外存系统故障维修1

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1、第7章 外存系统故障维修,7.1 闪存系统故障维修【重点】 7.2 硬盘系统故障维修【重点】 7.3 光盘系统故障维修,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第2页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.1 闪存的基本类型 闪存从EEPROM技术发展而来。 优点：快速存储，永久存储，可利用现有的半导体工艺生产。 缺点：读写速度较DRAM慢，而且擦写次数有极限。 读写特性：闪存以区块为单位进行数据擦除和写入，区块大小为8KB128KB。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第3页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.1 闪存的基本类型 NOR（异或）型闪存：由Intel和

2、AMD公司主导，用于程序储存和运行。 NOR闪存可随机读，但写操作按“块”进行。 NOR闪存适合于频繁随机读操作，并直接在闪存内运行。如BIOS芯片，手机存储芯片，交换机、路由器中的存储器等。手机是NOR闪存应用的大户。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第4页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.1 闪存的基本类型 NAND（与非 ）型闪存：大部分专利权掌握在东芝、三星、SanDisk等公司。 NAND闪存采用地址线和数据线复用技术。 NAND闪存小数据块操作速度慢，而大数据块速度快。 NAND闪存主要用来存储资料，如U盘、数码存储卡、固态硬盘等。,主讲：XX老师,第7章 外

3、存系统故障维修,第5页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.2 闪存存储单元工作原理 闪存采用单晶体管设计，无需存储电容。 闪存SLC（单级储存单元）结构： 在1个存储单元存储1位数据。 闪存MLC（多级储存单元） 结构： 在1个存储单元中存储2位数据。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第6页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.2 闪存存储单元工作原理 MLC通过不同级别的内部电压，在1个存储单元中记录2组位信息（00、01、11、10）。 MLC的记录密度比SLC提高了1倍。 但是，MLC电压变化频繁，使用寿命远低于SLC，MLC只能承受约1万次的擦写。 MLC需

4、要更长的读写时间，SLC比MLC要快3倍以上。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第7页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.2 闪存存储单元工作原理 NAND闪存和NOR闪存都采用MOS晶体管作为基本存储单元，不同的是构成存储阵列时，采用了不同的技术方式。 NAND闪存采用“与非”方式构成存储阵列； NOR闪存采用“异或”方式构成储存阵列。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第8页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.2 闪存存储单元工作原理 闪存通过在浮空栅极上放置电子和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”。,主讲：XX老师,第7

5、章 外存系统故障维修,第9页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.3 NOR闪存结构与性能 NOR闪存电路特点： NOR闪存有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取数据。 NOR闪存写入数据前，必须先将目标块内所有位都写为0（擦除操作）。NOR闪存可以单字节写入，但不能单字节擦除。 NOR闪存传输效率很高，适合存储程序代码，对大型数据文件应用显得力不从心。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第10页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.4 NAND闪存结构与性能 NAND闪存接口位宽为8位或16位。 如韩国现代HY27UK08BGFM闪存芯片： 总容量为4GB，页面大

6、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/数据总线复用技术，大容量闪存一般采用32位地址总线。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第11页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.4 NAND闪存结构与性能 NAND闪存的一个重要特点是闪存芯片容量越大，寻址时间越长。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第12页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.4 NAND闪存结构与性能 NAND闪存芯片技术参数,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第13页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.

7、4 NAND闪存结构与性能 各种非易失性半导体存储器技术比较,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第14页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.5 NV SRAM闪存结构与性能 NV SRAM采用SAM芯片加电池的结构形式，这种设计方案在主板的CMOS（BIOS参数设置芯片）设置电路中广泛应用。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第15页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.6 MRAM闪存结构与性能 MRAM利用电阻随磁化方向变化记录数据，并通过隧道效应扩大电阻值的差别。 MRAM耗电量低，而且具有高速写入和读取性能，擦写次数无限制，而且具有存储数据的非易失性，

8、也不需要刷新操作，速度接近SRAM。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第16页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.7 FRAM闪存结构与性能 FRAM采用PZT（锆钛酸铅）薄膜材料为存储单元，耗电量极低，断电后也能保存数据。 FRAM结构与DRAM非常类似，不同之处是DRAM利用普通电容记录数据，FRAM采用铁电电容记录数据。 铁电电容在自然状态下分为正极和负极，加电后它的极性会统一成为一个方向，即使关闭电源后状态也不会改变。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第17页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.8 OUM闪存结构与性能 OUM中的相变材料通过施加

9、电场来加热，以发生相变，改变阻抗值，从而实现二进制数据存储。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第18页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.9 固态盘技术与性能 SSD（固态硬盘）由存储单元和控制单元组成，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。 固态硬盘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。 成本与寿命是固态盘普及的最大问题。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第19页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.9 固态盘技术与性能 2闪存卡 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

10、盘。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第20页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.9 固态盘技术与性能 3U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。,U盘,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第21页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.9 固态盘技术与性能 4固态硬盘技术 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。 固态硬盘没有机械部件，因而抗震性能极佳，同时工作温度很低。 固态硬盘与U盘的区别在于用途不同，U盘着眼于移动性，采用USB接口；固态硬盘着眼于赶超机械硬盘，采用SATA接口。,主讲：XX老师

11、,第7章 外存系统故障维修,第22页 共83页,7.1 闪存系统故障维修,7.1.9 固态盘技术与性能,固态硬盘,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第23页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.1 硬盘基本组成 SATA接口硬盘主要用于台式微机； SAS接口硬盘主要用于服务器； USB硬盘主要用作移动存储设备。 （1）硬盘呼吸孔 呼吸孔的作用是调节硬盘内部气压，使他与大气气压保持一致，避免剧烈的气压变化使硬盘顶盖突起或凹陷。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第24页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.1 硬盘基本组成,伺服孔,呼吸孔,主讲：XX老师,第7章

12、外存系统故障维修,第25页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.1 硬盘基本组成 （2）盘片伺服孔 硬盘伺服孔用于磁头定位信号写入。 3硬盘内部组成 硬盘主要部件有盘片组件、磁头组件、控制电路板（PCB）、盘体和盖板等。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第26页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.1 硬盘基本组成,盘片组件,磁头组件,盘体组件,电路组件,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第27页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.1 硬盘基本组成 4盘片组件 盘片用铝合金作为基片，厚度大约1mm； 盘片数量在15片之间； 盘片尺寸与存储容量有关，2

13、.5英寸的磁盘存储容量约为3.5英寸磁盘的一半左右； 主流产品为3.5英寸硬盘。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第28页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.1 硬盘基本组成 硬盘转速的提高带来了磨损加剧、温度升高、噪声增大等一系列负面影响。 5磁头组件 磁头组件由滑块和磁头、磁头传动臂组件、前置放大器、磁头悬架组件、音圈电机等组成。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第29页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.1 硬盘基本组成,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第30页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.1 硬盘基本组成 6控制电路板组

14、件 控制电路芯片：主控制芯片、电机控制芯片、高速数据缓存芯片、数据物理层读取芯片、固件芯片等。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第31页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.2 硬盘工作原理 2硬盘数据存储原理 硬盘盘片由铝质合金和磁性材料组成。 硬盘利用一个很小区域组成一个同一方向的“磁记录位”（小于100nm），硬盘利用磁记录位的极性来记录二进制数据位。,磁极子,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第32页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.2 硬盘工作原理 直流平衡问题：当出现长串的连续“1”或连续“0”信号时，接收端无法从收到的数据流中提取位同步信号。

15、 编码的目的是解决直流平衡，使“0”与“1”的编码个数相当。 硬盘普遍采用RLL（运行长度受限）编码方式记录磁信号。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第33页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.2 硬盘工作原理 3磁头飞行间隙的控制 盘片高速旋转产生的气流相当强，它使磁头升起与盘面保持一个微小的距离。磁头飞行高度约为10nm左右,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第34页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.2 硬盘工作原理 4硬盘读操作工作原理 早期硬盘采用读写合一的电磁感应式磁头。 目前采用读/写分离的GMR和TMR磁头。 GMR磁头利用“磁阻效应”，即

16、磁头中导体的电阻值，会随盘片上磁场的变化而变化。 目前硬盘读操作采用GMR磁头，而写操作仍采用传统的磁感应磁头。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第35页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.2 硬盘工作原理,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第36页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.2 硬盘工作原理 5硬盘写操作工作原理 写操作原理：电流通过导体时，围绕导体会产生一个磁场。当电流方向改变时，磁场的极性也会改变。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第37页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.3 硬盘电路结构 硬盘电路结构有： DSP（数字信号处理）芯片； 磁头组件电路； 主轴电机/音圈电机控制电路； 高速缓存等。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第38页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.4 硬盘逻辑结构 逻辑结构：盘片上信号存储格式。,主讲：XX老师,第7章 外存系统故障维修,第39页 共83页,7.2 硬盘系统故障维修,7.2.4 硬盘逻辑结构 磁道：盘片最外圈为0道，最内圈为n