第四讲硬盘技术专题

第四讲硬盘技术专题硬盘是计算机中最重要的部件之一，按不同的接口和外形尺寸，其种类有很多，除了现在最常见的台式机中使用的3.5英寸EIDE和SATA接口的产品外，还有其他类型的硬盘。1、SCSI硬盘目前计算机中最大的速度瓶颈来自于硬盘。受制于IDE接口的局限，IDE硬盘速度的提高已趋于极限。SCSI硬盘的外观与普通硬盘基本一致，但现在SCSI硬盘的最高转速已达到了10000转/分，平均寻道时间在6ms左右，数据传输率可达到160MB/S，尤为关键的是SCSI盘的CPU占有率非常低，在5%左右。这些都使得SCSI硬盘的性能比IDE硬盘有较大的提高。现在7200转的SCSI盘价位已到了可接受的水平，如果经济条件许可，选用SCSI盘将有效提高计算机整机性能。除此以外，SCSI接口和EIDE接口相比还有一个很大的技术优势，那就是SCSI接口中的设备可以同时使用数据总线进行数据传输，而EIDE接口中联接在同一条数据线上的设备只能交替(占用数据线)进行传输；EIDE只能联接四块设备，而SCSI接口可以联接7至15台设备。目前SCSI硬盘接口有三种，分别是50针、68针和80针。我们常见到硬盘型号上标有“N”“W”“SCA”，就是表示接口针数的。N即窄口(Narrow)，50针；W即宽口(Wide)，68针；SCA即单接头(SingleConnectorAttachment),80针。其中80针的SCSI盘一般支持热插拔。2、笔记本硬盘笔记本电脑内部空间狭小、电池能量有限，再加上移动中的难以避免的磕碰，对其部件的体积、功耗和坚固性等提出了很高的要求。由于笔记本电脑硬盘比通常的桌面硬盘有着更高的品质要求，生产的厂家不多，当今笔记本硬盘市场85%以上的份额被Hitachi(日立、IBM)、Toshiba(东芝)和富士通这三家公司占领。笔记本硬盘最大的特点就是小巧轻便，它的直径一般仅为2.5英寸(还有1.8英寸的产品)，厚度也远低于3.5英寸硬盘。大多数产品厚度仅有9.5mm，重量尚不足百克，堪称小巧玲珑。目前笔记本电脑硬盘的发展方向就是外形更小、质量更轻、容量更大。除了常见的为2.5英寸规格，还有一种为1.8英寸规格，主要由东芝生产，随着轻薄机型的热销，1.8寸笔记本硬盘的前景也十分广阔，收购了IBM硬盘事业部的日立也在今年发布了1.8寸的笔记本硬盘产品：TravelstarC4K40-20。另外东芝和富士通都曾经推出过PC卡接口的1.8英寸硬盘，老机器用来升级容量十分方便。现在Iomega公司计划在2004年中期推出采用DCT(数字捕捉技术)的移动式1.8英寸硬盘。这种硬盘小到可以装进笔记本电脑的PCCard中，容量可达到2.5GB以上，而价格仅10美元。3、固态硬盘现在市场上由各种快闪存储器构成的小型存储卡应用很广泛了，其中有一种特殊的闪存存储器采用了标准IDE接口，因此也被称为“固态硬盘”，具有很强的耐冲击性能和抗干扰能力，在工业控制计算机等设备中应用很广泛，而随着信息家电的不断涌入家庭，以固态硬盘为主的便携记录媒体市场将会更加红火。随着新型闪存器件容量的急速增长和价格的下跌，固态硬盘将是今后PC存储设备发展的趋势。4、微型硬盘越来越小也是硬盘的发展方向之一，除了1.8寸的硬盘，更小的1英寸HDD(MicroDrive)，容量已达到了4GB，其外观和接口为CFTYPEⅡ型卡，传送模式为UltraDMAmode随着数码产品对大容量和小体积存储介质的要求，早在1998年IBM就凭借强大的研发实力最早推出容量为170/340MB的微型硬盘。而现在，日立、东芝、南方汇通等公司，继续推出了4GB甚至更大的微型硬盘。微型硬盘可以说是凝聚了磁储技术方面的精髓，其内部结构与普通硬盘几乎完全相同，在有限的体积里包含有相当多的部件。新第一代1英寸以下的硬盘也上市，东芝将是最早推出这种硬盘的公司之一，其直径仅为0.8英寸左右(SD卡大小)，容量却高达4GB以上。硬盘发展的历程碑1957年IBM公司研制成功的IBM350（RAMAC）是第一台真正意义上的硬盘存储器。它由许多片直径为61厘米的盘片组成，盘片由一台电动机带动，只有一个磁头，磁头上下前后运动起来寻找要读写的磁道，和现在的硬磁盘机几乎没有什么根本性的差别，它的体积很大，但存储容量只有5MB。2000年8月，IBM公司发布了目前体积最小的硬盘Micordriver，盘片直径大约是2.54厘米，而存储容量却达到了2000MB。相比之下，磁盘技术的发展真的是突飞猛进。真正意义上的硬盘发展的历程碑应该是1973年，IBM3340硬盘开始应用的温彻斯特技术，这种技术在1976年的IBM3350逐渐成熟，温彻斯特技术的主要内容有：1.磁头、盘片、主轴等运动部分密封在一个壳体中，形成一个头盘组合件（HDA），与外界环境隔绝，避免了灰尘的污染。2.采用小型化轻浮力的磁头浮动块，盘片表面涂润滑剂，实行接触起停。即平常盘片不转时，磁头停靠在盘片上，当盘片转速达一定值时，磁头浮起并保持一定的浮动间隙。这样简化了机械结构，缩短了起动时间。采用温彻斯特技术，磁头与磁盘是一一对应的，磁头读出的就是它本身写入的，信噪比等等都比可换的要好，因此存储密度提高了，存储容量也增加了。硬盘另外一个发展里程碑就是使用溅射工艺来生产连续介质，这样就让硬盘的密度进一步增大，为提高硬盘的存储空间奠定了良好的基础。硬盘的制造流程因此今天我们的主要任务就是一起来看一下硬盘的制造流程。来参观一下硬盘制造商Seagate的硬盘装配厂，主角就是Seagate目前最高端的主流桌面硬盘－酷鱼IV硬盘的生产过程。1、相信所有人都知道，硬盘中磁头同盘片之间的距离很小，一半来说只有十万分之一厘米，这个距离比灰尘来得更小。因此生产硬盘必须在超尘的情况下进行。以上就是Seagate硬盘厂的质检车间，这里的厂房里显得非常干净，而且所有工作人员必须穿上防尘服才能进入。2、以上则是硬盘的自动装配生产线，为了保持洁净，一般来说这里操作的工人都比较少。3、这个就是已经制造好的硬盘底座，背后就是线路板，这个当然在刚才就已经做好了。4、驱动器中需要安装的设备主要是：磁盘、磁头、液态轴承(FDB)马达等，不过这些部件的装配必须在无尘情况下进行。并且安装硬盘的时候气压有个绝对值，如果不在这个情况下安装，硬盘的可靠性就得不到保障。5、这个运送磁盘的装置，其中可以容纳25张磁盘，通过机械臂把需要的磁盘装配的硬盘中。6、以上就是机械臂正在自动装填磁盘的情况，这一切都无需人为干预。7、这道工序就是进行磁头的装配，由于磁头和磁盘的精密性，所有这道工序是整个硬盘安装中最复杂的，我们看到硬盘被放置在一个精确定位的装置中进行磁头装配。8、一旦所有内部零件被安装好后，硬盘就基本成形了，之后就是把硬盘“盖”起来。同样这里的一切装配工作都是有流水线自动完成的。当硬盘被密封好后，就不必待在超尘的空间中了。之后就别送到最后收尾车间了。（这里无须超尘）9、技术人员正在给硬盘上螺丝，同样这里的要求很严格，所有线路板都被有机玻璃隔离覆盖，这样就保证线路板不会收到静电的威胁，由于隔离的玻璃上面有定位空，这样装配起来更加不会出错了。10、接着就是为线路板覆盖泡沫屏蔽层，主要是为了防止静电和控制噪音。这才是真正最后的一步，给硬盘装上底盖，主要是进一步控制噪音，并且保护内部的原器件。当然完成这一步后，还需要为硬盘贴上标识，然后进行质检，最后当然就是出厂上市销售啦。硬盘的结构从计算机系统的结构来看，存储器分为内存储器和外存储器两大类。内存储器与CPU直接联系，负责各种软件的运行。外存储器包括软盘、硬盘、光盘、磁带机等。硬盘和软盘很相似，它们的工作原理大致相同，不同的是软盘与软盘驱动器是分开的，而硬盘与硬盘驱动器却是装在一起。另外，在使用时，二者速度差异很大。硬盘主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。硬盘作为精密设备，尘埃是其大敌，必须完全密封。1.硬盘外部结构(1)接口：接口包括电源接口插座和数据接口插座两部分，其中电源插座就是与主机电源相连接，为硬盘正常工作提供电力保证。数据接口插座则是硬盘数据与主板控制芯片之间进行数据传输交换的通道，使用时是用一根数据线将其与主板IDE接口或与其他控制适配器的接口相连接，经常听说的40针、80芯的接口电缆也就是指数据线，数据接口可以分成IDE接口和SCSI接口两大派系.(2)控制电路板：大多数的控制电路板都采用贴片式焊接，它包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、高速缓存、控制与接口电路等。在电路板上还有一块ROM芯片，里面固化的程序可以进行硬盘的初始化，执行加电和启动主轴电机，加电初始寻道、定位以及故障检测等。在电路板上还安装有容量不等的高速数据缓存芯片。读写电路的作用就是控制磁头进行读写操作。磁头驱动电路直接控制寻道电机，使磁头定位。主轴调速电路是控制主轴电机带动盘体以恒定速率转动的电路。缓存（Cache）对磁盘性能所带来的作用是毋庸置疑的，在读取零碎文件数据时，大缓存能带来非常大的优势。(3)外壳：硬盘的外壳与底板结合成一个密封的整体，正面的外壳保证了硬盘盘片和机构的稳定运行。在固定面板上贴有产品标签，上面印着产品型号、产品序列号、产地、生产日期等信息，由此我们可以对这款产品作一番大致的了解。除此，还有一个透气孔，它的作用就是使硬盘内部气压与大气气压保持一致。另外，硬盘侧面还有一个向盘片表面写入伺服信号的Servo孔。2、硬盘内部结构拆下控制电路板后再将外面的保护面拆后就现出了硬盘的内脏。它由磁头、盘片、主轴、电机、接口及其他附件组成，其中磁头盘片组件是构成硬盘的核心，它封装在硬盘的净化腔体内，包括有浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路这几个部分。将硬盘面板揭开后，内部结构即可一目了然。(1)磁头组件：这个组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，众所周知，一块硬盘存取数据的工作完全依靠磁头来进行的。没有磁头，也就没有实际意义上的硬盘。磁头的作用就类似于在硬盘盘体上进行读写的“笔尖”，通过全封闭式的磁阻感应读写，将信息记录在硬盘内部特殊的介质上。硬盘磁头的发展先后经历了“亚铁盐类磁头”、“MIG磁头”和“薄膜磁头”、“MR磁头(磁阻磁头)”等几个阶段。(2)磁头驱动机构：由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。硬盘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。(3)盘片：盘片是硬盘存储数据的载体。硬盘的盘体由多个重叠在一起并由垫圈隔开的盘片组成，盘片是表面极为平整光滑且涂有磁性物质的金属圆片。它们通过表面的磁性物质结合在一起。这种特殊物质的金属磁盘具有更高的记录密度和更强的安全性能。目前市场上主流硬盘的盘片大都是由金属薄膜磁盘构成，这种金属薄膜磁盘较之普通的金属磁盘具有更高的剩磁和高矫顽力，因此也被大多数硬盘厂商所普遍采用。除金属薄膜磁盘以外，目前已经有一些硬盘厂商开始尝试使用玻璃作为磁盘基片。与金属薄膜磁盘相比，用玻璃作为盘片有利于把硬盘盘片做得更平滑，单位磁盘密度也会更高，同时由于玻璃的坚固特性，新一代的玻璃硬磁盘在性能方面也会更加稳定。(4)主轴组件。主轴组件包括主轴部件如轴承和马达等。硬盘在工作时，通过马达的转动将用户需要存取的资料所在的扇区带到磁头下方，马达的转速越快，用户存取数据的时间也就越短。从这个意义上讲，硬