第2章 硬盘物理和逻辑结构

图2-9 磁头组件


② 磁头驱动机构。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 磁盘片。盘片是硬盘存储数据的载体，现在硬 盘盘片大多采用金属薄膜材料，这种金属薄膜与 软盘的不连续颗粒载体相比具有更高的存储密度、 高剩磁及高矫顽力等优点。

光盘存储器ODM（Optical Disk Memory）和 MSM类似，也是将用于记录的薄层涂敷在基体上构 成记录介质。不同的是基体的圆形薄片由热传导率 很小，耐热性很强的有机玻璃制成。在记录薄层的 表面再涂敷或沉积保护薄层，以保护记录面。记录 薄层有非磁性材料和磁性材料两种，前者构成光盘 介质，后者构成磁光盘介质。采用光存储技术的介 质有CD、DVD光盘等。



数据恢复的本质是找到用户所需要的数据，而数据 不论是哪种类型的，其必然存储于一定的介质之上。 因此我们有必要了解一下当今市场上主流的数据存 储介质。根据使用的材料和存储原理的不同，存储 介质可分为三大类： ★ 电存储技术介质，如内存、闪存等； ★ 磁存储技术介质，如磁带、磁盘等； ★ 光存储技术介质，如光盘、DVD等。
图2-10 磁头高度


（3）磁头工作时与盘片不直接接触，所以磁头的 加载较小，磁头可以做得很精致，检测磁道的能力 很强，可大大提高位密度； （4）磁盘表面非常平整光滑，可以做镜面使用。

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2-23所示。与磁头接触的表面靠近 主轴，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 （LandingZone），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，而硬盘数据的 存放就是从最外圈开始的 。Biblioteka 图2-4 硬盘EIDE接口
图2-5 硬盘SCSI接口 （68针）
图2-6 硬盘SATA接口

S-ATA采用点对点连接方式，因此每个S-ATA线缆 （或通道）只能连接一块硬盘，相应的也就不必像 并行硬盘那样设置主、从跳线。

硬盘内部结构由固定面板、控制电路和板、磁头、 盘片、主轴、电机、接口及其它附件组成，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 份。
硬盘的容量由盘面数（磁头数）、柱面数和扇区数决 定，其计算公式为： 硬盘容量＝盘面数×柱面数×扇区数×512字节 硬盘容量单位 ：KB（Kilobyte）、MB （Megabyte）、GB（Gigabyte）、TB （Terabyte）、PB（Petabyte）、EB（Exabyte）



磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫 做磁道（Track）。磁道从外向内自0开始顺序编号。硬 盘的每一个盘面有300～1024个磁道，新式大容量硬盘 每面的磁道数更多，如图2-12所示。信息以脉冲串的形 式记录在这些轨迹中，这些同心圆不是连续记录数据，而 是被划分成一段段的圆弧，每段圆弧叫做一个扇区，扇区 从“1”开始编号，每个扇区中的数据是作为一个单元同时 读出或写入的。一个标准的3.5英寸硬盘盘面通常有几百 到几千条磁道。这些磁道是看不见的，它们只是盘面上以 特殊形式磁化了的一些磁化区。这些磁道是在磁盘格式化 时就规划好了的。
图2-3硬盘背面

大多数的控制电路板，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对 硬盘进行初始化，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。


2.4.1 盘片 硬盘的盘片一般用铝合金作基片，高速旋转的硬盘 也有用玻璃作基片的。玻璃基片更容易达到其要求 的平面度和光洁度，并且有很高的硬度。磁头传动 装置是使磁头部件作径向移动的部件，磁头传动装 置以很小的等距离使磁头部件作径向移动，用以变 换磁道。

硬盘的每一个盘片都有两个盘面（Side），即上、 下盘面，一般每个盘面都利用上，即都装上磁头 可以存储数据，成为有效盘片，也有极个别的硬 盘其盘面数为单数。每一个这样的有效盘面都有 一个盘面号，按顺序从上而下自“0”开始依次编 号。在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号，就是因 为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。硬 盘的盘片组在2～14片不等，通常有2～3个盘片， 故盘面号（磁头号）为0～3或0～5。
图2-7揭开硬盘面板
图2-8内部结构

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，实际上是集 成工艺制成的多个磁头的组合，采用非接触式头、 盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面移动，与盘 片之间的间隙只有0.1～0.3μm，这样可以获得很 好的数据传输率，如图2-9所示。


目前，微机上安装的硬盘几乎都是采用温彻斯特 （Winchester）技术制造的硬盘，这种硬盘也被 称为温盘。这种结构的特点为： （1）磁头、盘片及运动机构密封在盘体内； （2）磁头在启动、停止时与盘片接触，而在工 作时因盘片高速旋转，从而带动磁头“悬浮”在 盘片上面呈飞行状态（空气动力学原理），这个 “悬浮”的高度约为0.1微米～0.3微米，这个高 度是非常小的，图2-10标出了这个高度与头发、 烟尘和手指印的大小比较关系，从这里就可以直 观的“看”出这个高度到底有多“高”了；
图2-11硬盘盘片的启停区和数据区

5.“湿盘”技术
如果要把磁盘密度进一步增大，目前以金属薄膜盘片以及玻 璃盘片为 基础的“温盘”技术便无能为力了，我们知道，当磁盘 密度达到一定程度时，信号便会变得更加微弱，并且相邻信号之 间的干扰也更为严重． 要解决这个问题只能把磁头进一步贴近盘 片，但目前的磁头飞行高度己 不到0.08um，要进一步令磁头靠 近盘片非常困难，因为这要克服磁头抖 动及盘片细微凹凸等引起 的问题。为此，有人提出干脆把磁头紧贴磁盘 (Contact recording)，就像录音机那样。但对盘片及磁头而言，这种接 触 是致命的，磁头与盘片会两败俱伤．于是，一种全新的盘片一 “湿盘 ”(wet disk)，被提上研发口程，“湿盘”可以最大限度 地减少磁头与 盘片的摩擦，但其中还有下少技术与工艺上的问题 有待解决。我们期待 着这新型磁盘材钧的早日间世。
图2-12磁头、柱面和扇区

所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱，通常称作柱面 （Cylinder），每个圆柱上的磁头，由上而下从“0”开始编 号。数据的读写是按柱面进行的，即磁头在读写数据时首先 在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作，依次向下在同一柱 面的不同盘面即磁头上进行操作，只在同一柱面所有的磁头 全部读写完毕后才移动磁头转移到下一柱面。也就是说，一 个磁道已写满数据，就在同一柱面的下一个盘面来写，一个 柱面写满后，才移到下一个柱面，从下一个柱面的1扇区开 始写数据。而不是在同一盘面的下一磁道来写，一个盘面写 满后再从下一个盘面的0磁道开始写，读数据也是按照这种 方式进行，这样就提高了硬盘的读/写效率。

硬盘是一个集机、电、磁于一体的高精系统。其内 部是密封的，对用户而言既是黑匣子，也是透明的， 用户根本不用关心其内部的运行，只需把标准接口 接上即可正常使用，其正面如图2-1所示。
图2-1 硬盘正面

在硬盘的正面贴有产品标签，主要有厂家的信息和 产品信息，如商标、型号、序列号、生产日期、容 量、参数、主从设置方法等，这些信息是正确使用 硬盘的基本依据，如图2-2所示。

在硬盘的一端有电源接口插座、主从设置跳线器和数据线 接口插座，电源插口与主机电源相联，为硬盘工作提供电 力保证。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传 输交换的纽带，根据联接方式的差异，分为EIDE接口、 SCSI接口和SATA串口。EIDE接口多用在桌面硬盘，经常 听说的40针、80芯的接口电缆指的就是这类数据线，如 图2-4所示。SCSI接口则多用在网络服务器和高档图形工 作站中，如图2-5所示。SATA串口数据传输目前最高达 到150MB/S，是当前的主流产品，如图2-6所示。

操作系统以扇区（Sector）形式将信息存储在硬盘 上，每个扇区包括512个字节的数据和一些其他信 息。一个扇区有两个主要部分：存储数据地点的标 识符和存储数据的数据段，如图2-13所示。
图2-13 硬盘扇区的构成


标识符就是扇区头标，包括有组成扇区三维地址的三个数 字：扇区所在的磁头（或盘面）、磁道（或柱面号），以 及扇区在磁道上的位置即扇区号。头标中还包括一个字段， 其中有显示扇区是否能可靠存储数据，或者是否已发现某 个故障因而不宜使用的标记。有些硬盘控制器在扇区头标 中还记录有指示字，可在原扇区出错时指引磁盘转到替换 扇区或磁道。最后，扇区头标以循环冗余校验（CRC）值 作为结束，以供控制器检验扇区头标的读出情况，确保准 确无误。 扇区的第二个主要部分是存储数据的数据段


各种单位之间的换算关系如下： 1KB＝210B＝1，024Byte 1MB＝210KB＝220B＝1，048，576Byte 1GB＝210MB＝220KB＝230B=1，073，741，824Byte 1TB＝210GB＝220MB＝230KB＝240B=1，099，511， 627，776Byte 1PB＝210TB＝220GB＝230MB＝240KB=250B=1，125， 899，906，842，624Byte 1EB＝210PB＝220TB＝230GB＝240MB=250KB=260B=152， 921，504，606，846，976Byte