第2章计算机硬件及其安装-4-外部存储器

《计算机组装维护与维修》全国高等职业教育计算机类规划教材实例与实训教程系列电子教案编著徐新艳刘益红第2章计算机硬件及其安装2.1计算机硬件2.1.1中央处理器（CPU）2.1.2主板2.1.3内存2.1.4显卡与显示器2.1.5声卡和音箱2.1.6网卡2.1.7外部存储器2.1.8机箱和电源2.1.9键盘和鼠标2.2计算机硬件组装2.2.1装机前的准备工作2.2.2组装硬件系统2.2.3加电自检2.2.4硬件系统的拆卸本章小结2.1.7外部存储器硬盘、光盘、软盘及移动存储设备是计算机的外部存储器。与内存相比，外存的访问速度慢、体积大，但具有存储容量大、可长久保存等优点。2.1.7外部存储器2.1.7.1硬盘1.硬盘的外部结构2.硬盘的内部结构3.硬盘的工作原理4.硬盘的技术指标5.硬盘的分类6.硬盘的主从盘跳线7.实例介绍8.硬盘的选购2.1.7.2光盘与光盘驱动器1.光盘2.光盘驱动器2.1.7.3软盘与软盘驱动器1.软盘2.软盘驱动器硬盘驱动器和硬磁盘片合称硬盘，英文名为HarDDisk，缩写为HDD，是将磁头、盘片、电机等驱动装置密封成一体的精密机电装置。作为PC机必不可少的外部存储设备，用户所使用的应用程序和数据绝大部分存储在硬盘上。2.1.7.1硬盘返回1、硬盘的外部结构硬盘的外部结构可分为接口、控制电路板、固定面板三个部分。2.1.7.1硬盘硬盘背面硬盘正面1、硬盘的外部结构（1）固定面板硬盘的固定面板就是硬盘正面印有标签的金属面板，与底板结合成一个密封的整体，保证硬盘腔体中的部件能在绝对无尘的环境下稳定运行。硬盘工作时，盘片因高速旋转而与空气发生剧烈摩擦导致腔体内部温度急剧上升。在硬盘表面有一个透气孔，作用就是让腔体内部的热气可以顺利排除，使腔内压力与外部大气压保持一致。由于硬盘腔体是密封的，所以透气孔不直接和内部相通，而是经过一个高效的尘埃过滤器和内部相通，以保证腔体内部洁净无尘。使用中注意不要将它盖住。2.1.7.1硬盘透气孔1、硬盘的外部结构（1）固定面板2.1.7.1硬盘1、硬盘的外部结构（2）控制电路板硬盘控制电路板上有主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。此外还有微处理器ROM芯片，其中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。基于稳定运行和加强散热的原因，控制电路板大多是裸露在硬盘表面的。2.1.7.1硬盘1、硬盘的外部结构（2）控制电路板2.1.7.1硬盘1、硬盘的外部结构（3）接口硬盘接口包括电源接口和数据接口。电源接口与主机电源连接，为硬盘工作提供电力保证。数据接口是硬盘与主板控制芯片间进行数据交换的通道，使用数据线将其与主板的数据接口相连。硬盘数据接口主要有EIDE（增强型IDE）接口、SATA接口、USB接口和SCSI接口等。EIDE接口造价低廉、使用方便，为多数硬盘采用。SCSI接口可以利用SCSI控制器本身的硬件设备对数据传输进行管理，因此SCSI硬盘的CPU占用率低，数据传输率高，并且能在高使用强度的情况下正常工作达2、3年之久，但是价格高，需要另外配置SCSI卡才能使用，所以主要用在服务器及高档PC机中。USB接口的硬盘支持热插拔，一般用作移动硬盘。SATA接口与EIDE接口相同，也是依靠CPU管理数据传输，但性能明显优于EIDE接口，数据传输率接近SCSI接口，由于SATA硬盘价格低于SCSI硬盘，因此，PC机中SATA硬盘已经逐渐成为主流硬盘。2.1.7.1硬盘1、硬盘的外部结构（3）接口EIDE接口和SCSI接口的硬盘在使用时有主从盘之分，所以要对硬盘进行主从盘设置跳线。2.1.7.1硬盘电源接口跳线设置数据接口EIDE硬盘接口电源接口跳线设置数据接口SCSI硬盘接口1、硬盘的外部结构（3）接口SATA接口采用点对点的连接方式，每个SATA接口只连接一个硬盘，所以SATA硬盘不需要主从盘跳线。图中有两个电源接口，选择其中一个与主机电源相连，也可以利用转接头（称为SATA电源适配器）将15线接口2形式转换为4针接口1形式再与主机电源连接。2.1.7.1硬盘数据接口电源接口2电源接口11、硬盘的外部结构（3）接口SATA接口硬盘的电源转接头。2.1.7.1硬盘返回2、硬盘的内部结构2.1.7.1硬盘硬盘的内部结构主要包括读写磁头、盘片、硬盘主轴、电机、接口及其他附件。其中磁头盘片组件是构成硬盘的核心。2、硬盘的内部结构磁头盘片组件封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路等。2.1.7.1硬盘盘片主轴浮动磁头组件磁头驱动机构控制电路磁头载入载出轨道空气净化过滤器夹紧盘片用的轴毂2、硬盘的内部结构另一实例：2.1.7.1硬盘2、硬盘的内部结构（1）盘片盘片是硬盘存储数据的载体。硬盘盘片是将磁粉附着在铝合金或玻璃圆盘基片上制成，硬盘盘体由多个重叠在一起并由垫圈隔开的盘片组成。2.1.7.1硬盘2、硬盘的内部结构（1）盘片2.1.7.1硬盘硬盘格式化时，将盘片分为磁道、扇区、柱面。每一盘片有两盘面，被利用的盘面为有效盘面。有效盘面从上至下从0开始依次编号(极个别硬盘面数为单数)。每个有效盘面对应一个读/写磁头(Head)，盘面号也是磁头号。磁盘在格式化时被划分的同心圆轨迹称为磁道(Track)，磁道从外向内从0开始编号。结合盘面号，磁道编号实际是“盘面号磁道号”，如00磁道，表示0盘面0磁道。每个同心圆又被划分成多段圆弧，每段圆弧为一个扇区Sector，扇区从1开始编号。各盘片半径相同的所有磁道构成的圆柱称为柱面(Cylinder)，柱面从0开始由外向里编号。2、硬盘的内部结构（1）盘片盘片磁道上排列着许许多多的小磁体。当这些小磁体受到来自磁头磁力的作用时，其极性排列的方向随之改变。利用磁头磁力的作用控制这些小磁体的极性方向，使它们分别代表0和1状态，这样就使每个小磁体都储存了信息。磁头在读取信息时，将小磁体的极性转换成电脉冲信号即0、1数字信号，这些数字信号就是读取的信息。2.1.7.1硬盘NNNNNN011102、硬盘的内部结构（2）浮动磁头组件浮动磁头组件由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。2.1.7.1硬盘2、硬盘的内部结构（2）浮动磁头组件磁头实际是多个磁头的组合，用来读取或修改盘片上小磁体的状态。浮动磁头采用头盘非接触式结构，加电后磁头在高速旋转的磁盘表面飞行，与磁盘的间隙（称为飞高）只有0.005～0.01μm。2.1.7.1硬盘2、硬盘的内部结构（2）浮动磁头组件读写数据时，传动轴转动，带动传动手臂移动，传动手臂移动又带动悬浮磁头在盘片的半径方向上作弧线运动。2.1.7.1硬盘2、硬盘的内部结构（2）浮动磁头组件硬盘记录信息时，使用一个柱面进行记录，当该柱面写满后再使用最靠近的柱面，这样磁头移动距离最小，既利于提高读写速度，获得高的数据传输率，又减少了运动机构的磨损。2.1.7.1硬盘2、硬盘的内部结构（3）磁头驱动机构磁头驱动机构主要是由电磁线圈电机（也称音圈电机）或者直线运动步进电机构成的磁头驱动小车。2.1.7.1硬盘2、硬盘的内部结构（3）磁头驱动机构音圈式旋转步进电机磁头驱动小车在磁头传动臂末端套上一组电磁线圈，线圈上下两面各装一个磁性非常强的永磁体，当有电流流过线圈时，根据电磁感应原理，传动臂以传动轴为中心发生偏转，而磁头移动的距离则根据控制器在盘面上获得的磁头位置的反馈信息编码来决定。2.1.7.1硬盘拆去上方永磁体2、硬盘的内部结构（3）磁头驱动机构硬盘寻道需要磁头来回移动，高精度的磁头驱动电机可以快速地驱动磁头按照系统指令指向的磁道进行精准定位和跟踪，保证数据读写的可靠性和完整性。2.1.7.1硬盘2、硬盘的内部结构（4）主轴组件主轴组件包括主轴部件如轴承和主轴电机等。2.1.7.1硬盘2、硬盘的内部结构（4）主轴组件主轴电机采用金属或陶瓷材料的滚珠轴承电机时，工作温度高，噪声大，有磨损。如果采用精密机械工业的液态轴承电机，以油膜代替滚珠，能避免直接磨擦，使噪声和温度降到最低。同时由于油膜具有有效吸收震动的特性，增强了主轴部件的抗震能力。从理论上讲液态轴承电机无磨损，寿命无限长。2.1.7.1硬盘拆下轴毂与垫圈拆下主轴电机2、硬盘的内部结构（4）主轴组件硬盘主轴电机转速越快，存取数据时间越短。目前主流硬盘电机的转速为每分钟7200转，记作7200rmp。2.1.7.1硬盘2、硬盘的内部结构（5）前置读写控制电路前置读写控制电路包括控制电路和放大电路。控制电路控制主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等。放大电路放大磁头感应的信号，由于磁头读取的信号微弱，因此，将放大电路密封在腔体内可以减小外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。2.1.7.1硬盘2、硬盘的内部结构（5）前置读写控制电路2.1.7.1硬盘返回3、硬盘的工作原理硬盘盘面区域，磁头靠近主轴接触的表面，即线速度最小的部分是一个特殊区域，它不存放任何数据，称为启停区或着陆区，启停区外就是数据区。在最外圈，离主轴最远的地方是“0”磁道，硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。2.1.7.1硬盘3、硬盘的工作原理硬盘驱动器加电后，控制电路中微处理器初始化模块开始对硬盘初始化，此时磁头置于盘片启停区，初始化完成后主轴电机将启动并以高速旋转，装载磁头的小车移动，将浮动磁头置于盘片表面的0道进入等待指令的启动状态。2.1.7.1硬盘3、硬盘的工作原理接口芯片接到主机系统传来的指令信号，通过控制电路，驱动音圈电机发出磁信号，利用电磁感应变化位置的磁头对盘片数据信息进行正确定位后，将读取到的数据通过磁头芯片放大器传送给前置信号处理器和数字信号处理器进行解码、处理，然后传输到接口芯片，反馈给主机系统，完成指令操作。高速缓存芯片是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设置的。向硬盘读写数据，先将数据存放到缓存，当达到一定数据量时再一次性读出或一次性向盘片写入。2.1.7.1硬盘3、硬盘的工作原理结束硬盘操作的断电状态，在反力矩弹簧的作用下，浮动磁头驻留到盘面的启停区。2.1.7.1硬盘3、硬盘的工作原理早期硬盘在每次关机前需要运行一个程序，使磁头回到载入/载出轨道。现代硬盘在设计上摒弃了这个缺陷，硬盘不工作时，磁头停留在启停区，当需要从硬盘读写数据时，磁盘开始旋转。旋转速度达到额定的高速时，磁头就会因盘片旋转产生的气流而抬起，这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。断电时，在反力矩弹簧的作用下，磁头回到启停区。2.1.7.1硬盘返回4、硬盘的技术指标（1）容量（2）转速指硬盘主轴电机单位时间内转动的速度，单位是rpm。转速是决定硬盘内部数据传输率的因素之一，也是区别硬盘档次的重要标志。目前IDE或SATA接口的硬盘转速有5400rpm和7200rpm，其中，5400rpm用于笔记本计算机，7200rpm用于台式计算机。SCSI硬盘为7200~10000rpm，最高15000rpm。（3）平均寻道时间指磁头从得到指令到寻找到数据所在磁道的时间，单位为ms。硬盘的平均寻道时间越小，硬盘的性能越高。目前主流硬盘的平均寻道时间为7～9ms。（4）高速缓存2.1.7.1硬盘4、硬盘的技术指标（5）内部数据传输率内部数据传输率又称持续数据传输率，是指磁头与硬盘缓存之间的最大数据传输率，单位为兆位/秒（Mbps或Mb/s）。（6）外部数据传输率外部数据传输率又称突发数据传输率，是指从硬盘缓冲区读取数据的速率，单位为兆字节/秒（MB/s）。（7）单碟容量指单张盘片的存储容量。（8）MTBFMTBF即连续无故障工作时间，指硬盘从开始使用到第一次出现故障的最长时间，单位为小时。（9）S.M.A.R.TS.M.A.R.T.是自行监测、分析与报告技术，通过对硬盘磁头、盘片、电机、控制电路的运行状况、历史记录及预设安全值进行分析、比较，当出现安全值以外的情况时，自动向用户发出警告。S.M.A.R.T.必须需要主板BIOS的配合。2.1.7.1硬盘返回5、硬盘的分类（1）根据转速分类根据主轴电机的转速将硬盘分