硬碟基礎知識

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目前市場上的硬碟除昆騰公司的Bigfoot(大腳)系列為5.25英寸結構外,其他都為3.25英寸產品,其中5.25英寸又有半高型和全高型之分。採用5.25設計的昆騰BigfootTX4.0硬碟的外部結構,3.25英寸硬碟結構與此相似。

1、介面

   包括電源插口和資料介面兩部分,其中電源插口與主機電源相聯,為硬碟工作提供電力保證。資料介面則是硬碟資料和主板控制器之間進行傳輸交換的紐帶,根據聯結方式的差異,分為EIDE介面和SCSI介面。EIDE介面由於造價低廉、使用方便,為多數硬碟採用。而採用SCSI介面則必須另配SCSI卡才能使用,雖然其價格相對較高,但卻具有優良的傳輸效能,多在電腦網路伺服器和高檔圖形工作站等裝置中使用。

2、控制電路板

   採用貼片式元件焊接,包括主軸調速電路、磁頭驅動與伺服定位電路、讀寫電路、控制與介面電路等。在電路板上還有一塊高效的單片機ROM晶片,其固化的軟體可以進行硬碟的初始化,執行加電和啟動主軸電機,加電初始尋道、定位以及故障檢測等。基於穩定運行和加強散熱的原因,控制電路板都是裸露在硬碟表面的。在電路板上還安裝有快取晶片,通常為128KB或256KB,而目前最新產品為了獲得更高的傳輸效率,已逐步使用215KB的資料緩衝。

3、固定蓋板

   實際上它是硬碟的面板,用以標註產品的型號、產地、設定資料等,和底板結合成一個密封的整體,保證硬碟碟片和機構的穩定運行。

4、安裝螺孔

   用於硬碟的安裝,對於3.25英寸的產品,固定蓋板和側面都具有安裝孔,可以方便靈活地放置。

硬碟的內部結構

   硬碟內部結構由固定面板、控制電路板、盤頭組件、介面及附件等幾大部分組成,而盤頭組件(Hard Disk Assembly,HDA)是構成硬碟的核心,封裝在硬碟的淨化腔體內,包括浮動磁頭組件、磁頭驅動機構、碟片及主軸驅動機構、前置讀寫控制電路等。

1、浮動磁頭組件

   由讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸三部分組成。磁頭是硬碟技術最重要和關鍵的一環,實際上是整合工藝 製成的多個磁頭的組合,它採用了非接觸式頭、盤結構,加電後在高速旋轉的磁碟表面飛行,飛高間隙只有 0.1-0.3μm,可以獲得極高的資料轉送率。現在轉速達5400rpm的硬碟飛高都低於0.3μm,以利於讀取較大 的高信噪比訊號,提供資料轉送儲存的可靠性。由於早期硬碟採用的磁感應磁頭在讀寫使用和設計上的局限 性,新型大容量的硬碟產品都採用了新型MR(Magnetoresistive heads) 磁阻磁頭。

   MR磁阻磁頭採用了讀寫分離的磁頭結構,寫操作時使用傳統的磁感應磁頭,讀操作則採用MR磁頭。分離設計可以針對磁頭的不同特性分別進行最佳化,以得到最佳的讀寫效能。

   由於MR磁頭採用特殊材料製成,在磁場作用下可改變MR元件的電阻值和電流,當碟片飛過磁頭表面時通過阻值變化去感應訊號,因而訊號變化相當敏感,資料讀取的準確性也非常高。同時MR磁頭具有極窄的道密度,可以把碟片磁軌做得很則相應整體密度將提高,從而使硬碟的單碟容量可以達到以GB為單位。隨著技術的發展,具備更窄的道密度,採用多層結構、磁阻效應更好的材製作的GMR(Giant Magnetoresistive heads)磁頭也已在超大容量的硬碟中使用。

2、磁頭驅動機構

   由音圈電機和磁頭驅動小車組成,新型大容量硬碟還具有高效的防震動機構。高精度的輕型磁頭驅動機構能夠對磁頭進行正確的驅動和定位,並在很短的時間內精確定位到系統指令指定的磁軌上,保證資料讀寫的可靠性。磁頭機構的電機有步進電機、力矩電機和音圈電機三種,前兩種應用在低容量硬碟中,現已被淘汰,大容量硬碟多採用音圈電機驅動。

   音圈是中間插有與磁頭相連的磁棒的的線圈,當電流通過線圈時,磁棒就會發生位移,進而驅動裝載磁頭的小車,並根據控制器在盤面上磁頭位置的資訊編碼來得到磁頭移動的距離,達到準確定位的目的。音圈電機是密封型的控制系統,能夠自動調整,速度比早期的驅動電機要快而且安全係數高。

3、碟片和主軸組件

   碟片是硬碟儲存資料的載體,現在的碟片大都採用金屬薄膜磁碟,這種金屬薄膜較之軟磁碟的不連續顆粒載體具有更高的記錄密度,同時還具有高剩磁和高矯頑力的特點。
   主軸組件包括主軸組件如軸瓦和驅動電機等。隨著硬碟容量的擴大,主軸電機的速度也在不斷提升,主軸電機的速度也在不斷提升,導致了傳統滾珠軸承電機磨損加劇、溫度升高、雜訊增大的弊病,對速度的提高帶來了負面影響。因而生產廠商開始採用精密機械工業的液態軸電機(Fluid dynamic bearing motors)技術,液態軸承電機使用黏膜液油軸承,以油膜代替滾珠可以避免金屬面的直接磨擦,雜訊和溫度減小到最低。而油膜具有有效吸收震動的能力,可以提高主軸組件的抗震能力,以理論上講液態軸承電機無磨損,壽命無限長,是目前超高速硬碟的發展趨勢。

4、前置控制電路

   前置放大電路控制磁頭感應的訊號、主軸電機調速、磁頭驅動和伺服定位等,由於磁頭讀取的訊號微弱,將放大電路密封在腔體內可減少外來訊號的幹擾,提高操作指令的準確性。

5、其他新技術

   PRML(Partial Response Maximum Likelyhood,局部響應最大相似)讀取通道技術。PRML技術應用於硬碟訊號讀取時,能避免因磁軌過窄造成的訊號幹擾,大幅度地提高碟片的密度。同時由於磁碟密度的增大,磁頭在相同時間內可以讀取到更多的訊號,使得讀取速度得以提高。而通過最大相似原理的多點採樣可以把磁頭讀取到的訊號與標準訊號進行對比,以得出最匹配的訊號再傳送出去,從而大大地提高了資料讀取的 準確性。PRML技術的普通採用,使硬碟的容量、速度、可靠性都有了不同程度的提高。

   S.M.A.R.T.技術。S.M.A.R.T.(Self-Monitor-ing,Analysis and Reporting Technology)即自我監測 、分析及報告技術,它可以監控磁頭、磁碟、電機、電路等,由硬碟的監測電路和主機上的監測軟體對被監對象的運行情況與記錄和預設的安全值進行分析、比較,當出現安全值範圍以外的情況時,會自動向使用者發出警告。而更先進的技術還可以自動降低硬碟的運行速度,把重要資料檔案轉存到其它安全扇區, 通過S.M.A.R.T.技術可以對硬碟潛在故障進行有效預測,提高資料的安全性。

硬碟的工作原理

   硬碟加電正常工作後,利用控制電路中的單機初始化模組進行初始化工作,此時磁頭置於碟片中心位置,初始化完成後主軸電機將啟動並以高速旋轉,裝載磁頭的小車機構移動,將浮動磁頭置於碟片表面的00道,處於等待指令的啟動狀態。當介面電路接收到微機系統傳來的指令訊號,通過前置放大控制電路,驅動音圈電機發出磁訊號,根據感應阻值變化的磁頭對碟片資料資訊進行正確定位,並將接收後的資料資訊解碼,通過放大控制電路傳輸到介面電路,反饋給主機系統完成指令操作。結束硬碟操作的斷電狀態,在反力矩彈簧的作用下浮動磁頭駐留到盤面中心。

硬碟的三種控制模式

   LBA模式:邏輯塊設定方式,最大可管理的硬碟容量為8.4GB,大容量硬碟的最佳設定方式。

   Large模式:模式設定方式,最大可管理的硬碟容量為1GB,不支援LBA模式的硬碟控制器可選擇使用。

   Normal模式:普通設定方式,原始的硬碟管理員模式,可管理硬碟容量僅為504M。大容量硬碟如採用此方式設定,只能管理到504M。

硬碟的維護

   硬碟的高速讀取和有效資料存放區效能是其他任何載體都無法比擬的,相對而言,由於技術的先進和精密性,硬碟的故障率通常低於其他存放裝置。但只有正確的維護和使用才能保證硬碟發揮最佳的效能。

   1、保證正常的工作環境,震動、潮濕、電壓不穩定都可能導致硬碟損壞。

   2、不要輕易進行硬碟的低階格式化操作,避免對碟片效能帶來不必要的影響。

   3、避免頻繁的進階格式化操作,它同樣對碟片效能帶來影響,在不重新分區的情況下,可採用加參數“Q”的快速格式化命令。

   4、硬碟中如出現壞道,即使是一個簇都可能具有擴散的破壞性,在保修期內應儘快找商家和廠家更換或維修,已過保修期則儘可能減少格式化硬碟,減少壞簇的擴散。
   5、由於硬碟是在無塵的超淨化車間裡裝配的,切記不要開啟硬碟的蓋板,高速低飛的磁頭組件旋轉帶動的灰塵或汙物都可能使磁頭或碟片損壞,導致資料丟失,即使仍可繼續使用,硬碟壽命也會大大縮短。

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