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1、硬盘结构及原理硬盘结构及原理 培训目的 u了解硬盘的有关参数，基本结构及其工作原理硬盘驱动器的基本结构及原理硬盘驱动器的基本结构及原理概述u随着微型电子计算机不断的发展，其外围设备也相应的在飞跃地发展，特别是磁记录技术的日新月异，使硬盘技术也有了突飞猛进的变化。硬盘是一种融机、电于一身的高科技产品，由于其容量大，存取速度快，价格便宜，在电脑资讯领域里，始终扮演着重要角色，以下我们将简单讲述硬盘的结构及每个部分的性能和工作原理，最后将讲述硬盘的工作原理。一、有关磁记录的基本参数u存储密度道密度t道密度为磁盘径向单位长度的磁道数位密度t位密度为单位长度上所记录的二进制数 码的位数u2.2存储容量能
2、存储的数码总数称为存储容量u平均存取时间磁头从起始位置到达所要求的某一位置，并完成写或读所需要的全部时间u数据传输率单位时间内磁盘机向主机内存传送数码的位数或字节数称为数据传输率。u检读时间余量如果峰值检测，可用检读窗口宽度Tw表征检读分辨力。时钟间隔是判断0或1的时间基准，称为检读 窗口，它的值取决于用何种编码方式。u分辨率以FM制记录为例，全0信号频率1F，全1信 号频率2F，其分辨率为： 分辨率=2F幅度/1F幅度100% 即分辨率=读1幅度/读0幅度100%由于脉冲拥挤效应，读 1幅度要小于读 0 幅 度。u误码率为磁盘机与主机连续传输数据中出现错误的比率。u有关硬盘的基本规格CAP5
3、40MB资料传输速度: 10 MB/S平均存取时间: 12 msCSS: 20000次MIN介面: IDE / SCSIu工作环境温度: t使用中5to 55t非使用中 -40to 60二、 硬盘的结构u电路板部分介面控制器读写通道特制基体电路(application specific integrated circuit)t处理或辨别特殊信号,如磁轨信号(graycode)， 磁区信号 (sectorcode)，然后再将这些资料传 给中央处理单元。微处理器伺服系统t主轴马达， 音圈马达u机构部分(head disk assembly)主轴马达音圈马达头堆盘片底座和顶盖密封圈再循环过滤器三、各
4、部分性能指标u主轴马达速度非重复性马达振动量(Non-repeatable run-out)噪音(acoustics)程度启动扭力(starting torque)u音圈马达一般而言，音圈马达的大小以越高越宽为最佳。其次，在线圈的运动区间密度(flexdensity) 要保持固定， 且越高越好。 (F= 6500 gauss)磁铁音圈磁头组件磁铁 托板u盘片表面粗度(surface roughness)t以中心线平均粗糙度来表示，此值越大表示盘片表面越粗，相对地会增加磁头与盘片间的摩擦损耗，此值越小，会增加磁头与盘片间的粘滞摩擦力。 表面平面度 (surface flatness)tRefer
5、ence: 20 micrometer轴向偏摆度 (axial run-out)t指盘片在旋转时,垂直于盘片表面方向的最大摆 度。 Reference: 0.05mm 滑行高度(glide height)t在这个高度以上,无任何凸起物来导致飞行状态下 磁头与盘片接触. Reference: 2microinch以下。可飞行范围 (flyable area)润滑层厚度 (lubricant thickness)tReference: 35 +/- 10A动摩擦系数(dynamic friction coefficient)t此系数是指磁头与盘片的相对速度在5+/-1mm/s 时，所测到的 Rc=
6、 0.3。抗冲击值(impact resistance)t指磁头与盘片之组合所能承受的冲击能力， 100G/10nsCSSt涉及磁头， 盘片与主轴马达间的匹配。u介面控制器介面控制器必须与读写通道相匹配，主要注 意如下事项：t介面控制（interface control）t非归零码速率 (NRZ rate)t错误更正码的能力（errorcorrectioncode，一般有 88bit，144bit&198bit三种，198bit更错能力最强，但最占空间） t换蘅记忆体的控制u读写通道目前最为流行的读写通道IC，是将所有的读写功能(除了前置放大器)放在一个CHIP中， 称之为COMBO CHIP
7、? 其功能如下: t脉波侦测器与自动增益控制 (pulse detector & AGC)t滤波器与等化器 (filter & equalizer)t编码器与解码器 (ENDEC)t时基产生锁相回路(time base generator)t资料同步锁相回路 (data synchronieer)四、各部分的结构及工作原理u主轴马达结构：t由三部分组成：电机本体、转子位置传感器和电子转换开关。t电机本体包括主定子和转子两部分，主转子相当于磁极，电枢绕组放在定子铁芯槽内，并形成多项形式。传感器的转子与主轴同轴，传感器的定子通常装在电机定子上。 （如图）t为消除碳刷上电火花所带来的干扰，采用霍尔器
8、件代替碳刷作为换向开关电路于无刷直流电机。无刷直流电机的位置传感器常用霍尔磁敏感式位置传感器，它 是一种砷化镓或锑化铟半导体。u1、主锭子 u2、主转子u3、传感器锭子u4、传感器转子u5、电子换向开关电机结构图工作原理图 u音圈马达如图所示,音圈马达位于磁场中,当线圈两端加 上电压并产生电流时,据劳伦斯定律,会有力作 用于线圈上：F=rILB 其中 F 为作用于线圈上的力 N 为线圈上的电流 A 为线圈总长度， 其方向为电流方向 m 为磁通密度 T 为线圈于磁场内的长度与总长度之比 此作用力之方向与磁通密度及电流方向互相 垂直。 u盘片种类t氧化物盘片t电镀式金属薄膜盘片t溅镀式金属薄膜盘片
9、u以金属薄膜盘片为例，简述其基本结构:介面层t介面层的主要目的是增强基板硬度及降低基板材料本身表面的粗糙度，因此该层大部分采用无电解镍处理，主要是因为无电解镍过程的平整特性。磁性材料层t盘片读写性能的好坏主要取决于该层，目前磁性材料层已朝着厚度愈来愈薄，磁场强度愈来愈大的方向发展，其主要目的是减少磁化粒子间的互消作用。u介面控制器介面控制电路的方框图:u读写通道结构：t前置放大器 (preamplifier)t脉波侦测器与自动增益控制(pulse detector/AGC)t滤波器与等化器(filter/equalizer)t编码器与解码器(Endec)t时基产生锁相回路(time base
10、generator PLL)t资料同步锁相回路(data synchronizer PLL)原理：u特制基体电路 (application specific integrated circuit)处理或辨别特殊信号，如磁轨信号(graycode)，磁区信号(sectorcode)，然后再将这些资料 传给中央处理单元。u伺服系统埋入式伺服控制t将能够侦测出磁头目前所在位置的特殊定位信号和使用者的资料共同放在资料磁轨内，当盘片旋转时，硬盘电路将随时读取伺服码，利用伺服码的信号可精确地计算出磁头所在的位置，然后反馈给定位控制器做定位修正。u工作原理框图五、硬盘的基本原理u主轴稳速系统硬盘机大多采用锁
11、相环伺服控制技术，锁相环稳速系统的稳定性，主要取决于基准输入信号的稳定度。根据输入信号是模拟量或数字量，锁相电路可分为模拟鉴相和数字鉴两种类型。模拟锁相电路一般采用 RC电路产 生基准信号，数字锁相电路一般用晶振产生基准信号。 基准信号鉴频鉴相积 分无刷直 电路 滤 波器流电机 速度检测器u读写系统写入电路t硬盘接收到从主机送来的写命令控制写数据序列脉冲经过编码，再经写数据分频，最后送至此头的写驱动电路，使磁头线圈轮流导通；并利用恒流源电路向磁头线圈提供恒定的励磁电流，写在盘片上形成记录的位单元。 t磁头线圈分中心抽头，无中心抽头两种。中心抽头，有的接地，有的接电平，中心抽头的线圈可以减小负载
12、的电感量，提高度出幅度，但两半线圈必须平衡， 否则会降低读出分辩隆。读出电路t前放t主放大器t自动增益回路t低通滤波器t鉴别电路t数字滤波和整形电路t均衡电路六、接口电路u概述接口是硬盘的重要组成部分，硬盘档次的高低，与采用什么样的接口有很大的关系。另外，衡量硬盘性能的一个重要指标-数据传 输率，也与接口有关。因此，对于计算机系统设计者来说，可以不关心硬盘的工作原理与电路结构，但必须熟悉接口和接口协议等。以下就简单讲述目前最为流行的四种接口： AT、 SCSI、 ESDI、 ST506。uAT接口AT接口是一种智能型的主机接口，它由40芯插 头向外连接。u SCSI接口SCSI接口是小型计算机
13、系统接口 (SMALL COMPUTER SYSTEM INTERFACE)的缩写， 它由8位双向数据总线，1位奇偶校验和 9条 控制信号线组成.最多可在 SCSI接口上连接 8台设备，具有异步和同步两种数据传输方 式，异步式数据传输率为1.5MB/s，同步式 可达4MB/s。uESDI接口ESDI接口(ENHANCEDSMALLDEVICEINTERFACE)是 一种设备级接口，有串行，步行两种模式，串行模式在命令和状态的传输过程中使用串 行命令传输方式.每次传输命令或状态时，利用传输请求和传输确认两个信号将16位命令字或状态字在接口之间传输，而同步方式则不同，其命令和状态均有相应的信号线来表 示。ESDI接口在物理上采用34芯命令电缆及20芯的 数据总线。uST506接口ST506接口是一种设备级接口，它是一种低 级无智能接口，与主机连接时需要相应的控制器。ST506接口由34芯的命令电缆和 20芯 数据电缆组成。总 结u有关硬盘的基本参数存储密度、存储容量、平均存储时间、数据 传输率、检读时间余量、分辨率及误码率等u硬盘的结构及工作原理伺服系统、盘片、介面控制器、读写通道等u硬盘的基本原理磁头定位系统、主轴稳速系统及读写系统等u接口电路AT接口、SCSI接口、ESDI接口、ST506接口
