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1、硬盘基础知识,-讲解人：张军 2006.10.12,主要内容,硬盘的发展史 硬盘的结构 硬盘的工作原理 硬盘的工作模式 硬盘的性能指标 硬盘新技术 硬盘数据结构 硬盘分区方式 数据存储原理,硬盘概述,硬盘是一个计算机系统的数据存储中心，我们运行计算机时使用的程序和数据目前绝大部分都存储在硬盘上。它是计算机中不可或缺的存储设备。 步入 2001 年后，硬盘技术正在朝着容量更大、体积更小、速度更快、性能更可靠、价格更便宜的的方向不断发展,在1968年，IBM颠覆了之前自己的设计，提出了“温彻斯特”（Winchester）技术的可行性，这次的提出的技术则奠定了以后硬盘所发展的方向。 “温彻斯特”技术
2、的精隋在于提出了：“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触”，这也同样是我们现在硬盘所走的道路。 1973年，IBM公司制造出了第一台采用温彻斯特技术的硬盘，从此硬盘技术的发展有了正确的结构基础，现在使用的硬盘大多是此技术的延伸。,1979年，IBM再次发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可能。同期IBM的两位员工AlanShugart和FinisConner离开IBM后成立了希捷公司(Shugart Technology公司，也就是后来的Seagate希捷公司)，之后便推出了像5.25英寸大小的硬盘驱
3、动器。 80年代末期IBM又为电脑行业作了一项巨大的贡献，推出了名为MR HEAD（Magneto Resistive)）的东西，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度能够比以往每英寸20MB的容量提高了数十倍，他工作方式在于将读写两个磁头分开，读写磁头不再具电感特性，而是对磁场变化相当敏感的电阻特性磁头。 注: MR(MAGNETO-RESITIVEHEAD)即磁阻磁头的简称,1999年 著名的硬盘公司Maxtor，也就是迈拓推出了他的DiamondMax 40产品，也就是钻石九代。单碟磁盘容量达到了10G这样前所未有的情况,也就是这样的情况促使了大容量硬盘的诞生。 20
4、00年2月23日，希捷制造出转速高达15，000RPM的Cheetah X15系列硬盘，其平均寻道时间只有3.9ms，这可是当时世界上最快的硬盘了 .,2000年3月16日又到了盘片革命的时间了，IBM将自己苦心研究多年的“玻璃盘片”拿出来台面，硬盘均使用玻璃取代传统的铝作为盘片材料，这能为硬盘带来更大的平滑性及更高的坚固性。然而好景不长，时隔两年之后腾龙系列的硬盘纷纷出现问题，暴露出了玻璃盘片的严重质量缺陷。 虽然此时IBM开始悬崖勒马，开始当腾龙5推出的时候继续采用了铝质盘片。但这些都无法挽救这个品牌给消费者所带来的心理阴影。作了几十年的老大一失足成千古恨阿。至今不得不将硬盘部门转手日立了
5、。,在这个硬盘接口规范化道路的建设过程中，许多公司为之付出了许多努力，例如英特尔公司、希捷公司、迈拓公司、IBM 公司，但有一家公司我们不能不提，那就是美国的“西部数据（Western Digital）”公司，因为是WD制定了 EIDE的接口标准，而在那之后制定的所有 IDE接口（并行 ATA）差不多都是在 IDE/EIDE的基础上不断创新产生得。,硬盘的外部结构,硬盘内部结构图,浮动磁头组件,是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份组成。 磁头是硬盘技术中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，加后电在高速旋转的磁盘表面移动
6、，与盘片之间的间隙只有0.10.3 m ，这样可以获得很好的数据传输率。现在转速为7200RPM的硬盘飞高一般都低于0.3 m，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输率的可靠性。,浮动磁头组件,磁头驱动机构,盘硬的寻道是靠移动磁头，而移动磁头则需要该机构驱动才能实现。磁头驱动机构由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成，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，并能在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道。,磁盘片,盘片是硬盘存储数据的载体，现在硬盘的盘片大多采用金属薄膜材料，这种金属薄膜较软盘的不连续颗粒载体具有更高的存储密度、高剩磁及高矫顽力等优点。,磁盘片,磁盘片表
7、面上以磁盘片中心为圆心，不同半径的同心圆称为磁道。 不同磁盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面。 磁盘片被分成许多扇形的区域，每个区域叫一个扇区。,磁面（Side）：每个盘片都有上、下两个磁面，从上向下从“0”开始编号，0面、1面、2面、3面、 磁道（Track）：硬盘在格式化时盘片会被划成许多同心圆，这些同心圆轨迹就叫磁道。磁道从外向内从0开始顺次编号，0道、1道、2道、 柱面（Cylinder）：所有盘面上的同一编号的磁道构成一个圆柱，称之为柱面，每个柱面上从外向内以 “0”开始编号，0柱面、1柱面、2柱面、 扇区（Sector）：硬盘的盘片在存储数据时又被逻辑划分为许多扇形的区域，每个
8、区域叫作一个扇区。 硬盘容量=柱面数扇区数每扇区字节数磁头数,内部结构总结,硬盘的工作原理,硬盘存储数据是根据电、磁转换的原理来实现的。硬盘驱动器加电后，磁盘片由主轴电机驱动进行高速旋转，设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读出来。 当系统向硬盘写入数据时，磁头中写数据电流产生磁场使盘片表面磁性物质状态发生改变，并在写电流磁场消失后仍能保持，当系统从硬盘中读取数据时，磁头经过盘片指定区域，盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化，经过相关电路处理后还原成数据。,硬盘的工作模式,硬盘的工作模式主要有三种，分别是： 1.NORMAL 2.LBA 3.LARG
9、E,NORMAL模式,NORMAL（普通模式）是最早的 IDE 方式，在硬盘访问时，BIOS 和 IDE 控制器对参数不做任何转换。该模式支持的最大硬盘的容量为528MB。也就是说，在此模式下，硬盘的实际物理容量再大，也只能用到其中的 528M。,LBA模式,LBA(Logical Block Addressing ，逻辑块寻址模式) 是一种克服528MB限制的新型硬盘存取方法。在 LBA 模式下，设置的柱面、磁头、扇区等参数并不是实际硬盘的物理参数。在访问硬盘时，由 IDE 控制器把由柱面、磁头、扇区等参数确定的逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。在 LBA 模式下，管理的硬盘空间可达 8.4
10、GB。不过现在新主板可以使 LBA 能支持 100GB 以上的硬盘。,LARGE模式,LARGE （大规模管理模式）在硬盘的柱面超过 1024 而又不为 LBA 支持时采用。LARGE 模式采用的方法是把柱面数除以 2，把磁头数乘以 2，使得某些硬盘的柱面低于1024，但其结果总容量不变。在LARGE模式中，可支持的最大容量为1GB。,硬盘的性能指标,硬盘也是计算机的重要部件，同样对计算机的整体性能起着决定性的作用。我们就介绍一下硬盘主要的性能指标。,1.主轴转速,硬盘的主轴转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因素之一，它在很大程度上决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志。 从目前的情
11、况来看，7200RPM的硬盘在国内市场已经逐步取代了5400RPM硬盘的地位，成为了主流，而更高转速的硬盘，如SCSI硬盘的主轴转速已经达到10000RPM甚至15000RPM，但由于价格原因让普通用户难以接受。 SCSI： Small Computer System Interface（小型计算机系统接口）,2.硬盘容量,影响容量的两个因素是单碟容量和碟片数量。 因为标准硬盘的碟片数是有限的，靠增加碟片来扩充容量满足不断增长的存储容量的需求是不可行的。只有提高每张碟片的容量才能从根本上解决这个问题。 单碟容量的一个重要意义在于提升硬盘的数据传输速度。硬盘单碟容量的提高得益于数据记录密度的提高
12、，而记录密度同数据传输率是成正比的，单碟容量越高，它的数据传输率也将会越高。,3.高速缓存,缓存是硬盘与外部总线交换数据的场所，是硬盘内部的高速存储器。 硬盘的读数据的过程是将磁信号转化为电信号后，通过缓存一次次地填充与清空，再填充，再清空，一步步按照PCI总线的周期送出。 可见，缓存的作用是相当重要的。缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素。目前主流硬盘的缓存一般为28MB。,4.最大内部数据传输率,它也叫持续数据传输率(Sustained Transfer Rate)，单位为Mb/s。它是磁头到硬盘的高速缓存之间的数据传输速度，这可以说是影响硬盘整体性能的关键。 该传输率一般
13、取决于硬盘的盘片转速和盘片数据线密度。 目前硬盘作为电脑的瓶颈，其病根还在于硬盘的内部数据传输率上。 注意，在这项指标中常常使用Mb/s或Mbps为单位，这是兆位/秒的意思，如果需要转换成MB/s(兆字节/秒)，就必须将Mbps数据除以8(一字节8位数)。,5.外部数据传输率,外部数据传输率是指从硬盘缓冲区读取数据的速率。它与硬盘的接口类型是直接挂勾的，因此在广告或硬盘特性表中常以数据接口速率代替，单位为 MB/S 。 它也称突发数据传输率，它是指从硬盘缓冲区读取数据的速率。目前IDE硬盘已经全部采用Ultra DMA/66/100/133技术，外部数据传输率可达66MB/s,100MB/s
14、,133MB/s。,6.平均寻道时间,平均寻道时间这个指标指磁头从得到指令到寻找到数据所在磁道的时间 它是代表硬盘读取数据的能力，单位为毫秒。平均寻道时间越小越好，硬盘的运行速率相应也就越快。一般硬盘的平均寻道时间在7.514ms。,7.MTBF( 连续无故障时间 ),MTBF指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间 一般硬盘的 MTBF 至少在 30000 或 40000 小时。 注: MTBF(Mean Time Between Failures),硬盘新技术,1.新型磁头技术 2. S.M.A.R.T技术 3. SPS防震技术 4. RAID技术 5. PRML读取通道技术 6.湿盘（Wet
15、disk）技术,1.新型磁头技术,MR（Magneto一Resistive Head，磁阻磁头）技术可以更高的实际记录密度、记录数据，从而增加硬盘容量，提高数据吞吐率。 GMR（Giant Magneto Resistive，巨型磁阻磁头）是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，使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，从而可以实现更高的存储密度。,2.S.M.A.R.T技术,S.M.A.R.T(SelfMonitoring、AnalysisReporting Technology）自我监测、分析和报告技术。它由硬盘的监测电路和主板上的监测软件对被监测对象的运行情况与历史记录及
16、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，并自动降低硬盘的运行速度，把重要数据文件转存到其他安全扇区。,3.SPS防震技术,SPS(Shock Protection System，震动保护系统) 是由昆腾公司开发，使硬盘在受到撞击时，保持磁头不受震动，磁头和磁头臂停泊在盘片上，冲击能量被硬盘其他部分吸收，这样能有效地提高硬盘的抗震性能，使硬盘在运输、使用及安装的过程中最大限度地免受震动的损坏。,4.RAID技术,RAID（Redundant Arrays of Inpensive Disks)廉价冗余磁盘阵列。组成磁盘阵列的设备具有高速度、大容量、安全可靠的特点。RAID硬盘是由几组硬盘驱动器组成，并由一个控制器统一管理，逻辑上可以把它看作是一个磁盘驱动器。,5.PRML读取通道技术,PRML:PartialResponseMaximumLikelyhood，局部响应最大相似 最初只用在通信方面,用以解决误码率问题,该技术引入硬盘中后可有效提高数据读取及传输效率,可使硬盘容量提高3
