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1、第5章 硬盘驱动器,5.1 硬盘结构 5.2 硬盘接口 5.3 硬盘技术 5.4 硬盘数据结构 5.5 硬盘选购 5.6 硬盘的初始化 5.7 硬盘优化 5.8 硬盘日常维护 5.9 硬盘故障分析与排除,第五章 硬盘驱动器,IBM公司推出了首台温彻斯特硬盘，它的特点是：“工作时，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，磁头沿高速旋转的盘片上做径向移动”，这就是现在所有硬盘的雏形。,IBM公司在1956年的9月份推出了世界上的第一块硬盘。在当时，那块硬盘只拥有5M的存储空间，却由多达50块之多的24英寸碟片组成。 硬盘分类： ATA、SATA、SDD等,5.1 硬盘结构,硬盘的英文全称
2、是Hard Disk（有时也简称HD），它主要由固定面板、控制电路板、磁头组、盘片组、主轴电机、接口及其它附件组成。其中磁头组和盘片组件是构成硬盘的核心，它们被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、盘片组、主轴驱动装置及读写控制电路几个部分。 5.1.1 硬盘外部结构 从外形上看硬盘像一个长方型的金属盒子，如图5-4示。从硬盘的正面我们通常可以看到产品标签、安装螺丝和透气孔。总的来说，硬盘外部结构可以分成接口、控制电路板、固定面板三个部分。,1接口 硬盘接口包括电源接口插座和数据接口插座两部份，其中电源插座与主机电源相连接，为硬盘正常工作提供电压。 2控制电路板 大多数的硬盘
3、控制电路板都采用贴片式焊接，它包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。 3 固定面板 硬盘的固定面板就是硬盘正面的面板，它与底板结合成一个密封的整体，保证了硬盘腔体中的盘片、磁头和其它机构能在绝对无尘的环境下稳定运行。,5.1.2 硬盘内部结构 硬盘的内部结构主要包括盘片组、磁头驱动机构、磁头组、主轴电机等几个部分，如图5-9所示。所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴就称为盘片主轴。而所有盘片之间是绝对平行的，在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还要小。所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的
4、半径方向作经向运动，而盘片以每分钟数千转的速度在高速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。,1 盘片组 盘片是硬盘存储数据的载体，现在硬盘盘片大多采用铝金属薄膜材料制成。 硬盘盘片组一般是由一片或几片圆形盘片叠加而成，不同容量的硬盘盘片数是不同的。每个盘片有两个面，每个面都可以记录数据，如图5-10所示。为了有效地管理数据，提高读写数据的效率，通常将盘片分成为面、磁道、扇区、柱面和着陆区。 （1）面。按照磁盘面的多少，依次称为0面、1面、2面等。对应于每个面都要有一个读写磁头，称为0磁头（head）、1磁头、2磁头等。为了能读写每个面上的数据，硬盘的磁头数与盘面数相同。,（2
5、）磁道。在盘片表面上以盘片圆心为中心，分出不同半径的同心圆用来存放数据，我们称这样的圆周为一个磁道（Track）。针对不同的磁道从外向内可以编上不同的号，即磁道号。 （3）柱面。在硬盘中我们将不同盘片相同半径的磁道组成的空心圆柱体称为柱面（Cylinders）。这样硬盘的柱面数就等于每个面的磁道数。 （4）扇区。为了有效的管理硬盘数据，将每个磁道划分成若干段，每段称为一个扇区（Sector）。并规定一个扇区存放512字节的数据，在硬盘上每个磁道上的扇区数相同，这样硬盘存储容量计算公式为： 硬盘容量 = 柱面数磁头数每道扇区数512字节,硬盘在划分扇区编号时和软盘划分扇区编号方法不同。在软盘的一
6、个磁道中，逻辑扇区编号与物理扇区编号相同，并按顺序编号。而硬盘的逻辑扇区编号与物理扇区编号不一定相同，硬盘的物理扇区编号是按间隔因子方式编号的。 （5）着陆区。着陆区（landing Zone）是指硬盘不工作时磁头停放位置的区域，通常指定一个靠近主轴的内层柱面作为着陆区。着陆区不用来存储数据，因此可以避免硬盘受到震动时以及在开、关电源瞬间磁头紧急降落时所造成的数据丢失。目前，一般的硬盘在电源关闭时会自动将磁头停在着陆区内。,2主轴组件 主轴组件包括轴承和驱动电机等。 3 磁头驱动机构 磁头驱动机构作用是在硬盘寻道时用来移动磁头的。一般由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成。 4磁头组件
7、磁头组件是由读写磁头、传动手臂、传动轴三个部分组成。它采用了非接触式磁头结构，加电后磁头在高速旋转的磁盘表面移动，磁头与盘片之间的间隙只有0.10.3m，这样可以获得很好的数据传输率、较高的信噪比和数据传输的可靠性。,5.2 硬盘接口,硬盘接口指硬盘与计算机之间连接的通道，硬盘的接口方式可以说是硬盘一个非常重要的技术指标，它直接决定硬盘的性能。 5.2.1 IDE接口 IDE接口是集成电路设备（Integrated Drive Electronics）的缩写，它是一种集中存储设备的接口，IDE的本意是指把控制器集成在硬盘驱动器或光盘驱动器中。现在常说的IDE接口也叫ATA（Advanced T
8、echnology Attachment）接口，ATA接口的提法使IDE硬盘接口标准得到了统一。,ATA接口包括ATA/33、 ATA/66 ATA/100 ATA/133 ATA/133接口最大外部数据传输率可以高达133MB/s。,符合ATA/66、ATA/100、ATA133规格的电缆共有三个连接头，一般分别用蓝色、灰色和黑色标记，灰色接头位于电缆线中间。连接时蓝色的接头要与主板的IDE接口相连，黑色的接头要与主硬盘相连，灰色的接头要与从硬盘相连。一般情况下三个接头不可颠倒使用，这一点和ATA/66以前硬盘数据线是不同的。,5.2.3 串行ATA接口 1. 数据传输速率高 SATA1.0
9、标准可以提供150 mbps的高峰传输速率，SAT 2.0=300 mbps ，SATA4.0=600 mbps。据说，我们可能看到比今天的PATA设备快上近10倍的传输速率。 2串行线缆4芯，并可以延伸至1米 实际使用中串行ATA硬盘使用7芯数据线，15芯电源线在串行ATA第一代Serial ATA 1.0标准技术中。,3.耗电少 在电压方面，SATA使用两条数据信道分别发送和接收数据，500毫伏的电压就可以运行SATA了。 4.兼容性好 SATA可以通过使用多用途的芯片组或串行并行转换器（反之亦然）来向后兼容PATA设备。在软件方面也有类似的进步，由于SATA和PATA都使用同样的驱动器，
10、因此不需要对操作系统进行升级或其他任何的改变。,5.连接简单 SATA不再需要设置主从盘配置跳线。的确，当驱动器连接好之后，BIOS立即将为它按照1、2、3顺序编号。这些序号将取决于驱动器接在哪个SATA连接器上。,eSATA接口 eSATA（External Serial ATA）是仅仅是一种扩展SATA接口,是用来连接外部而不是内部SATA设备。简单的说就是通过eSATA技术,让外部I/O接口使用SATA2功能。 拥有eSATA接口，你可以轻松地将SATA2硬盘插到eSATA接口，而不用打开机箱更换SATA2硬盘。,5.2.4 SCSI接口 SCSI （Small Computer Sys
11、tem Interface）接口，又称小型计算机系统接口，是一种总线型接口，适用于多任务的操作系统，一般在服务器中使用。SCSI接口的主要特点是： （1）支持多个设备。SCSI-2最多可接7个SCSI设备，而Wide SCSI-2可接15个SCSI设备。 （2）占用CPU资源极低，由于SCSI卡本身带有自己的CPU，可以处理绝大数SCSI设备的任务。SCSI设备对CPU的依赖性大约只有4%左右。,（3）在同样条件下处理单任务时，SCSI硬盘比IDE 硬盘要慢。这是因为SCSI硬盘在标识硬盘扇区时使用了线性的概念。但SCSI在处理多任务时的优势是IDE所望尘莫及的。 （4）SCSI接口类型。SC
12、SI-1 是最早的标准规格，现在已被淘汰了。SCSI-2使用同步传输方式，它支持设备最大个数又分两种，一种是支持7个设备数，另一种是支持15个设备数。目前，SCSI-3还没有统一规格，但是已经出现有4种类型SCSI-3规格，如 Fast-20 SCSI 、Ultra Wide SCSI、 Ultra2 SCSI、 Ultra2 Wide。 不同的SCSI接口类型使用不同规格的接口，在购买SCSI硬盘时要注意，不能混淆。,5.2.5 SAS接口 SAS(Serial Attached SCSI)即串行连接SCSI，是新一代的SCSI技术，SAS是并行SCSI接口之后开发出的全新接口。,SAS接口
13、特点： 1SAS的接口技术可以向下兼容SATA。兼容性主要体现在物理层和协议层的兼容。在物理层，SAS接口和SATA接口完全兼容，SATA硬盘可以直接使用在SAS的环境中，从接口标准上而言，SATA是SAS的一个子标准，因此SAS控制器可以直接操控SATA硬盘，但是SAS却不能直接使用在SATA的环境中，因为SATA控制器并不能对SAS硬盘进行控制。,在协议层，SAS由3种类型协议组成，其中串行SCSI协议(SSP)用于传输SCSI命令；SCSI管理协议(SMP)用于对连接设备的维护和管理；SATA通道协议(STP)用于SAS和SATA之间数据的传输。因此在这3种协议的配合下，SAS可以和SA
14、TA以及部分SCSI设备无缝结合。,SAS系统的背板(Backplane)既可以连接具有双端口、高性能的SAS驱动器，也可以连接高容量、低成本的SATA驱动器。但SATA系统并不兼容SAS，所以SAS驱动器不能连接到SATA背板上。,在系统中，每一个SAS端口可以最多可以连接16256个外部设备，并且SAS采取直接的点到点的串行传输方式，传输的速率高达3Gbps，估计以后会有6Gbps乃至12Gbps的高速接口出现。SAS的接口也做了较大的改进，它同时提供了3.5英寸和2.5英寸的接口，因此能够适合不同服务器环境的需求。,SAS依靠SAS扩展器来连接更多的设备，目前的扩展器以12端口居多，不过
15、根据板卡厂商产品研发计划显示，未来会有28、36端口的扩展器引入，来连接SAS设备、主机设备或者其他的SAS扩展器。,SAS接口速度刚起步速度就达到300MB/sec，未来会达到600MB/sec甚至更多，而且由于采用了串行线缆，不仅可以实现更长的连接距离，还能够提高抗干扰能力，并且这种细细的线缆还可以显著改善机箱内部的散热情况。,虽然UltraWide320SCSI的320MBps,但是由于SCSI采用单缆结构,所有的设备共享320MBps的带宽但是SAS采用星形结构,每个设备是独享300MBps带宽,因此SAS的接口带宽实际中是比SCSI要高的.,SAS线缆是7针4线,和SATA一样,并可
16、以使用SATA硬盘。 SAS线和SATA线一样,一个SAS接口只能接一根SAS线缆,一根SAS线缆只能接一个SAS硬盘。 SAS线缆的长度和SCSI一样,理论上最长12M，但一般不推荐超过5M,太长可能会导致丢包严重。,5.3 硬盘技术,5.3.1磁盘阵列RAID技术 我们可以把RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks）理解成一种使用磁盘驱动器的方法，它是将一组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来，作为逻辑上的一个磁盘驱动器来使用。一般情况下，组成的逻辑磁盘驱动器的容量要略小于各个磁盘驱动器容量的总和。RAID的具体实现可以通过硬件也可以靠软件方法来完成，如Windows NT/2000/XP操作系统就提供RAID软件功能。常用的磁盘阵列有三种模式：RAID0、RAID1和RAID5。,RAID0模式把数据分散到多块硬盘上进行并行存贮，在进行数据存取时，能同时对这几个磁盘进行存贮访问，通过并行存贮访
