精确控制盘片的转速。

2. 盘体

盘体由盘腔、上盖、盘片电机、盘片、磁头、音圈电机和其他的辅助组件组成。为保证硬盘正常工作,盘体内的洁净度很高。为防止灰尘进入,盘体处于相对密封的状态。由于硬盘工作的过程中发热,为了保证盘腔的空气压力与外界平衡,在盘体上有呼吸孔,呼吸孔的内侧安装有一个小的空气过滤器,硬盘的设计不同,呼吸孔的位置和结构也有所差别。同时由于盘体在装配完成后,要写入伺服信息,所以盘体上有伺服信息的写入口,在工厂无尘车间里将专用的写入设备从这个孔伸入盘体内写入伺服信息,写入完成后,会用铝箔将其封闭。

(1) 盘腔

盘腔一般由铝合金铸造后机加工而成,盘体的其他组件都直接或间接安装在盘腔上面,盘腔上还有将硬盘安装到其他设备上的螺丝孔。

(2) 上盖

上盖一般由铝合金或软磁金属材料加工而成,有的是单层的,有的是由多层材料粘合而成。它的主要作用是与盘腔一起构成一个相对密封的整体,基本上都是用螺钉与盘腔连接,为了保证密封,上盖与盘腔的结合面一般都有密封垫圈。

(3) 盘片电机

盘片电机的主要作用就是带动盘片旋转,在控制电路板上的盘片电机驱动芯片的控制下,盘片电机带动盘片以设定的速度转动,盘片电机的转速由原来低于4000转/分,发展到现在的10000转/分,甚至15000转/分,盘片转速的提高直接决定着硬盘的寻道时间。当然,在提高转速的同时,硬盘的发热量、振动、噪声等也会对硬盘的稳定工作产生影响。所以一些新的技术也不断地应用到盘片电机上,由最初的滚珠轴承电机发展到现在的液态轴承电机。

盘片的电机一般为转速恒定的直流无刷电机,为三相直流供电。线圈的绕法分为三角形连接、星形无中线和星形有中线三种,这种电机可以比较精确地控制转速,让盘片稳定地旋转。

(4) 盘片

盘片是硬盘的核心组件之一,不同的硬盘可能有不同的盘片数量。所有的数据都是存储在盘片上的,盘片是在铝合金或玻璃基底上涂敷很薄的磁性材料、保护材料和润滑材料等多种不同功能的材料层加工而成,其中磁性材料的物理性能和磁层结构直接影响着数据的存储密度和所存储数据的稳定性。为了提高存储密度,防止超顺磁效应的发生,各相关机构进行了大量的研究工作,不断改进磁层的物理性能和磁层结构。磁记录层的记录方式也由以前的纵向磁记录发展到现在的垂直磁记录。

(5) 磁头

磁头也是硬盘的核心组件,磁头的性能对硬盘的数据存储密度和内部传输率有很大的影响。磁头最早应用的是铁磁物质,1979年发明了薄膜磁头,使硬盘进一步减小体积、增大容量、提高读写速度成为了可能。20世纪80年代末期IBM研发了MR磁阻磁头,后来又研发了GMR巨磁阻磁头。现在的硬盘都是采用GMR磁头,它利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据。磁头在工作的过程中并不与盘片接触,而是在盘片高速旋转带动的空气动力的作用下以很低的高度在盘片上面飞行。为了提高磁头的灵敏度,磁头的飞行高度在不断降低。磁头一般跟金属磁头臂、音圈电机线圈和预放电路等组成一个组件,磁头在音圈电机的带动下根据读写数据的需要做往复运动来定位数据所在的磁道。

由于磁头需要靠盘片旋转带动的空气动力来飞行,那么在硬盘不工作或盘片电机的转速还没有达到预定值时,磁头就无法飞行。而磁头的读写面和盘片都很光滑,如果它们直接接触必然导致粘连而妨碍盘片起转或导致磁头和盘片损伤。为此,磁头在不工作时需要停泊在数据区以外的区域。硬盘有两种方式来满足这个要求:

深入了解硬盘的内部结构 第一种方式是在盘片内侧开辟一个环形的磁头停泊区,磁头不工作时停泊在这个地方,为了防止粘连,停泊区被有意加工成带有一定粗糙度的区域,以便磁头停泊在这里时磁头和盘片之间有一定的空气。但这样必然导致硬盘启停时磁头和盘片要发生较严重的摩擦而损伤磁头,所以硬盘会有一个启停次数的指标。

深入了解硬盘的内部结构 第二种方式是在盘片的外面安装一个磁头停泊架,当磁头不工作时停泊在停泊架上,这样正常情况下磁头永远也不会和盘片表面接触,也就不存在启停次数的问题。

(6) 音圈电机

音圈电机由一到两个高磁场强度的磁体及外围的磁钢组成的封闭磁场和音圈电机线圈组成,在磁头驱动电路的控制下控制磁头的运动,依读写数据的要求带动磁头在盘片上方作往复运动使磁头定位在需要的数据磁道上。线圈中流过的电流控制磁头的运动方向:当磁头需要移动位置时线圈中被通过很大电流,磁头发生偏转;当磁头接近指定位置时,线圈中的电流减弱甚至反向流动,磁头开始减速。通过类似的方式,磁头一级一级地靠近指定位置,直到正确定位。而在静止状态下,磁头也在不停地修正自己的位置,以免定位错误。

为了防止硬盘不工作时发生意外,不同的硬盘还设计了不同的磁头锁定机构,当硬盘不工作或盘片没有达到预定转速时,磁头锁定机构将磁头锁定在停泊位置,有时晃动硬盘时硬盘里有响声,就是由磁头锁定机构发出的。

为了防止磁头工作时出现意外而导致磁头撞击盘片电机的主轴或移动到盘片/停泊架以外,还设计有磁头限位装置。

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关键词 :
硬盘结构
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