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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,1973年，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。虽然今天的硬盘已经发生了翻天覆地的变化，高端硬盘容量已高达上百个GB，但它仍然没有脱离“温彻斯特”的工作模式。 硬盘工作的基本原理其实也很简单，就是利用磁粉粒子的极性来记录数据，通过磁头实现电磁信
2、号的转换。磁头在读取数据时，根据磁粉粒子的不同极性转换成不同的电信号。写数据时正好相反，是根据不同的电信号改变磁粉粒子的极性。,5.1 硬盘结构,硬盘的英文全称是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
3、板、固定面板三个部分。,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
4、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）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
5、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
6、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 磁头组件是硬盘中最精密的部件之一，它是由读写磁头、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
7、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 Technology Attachment）接口，ATA接口的提法使IDE硬盘接口标准得到了统一。,5.2.2 IDE硬盘的传输接口模式 1PIO（Programmed I/O）模式。 2DMA模式或
8、称Fast ATA模式。 3Ultra DMA模式。 Ultra DMA除了拥有DMA模式的优点外，还应用了循环冗余校验码CRC（Cyclic Redundancy Check）技术，加强了数据在传送过程中的纠错能力，提高了传输数据的完整性和可靠性。同时该模式完全向下兼容旧模式。目前已发展到Ultra ATA/133了，其传输速度高达133MB/s。,5.2.3 IDE接口种类 1 ATA-2 2 ATA-3 3ATA-4 4ATAPI协议 5.2.4 ATA/100接口 ATA/100接口是在原有的ATA-66基础上推出的接口类型，其最大的特点就是硬盘的最大外部数据传输率提高到了100MB/
9、s。ATA/100接口是向下兼容的，它仍然使用和ATA/33相同的40针IDE接口，ATA/100标准的硬盘可以和ATA/66或ATA/33主板、接口卡连接，但此时的速度只有66MB/s或33MB/s。,由于硬盘数据传输率提高，硬盘在进行数据传输中将会产生电磁干扰。因此，ATA/100接口的硬盘数据线在原硬盘数据线的基础上又增加额外的40根地线，并且这40根地线与原来的40根线是交错排列的，其偶数线为新增的地线，奇数线为原数据线。这样可以在实际传输信号的数据线之间起屏蔽作用。所以，ATA/100数据电缆是由80根导线组成的。 为了确保现有的系统和驱动器的兼容性，ATA/100接口仍就保持了传统
10、的40针连接器。因此，ATA/100接口是完全向下兼容的， ATA/33、ATA/66接口的设备完全可以在ATA/100接口中使用。,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。 5.2.5 ATA/133接口 ATA/133接口是迈拓公司在ATA/100接口的基础上推出的新一代的接口，新一代ATA/133接口最大外部数据传输率可以高达133M
11、B/s。,5.2.6 串行ATA接口 串行ATA（Serial ATA）接口是串行传输数据的接口，它能以连续串行的方式传送数据，在同一时间点内只会有1位数据传输。串行ATA数据传输时只需要用一根四芯电缆与设备相连，用四个针就能完成所有的数据交换工作。使串行ATA接口在不降低传输效率的前提下使连接器小型化，并降低数据电缆线的宽度。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，就把数据传输率提高到150MB/s，已经超过了现有最快的ATA133数据传输率，同样串行 ATA 2.0数据传输率为300MB/s。,由于串行ATA使用点对点的
12、协议，采用这种接口，一台计算机同时连接两个硬盘时就没有主、从硬盘之分了，免去了用户设置硬盘主从跳线的麻烦。此外，串行ATA接口不再受单通道只能连接两块硬盘的限制，它可以同时连接多个硬盘，这一点也是传统并行ATA接口无法相比的。同时它不但支持硬盘，还支持CD、DVD等存储设备。目前串行ATA接口已经进入实用阶段，有的主板芯片已经开始支持串行ATA接口，希捷等公司已研制出320G串行ATA接口的硬盘，如图5-3、5-12所示。 实际使用中，串行ATA硬盘使用7芯数据线，15芯Serial ATA专用电源线。不过考虑的兼容性，串行ATA硬盘还提供IDE硬盘标准电源接口。,5.2.7 SCSI接口 S
13、CSI （Small Computer System 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ID
14、E所望尘莫及的。 （4）SCSI接口类型。SCSI-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。,5.3 硬盘技术,5.3.1磁盘阵列RAID技术 我们可以把RAID（Redundant Array of Inexpensive
15、 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，通过并行存贮访问来提高磁盘的整体数据传输速度。而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘驱动器，所以使用RAID0技术可以
16、使数据传输达到单个磁盘驱动器的几倍、甚至几十倍的速率。组成RAID0的单个磁盘驱动器数量越多，数据转输速度会越快。它的缺点是只要有一块硬盘损坏，均将造成数据因不完整而无法使用。 RAID1模式主要采用冗余技术来提高数据的完整性和安全性。每一个磁盘驱动器都配有一个镜像磁盘驱动器，镜像磁盘驱动器随时保持与原磁盘驱动器相同的内容，实现数据的自动备份。,例如当数据写入一块硬盘时，RAID1 控制器同时将同样的数据写到另外一块硬盘上。第二块硬盘就完全成了第一块硬盘的镜像，一旦第一块硬盘损坏，第二块硬盘将自动接管工作。它特别适合于安全性要求很高的场合。RAID 1模式的缺点是有效容量利用率只有50，成本较高。 RAID5模式也采用多块硬盘并行存储的模式，但在写入数据时总在其中的某块硬盘上写有该组数据的校验和，即使某一块硬盘损坏，其数据也可以通过其他硬盘上的数据恢复出来，因此它既具有快速性又有较高的安全性，是目前采用最多、最流行
