第07章 外存储器

第7章 外存储器
7.1 概述
外存储器是CPU不能直接访问的存储器，它需要经过内存储器与CPU及I/O设备交换信息，用于长久地存放大量的包括暂不使用的程序和数据。外存储器有三种基本的存储类型：磁存储器、光存储器和闪存。
磁存储器的代表是大多数PC系统里使用的硬盘和软盘，另外还有磁带、ZIP、Click!以及Microdrive等，它们都将数据记录在磁性介质上。其中硬盘是PC系统中最重要的外存储器，和其他外存储器相比，硬盘的容量大，速度快。
光存储器的读和写是通过光能（光学的）实现的，而不是磁性。绝大多数磁存储器都可以多次地重复读写，但许多光存储器只能写一次却可多次读。光存储器的代表是CD和DVD。
通常使用Disk指磁存储器，而 Disc指光存储器。不管是磁存储器还是光存储器，都需要通过相应的驱动器才能读出存储在上面的数据。例如，软盘需要使用软盘驱动器，磁带需要使用磁带机，DVD需要使用DVD驱动器等。但硬盘有点例外，它被直接密封在硬盘驱动器中，所以硬盘和硬盘驱动器的称呼通常是混用的。
有一些外存储器结合了磁和光的技术，或者使用一个光向导系统（称为激光伺服）来定位读写磁头，如LS-120或SuperDisk软驱；或者使用激光器来加热数据盘，使得它可以磁写入，从而使数据区域发生偏振，这些区域可以被较低能量的激光读出，如MO驱动器。
闪存是一种非易失性存储器，它的存储介质是闪存芯片。现在闪存已经广泛的应用于各类数码设备，同时也可以作为PC系统中方便携带的外存储器。
外存储器通过各种不同的接口和PC系统相连，通常磁存储器和光存储器使用IDE、SATA、软驱和SCSI等接口，也可以使用适配器设备来提供USB、IEEE-1394、并口、PCMCIA、eSATA等接口。例如，IDE/ATA接口的硬盘可以使用外置硬盘盒和系统的USB或IEEE-1394接口，甚至是并口相连。闪存盘通常采用USB接口；各种闪存卡一般都采用专用接口，需要通过适配器才能在PC机上使用。
7.2 IDE/ATA
7.2.1 IDE与ATA
外存储驱动器用于连接PC系统的主要接口中，一类典型的接口是IDE（Integrated Drive Electronics，集成驱动器电路）接口。这个接口所反映的是接口电路或控制器内置于驱动器自身这一事实。在IDE接口出现之前，驱动器和控制器的接口是分离的，因而可以说IDE是以前接口的革命化变革。
IDE接口类型主要存在以下三种：
? ATA IDE（16位）。
? XT IDE（8位ISA）。
? MCA IDE（16位微通道）。
目前，只有ATA（AT Attachment，AT嵌入式接口）还在使用。它是由来自主要的PC、驱动器和部件生产商的代表组成的独立组织所制订的接口标准。该组织的名称是技术委员会T13，

主要负责所有有关ATA的接口标准。T13是信息技术标准国际委员会（NCITS）的一部分，NCITS在美国国家标准协会（ANSI）所制定的规章下运转，而ANSI是专门订立控制计算机工业及许多其他工业中非专利标准的政府机构。在ANSI下还成立了一个称为SATA工作组（Serial ATA Workgroup）的组织，主要负责制定SATA的有关标准。尽管这些都是不同的组织，但有许多人同时在这些组织中工作。
因为ATA接口是一种16位并行接口，可以同时传输16位数据。所以ATA又被称为并行ATA，也称为PATA。
现在，我们常直接用IDE来称呼ATA，并且IDE的使用更加流行和广泛，但从技术上来看，ATA才是真正的称呼。如果吹毛求疵一点儿，可以这样认为：IDE通常指任何一种将控制器嵌入的驱动器；而ATA则是PC机中IDE接口所遵循的标准或具体的实现。
通过ATA接口可以方便地在PC机上连接硬盘，但有时这样还不够，还需要通过同样方便的手段连接DVD-ROM驱动器、CD-ROM驱动器、磁带机、超磁盘（SuperDisk）等设备。ATAPI标准就是为了解决在ATA接口上连接多种设备而制定的。因为ATAPI（AT Attachment Packet Interface，附加分组接口）是ATA标准的延伸，目前，几乎所有的ATA接口都支持ATAPI设备，我们可以像连接硬盘一样连接ATAPI设备。随着ATA-4版本标准的发布，ATAPI已经完全溶入到ATA中了。
早期许多主板上的ATA接口的连接器实际上就是一条ISA（或AT）总线槽，一般只使用了98针中的40针，标准的16位ISA总线槽都会提供这些针。目前所用的ATA接口连接于主板芯片组上的South Bridge芯片或ICH芯片中，并且以较快的总线速度运行，但接口所用针的定义、功能和早先的没有什么不同。应该注意的是，较小的2.5英寸硬盘驱动器使用一种44针的连接，包含了电源供应所需的针。
这里要澄清一个问题，就是许多人都认为硬盘控制器安装在主板上，而实际上控制器是在驱动器中，还没有哪个PC系统将硬盘控制器安装到主板上。
7.2.2 ATA版本和传输模式
ATA已开发出的几个标准版本按如下顺序：
? ATA-1（1986-1994）。
? ATA-2（1996；也称为快速ATA，快速ATA-2或EIDE）。
? ATA-3（1997）。
? ATA-4（1998；也称为Ultra-ATA/33）。
? ATA-5（1999至今；也称为Ultra-ATA/66）。
? ATA-6（2000至今；也称为Ultra-ATA/100）。
ATA的每个版本都对以前版本向后兼容。换而言之，即老式的ATA-1或ATA-2设备在ATA-4、 ATA-5或ATA-6接口上可正常工作。当设备的版本与接口版本不匹配时，它们将按两者中的低版本工作。较新的ATA版本是在稍旧版本上建立的，并且只有少量可认为是对老版本的扩展，也就是说，比如从ATA-6，它等于附加了嵌入式特性的ATA-5。
ATA-4从Intel 430TX芯片组开始

就已经被支持，提供了最大33 MB/s的的数据传输率，以后又很快发展到了ATA-5、ATA-6以及迈拓提出的Ultra-ATA/133标准，分别提供66MB/s、100MB/s以及133MB/s的最大数据传输率。值得注意的是，Ultra-ATA/133标准并没能获得业界的广泛支持，芯片组厂商中有VIA、NVIDIA、SiS、ATI对此标准提供支持，Intel则最高只支持ATA-6标准。
ATA有三种不同的传输模式，分别是PIO（Programmed I/O）模式，DMA（Direct Memory Access）模式和Ultra-DMA（UDMA）模式。
PIO模式是早期采用的，CPU占用率比较高，数据传输率达3.3 MB/s（PIO 0）至16.67 MB/s （PIO 4）不等。
在讲述DMA模式之前先看看什么是DMA。DMA即直接存储器存取，是一种快速传送数据的机制，利用它进行数据传送时不需要CPU的参与。
DMA模式分为Single-Word DMA及Multi-Word DMA两种，与PIO模式的最大区别是CPU占用率比较低。不过，后来由于UDMA模式的出现和快速普及，这两个模式也只是昙花一现，很快被UDMA所取代。Single-Word DMA模式的最高传输率达8.33MB/s，Multi-Word DMA（Double Word）则可达16.67MB/s。
UDMA模式以16-bit Multi-Word DMA模式为基础，除了已拥有DMA模式的优点外，更应用了CRC（Cyclic Redundancy Check）技术，加强了资料在传送过程中侦错及除错方面的能力。在最初支持UDMA模式的ATA-4版本制定时，为了保持高兼容性，在硬件的设计上并没做出太大的修改。
总线控制的ATA控制器使用DMA传输来提高性能，降低CPU利用率。目前ATA/ATAPI驱动器大都支持DMA传输；操作系统方面从Windows 95B以后版本也开始支持；1995年以后生产的所有主板芯片组都提供了DMA支持；多数1997年以后生产的芯片组则支持UDMA模式。检查PC系统是否具有该特性，可以从“设备管理器”（Device Manager）中查看到，例如，在Windows XP中可以点击“设备管理器”中“IDE ATA/ATAPI 控制器”旁的“+”号，通过查看列出的IDE通道的属性页即可。
根据Windows版本以及主板芯片组的型号的不同，有时必须安装芯片组驱动程序，使Windows能正确的识别芯片组，从而激活DMA支持。如果确定主板和驱动器都支持，并且芯片组驱动程序也已经正确安装，但操作系统中DMA或UDMA模式却没有被启用，那就可以在IDE通道的属性页中手动激活。
注意 强烈建议用户在激活DMA支持之前，或安装激活驱动程序以添加该支持之前，备份驱动器和系统注册表。如果用户激活了该模式之后系统当机，则必须以安全模式重启机器并取消DMA模式；如果不能进入安全模式，则需要使用激活前备份的副本替换系统注册表。否则，用户就会被迫手工编辑注册表键值，然后再次启动计算机。由于DMA传输是旁路CPU而获得高速度的，DMA产生问题会导致数

据的丢失，因此有必要首先进行备份。
表7-1分解了不同的ATA版本细节。
表7-1 ATA版本细节
标准版本 推出时间 PIO模式 DMA模式 UDMA模式 速率① 功能
ATA-1 1986-1994 0-2 0 — 8.33 支持528M驱动器
ATA-2 1995-1996 0-4 0-2 — 16.67 快速PIO模式，在高速8.4GB驱动器上用CHS/LBA转换
ATA-3 1997 0-4 0-2 — 16.67 S.M.A.RT②，提高了信号完整性LBA手工支持；不再使用单字DMA（Single-word DMA）模式
ATA-4 1998 0-4 0-2 0-2 33.33 UDMA模式，BIOS可支持的容量高达136.9GB
ATA-5 1999-2000 0-4 0-2 0-4 66.67 快速UDMA模式，带自检的80针数据线
ATA-6 2001至今 0-4 0-2 0-5 100.00 100MB/s UDMA模式；扩展驱动器和BIOS支持容量达144PB③
① 速率单位为MB/s
② SMART=Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology（自动检测分析及报告技术）
③ PB=Petabyte（1 Petabyte是1015字节）
MB=Millions of bytes（106字节）
GB=Billions of bytes（109字节）
CHS=Cylinder head sector（柱面-磁头-扇区）
LBA=Logical block address（逻辑块地址）
7.2.3 ATA接口连接器
ATA驱动器一般采用一种40芯集管类型接口连接器（参见图7-1），为了防止安装时颠倒方向而设置了键控，生产商一般会将第20针从凸出的连接器上移去并阻塞ATA数据线的第20针，防止用户安装数据线时插反。有些数据线还在上部装了一个凸起，匹配接口连接器上的凹槽。推荐用户使用带键控的连接器和数据线，插反了数据线一般不会造成永久性的毁坏，但会锁定系统，使系统运行不起来。接口连接器上靠近电源连接器的针脚即是1针。

图7-1 标准ATA驱动器连接器（包括接口连接器和电源连接器）

笔记本使用2.5英寸驱动器，它一般使用一种小的50针头部连接器，该连接器的40个主要引脚与标准ATA接口连接器的引脚相同（除了物理引脚间距不同），另外还有一些电源和跳线引脚。一般来说，能插到该连接器的线缆有44个引脚，携带电源以及标准ATA的信号。跳线引脚上通常有一个跳线块（跳线的位置可以设置线缆选择、主还是从）。图7-2显示了用于2.5英寸ATA驱动器的连接器。



图7-2 2.5英寸ATA驱动器连接器

7.2.4 ATA数据线
ATA数据线专门用于承载主板ATA适配器电路和ATA驱动器接口连接器之间的信号。现在使用的ATA数据线有两种主要类型，一种是40线，另一种是80线。两者都使用相同的40针ATA接口连接器，并且都将第1位线缆的颜色标红。
早期ATA设备传输速率不高，都采用40线的数据线传输数据。为了尽量确保信号完整并消除部分同步和噪声问题，数据线的长度不能超过0.46米（18英寸）。随着支持高速传输模式（如PIO 4或任何UDMA模式）驱动器的出现，人们发现这些设备特别容易受到数据线故障和过长数据线的

影响。如果数据线过长，就会遇到数据中断和其他错误，这些错误在读写驱动器时都会遇到。所以，任何使用UDMA 4（66MB/s的传输速率）或UDMA 5（100MB/s的传输速率）的驱动器必须使用80线数据线（多余的引线用于接地以减少噪音）。如果系统没有侦测到80线数据线，根据设计将禁用UDMA 4和UDMA 5模式。
80线数据线的接口连接器颜色很有讲究，其中蓝色的是连接到主板上ATA接口的，黑色的用于连接主驱动器，灰色的用于连接从驱动器。
如果驱动器处于UDMA 2（33MB/s的传输速率）或更低模式，也建议使用这种数据线，因为这只会有好处而绝对没有坏处，尽管并不需要80线，但它会提高信号完整度。图7-3、图7-4显示了典型ATA数据线和数据线连接器的外观。

图7-3 ATA数据线（上：80线 下：40线）


图7-4 ATA数据线连接器
注意 多数40线数据线并没有颜色标识，而所有的80线数据线则都有颜色标识。
7.2.5 双驱动器配置
根据ATA标准，在一个IDE通道上，也可说是在一条数据线上，可以连接两个ATA驱动器。双驱动器安装容易出现问题，这是因为每个驱动器都有其自己的控制器，而这两个控制器在连入同一总线时都必须能够工作。必须有一种方法能够确保每次两个控制器中只有一个响应命令。这种情况下，一个控制器必须指定为主控制器，而另外一个为从控制器。当系统对某驱动器发出一个命令时，被选中的控制器和驱动器工作而另外一个驱动器必须保持不动。这时我们可以通过设置驱动器上的跳线或开关来达到确认驱动器是主或从的目的。
配置ATA驱动器可能很简单，就如同大多数单驱动器安装一样，或者也可能很麻烦，特别是涉及到在同一根数据线上安装来自不同生产商的两个驱动器混用的情况时。
大多数ATA驱动器配置有4种可能的设置：
? 主驱动器（单驱动器）。
? 主驱动器（双驱动器）。
? 从驱动器（双驱动器）。
? 线缆选择。
有些驱动器则简化为三项设置：主、从和线缆选择。这些跳线的具体设置一般在驱动器的电源连接器和接口连接器之间。每一个驱动器的标签上都会注明这个驱动器上跳线的定义，可以根据它们进行跳线设置。图7-5展示了一款典型的ATA驱动器跳线定义。

图7-5 典型的ATA驱动器跳线定义

完全遵循ATA规范的现代大部分的驱动器只需要一个用于配置的跳线（“主/从”跳线）。少部分还需要一个“从存在”跳线，这个跳线仅用于双驱动器设置并安装在主驱动器上，它指示有一个从驱动器存在，该跳线有时会引起混淆。对许多ATA驱动器而言，“从驱动器”跳线是可选的，而且可能是不用的，但安装该跳线不但不会造

成损害而且可以消除混淆。
7.3 SATA
7.3.1 SATA概述
随着ATA-6的发布，ATA标准已经使用了十几年，并且已经到了油尽灯枯的时候了。ATA数据线使用带状的并行线缆，虽然数据传输速率可达100MB/s，但也产生了信号定时、电磁接口（Electromagnetic Interface，EMI）以及线缆完整性等各种问题，这些问题在SATA（Serial ATA，串行ATA）中得到了很好的解决。这种新接口标准对于ATA物理接口保持向后兼容，之所以这样说，是因为它与现有的软件保持兼容，这些软件可以不加修改地运行在这种新的体系结构上。换句话说，现有的BIOS、操作系统以及在ATA上运行的各种工具都可以在SATA上很好地运行。这意味着SATA支持所有ATA和ATAPI设备，包括DVD-ROM驱动器、CD-ROM驱动器、磁带机、超磁盘（SuperDisk）设备以及任何ATA支持的存储设备。
2000年11月，SATA工作组发布SATA规范1.0版本，实现了硬盘数据传输率150MB/s，比ATA/133的硬盘速度快了很多。之后成立的SATA Ⅱ工作组开始开发一系列扩展规范。其中包括300MB/s高传输速率、NCQ(Native Command Queuing 本机命令队列)技术、热插拔、交错式启动、硬盘活动指示、端口复用器以及可升级到SAS（Serial Attached SCSI 串行连接SCSI)等。习惯上，只要硬盘符合上述众多规范中的一项，这块硬盘就可以被称为SATA Ⅱ硬盘。其实，SATA Ⅱ只是一个工作组的名称，并不是一个具体的SATA规范版本。
为了解决滥用SATA Ⅱ名称造成的混乱，2005年，SATA工作组发布了SATA规范2.5版本。SATA 2.5规范其实只是一组规范的集合，继承了原先大部分的SATA Ⅱ扩展规范，分为基本规范和高级规范两部分。
一款真正意义上的符合SATA 2.5规范的硬盘必须完全支持其中的基本规范。
基本规范：
? SATA接口速率为300MB/s。
? NCQ技术（在大数量，高列队深度随机存储应用时有一定优势）。
? 硬盘供电标准（采用标准3.3V接口供电）。
? 热插拨。
? 交错式启动（避免多硬盘同时启动的电压冲击）。
? 硬盘指示灯。
高级规范：
? 端口复用器（在一个控制器上扩展多个SATA设备）。
? 端口选择器（由端口选择器根据特定信号选择活动端口）。
? 多通道电缆（高速端口互联及设备接入）。
? eSATA(外接设备高速连接，可能取代外置USB设备)。
SATA的性能非常优越。按照定义，SATA 150MB/s也就是SATA 1.5Gb/s属于第一代SATA速率、SATA 300MB/s也就是SATA 3Gb/s则属于第二代SATA速率，未来的SATA 600MB/s—SATA 6Gb/s则属于第三代SATA速率。表7-2列出了这三种不同的SATA速率。
表7-2 SATA速率
SATA类型 总线宽度（Bits） 总线速率（MHz） 数据周期／时钟周期 带宽（MB/s）
SATA-150 1 1500 1 150
SATA-300 1 3000 1 300
SATA-600 1 6000 1 600

7.3.2 SATA驱动器连接器及线缆
ATA与SATA相比，两者在物理上是全然不同的，即不可能将SATA数据线插入到ATA驱动器接口连接器中，反之亦然。SATA驱动器连接器及线缆在ATA基础之上进行了改进：
? 一次只传输一位数据， PC系统中路由变得很容易
? 接口连接器只有7针，而且使用的数据线非常细，大大减少了使用ATA数据线遇到的空气流动问题，并且可以很容易地插入到体积很小的连接器中。
? 数据线只在两端有连接器，每条只支持一个单独的设备，所以也没有主/从设置。
? 数据线两端是可以互换的，即主板上的连接器与设备的连接器是相同的，数据线的两端也是完全相同的。
? 数据线最大长度是1米，比ATA的要长很多。
? 数据线又细又长，但其传输速率却很高，最初版本的150MB/s就已经是ATA/100的1.5倍。
? 提供了一种能够支持+3.3V的15针电源连接器，每一级电压都可以提供4.5安培的电流，并且宽度只有24mm。
为了与现有电源设备兼容，SATA驱动器可以提供标准的D型大4针电源连接器，也可以提供新的15针电源连接器，或者两者都有。值得注意的是，如果在一个SATA驱动器上同时提供两种电源连接器时，不要同时都连接上。
为配合SATA规范所提供的硬盘热插拔功能，接口连接器和电源连接器中地线信号针的长度比数据信号针要长出一小截，插接时总是地线针先接触，然后才是信号针接触，这一定程度上避免了热拔插时损害设备问题的出现。
表7-3和表7-4分别列出了SATA接口连接器引脚和电源连接器引脚的定义及说明。
表7-3 SATA接口连接器引脚
信号引脚 信号 说明
S1 信号地 FirstMate
S2 A+ 宿主发送+
S3 A- 宿主发送，
S4 信号地 FirstMate
S5 B- 宿主接收-
S6 B+ 宿主接收+
S7 信号地 FirstMate

表7-4 SATA电源连接器引脚
电源引脚 信号 说明
P1 +3.3V 3.3V电源
P2 +3.3V 3.3V电源
P3 +3.3V 3.3V电源
P4 信号地 FirstMate
P5 信号地 FirstMate
P6 信号地 FirstMate
P7 +5V 5V电源
P8 +5V 5V电源
P9 +5V 5V电源
P10 信号地 FirstMate
P11 信号地 FirstMatc
P12 信号地 FirstMate
P13 +12V 12V电源
P14 +12V 12V电源
P15 +12V 12V电源

图7-6是SATA硬盘接口、SATA数据线和主板上SATA接口的图片。

图7-6 SATA硬盘接口、SATA数据线和主板上SATA接口

SATA不会在短时间内完全取代ATA成为事实上的工业标准。从ATA到SATA的转变是逐步的，在这个转变过程中，ATA仍然可以使用，而越来越多的PC系统开始使用SATA。Intel芯片组从 865/875系列开始就已经支持SATA了。
7.4 硬盘
7.4.1 硬盘概述
对许多用户来讲，硬盘是计算机系统最重要，也是最神秘的一部分。它是一个密封的部件，用于PC的数据存储（参见图7-7）。因为硬盘在用户

有意擦除数据前能够一直保留所存储的数据，PC机一般用它来存储最关键的程序和数据，因此当硬盘发生故障时，产生的后果一般都是非常严重的。为了正确地维护、服务以及扩展PC系统，必须清楚硬盘是如何工作的。
硬盘包括一组刚性的、圆盘状的盘片，与软盘不同的是，这些盘片不能弯曲或折叠——因此被称为硬盘。在大多数硬盘里是无法拆卸盘片的，因此有时也把它们叫做固定磁盘存储器。

图7-7 硬盘
注意 硬盘驱动器曾经被称做温彻斯特（Wincheseer）驱动器。这个名词起源于1973年，IBM研制出了一种高速硬盘驱动器Model 3340，它有30MB的固定盘片容量和30MB的可换盘片容量。该驱动器不久就被昵称为温彻斯特，以著名的温彻斯特30-30来福枪命名。在那以后的一段时间里，所有的使用带浮动头的高速旋转盘片的驱动器在一般说法中都被叫做温彻斯特驱动器。
硬盘在PC系统里得以普及使用的近20年时间内，它们自身也发生了很大的变化。为了有助于更清晰地了解从那时起至今硬盘已发展到什么情况，以下概括了PC硬盘的一些主要变化：
? 最大存储容量从1982年的5MB、10MB发展到500GB甚至更大，盘片尺寸也从最初的5.25英寸发展到了如今的3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸、1英寸甚至更小。
? 硬盘的持续传输速率从1983年最初IBM XT机的85-102KB/s提高到如今一些驱动器的60MB/s以上。
? 平均寻道时间从1983年10MB XT硬盘的大于85 ms（毫秒）减小到如今一些驱动器的小于4.2 ms。
? 1982年，一个10MB硬盘的价格是1500美元以上（每兆字节150美元），今天硬盘的价格已下降到每兆字节0.5分人民币或更少。
硬盘中的盘片互相堆叠，一致地旋转，盘片少则1 片，多则2或3个盘片，盘片的两面都可供驱动器存储数据，因此有2面或4面或6面之说。每个盘片上面有很多同心圆，这些就叫做磁道（track），磁道又分成许多段，叫做扇区（sector），每个扇区通常存储512个字节。每一面上位置相同的磁道共同构成一个柱面（cylinder）。通常在每个盘面上都有一个磁头（head），所有的磁头都安装在一个公共的支架或承载设备上。因为磁头装在同一个架子上，所以它们在磁盘上作一致地径向移进或移出，而不能单独地移动（参见图7-8）。

图7-8 硬盘的基本概念

7.4.2 硬盘的基本部件
市场上有许多硬盘，但几乎所有产品都包含同样的基本物理部件。这些部件的实现上（以及用于制造它们的材料的质量上）可能存在着差别，但大多数硬盘的操作特征是相似的。一个典型硬盘（见图7-9）的基本部件包括以下部分：
? 磁盘片（Disk platter）。
? 逻辑板（Logic board）。
? 读写磁头（Read/write head

）。
? 连接器（connector）。
? 磁头驱动装置（Head actuator mechanism）。
? 配置项目（如跳线或开关）。
? 转轴电机（Spindle motor）。
盘片、转轴电机、磁头和磁头驱动装置通常包含在一个称为磁头盘片组（Head Disk Assembly, HDA）的密封腔里。HDA一般被当作一个部件，它很少被打开，如果要打开也需要在绝对纯净的条件下进行。HDA之外的部分，如逻辑板、挡板以及其他配置或装配硬件，都可以从硬盘上卸下来。

图7-9 硬盘的部件

硬盘盘片
一个典型的硬盘有一个或多个盘片，，它们通常由铝或玻璃制成，硬盘的物理尺寸用盘片尺寸来表示。以下是常见的PC硬盘盘片尺寸：
? 5.25英寸（实际为130mm，或5.12英寸）。
? 3.5英寸（实际为95mm，或3.74英寸）。
? 2.5英寸（实际为65mm，或2.56英寸）。
? 1英寸（实际为34mm，或1.33英寸）。
记录介质
不管使用哪一种基片，盘片都要覆盖一薄层磁性滞留物质，称为介质，其上存储磁性信息。在硬盘上有两种流行的磁性介质：
? 氧化介质（Oxide medium）。
? 薄膜介质（Thin-film medium）。
读写磁头
硬盘通常在每个盘片表面都有一个读写磁头（即每个盘片有两组读写磁头——一个用于盘片上方，另一个用于盘片下方）。这些磁头连接或排列到一个活动机械装置上，因此所有的磁头是一致地在盘面上移动。
从机械上来说，读写磁头很简单。每个磁头都固定在一个磁头臂上，磁头臂通过弹簧使磁头与盘面接触。很少有人发觉到每个盘片实际被它的上下磁头所挤住。如果安全地打开一块硬盘，用手指抬起盘片上方的磁头，放手时会发现磁头迅速落回到盘面上；如果将盘片下方的磁头往下拉，松手时弹簧的弹力会把磁头提起靠到盘面上。
硬盘不工作时，磁头由于弹力与盘面直接接触，停留在硬盘最内侧的着陆区（landz）；当硬盘的盘片全速旋转时，磁头下面产生的空气压力将磁头托离盘面，在现代的硬盘里，磁头和盘面的距离从0.1微米到0.3微米不等。
切记 盘面和磁头之间的距离如此之小是用户在非净室的环境里绝不能打开磁盘的HDA的原因。任何灰尘微粒或污点如果进入这个装置里，就会使磁头不能正确地读数据，甚至可能在硬盘全速运行的时候刹住盘片，后面这种情况会划坏盘面或磁头。
磁头驱动装置
可能比磁头本身更重要的是移动它们的机械系统：磁头驱动装置。这个装置移动磁头，并把它们精确地定位在所期望的柱面上。有许多种磁头驱动装置在使用，但它们都属于以下两种基本类型之一：
? 步进电机驱动装置。
? 音圈电机驱动装置。
不同的驱动装置对硬盘的性能和可靠性有重要的影响。这个影响

不仅限于速度，还包括精度、对温度的敏感性、定位、振动以及整体的可靠性。
图7-10展示了硬盘的磁头驱动装置。

图7-10 磁头驱动装置

空气过滤器
几乎所有的硬盘都有两个空气过滤器。一个过滤器称为重循环净化器，另一个称为气压或通气过滤器。这些过滤器被永久地密封在硬盘内部，在硬盘的整个使用期内不会改变。
PC系统中的硬盘并不从HDA里面向外面或外面向里面循环空气。永久安装在HDA里面的重循环过滤器只过滤磁头起落时在盘面上擦下来的微小颗粒（以及硬盘里产生的其他小颗粒）。因为PC硬盘是永久密封的，不循环外部的空气，所以它们可以运行于非常肮脏的环境里（参见图7-11）。
硬盘里的HDA是封闭的，但不是气密的。HDA通过一个气压或通气过滤器部件通气，这个部件使得硬盘的内外气压相等（通风）。由于这个原因，大多数硬盘会被厂家标记为工作于特定的海拔范围，通常被限制在海拔3000米以内，因为超过这个高度，硬盘里气压太低而无法正确地悬浮磁头。随着环境气压的变化，空气吹入和吹出硬盘，因此内外气压是一样的。尽管空气是通过排气装置流通的，但污染通常不会引起问题，因为排气装置上的气压过滤器可过滤掉所有的可能影响硬盘正常工作的颗粒，以满足硬盘内部的洁净度要求。用户可看到大多数硬盘上的排气孔，它们在里面被通气过滤器盖住。一些硬盘甚至使用更细粒度的过滤装置来去除更小的颗粒。

图7-11 硬盘里的空气循环

硬盘有一个过滤口将空气吹入或吹出HDA，因此湿气也会进入硬盘，经过一段时间后，必须认为任何硬盘的内部湿度都近似于外部湿度。湿气如果冷凝的话就成为严重的问题——特别当存在着冷凝现象给硬盘加电时。大多数硬盘厂家都规定了使硬盘适应一个温度和湿度范围都不同的新环境的过程，尤其是把硬盘带入一个更温暖的环境里，这时会形成冷凝。漆上型或便携式系统的用户更应注意这种情况。例如，如果冬天用户将一台便携系统放在汽车行李箱里，那么再把机器拿到室内后，若没等它适应室内的温度之前就打开电源，会造成严重的后果。
转轴电机
驱动盘片旋转的电机被称为转轴电机（Spindle motor），因为它连到一个转轴上，盘片都围绕着该轴旋转。硬盘里的电机总是直接连接的，没有螺丝或齿轮。电机必须没有噪声和振动，否则它会影响盘片，破坏读写操作。
转轴电机的速度必须是精确控制的。硬盘中的盘片旋转速度从3600到15000rpm（每秒60～250转）或更高，电机有一个带反馈循环的控制电路来精确地监测和控制速度，一些诊断程序声称可以测出硬盘旋

转速度，但这些程序所做的全部工作是根据扇区通过磁头的定时来估计旋转速度。如果某个诊断程序发现硬盘的旋转速度不正确也不要惊恐，这很可能是程序而不是硬盘的错误。
注意 转轴电机，尤其是在更大硬盘上的电机，会消耗大量的+12V电量。大多数硬盘在电机刚开始旋转盘片时要求2到3倍的正常操作电压，这个重负载只持续几秒钟或直到硬盘盘片达到工作速度。如果有多块硬盘，用户应该对转轴电机的启动进行排序，以便电源不必在同一时刻对所有硬盘提供如此大的负荷。
逻辑板
所有的硬盘都装有一块或多块逻辑板，它包括控制硬盘转轴和磁头驱动系统的电路，并以某种约定的形式把数据送给控制器。在ATA、SATA硬盘里，逻辑板包括控制器本身。
连接器
大多数硬盘驱动器至少有以下两种连接器：
? 接口连接器。
? 电源连接器。
其中，接口连接器在系统和硬盘之间传递数据和命令信号。大多数硬盘使用+5V和+12V电源，而一些用于便携式系统的小型硬盘只使用+5V电源。大多数情况下，+12V电源用来运行转轴电机和磁头驱动机构，+5V电源运行电路。
配置项目
要配置硬盘安装在系统里，通常必须正确地设置几个跳线（可能还有中止电阻），这些部件随接口不同而变化，经常也随驱动器而变化。
7.4.3 硬盘的性能参数
单碟容量
由于硬盘包含有一个或几个盘片，所以单碟容量（storage per disk）就是指包括正反两面在内的每个盘片的总容量。单碟容量的提高所带来的好处不仅是使硬盘容量得以增加，而且还会带来硬盘性能的相应提升。因为单碟容量的提高就是盘片磁道密度每英寸的磁道数的提高，磁道密度的提高不但意味着提高了盘片的磁道数量，而且在磁道上的扇区数量也得到了提高，所以盘片转动一周，就会有更多的扇区经过磁头而被读出来，这也是相同转速的硬盘单碟容量越大，内部数据传输率就越快的一个重要原因。此外单碟容量的提高使线性密度（每英寸磁道上的位数）也得以提高，有利于硬盘寻道时间的缩短。
转速
转速（rotationl speed）就是硬盘转轴电机主轴的转速，以每分钟硬盘盘片的旋转圈数来表示，单位是rpm。目前常见的硬盘转速有5400rpm、7200rpm和 10000rpm等。理论上转速越高，硬盘性能相对就越好。因为高转速能缩短硬盘的平均等待时间，并提高硬盘的内部传输速度。但是转速越快的硬盘发热量和噪音相对也越大。为了解决这一系列的负面影响，应用在精密机械工业上的液态轴承马达便被引入到硬盘技术中。液态轴承马达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

温度被减至最低；同时油膜可有效吸收震动，使抗震能力得到提高；此外这还能减少磨损，提高硬盘寿命。
平均寻道时间
平均寻道时间（average seek time）是指将磁头从一个柱面移到另一个随机距离远的柱面所需的平均时间，单位为ms。测量这个参数的一种方法是运行很多次随机寻道操作，然后将花费的时间除以执行的寻找次数，这种方法提供了单次寻找的平均时间。
许多硬盘厂商测量平均寻道时间的标准方法是测量磁头移过全部柱面的三分之一所需的时间。平均寻道时间与硬盘采用的接口或控制器的类型没有什么关系，它是对磁头驱动机构能力的一个评判。
当单碟容量增大时，磁头的寻道动作和移动距离减少，从而使平均寻道时间减少，加快硬盘速度。目前主流硬盘的平均寻道时间一般在9ms左右。
注意 要谨慎对待声称可以测量硬盘寻道性能的基准程序（benchmark）。大多数硬盘使用称做扇区翻译（Sector translation）的一种机制，因为硬盘收到的将磁头移到特定柱面的任何命令可能实际不会产生预想的物理运动，这种情况使得一些基准测试程序对于这些类型的硬盘毫无意义。
平均潜伏时间
平均潜伏时间（average latency　time）是指当磁头移动到数据所在的磁道后，等待指定的数据扇区转动到磁头下方的时间，单位为ms。平均潜伏时间是越小越好，潜伏时间短表示硬盘在读取数据时的等待时间更短。转速越快的硬盘具有更低的平均潜伏时间，而与单碟容量关系不大。一般来说，5400rpm硬盘的平均潜伏时间为5.6ms，而7200rpm硬盘的平均潜伏时间为4.2ms。
平均访问时间
平均访问时间（average access time）指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并且从目标磁道上找到指定的数据扇区所需的时间，单位为ms。平均访问时间最能够代表硬盘找到某一数据所用的时间，越短的平均访问时间越好，一般在11ms－18ms之间。平均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括了硬盘的平均寻道时间和平均潜伏时间，即：平均访问时间=平均寻道时间+平均潜伏时间。
缓存
缓存（buffer/cache）指的是硬盘的高速缓冲存储器，是硬盘与外部总线交换数据的场所。缓存的作用是相当重要的，缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素。目前，主流硬盘的缓存大小是2MB-8MB。
数据传输率
计算机通过接口从硬盘的缓存中将数据读出交给相应的控制器的速度与硬盘将数据从盘片上读取出交给硬盘上的缓存的速度相比，前者要比后者快得多，前者是外部数据传输率（external transfer rate），而后者是内部数据传输率（internal transfer rate），两者之间用缓存作为桥梁来缓解

速度的差距。
外部数据传输率通常称为突发数据传输率（burst data transfer rate），指的是PC通过数据总线从硬盘缓存中所读取数据的最高速率。理论上，ATA-6标准的硬盘外部数据传输率已经达到100MB/s，Ultra-ATA/133标准的硬盘外部数据传输率可达到133MB/s， SATA-300标准的硬盘外部数据传输率更是高达300MB/s。
内部数据传输率也被称作硬盘的持续传输率（sustained transfer rate），指的是磁头至硬盘缓存间的数据传输率，由于内部数据传输率才是系统真正的瓶颈，有效地提高硬盘的内部数据传输率才能对硬盘的性能有最直接、最明显的提升。目前，各硬盘生产厂商努力提高硬盘的内部数据传输率，除了改进信号处理技术、提高转速以外，最主要的就是不断的提高单碟容量以提高线性密度。
连续无故障时间
连续无故障时间（MTBF）的概念在第六章――电源中已经做了描述，硬盘的MTBF值通常从300000到800000小时或更高。再次强调的是，MTBF是针对一类硬盘，而不是单块硬盘。这意味着如果硬盘的MTBF是500000小时，可以认为这类硬盘在500000小时的总运行时间里会出现一次故障。如果这种型号硬盘有1000000块在工作之中，而且所有的1000000块硬盘都同时运行，则用户可认为每隔半小时所有的这些硬盘中就发生一次故障。MTBF参数对于预测任何单块硬盘或少数硬盘的故障是没有用的。
硬盘表面温度
硬盘表面温度指硬盘工作时产生的温度使硬盘密封壳温度上升情况。硬盘工作时产生的温度过高将影响磁头的数据读取灵敏度，因此硬盘工作表面温度较低的硬盘有更好的数据读写稳定性。
7.4.4 硬盘的容量
在标称磁盘（包括软盘）容量时有四个通常使用的数值：
? 未格式化容量，以百万字节为单位。
? 格式化容量，以百万字节为单位。
? 未格式化容量，以兆字节为单位。
? 格式化容量，以兆字节为单位。
我们遇到的最常见问题也许就是“丢失的”磁盘容量。考虑下面例子：用户刚在系统上安装了一个新的硬盘，它声称容量为30.6GB。当使用FDISK分区时，FDISK报告的容量只有28.5GB！“其他的2.1GB跑哪儿去了?”
其实，只需要先查询磁盘的总扇区数，再通过几步的计算就可得到如下结果：
总扇区数：59777640
每扇区字节数：512
总字节数（十进制兆字节）：30606
总字节数（十进制吉字节）：30.6
总字节数（二进制兆字节）：29188
总字节数（二进制吉字节）：28.5
FDISK报告：29188
上表中所有的数都是正确的。硬盘厂商通常以十进制兆字节（百万字节）报告硬盘的容量，而BIOS和FDISK等分区软件以二进制兆字节报告容量。一个十进制兆字节等于100万个字节，而一个二进制兆字

节等于1048576个字节（或1024KB，每个KB为1024字节）。因此，由于百万字节和兆字节经常使用相同的缩写MB，所以这个30.6GB硬盘的真实容量也就是28.5GB。
7.4.5 硬盘格式化
用户将数据写入磁盘之前需要进行两个格式化过程：
? 物理的，或低级格式化。
? 逻辑的，或高级格式化。
硬盘需要将上述的两步格式化操作分开进行，而且硬盘在这两个格式化过程之间还需要另一个步骤，即将分区信息写到硬盘上。硬盘被设计为用于多个操作系统，所以分区是必需的。分区使一块硬盘可运行多种操作系统，或者允许一个操作系统将硬盘用作多个卷标或逻辑驱动器。因此，硬盘存储数据之前包括三个步骤：
低级格式化
早期，用户可以对硬盘进行物理意义上的低级格式化。在低级格式化过程里，格式化程序将硬盘的磁道划分成特定数目的扇区，创建扇区之间和磁道之间的间隔，并记录扇区头部和尾部信息。它还用一个空字节值或一个测试值的模式来填充每个扇区的数据域。
现代硬盘的磁道和扇区已经由工厂的写伺服系统划分好，用户对硬盘根本没有办法做到物理意义上的低级格式化了。目前，低级格式化的软件其实就是在调用硬盘的一个叫做“格式化磁道”的指令，这个指令是标准指令，硬盘在执行这个指令时，是将每个磁道检验一遍，并将有问题的扇区标记为坏扇区，再将一个标记为未使用的扇区的标记改成那个坏扇区的标记，这个操作其实就是将一个好扇区替代一个坏扇区。
分区
在硬盘上创建分区可以允许硬盘支持多个独立的文件系统，每个系统都位于自己的分区里。从而每个系统可以使用自己的方式在称为簇（cluster）或分配单元的逻辑空间里分配文件空间。通常，每块硬盘必须至少有1个分区，最多有4个分区。每个分区可以支持相同的或不同类型的文件系统。目前，PC操作系统通常使用三种文件系统：
? FAT（File Allocation Table，文件分配表）。DOS、Windows 9x和Windows NT支持的标准文件系统。FAT分区在DOS下支持最长11个字符的文件名（8+3字符扩展），在Windows 9x或Windows NT（或以后的版本）下最长为255个字符。标准FAT文件系统使用12或16位数字来标识簇，因此分区最大容量为2GB。
通过FDISK程序，用户只能创建2个物理FAT分区——主分区和扩展分区——但可将扩展分区进一步划分为最多25个逻辑分区。其他的分区程序如Partition Magic可以创建最多4个主分区或3个主分区加1个扩展分区。
? FAT32（File Allocation Table 32-bit 32位文件分配表）。—种可选的文件系统。被 Windows 95 OSR2（OEM Service Release 2）、Windows 98、Windows Me、Windows 2000和Windows XP支持。
FAT32使用32位

数来标识簇，这样最大单卷尺寸会达到2TB或2048GB。
? NTFS（Windows NT File System，Windows NT文件系统）。Windows NT特有的文件系统支持最多256个字符长度的文件名，理论上最大支持16 exabytes（16亿兆）的分区。NTFS还提供了 FAT文件系统没有的扩展属性和安全特征。
在这三种文件系统里，FAT文件系统兼容性最好，可以被几乎所有操作系统访问；FAT32和NTFS提供了其他特性，但不能被所有的操作系统所访问。
在DOS和Windows 9x中分区程序是FDISK，其他Windows操作系统除了提供分区程序以外，在安装过程中也提供了分区的功能。这些分区工具允许用户指定硬盘每个分区的空间大小，从1M字节或硬盘容量的百分之一直到硬盘的整个容量，或特定文件系统所允许的最大值。
切记 这些分区工具不能用于改变分区的大小，而只能进行分区的删除和创建。删除分区会删除分区上的数据，创建分区会删除部分位于该分区的数据；如果不想破坏数据，可以尝试使用第三方工具程序。
硬盘一旦被分区之后，每个分区必须被将要使用它的操作系统执行高级格式化。
高级格式化
在高级格式化过程中，操作系统创建管理磁盘上文件和数据所必需的结构。例如，FAT分区有一个磁盘卷引导扇区（Volume Boot Sector, VBS）和文件分区表FAT的两个副本，在每个格式化后的逻辑驱动器上还有一个根（root）目录。这些数据结构使操作系统能够管理磁盘上的空间，记录文件踪迹，甚至管理有缺陷的区域，使得它们不引起故障。
7.4.6　硬盘的相关技术
S.M.A.R.T
S.M.A.R.T是自动检测分析及报告技术（Self-Monitoring Analysis and Report Technology）的简写。目前硬盘的平均无故障运行时间（MTBF）已达300000到800000小时，但这显然还是不够的，因为储存在硬盘中的数据是最有价值的，因此需要能提前对故障进行预测的功能，正是这种需求才使S.M.A.R.T.技术得以应运而生。
现在出厂的硬盘基本上都支持S.M.A.R.T技术。这种技术可以对硬盘的磁头单元、转轴电机、逻辑板以及盘片表面介质等进行监测，它由硬盘的监测电路和主机上的监测软件对被监测对象的运行情况与历史记录及预设的安全值进行分析、比较，当S.M.A.R.T监测并分析出硬盘可能出现问题时会及时向用户报警，以避免数据受到损失。S.M.A.R.T技术必须在主板支持的前提下才能发生作用，而且同时也应该看到S.M.A.R.T. 技术并不是万能的，对渐发性的故障监测是它的用武之地，而对于一些突发性的故障，如对盘片的突然冲击等，S.M.A.R.T.技术也同样是无能为力的。
RAID
RAID是独立（或廉价）磁盘冗余阵列（Redundant Array of Independent／Inexpensive Disks）的简写，用于提高

计算机存储系统的容错和性能。RAID最初由加州大学Berkeley分校于1987年开发，通过使用专用的硬件和软件将一些小的廉价的磁盘互联起来，使系统看来它们像是一块单独的大容量磁盘。通过将多个磁盘看作一个磁盘，增加容错能力和提高性能是可以实现的。
最初，RAID只是被简单地构想成为将几块单独的硬盘以阵列形式组合在一起，形成容量为各硬盘容量之和的大硬盘。然而，这样做实际上降低了可靠性，对性能也没有多少提高。例如，如果将4块硬盘以阵列形式组合成一个大硬盘，其访问失败的机会将是单块硬盘访问失败机会的4倍。为了增加可靠性，提高性能，Berkeley的科学家们将RAID分为6级（按照不同的方法）。这些不同的级别是根据容错（可靠性）、存储能力、性能或者三者的结合等角度来划分的。
1992年7月，一个称为RAID咨询委员会（RAID Advisory Board, RAB）的机构成立了，该机构旨在标准化、分类以及培训有关RAID的内容，这些内容可以在网站上获取。RAB已经发布了有关RAID的规范，还有一个各种RAID级别的鉴别程序以及RAID硬件的分类程序。
到目前为止，RAB定义了7种标准的RAID级别，分别是RAID0到RAID6。还有一些其他的RAID级别，不过它们不被RAB支持，但也有公司实现了它们。注意，级别号越高，并不意味着性能和容错功能更好，RAID级别的序号是很武断地定义的。
目前最常用的RAID级别是：RAID 0、RAID 1和RAID 5。
? RAID 0——条带（striping）。文件数据条带分割后，将各段数据按照顺序分别写入多块硬盘中，就好像写入一块单独的硬盘一样。RAID 0性能比较高，但牺牲了可靠性（一块硬盘发生故障，所有的数据将全部丢失）。对于RAID 0来说，性能随着阵列中硬盘数目的增多而增大，但并不是说，如果使用了4块硬盘就会得到单块硬盘4倍的性能，因为在控制器进行数据条带化时还要有一定的开销，而且还存在一些延时问题，不过，如果数据传输平稳的话，实际性能还是很接近这个值的。RAID 0的实现最少需2块硬盘。图7-11展示了RAID 0工作原理。

图7-11 RAID 0工作原理

? RAID 1——镜像（mirroring）。写入到一块硬盘的数据是另一块硬盘的副本。
RAID 1可靠性很高，所有写到一块硬盘的数据同时也要写到另一块硬盘，如果一块硬盘发生故障，另一块硬盘会保证系统继续运行。这种方式可以提高系统的读性能，但丝毫没有提高写性能。并且RAID 1只能使用硬盘总容量的一半，也就是说，安装两块硬盘，但实际上只使用一块（另一块是镜像）。RAID 1的实现最少需2块硬盘。图7-12展示了RAID 1工作原理。

图7-12 RAID 1工作原理

? RAID 5—

—分布式奇偶校验。文件数据条带分割后，将各段数据和通过运算产生的奇偶校验数据分别写入多块硬盘。其中，奇偶校验数据分布于各块硬盘上。
为了要同时获得性能和可靠性，可以使用RAID 5，如果一块硬盘读写失败，系统可以继续使用，不
会发生数据的丢失。实现了RAID 5的控制器通常价格较昂贵，RAID 5的实现最少需3块硬盘。图7-13
展示了RAID 5工作原理。

图7-13 RAID 5工作原理

许多RAID控制器将几种RAID级别结合起来以提高性能和可靠性，例如，将RAID 0和RAID 1结合在一起形成RAID 10。这通常需要4块硬盘，其中两块使用RAID 0进行数据条带化，然后再以RAID 1的方式冗余备份到另外两块硬盘中，如果基本数据硬盘发生故障，备份数据硬盘会保证系统继续运作。图7-14展示了RAID 10工作原理。

图7-14 RAID 10工作原理

尽管完全可以只用软件实现以上级别的RAID，但与使用RAID控制器相对性能较差，所以经常接触到的RAID一般是由 RAID控制器实现的。最初，所有的RAID控制器都是基于SCSI的，即它们都使用SCSI硬盘。从专业的角度来讲，SCSI与RAID是注定要结合到一起的，因为SCSI正是为支持多驱动器而设计的。不过，现在已经有ATA/SATA RAID控制器问世，有些主板将ATA/SATA RAID控制器集成在主板上，甚至很多主板芯片组直接提供RAID支持，这种实现方式成本更低。ATA/SATA RAID控制器一般用于单用户系统中，主要目的是提高性能，而不是为了获得很高的可靠性。
7.5 软盘和软盘驱动器
7.5.1 软盘
虽然现在已经不用软盘作为主要存储媒体了，但在绝大多数系统中还有使用价值，尤其是在故障处理时。当要在新的硬盘上安装或建立一个系统时，我们要用软盘来载入分区和格式化硬盘的软件，安装特定设备的驱动程序，系统出了问题时还可以用软盘来运行一些诊断程序。
现在使用的软盘大都是3.5英寸、1.44MB的。在一些早期的PC系统上还曾经广泛使用过5.25英寸、1.2MB的软盘。
对于操作系统来说，软盘上的数据是按磁道和扇区组织，这和硬盘没有两样。磁道是很窄的，是一个磁盘上的一系列同心圆。扇区把相互独立的磁道分割成了一块一块的。
表7-5简略地给出了PC机的软盘的标准格式。
表7-5 3.5英寸和5.25英寸磁盘的格式
双密360KB（DD） 高密1.2MB（HD） 双密720KB（DD） 高密1.44MB（HD） 特高密2.88MB（ED）
盘片尺寸 5.25英寸 5.25英寸 3.5英寸 3.5英寸 3.5英寸
每扇区字节数 512 512 512 512 512
每磁道扇区数 9 15 9 18 36
每面磁道数 40 80 80 80 80
面数 2 2 2 2 2
容量（千字节） 360 1 200 720 1 440 2 880
容量（兆字节） 0.352 1.172 0.703 1.406 2.813
容量（百万字节） 0.369 1.229 0.737 1.475 2.949

用户自己可以计算不同格式软盘的容量。用每磁道的扇区数×两面的磁道总数×512字节。大家可以看到，不同磁盘的容量是由一些参数决定的，而且有些参数在所有的驱动器上都一样；另一些参数则不一样。例如，所有的软盘象硬盘一样，每物理扇区都是512字节。
注意 在前面章节已经讲到软盘容量有不同的表示方式。所以我们常说的1.44MB的磁盘的实际容量是 1.406MB。
就像白纸一样，新软盘中没有任何信息。并且对于软盘来说，用户也无需对它分区，低级格式化和高级格式化没有区别，如果用Windows操作系统或DOS 程序格式化软盘，高级格式化和低级格式化是同时进行的。
格式化一张软盘，操作系统将最靠近软盘外侧的一个磁道（0磁道）基本上全部留给自己用。在0面、0道、1扇区包含了DOS根记录（DBR），也叫做根扇区，从那儿系统才知道如何操作。接下来的一些扇区包含FAT，FAT中保存了磁盘上分配给空文件的簇或分配单元信息；再接下来的扇区中就是根目录了，操作系统将文件的有关名字和启动位置信息储存在其中。图7-15展示了5.25英寸和3.5英寸这两种软盘的外观以及盘片的磁道划分示意图。

图7-15 软盘的外观以及盘片的磁道划分示意图

注意 现在的多数软盘都以预格式化过的形式出售。这种做法可以节省用户的时间，因为格式化一张盘可能会花费1分钟或更多的时间。即使买到的软盘已被格式化，还是可以在以后再次进行格式化。
7.5.2 软盘驱动器
软盘驱动器的物理操作讲起来是非常简单的。软盘盘片以300rpm和360rpm的速度旋转，大部分的转速为300rpm，只有5.25英寸、1.2MB的转速是360rpm。当盘片旋转时，磁头可以内外移动大概1英寸，通过一种“隧道清洗”的方法写一定宽度的磁道，同时还将磁道的边缘擦洗干净，以免它对相邻磁道产生干扰。
在软盘驱动器家族中，主要包括以下几种类型：
? 720KB的3.5英寸驱动器
? 1.44MB的3.5英寸驱动器
? 2.88MB的3.5英寸驱动器
? 1.2MB的5.25英寸驱动器
? 360KB的5.25英寸驱动器
不管是哪一种类型的软盘驱动器，它都是由几个基本部分组成的。要想能够正确地安装、维护一个软盘驱动器，必须能够区分这些组成部件，理解它们各自的功能（见图7-16）。

图7-16 一种典型的软盘驱动器

读写磁头
一个软盘驱动器一般有两个读写头，一面一个。读写数据时，两个读写头在它们各自的面上一起工作。在PC系统中曾经使用过单面软盘驱动器，但现在这种单面软盘差不多已经从人们的记忆中消失了。
注意 很多人都不知道软盘驱动器中的0读写头，也就是第一个头，是下面的头。实际上，单面软盘驱

动器只使用下面的头，上面用一个压力贴粘住了。另一点就是：软盘驱动器上面的头（头1）并不是正对着下面的头（头0）的，而是向内偏4到8个磁道。具体偏多少是由软盘驱动器的类型确定的。
为了能够正确地读写软盘，磁头必须直接和磁介质接触。任何一个极小的微粒如松动的氧化铁、灰尘、污垢、烟尘、指纹、毛发都能导致读写软盘时出现问题。软盘和软盘驱动器生产商们经过测试发现：磁头和软盘盘面之间0.000032英寸（1英寸的100万分之32）的空隙就能导致读写错误。现在大家一定能明白对待软盘为什么要小心，必须在3.5英寸软盘的磁头访问处做一个遮挡盖以避免它受到玷污了。
磁头驱动器
软盘驱动器的磁头驱动器使用一种特殊的电机，叫做步进电机。它一次旋转一个或多个步矩角。这种类型的电机不是连续旋转的，而是转过一个精确计算的距离后又停下来。步进电机在定位方面不是无穷可变的，而是移动一个固定的增量，或者叫定位槽，然后又在某个定位槽位置停下来。对于磁盘驱动器来说，这种做法是理想的，要到达磁盘上某一磁道，电机移动一步或多步就可以了。磁盘控制器可以告诉电机要到达目的位置应该移动多少步，但是要在它的控制范围之内。比如说，要磁头到达第25柱面。控制器通知电机移动到第25定位槽，或者移动到离0柱面25步的地方。
步进电机可以以两种方式连接到磁头小车上。第一种连接是一个用线圈缠绕的带子。该带子缠绕在步进电机的轴上，将螺旋转动转换成直线运动。另外一些驱动器不使用这种带子，而是使用螺杆传动装置。在螺杆传动中，磁头全部装在螺杆上，它是由步进电机的轴直接驱动的。由于这种装配方式比较紧凑，所以一般的3.5软盘驱动器的磁头驱动器都是螺杆传动的。
转轴电机
转轴电机就是使磁盘旋转的电机。相对于硬盘来说，软盘驱动器转速是很慢的，这也是软盘数据传输率低的原因之一。但是，也正是因为这种低速度，才使得软盘磁头和盘面可以直接接触，在旋转时不至于因为相互摩擦而破坏盘面。
电路板
一个软盘驱动器包含若干块逻辑板，这些逻辑板就是一些控制磁头驱动器、转轴电机、磁盘传感器以及其他一些组件的电路板。这些逻辑板实现了驱动器与系统控制电路板的接口。
所有PC系统中软盘驱动器使用的标准接口是Shugart Associates SA-400接口，它是在70年代出现的基于NEC 765控制器芯片的接口。现在所有的软盘控制器都包括与当初的NEC 765片兼容的电路。它是一种标准接口，所以我们可以从几乎任何一家生产商那里购买软驱，但它们之间却能很好地兼容。
控制器

曾经有一段时间，计算机的软盘驱动控制器是一块扩展卡，插在ISA总线插槽上。后来又改成使用多功能卡，这些多功能卡提供除了软盘驱动控制器之外还提供IDE/ATA接口、串并口。现在的软盘驱动控制器都集成到主板上了，一般是一个也提供串、并口的超级I/O芯片。
不管是使用内嵌的，还是别的形式，软盘驱动控制器都使用下列一些标准资源：
? IRQ 6（中断请求）。
? DMA2（直接存储地址）。
? I/O端口3F0-3F5,3F7（输入/输出）。
这些系统资源是标准的，而且一般不可改变。这不是问题，因为其他设备不会使用这些资源，否则将导致冲突。
连接器
几乎所有的软盘驱动器都有两个连接器——一个连接电源，另一个连接数据线。一般5.25英寸的软盘驱动器使用D型大4针电源连接器和边框式接口连接器，3.5英寸的软盘驱动器使用小4针电源连接器和针式接口连接器，边框式和针式接口连接器都具有34根针脚。
7.5.3 软盘驱动器数据线
软盘驱动器的数据线也相应的有两种形式，一种是边框式（5.25英寸软盘驱动器），另一种是针式（3.5英寸软盘驱动器）。
早期软盘驱动器数据线是很特殊的，为了支持不同的驱动器配置，这种线缆上有5个连接器，其中的2个连接到软盘驱动器的边框式接口连接器，另外2个连接到软盘驱动器的针式接口连接器，还有1个连到控制器的针式接口连接器。该数据线到两个驱动器（A和B）都有冗余的连接器，而且标准软盘驱动控制器也支持这种冗余，所以可以在机器上安装5.25英寸软盘驱动器和3.5英寸软盘驱动器的任何组合（见图7-17）。由于5.25英寸软盘驱动器已经被淘汰，现在的软盘驱动器数据线上已不再安装边框式连接器，并且通常只有2个接口连接器（见图7-18）。

图7-17 标准的有5个连接器的软盘驱动器数据线


图7-18 目前常用的只有2个连接器的软盘驱动器数据线

大部分软盘驱动器数据线将10到16号线缆扭转了一下，这几根线是给软盘驱动器传输驱动器选择和启动（Drive Select and Motor）信号的。如果系统中有2个软盘驱动器，那么可以通过交换接口连接器的方法就可以互换A、B盘符了。另外，部分软盘驱动器有DS（驱动器选择）跳线，根据它也可以确定一个软盘驱动器的盘符是A还是B。
7.6 CD及驱动器
7.6.1 CD概述
1980年Philips和Sony制定了最初的CD（Compact Disc）音频标准，也就是红皮书CD-DA标准，并在此之后开始着手开发能够存储计算机文件、数据甚至视频和图像的其他光盘格式标准。这些标准包括如何格式化数据以便CD驱动器读取它们，还有一些文件格式标准用来设计PC机上的软件和驱动程序以便正确地读取和解释这