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1、第 1 章 硬盘基础知识在构成计算机硬件系统的所有设备中，硬盘作为存储设备中的一种，具有非常重要的地位。它是系统软件、应用软件与用户数据的载体。没有硬盘，计算机将无法正常工作。硬盘作为一种外部存储设备，用户存放在其中的数据在计算机断电后并不会丢失，但这并不能保证这些数据永远不会丢失。当硬盘出现某些故障时，就极有可能会导致保存在其中的数据丢失。那么，硬盘中丢失的数据是不是就无法找回了呢？其实不然，只要我们采取合理的措施，就能够恢复部分甚至全部数据。在恢复数据时，会涉及到硬盘的一些相关知识，如硬盘的盘片、扇区、接口与 LBA等，本章就来讲解硬盘的这些基础知识。1.1 认识 硬盘硬盘是一种比较精密的
2、仪器，其生产工艺相当复杂，这在一定程度上避免了假冒伪劣产品的产生。要进行数据恢复操作，首先应该了解硬盘的结构、参数与数据的存储原理等，这对数据恢复工作极其重要。1.1.1 硬盘的物理结构硬盘集机、电、磁于一体，其结构相当复杂，图 1-1 与图 1-2 分别展示了某硬盘的外部结构和内部结构。图 1-1 硬盘的外部结构 图 1-2 硬盘的内部结构 软硬兼施硬盘固件维修及数据恢复实战 2硬盘的外壳是一个金属盒子，正面贴有产品标签，其上有厂家的信息和产品信息，如商标、型号、序列号、生产日期、容量以及跳线的设置方法等。这些信息是正确使用硬盘的基本依据。硬盘的背面则是控制电路板（PCB ） ，在电路板上有
3、很多芯片，主要用来对硬盘进行控制；而在硬盘的侧面有电源接口、跳线和数据线接口，用于连接电源与数据线。硬盘的内部主要由磁盘、磁头、磁头臂、主轴与音圈马达等组成，如图 1-3 所示。1数据接口硬盘的数据接口（简称接口）是数据与主板以及主板上各部件之间进行数据交换的纽带，目前的硬盘接口根据连接方式的差异，可分为 ATA、 SATA 与 SCSI 三种。其中ATA 与 SATA 接口主要用于个人计算机，SCSI 接口多用于网络服务器或高端领域，如高档图形工作站。ATA 接口也叫 IDE 接口或并行 ATA 接口，是硬盘使用最为广泛的一种接口标准，如图 1-4 所示。ATA 接口是为解决老式的ST506
4、/412 接口速度慢、成本高的问题而开发出的新接口标准，具有价格低廉、稳定性好、速度快、标准化程度高等优点。ATA 接口标准不断更新，目前已开发出了 ATA-1（IDE的最初版本） 、ATA-2 （Enhanced IDE，EIDE） 、ATA-3、Ultra ATA/33、Ultra ATA/66、Ultra ATA/100 与 Ultra ATA/133 这 7 个版本。最高数据传输率也由最初的 33 MB/s 提高到 133 MB/s；可支持的硬盘的容量由最初的 108 字节量级提高到 1011 字节量级。另外，自 ATA-3 开始加入一种新的标准，使 IDE 接口可支持光盘驱动器。 S
5、ATA（Serial ATA）接口即串行 ATA 接口，它是一种完全不同于并行 ATA 的新型硬盘接口类型，因为采用串行方式传输数据而得名。SATA 总线使用嵌入式时钟信号，使其具备了更强的纠错能力，在传输数据时会对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误则自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。而且 SATA 接口的传输速度较 IDE 要高，Serial ATA 1.0 定义的数据传输率可达 150MB/s，而目前的 SATA II 的数据传输率则已经高达 300MB/s。除此之外，SATA 接口还具有结构简单、支持热插拔等优点。如图 1-5 所示即为硬盘的 SATA 接口。图
6、 1-4 ATA 接口 图 1-5 SATA 接口图 1-3 硬盘的内部第 1 章 硬盘基础知识 33SCSI（Small Computer System Interface）接口即小型计算机系统接口。与 ATA 接口完全不同，它基于一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术，支持硬盘的容量突破了528MB 的限制，可以同时挂接 7 个不同的设备。SCSI 接口具有多任务、带宽大、 CPU 占用率低、支持热插拔等优点，但较高的价格，以及在使用时必须另外购买 SCSI 接口卡的问题，使得它很难如 IDE 硬盘般普及，因此 SCSI 硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。如图 1-6 所示即为
7、硬盘的 SCSI 接口。硬盘的数据接口除上述三种外，还有SAS（串行连接 SCSI）接口、光纤通道、 IEEE 1394 接口与 USB 接口等，因这几种接口并不常用于家用电脑，所以这里不进行介绍。2电路板电路板是硬盘的电路部分，其上有主芯片、缓存、电机驱动芯片、辅助电路以及与盘体对应的 BIOS 资料。在电路板上还有一块 ROM 芯片，里面固化的程序可以对硬盘进行初始化、执行加电和启动主轴电机、进行加电初始寻道、定位及故障检测等。图 1-7 展示了酷鱼 7 系列的一块电路板。某些硬盘的电路板上会附加有一层保护层，它具备防震与防止静电击穿板上的电子元件等功能。拧下电路板上的螺丝，就可以取下电路
8、板。因此，当硬盘因电路板故障而无法读取数据时，可取下电路板维修或更换。3通气孔硬盘盘体内并不是真空的，因为硬盘内部的磁头在真空环境下无法动作，但硬盘工作时又必须保证内外大气压相等。为解决这一问题，就在硬盘外壳上开设了通气孔，如图 1-8 所示。另外，为了保证硬盘内部是一个洁净的工作空间，在盘体内通气孔的相应位置处还安装有空气过滤组件，以便过滤直径超过 0.3 微米以上的杂质。图 1-7 电路板 图 1-8 通气孔4磁头磁头（Head）是硬盘中最昂贵的部件，也是硬盘技术中最重要和最关键的一环，它负图 1-6 SCSI 接口 软硬兼施硬盘固件维修及数据恢复实战 4责读写硬盘盘片上的数据。如图 1-
9、9 所示即为硬盘的磁头驱动器。传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头，但硬盘的读和写是两种截然不同的操作。因此，这种二合一磁头在设计时必须要同时兼顾到读、写两种特性，从而造成硬盘设计上的局限。针对这种情况，硬盘生产厂商改进技术，采用了分离式的磁头结构，即以 MR 磁头（磁阻磁头）作为读取磁头，而写入磁头仍采用传统的磁感应磁头。这样，在设计硬盘时就可以针对两者的不同特性分别进行优化，以得到最好的硬盘读写性能。采用 MR 磁头后，读取数据的准确性相应提高；而且由于读取的信号幅度与磁道宽度无关，使得盘片的密度大大提高，这也是 MR磁头被广泛应用的最主要原因。目前，采用多层结构且磁阻效应更好的材料制作的
10、 GMR磁头（巨阻磁头）也开始普及，它可使硬盘的容量提高 10 倍以上。由于数据是记录在盘片表面上的，因此每个存放数据的盘片上都需有一个与之对应的磁头。一般盘片的两个表面都会用来存放数据，因此磁头数往往是盘片数的 2 倍。而有一些硬盘最上面盘片的上表面和最下面盘片的下表面不用来存放数据，此时磁头数盘片数22。5伺服口硬盘外壳的侧面上有一个孔，一般都是用铝质贴纸封住，有的甚至还用金属片包住封口的贴纸，防止它被破坏，这个就是伺服口，如图 1-10 所示。其作用是当硬盘装配完成后由其写入伺服信息。伺服信息用于辅助磁头定位，它必须在盘片处于运转状态时写入。另外，由于磁头只能读而不能写伺服信息，因此，必
11、须在硬盘装配完成后，工作人员才会使用伺服道写入机通过伺服口写入伺服信息。为防止灰尘通过伺服口进入盘体，要用相应的贴纸封上伺服口，而在使用硬盘的过程中，也要避免破坏该封口。否则进入灰尘后，硬盘的读写速度会变慢、噪音增大、造成硬盘数据的丢失，甚至导致盘片损坏。为了防止一些初级用户破坏贴纸，生产厂商会在贴纸上加贴一个标签，并印上警告信息，如图 1-11 所示。图 1-10 伺服口 图 1-11 伺服口上的警告信息6盘片盘片的功能就是存储数据。它被密封在硬盘内部，其上附着磁性物质，运用这些磁性图 1-9 磁头驱动器第 1 章 硬盘基础知识 55物质就可达到读写数据的目的。由于盘片在硬盘内部高速旋转（有
12、 5400rpm、7200rpm、10000rpm，甚至 15000rpm等不同型号，关于转速的知识将在 1.1.3 节进行详细介绍） ，因此盘片材料的硬度和耐磨性要求很高。早期的硬盘盘片都使用塑料材料，然后再在其上涂上磁性材料；随着硬盘转速和容量的提高，又出现了金属盘基的盘片，该类材料制作的硬盘盘片具有更高的记录密度与更强的硬度，在安全性上优于塑料盘基。为了提高盘片在高速运转时的稳定性与可靠性，一些硬盘生产厂商推出了以玻璃为盘片的硬盘，虽然它在技术上要领先于金属盘片，但由于玻璃的特殊性，使得其上的磁性物质在长期读写后磁性减弱，从而造成硬盘读写数据困难，因此玻璃盘片的硬盘并未得到广泛应用。目前
13、市场中的主流硬盘都是采用铝材料的金属盘片。在一块硬盘中，并不只有一张盘片，而是由多个盘片叠加在一起，互相之间由垫圈隔开。硬盘盘片是以坚固耐用的材料为盘基，其上在附着表面被加工的相当平滑。硬盘的盘片若暴露在普通环境中，会产生坏道等严重的后果，因此，普通用户不可自行拆卸硬盘。为了提高硬盘读写数据的灵敏度，磁头与盘片的距离很小。早期设计的磁盘驱动器使磁头保持在盘面上方几 m 处飞行，后来设计者将飞行高度降到约 0.10.5m，现在的水平已经达到 0.0050.01m，这只是人类头发直径的千分之一，如图 1-12 所示。硬盘工作时磁头的飞行悬浮高度低、速度快，一旦有小的尘埃进入硬盘密封腔内，或者磁头与
14、盘体发生碰撞，就有可能损坏磁头或使盘片产生物理坏道，从而丢失数据。因此，硬盘工作时不要有冲击或碰撞，搬动时要小心轻放。图 1-12 磁头与盘片的距离1.1.2 硬盘的基本参数硬盘的基本参数是指磁面、磁道、柱面与扇区，它们是划分硬盘存储区域的主要依据。早期的硬盘容量都非常小，设计者规定盘片上的磁性物质以磁道的形式分布，而每一条磁道都具有相同的扇区数，这就使得数据的分布具有相应的规律，从而使磁头能够根据柱面与扇区找到所需数据。虽然现在这种每磁道具有相同扇区数的规律已不适合大容量硬盘，但基本参数仍是硬盘数据存储的基本依据，因此，在进行数据恢复工作前，有必要了解硬盘的基本参数。在学习时可参考图 1-1
15、3 来理解。 1磁面前面我们已经讲过，在一块硬盘中并不是只有一张盘片，而是有多个盘片，每个盘片 软硬兼施硬盘固件维修及数据恢复实战 6的上、下两个面一般都会用来存储数据，即有效盘面，通常称为磁面。为方便存储数据，设计者又对每个磁面按照顺序由上至下从 0 开始进行了编号。由于每个磁面对应一个磁头，所以磁面号也叫磁头号。如某硬盘有 3 个磁头，则其磁面号（磁头号）为 02。图 1-13 硬盘的基本结构2磁道当盘片旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在盘片表面划出一个圆形轨迹，磁盘上的信息便是沿着这些轨迹存放的，这些圆形轨迹即磁道（Track） ，图 1-14为磁道的示意图。这些磁道仅是盘
16、片表面以特殊方式磁化了的一些磁化区，因此用肉眼无法看到。设计者同样对其由外向内自 0 开始进行了编号。一块标准的 3.5 英寸硬盘的盘面通常有几百到几千条磁道，而大容量硬盘每面的磁道数更多。硬盘相邻磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近，则磁性会相互产生影响，同时也使磁头的读写变得困难。3柱面通常情况下，硬盘每张盘片的上、下两面都会划分数目相等的磁道，而盘片上相同位置的磁道看上去就像在同一个圆柱体的表面上，于是我们就称之为柱面（Cylinder） 。它实际就是所有位置相同的磁道的集合，因此，一个硬盘的柱面数与其某个磁面上的磁道数是相同的。同理，柱面的编号也与磁道一样由外向内自 0 开始编号。数据的读写是按柱面进行的，即在读写数
