《计算机维修技术 第3版》第06章 外存系统结构与故障维修2013

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1、计算机维修技术计算机维修技术 第第3 3版版 教学课件教学课件 易建勋易建勋 编著编著清华大学出版社 2013年8月 本课件随教材免费赠送免费赠送给读者，读者可自由播放、复制、分 发本课件，也可对课件内容进行修改。 课件中部分图片来自因特网公开的技术资料，这些图片的版版 权属于原作者权属于原作者。 感谢在因特网上提供技术资料的企业和个人。 本课件不得用于任何商业用途本课件不得用于任何商业用途。 课件版权属于作者和清华大学出版社，其他任何单位和个人 都不得对本课件进行销售或修改后销售。作者：易建勋 2013年8月作者声明第第6 6章章 外存系统结构与故障维修外存系统结构与故障维修6.1 闪存结构

2、与故障维修 6.1.1 闪存数据存储原理 6.1.2 闪存的结构与性能 6.1.3 固态硬盘基本结构 6.1.4 闪存卡技术与性能 6.1.5 闪存常见故障分析 6.2 硬盘结构与工作原理 6.2.1 硬盘基本组成 6.2.2 硬盘工作原理 6.2.3 硬盘启动过程 6.2.4 硬盘逻辑结构 6.2.5 硬盘设计技术6.3 硬盘性能与故障维修 6.3.1 RAID磁盘阵列技术 6.3.2 硬盘常用接口类型 6.3.3 硬盘主要技术性能 6.3.4 硬盘常见故障分析 6.3.5 硬盘故障维修案例 6.4 光盘结构与故障维修 6.4.1 只读光盘基本结构 6.4.2 读写光盘基本结构 6.4.3

3、光盘基本逻辑结构 6.4.4 光驱基本工作原理 6.4.5 光驱故障维修案例6.1 6.1 闪存结构与故障维修闪存结构与故障维修6.1.1 闪存数据存储原理1. 闪存的基本类型6.1.1 闪存数据存储原理 闪存从EEPROM技术发展而来。 优点：快速存储，永久存储，可利用现有半导体工艺。 缺点：读写速度较DRAM慢，擦写次数有极限。 读写特性： 闪存以区块为单位进行数据擦除和写入闪存以区块为单位进行数据擦除和写入; ; 区块大小为8KB128KB8KB128KB。 闪存不能以字节为单位进行数据的随机写入，因 此闪存目前不可能作为内存使用。6.1.1 闪存数据存储原理2闪存存储单元的类型 （1

4、1）NORNOR（异或型）闪存闪存 由Intel和AMD公司主导，用于程序储存和运行。 技术特点： 可随机读随机读，但写操作按写操作按“ “块块” ”进行进行。 写操作慢，读操作快。 应用： BIOS芯片 手机存储芯片 交换机存储器等。 6.1.1 闪存数据存储原理（2）NANDNAND（与非型）（与非型）闪存闪存 技术特点： 读写速度比DRAM低很多； 小数据块操作速度很慢，大数据块速度很快。 存储容量大，价格低。 应用： U盘 SD存储卡，T卡等 SSD固态硬盘等6.1.1 闪存数据存储原理3闪存存储单元的结构 闪存采用单晶体管设计，无需存储电容闪存采用单晶体管设计，无需存储电容。 闪存结

5、构： SLC（单级储存单元）结构：在1个存储单元存储存储1 1位数据位数据。 MLC（多级储存单元）结构：在1个存储单元中存储存储2 2位数据位数据。6.1.1 闪存数据存储原理 MLC通过不同级别的内部电压，在在1 1个存储单元中记个存储单元中记 录录2 2组位信息组位信息（00、01、10、11）。 MLC的记录密度比SLC提高了1倍。 MLC电压变化频繁，使用寿命远低于SLC； SLC芯片可以擦写10万次，而MLC只有1万次左右； MLC需要更长的读写时间； SLCSLC比比MLCMLC要快要快3 3倍倍以上。6.1.1 闪存数据存储原理4闪存数据存储原理 闪存通过在浮空栅极上放置电子放

6、置电子和清除电子清除电子来表 示数据 浮空栅极中有电子时为0，无电子时为1。6.1.1 闪存数据存储原理闪存存储单元(Cell)显微结构6.1.2 闪存的结构与性能【补充】NOR闪存读/写原理6.1.1 闪存数据存储原理 数据保存原理： 在闪存存储单元中，当没有外部电流改变存储单元中 浮空栅极的电子状态时，浮空栅极就会一直保持原来 状态，这也就保证了数据不会因为断电而丢失。 NAND和NOR的差别 NAND和NOR闪存都采用场效应晶体管作为存储单元 ，因此它们的数据存储原理相同； 结构差别： NANDNAND闪存采用闪存采用“ “与非与非” ”方式构成存储阵列；方式构成存储阵列； NORNOR

7、闪存采用闪存采用“ “或非或非” ”方式构成储存阵列。方式构成储存阵列。6.1.2 闪存的结构与性能 1NOR闪存电路结构与特点 NOR闪存结构特征： 每两个存储单元共用一个列地址线和一条电源线； 存储单元可以高速写和高速读，但是写功耗过大； 存储阵列接触孔占用了相当多的空间，集成度不高。 NOR闪存性能特征： （1）可以快速随机读数据。 （2）写入和擦除速度较低。 （3）不适用存储大文件。6.1.2 闪存的结构与性能 NAND和NOR闪存结构的区别6.1.2 闪存的结构与性能2NAND闪存电路结构 NAND闪存接口位宽为8 8位位或1616位位。 例：韩国现代HY27UK08BGFM闪存芯片

8、： 总容量为4GB， 页面大小为（2KB+64B）， 8个I/O接口， 每次可以传输（2KB+64B）8=16.5KB数据。 NAND闪存采用地址地址/ /数据总线复用数据总线复用技术 大容量闪存一般采用3232位地址总线位地址总线。 NAND闪存芯片容量越大，寻址时间越长芯片容量越大，寻址时间越长。6.1.2 闪存的结构与性能3NAND闪存技术性能 （1）页（Page） 闪存的基本存储单位是“页”； 闪存的页类似于硬盘中的扇区； 闪存每一页的有效容量为512B的倍数； 闪存另外还要加上16B的ECC校验信息； 大容量闪存，页多，页尺寸大，寻址时间长； 页的容量决定了一次可以传输的数据量。6.

9、1.2 闪存的结构与性能 16Gbit闪存芯片的区块结构6.1.2 闪存的结构与性能 8GB NAND闪存芯片核心6.1.2 闪存的结构与性能 （2）区块（Block） 闪存的写操作（也称为编程）必须在空白存储区进行 ； 如果目标存储区已有数据，就必须先擦除后写入； 擦除是将存储位设置为“1”； 擦除操作是闪存的基本操作； 区块是闪存最小的可擦除实体； 4GB的闪存芯片，共有16384块，每块包含64个页，每 个页尺寸为（2KB+64B）字节，块容量为（2KB+64B ）64页=132KB； 每个块的擦除时间需要2ms左右； 块容量的大小决定擦除性能。6.1.2 闪存的结构与性能 （3）错误校

10、验（ECC） 闪存内有专门的错误检测与校正（ECC）区域； 每页有一个校验区（512B的区块为16B）存储ECC编 码； 如果ECC操作失败，就把该区块标记为损坏，不再使 用； 2Gbit的NAND闪存芯片最多允许有40个坏块； 闪存裸片容量大，可利用软件将坏块替换为好块。6.1.2 闪存的结构与性能NAND闪存芯片技术参数 技术指标技术参数技术指标技术参数芯片型号HY27UK08BGFM页页随机存取时间时间25s（最大）存储容量4GB（4G8bit）页顺页顺 序存取时间时间30ns（最小）接口位宽8bit页编页编 程时间时间 （写）200m页尺寸(2KB+64B)字节节快速块块擦除时间时间2

11、ms块尺寸(128KB+4KB)字节节写/擦除次数10万次阵列大小(2KB+64B)字节节64页页16 384块块*数据保存时间时间10年工作电压2.7V3.6V芯片封装48脚TSOP16.1.2 闪存的结构与性能 【补充】NAND闪存性能6.1.2 闪存的结构与性能【补充】NAND闪存与NOR闪存的性能比较 技术指标技 术 参 数闪存类型NAND（与非型）NOR（或非型）写入/擦除1个块的时间24ms12s擦除操作简单写入前先将所有位擦除为0读取速率（MB/s）6080120150写入速率（MB/s）20408存储容量大小I/O接口复杂简单总线共享地址和数据总线独立的地址总线和数据总线读取模

12、式串行存取数据随机读取擦除电路少多擦写次数约10万次约1万次坏块处理关键性数据需要ECC无，坏块故障少6.1.2 闪存的结构与性能【补充】各种非易失性半导体存储器技术比较 技术指标FlashFlashNV SRAMMRAMFRAMOUMDRAM 非易失性具具备备备备具备备具备备具备备具备备不具备备读速度中等中等快快快快中等写速度慢慢快快快快中等随机存取不支持不支持支持支持支持支持支持写入次数10106 6无限101210121012无限芯片密度高高低高中等高中等读特性非破坏非破坏非破坏非破坏破坏非破坏破坏耗电量中等中等低中等低中等高市场应用主流主流成熟研发发中小量应应用研发发中主流6.1.3

13、固态硬盘基本结构 1固态盘（SSD）的技术特点 固态盘结构 由存储单元存储单元和控制单元控制单元组成，存储单元采用闪存作为 存储介质，控制单元采用高性能I/O控制芯片。 耗电量只有机械硬盘的5%左右； 写入速度与机械硬盘相当； 读取速度是机械硬盘的3倍。 成本成本与寿命寿命是SSD普及的最大问题。 固态盘应用 各种数码设备中的存储卡，如SD卡，T卡等； 采用USB接口的小容量U盘； 计算机中使用的固态硬盘。6.1.3 固态硬盘基本结构2U盘存储技术 U盘是利用闪存、控制芯片和USB接口技术的一 种小型半导体移动固态盘。 容量在128MB32GB之间； 数据传输速度与硬盘基本相当； 没有机械读写

14、装置，避免了跌落等损坏。 电路结构：NAND闪存芯片，USB控制芯片，电源芯 片，USB接口等。 6.1.3 固态硬盘基本结构 U盘6.1.3 固态硬盘基本结构3固态硬盘组成 固态硬盘在接口标准、功能及使用方法上，与机 械硬盘完全相同。 固态硬盘抗震性极佳，工作温度很低。 固态硬盘与U盘的区别： U盘着眼于移动性，采用USB接口； 固态硬盘着眼于取代机械硬盘，采用SATA接口。6.1.3 固态硬盘基本结构固态盘的基本组成6.1.3 固态硬盘基本结构固态盘的电路原理6.1.3 固态硬盘基本结构固态盘的电路原理6.1.3 固态硬盘基本结构固态盘的基本组成6.1.3 固态硬盘基本结构4固态硬盘技术性

15、能 机械硬盘平均读取速度在5070MB/s之间； 固态硬盘的平均读取速度在200MB/s以上。 固态硬盘的平均速度和爆发速度相差不大。 机械硬盘的平均速度则大幅度落后于爆发速度； 固态硬盘的寻道时间为0，机械硬盘无法比拟。 固态硬盘写入速度仅为400MB/s左右； 机械硬盘写入速度达到了70MB/s。 80GB固态硬盘功耗为2.4W，空闲功耗为0.06W，可抗 1000G（伽利略单位）冲击。 固态硬盘的读/写速度，比机械硬盘快3-5倍。6.1.3 固态硬盘基本结构 【补充】固态硬盘(左)与机械(右)测试对比6.1.3 固态硬盘基本结构固态硬盘与机械硬盘的连续读写速度测试对比6.1.3 固态硬盘基本结构固态硬盘与机械硬盘的结构对比6.1.4 闪存卡技术与性能 闪存卡是在闪存芯片中加入专用接口电路的一种 单片型移动固态盘。6.1.4 闪存卡技术与性能 闪存卡【补充】混乱的存储卡市场6.1.4 闪存卡技术与性能 1SD（安全数码）卡 （1）SD卡技