硬盘的工作原理 - 全文，硬盘工作原理

　1 .笔记本电脑硬盘的工作原理

　硬盘利用特定磁粒子的极性记录数据。磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，然后利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据;写的操作正好与此相反。

　另外，硬盘中还有一个存储缓冲区，是为协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设。由于硬盘的结构比软盘复杂，所以其格式化也比软盘复杂，分为低级格式化、硬盘分区、高级格式化及建立文件系统。　硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的单片机初始化模块完成初始化，此时磁头置于盘片中心位置。初始化后，主轴电机将启动并以高速旋转，装载磁头的小车机构移动将浮动磁头置于盘片表面的00 道，处于等待命令的启动状态。

　当接口电路接收到电脑系统传来的命令信号后通过前置放大控制电路驱动音圈电机发出磁信号。根据感应阻值变化的磁头正确定位盘片数据信息，并将接收后的数据信息解码通过放大控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统完成命令操作。结束硬盘操作的断电状态在反力矩弹簧的作用下将浮动磁头驻留到盘面中心。

　2 .笔记本电脑硬盘结构

　由于受到笔记本电脑尺寸的限制，笔记本电脑硬盘也不能做得很大。第一代产品面世之时，笔记本电脑硬盘的 17mm的厚度几乎没有什么机型可以装配，还有过高的发热量和噪声等。在第二代产品中，硬盘厂商将这个厚度降到了 12.5mm 。12.5mm 可以使 4200r/min 硬盘顺利地装入普通笔记本电脑，但是对笔记本电脑不断向超轻薄方向发展的趋势，它却难有作为。

　在过去的两年中，笔记本硬盘 12.5mm 产品已经逐渐被 9.5mm产品所替代。这样就为轻薄笔记本电脑的发展奠定了基础。但这还只是厚度的改变，其外形并没有发生改变，它们仍然都是 2.5英寸的硬盘。也就是说，它们的盘片大小都是一样的。

　就在 2.5 英寸 9.5mm 的硬盘正在大行其道时， 1.8 英寸的硬盘悄然走入了人们的视野。可以说，目前 1.8英寸笔记本硬盘技术已经成熟。它对超轻薄笔记本电脑的发 展提供了必要的条件。

　3 .笔记本电脑硬盘接口

　硬盘接口一直是人们关心的技术，随着笔记本电脑其他配件(如 CPU、内存、显示等子系统)性能的大步迈进，硬盘的接口传输率越来越体现出它在整个电脑系统的瓶颈效应，硬盘接口问题越来越受到人们的关注。硬盘接口有电源接口与数据接口，其中电源插口与主机电源相连，为硬盘提供电力。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间传输交换的纽带，根据连接方式的差异分为IDE ( Integrated Drive EleCTRonICs )与 EIDE 接口等。

　现在的笔记本硬盘采用的都是 IDE 接口技术，实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，我们常说的 IDE 接口，也叫 ATA (Advanced Technology Attachment )接口。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得相对简单，厂商不需要再担心自己生产的硬盘控制器的兼容性，对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。

　随着技术的不断更新， IDE 接口不断推出各种新的技术指标 ATA-1 ～ ATA-4 直到最新的 Serial ATA 接口(即串行 ATA)， ATA-4 (包含 Ultra ATA 、 Ultra DMA 、 Ultra DMA/33 、 Ultra DMA/66四种技术标准)接口这个新标准将 PIO-4 下的最大数据传输率提高了一倍，达到 33Mb/s ，或更高的 66Mb/s 。它还在总线占用上引入了新的技术，使用 PC 的 DMA 通道减少了 CPU 的处理负荷。要使用 Ultra-ATA ，需要一个空闲的 PCI扩展槽，其中的 Ultra ATA/66 (即 Ultra DMA/66 )是目前主流笔记本硬盘采用的接口类型，其支持最大外部数据传输率为66.7Mb/s 。

　新的 Serial — ATA (即串行 ATA )是 Intel公司采用的接口类型，就如其名所示，它以连续串行的方式传送资料，在同一时间点内只会有 1位数据传输，此做法能减小接口的针脚数目，用四个针就完成了所有的工作(第 1 针发出、第 2 针接收、第 3 针供电、第 4针地线)。这样的做法能降低电力消耗，减小发热量。最新的硬盘接口类型 ATA-100 就是 Serial ATA 的初始规格，它支持的最大外部数据传输率达 100Mb/s 。

　4 .笔记本电脑硬盘磁头

　硬盘技术的更新换代，其中一个非常重要的技术就是磁头技术。磁头是硬盘技术中最重要和最关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合。采用磁头和盘非接触式结构，加电后磁头好像在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有 0.1 m m ～ 0.3 m m，可以获得极高的数据传输率。现在转速 5400r/min 的硬盘飞高都低于 0.3 m m ，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储能力。现在的硬盘单碟容量一般都在 10GB 以上，最高的单碟容量已经达到了 20GB，以后硬盘的单碟容量还将继续增大，对于单碟容量，与它直接联系的技术就是磁头技术，磁头技术越先进，硬盘的单碟容量就可以做得越高。由于笔记本硬盘密度太小，就连转轴中心附近也写进了数据，所以它就要在盘片的附近安装一个装置，用来放置磁头。所以笔记本硬盘在读盘的时候会产生“咯嗒、咯嗒”的声音，其实是它在“靠岸”。这种设计也带来了一些好处，在硬盘不工作的时候，由于磁头远离盘片，就不会出现因震动而划伤盘片的现象。

　最早的磁头是应用铁磁性物质，它不论在磁头的感应敏感程度还是在精密度上都不理想，因此早期的硬盘单碟容量均非常低。1979 年发明了薄膜磁头，使进一步缩小硬盘体积、增大容量、提高读写速度成为可能。接着，在 20 世纪 80 年代末期， IBM公司对硬盘发展做出了一个非常重要的贡献，即研发了 MR 磁阻磁头技术。磁阻磁头是基于磁致电阻效应工作的，其核心是一片金属材料，电阻随磁场的变化而变化。磁阻元件连接着一个对电阻变化十分敏感的放大器，可以测出微小的电阻变化。所以，后来的MR 技术可以通过提高记录密度来记录更多的数据，增加单碟片容量即硬盘的最高容量，提高数据传输率。PRML 读取技术能使盘片存储更多的信息，即增加了盘片的容量，同时可以有效地提高数据的读取和传输速率。 GMR 是 IBM 公司在 MR技术基础上研发成功的新一代磁头技术，它是最新的磁头技术，现在生产的硬盘全都应用了 GMR 磁头技术。GMR 巨磁阻磁头与 MR 磁头一样，其原理是利用特殊材料的电阻阻值随磁场变化读取盘片上的数据，但是 GMR磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，因而比 MR 磁头更为敏感，相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化，实现更高的存储密度。现有的 MR 磁头能够达到盘片密度为 3Gb ～ 5Gb 每平方英寸( Gb 每平方英寸)，而 GMR 磁头每平方英寸可以达到 10Gb ～40Gb 以上。

　目前 GMR 磁头已经处于成熟推广期，在今后的数年内，它将会逐步取代 MR 磁头，成为最流行的磁头技术。 GMR 比 MR具有更高的信号变化灵敏度，从而使硬盘的单碟容量做得更大，目前最新的磁头技术为 第四代 GMR 磁头技术。此外，磁头的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。高精度的轻型磁头驱动机构，能够正确驱动和定位磁头，并在很短的时间内精确定位系统命令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。

　5 .笔记本电脑硬盘电机

　在硬盘中，与磁头技术一样重要的另一项技术就是电机技术，它直接影响着硬盘转速的大小及传输速率的大小。FDB ( Fluid Dynamic Bearing ，流体动态轴承电机)技术是在 1996年第一次推出的，目前已经到了第三代，流体动态轴承电机使用的是黏膜液油轴承，以油膜代替滚珠。这样可以避免金属面的直接磨擦，将噪声及温度降至最低;同时油膜可有效吸收震动，使抗震能力得到提高，可减少磨损，提高寿命。FDB 有效地减少了震动，降低了噪音，增强了对震动的抵抗能力，延长了硬盘的使用寿命。

　目前笔记本硬盘的速度最快为 7200r/min ，而主流转速为 4200r/min 。目前主轴转速较快的硬盘是希捷公司推出的 CheetahX15 (捷豹 X15 系列)，它的主轴电机转速高达 15000r/min 。现在主流的 IDE 硬盘转速为 7200r/min ，而主流的SCSI 硬盘转速则为 10000r/min 。

　可见，笔记本硬盘受其先天影响速度不可能太快。电机技术发展了，直接带动的就是硬盘主轴转速的提高，而转速决定着硬盘的寻道时间。当然，在提高硬盘主轴转速的同时，需要考虑的是硬盘的发热量及振动问题，还有硬盘的工作噪声问题。所以，电机技术直接决定着硬盘的快慢、工作温度及工作噪声等。

　6 .笔记本电脑硬盘材料

　( 1 )盘片材料。

　一般而言，早期硬盘的盘片都是使用塑料材料作为盘片基质，然后再在塑料基质上涂上磁性材料构成的。

　随后推出采用铝质材料作为硬盘盘片基质，目前市场上的 IDE硬盘几乎都是使用铝硬盘盘片基质，而采用玻璃材料作为盘片基质则是最新的硬盘盘片技术。玻璃材料能使硬盘具有平滑性及更高的坚固性，此外玻璃材料在硬盘高转速时具有更高的稳定性。IBM 公司是采用玻璃材料作为硬盘盘片基质的先锋，富士通笔记本硬盘也有相应的玻璃材料产品。

　( 2 )笔记本电脑硬盘外壳。

　笔记本硬盘外壳只是一层很薄的铁片，很容易弯曲变型，而台式电脑硬盘则采用很厚的金属材质，不易变型。之所以采用很薄的材质制作硬盘，是为了使笔记本硬盘做得更轻，所以，在笔记本使用过程中不要用力按或者在表面放重物，这样会使磁头过于接近盘片而导致盘片划伤。

　7 .笔记本电脑硬盘其他组件

　( 1 )前置控制电路。

　前置放大电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，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减少外来信号的干扰，提高操作命令的准确性。

　( 2 )控制电路板。

　控制电路板大多采用贴片式元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制及接口电路等。在电路板上还有一块高效的单片机 ROM

　芯片，其固化的软件可以完成硬盘的初始化，加电和启动主轴电机，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缓存芯片 。

　( 3 )固定盖板。

　即硬盘的面板，标注产品的型号、产地和设置数据等，和底板结合成为一个密封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行。固定盖板和盘体侧面还设有安装孔，以方便安装。

　( 4 )硬盘缓存。

　硬盘缓存的作用类似于 CPU中的一、二级高速缓存，主要用来缓解速度差和实现数据预存取等，硬盘的数据缓存也随着硬盘的不断发展而不断增大，早期硬盘的数据缓存只有 128KB甚至更小，而那时 2MB 的数据只能在高端的 SCSI 硬盘上看到。当接口技术已经发展到一个相对成熟的阶段时，缓存的大小与速度是直接关系到硬盘传输速度的重要因素。缓存是硬盘与外部总线交换数据的场所。硬盘读数据的过程是将磁信号转化为电信号后，通过缓存一次次地填充与清空，再填充，再清空，一步步按照 PCI总线的周期送出。可见，缓存的作用是相当重要的。

　目前主流硬盘的缓存主要为 2MB ～ 8MB 。其类型一般是 DDR SDRAM 或 SDRAM ，目前一般以 DDR SDRAM 为主。

　电脑硬盘的工作原理

　电脑硬盘在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区。

　硬盘的每个盘片的每个面都有一个读写磁头，磁盘盘面区域的划分如图所示。

　磁头靠近主轴接触的表面，即线速度最小的地方，是一个特殊的区域，它不存放任何数据，称为启停区或着陆区(landing zone)，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。那么，磁头是如何找到“0”磁道的位置的 呢?在硬盘中还有一个叫“0”磁道检测器的构件，它是用来完成硬盘的初始定位。“0”磁道是如此的重要，以致很多硬盘仅仅因为“0”磁道损坏就报废，这是 非常可惜的。

　早期的硬盘在每次关机之前需要运行一个被称为parking的程序，其作用是让磁头回到启停区。现代硬盘在设计上已摒弃了这个虽不复杂却很让人不愉 快的小缺陷。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。

　盘片旋转产生的气流相当强，足以使磁头托起，并与盘面保持一个微小的距离。这个距离越小，磁头读写数据的灵敏度就越高，当然对硬盘各部件的要求也越 高。早期设计的磁盘驱动器使磁头保持在盘面上方几微米处飞行。稍后一些设计使磁头在盘面上的飞行高度降到约0.1μm～0.5μm，现在的水平已经达到 0.005μm～0.01μm，这只是人类头发直径的千分之一。

　气流既能使磁头脱离开盘面，又能使它保持在离盘面足够近的地方，非常紧密地跟随着磁盘表面呈起伏运动，使磁头飞行处于严格受控状态。磁头必须飞行在盘面上方，而不是接触盘面，这种位置可避免擦伤磁性涂层，而更重要的是不让磁性涂层损伤磁头。

　但是，磁头也不能离盘面太远，否则，就不能使盘面达到足够强的磁化，难以读出盘上的磁化翻转(磁极转换形式，是磁盘上实际记录数据的方式)。

　硬盘驱动器磁头的飞行悬浮高度低、速度快，一旦有小的尘埃进入硬盘密封腔内，或者一旦磁头与盘体发生碰撞，就可能造成数据丢失，形成坏块，甚至造成 磁头和盘体的损坏。所以，硬盘系统的密封一定要可靠，在非专业条件下绝对不能开启硬盘密封腔，否则，灰尘进入后会加速硬盘的损坏。另外，硬盘驱动器磁头的 寻道伺服电机多采用音圈式旋转或直线运动步进电机，在伺服跟踪的调节下精确地跟踪盘片的磁道，所以，硬盘工作时不要有冲击碰撞，搬动时要小心轻放。 这种硬盘就是采用温彻斯特(winchester)技术制造的硬盘，所以也被称为温盘，目前绝大多数硬盘都采用此技术。