硬盘物理结构及工作原理

1. IDE硬盘

硬盘的种类
2. SATA硬盘

SATA（Serial Advanced Technology Attachment）硬盘是指采用SATA接口的硬盘， 如图所示。SATA接口采用串行数据传输方式，理论上传输速度比IDE接口要快很 多，解决了IDE硬盘数据传输信号干扰限制传输速率的问题，并且采用该接口的硬 盘支持热插拔，执行率也很高。

硬盘的内部结构
2.磁头驱动组件 磁头的移动是靠磁头驱动组件实现的，硬盘的寻道时间的长短与磁头驱动组件关系非 常密切。磁头的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，保证数据读写的可靠性。电磁线圈电机包含着一块永磁铁， 该磁铁的磁力很强，对于传动手臂的运动起着关键性的作用。防震装置是为了避免磁 头将盘片刮伤等情况的发生而设计的。
金属固定板
硬盘的外部结构
2. 控制电路板

在硬盘的金属盖板上会固定有一个电路板，这个电路板就是硬盘的控制电路板， 如图所示。为了节省空间，该电路板上的电子元器件大多采用贴片式元件焊接， 这些电子元器件组成了功能不同的电子电路，这些电路包括主轴调速电路、磁头 驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上有几个主要的 芯片：主控芯片、BIOS芯片、缓存芯片、电机驱动芯片。对于不同的硬盘，其 电路板上的主要芯片种类也是不同的。
硬盘物理结构及工作原理
硬盘的外部结构

硬盘的物理结构可以分为外部结构和内部结构两个部分，其逻辑结构 主要涉及硬盘盘片的数据存储。
从外部看，硬盘的结构主要包括金属固定面板、控制电路板和接口三部分。 1. 金属固定面板 硬盘外部总会有一个金属的面板，用于保护整个硬盘，如图所示。一般在硬 盘金属面板正面贴有产品标签，标签上多会标注产品的型号、产地、设置数 据等，这些信息是正确使用硬盘的基本依据。金属面板和底板结合成一个密 封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行。固定面板和盘体侧面还设有螺 纹孔，以方便硬盘的安装。
磁道
硬盘逻辑结构
2.扇区

分区格式化磁盘时，每个盘片的每一面都会划分很多同心圆的磁道，而且还会将 每个同心圆进一步的分割为多个相等的圆弧，这些圆弧就是扇区。为什么要进行 扇区的划分呢？因为，读取和写入数据的时候，磁盘会以扇区为单位进行读取和 写入数据，即使计算机只需要某个扇区内的几个字节的文件，也必须一次把这几 个字节的数据所在的扇区中的全部512字节的数据全部读入内存，然后再进行筛选 所需数据，所以为了提高计算机的运行速度，就需要对硬盘进行扇区划分。另外 ，每个扇区的前后两端都会有一些特定的数据，这些数据用来构成扇区之间的界 限标志，磁头通过这些界限标志来识别众多的扇区。 硬盘通常由一个或多个盘片构成，而且每个面都被划分为数目相等的磁道，并从 外缘开始编号（即最边缘的磁道为0磁道，往里依次累加）。如此磁盘中具有相同 编号的磁道会形成一个圆柱，此圆柱称为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘面 上的磁道数是相等的。由于每个盘面都有一个磁头，因此，盘面数等于总的磁头 数。
永磁铁
电磁线圈
硬盘的内部结构
3.盘片与主轴组件

盘片是硬盘存储数据的载体，盘片是在铝合金或玻璃基底上涂敷很薄的磁性材 料、保护材料和润滑材料等多种不同作用的材料层加工而成，其中磁性材料的 物理性能和磁层结构直接影响着数据的存储密度和所存储数据的稳定性。金属 盘片具有很高的存储密度、高剩磁及高矫顽力；玻璃盘片比普通金属盘片在运 行时具有更好的稳定性。如图所示，为硬盘的盘片和主轴组件。 主轴组件包括主轴部件轴瓦和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高 ，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电 机技术，这种技术的应用有效的降低了硬盘工作噪音。
硬盘工作原理
计算机中的数据都是保存在硬盘中的，那么硬盘的工作原理到底是怎样的 呢？简单的说，硬盘的工作原理就是利用盘片上的磁性粒子的极性来记录保 存数据的，其实就是电磁转换的原理。 硬盘存储数据的位置是在盘片的表面，但是盘片的材料一般为合金材料或 者是玻璃材料，并非磁性材料，因此不具备记录数据的条件，需要在盘片上 附着一层磁性粉，这些磁粉在硬盘工作过程中，通过磁头释放磁性信号将磁 粉做以不同的磁化从而记录数据，另外，硬盘在进行数字记录是，首先要将 记录的数据信息转为二进制数，然后将磁化状态记录在磁粉介质之上。 硬盘驱动器加电后，磁盘片由主轴电机驱动进行高速旋转，设置在盘片 表面的磁头会在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读出来。 当系统向硬盘写入数据时，磁头中写数据电流产生磁场使盘片表面磁性物质 状态发生改变，并在写电流磁场消失后仍能保持，当系统从硬盘中读取数据 时，磁头经过盘片指定区域，盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗 产生变化，经过相关电路处理后还原成数据。
3. SCSI硬盘

SATA硬盘
SCSI硬盘
SCSI（Small Computer System Interface）硬盘就是采用SCSI接口的硬盘，采用这种 接口的硬盘主要用于服务器，如图所示。这种接口使用50针，外观和普通硬盘接口 有些相似。SCSI硬盘和普通IDE硬盘相比有很多优点：接口速度快，并且由于主要 用于服务器，因此硬盘本身的性能也比较高，硬盘转速快，缓存容量大，CPU占用 率低，扩展性远优于IDE硬盘，并且同样支持热插拔。
缓存芯片 主控芯片 盘片电机接口
晶振
电机驱动芯片 数字信号处理芯片 电源控制芯片 SATA数据接口 电源接口
硬盘的外部结构
3. 接口

在硬盘的顶端会有几个不同的硬盘接口，如图所示，这些接口主要包括电源插座 接口、数据接口和主、从跳线接口，其中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。 中间的主、从盘跳线接口，用以设置主、从硬盘，即设置硬盘驱动器的访问顺序 。其设置方法一般标注在盘体外的标签上，也有一些标注在接口处，早期的硬盘 还可能印在电路板上。
硬盘的内部结构


打开硬盘的外壳，硬盘的内部结构一览无遗。仔细观察和了解后，总结出硬盘的 内部主要包括磁头组件、磁头驱动组件、盘片、主轴组件、前置控制电路等。
1. 磁头组件 磁头组件包括读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头组件中最主要的部 分是磁头，另外的两个部分可以看作是磁头的辅助装置。传动轴带动传动臂，使 磁头到达指定的位置。 磁头是硬盘中对盘片进行读写工作的工具，是硬盘中最精密的部位之一。磁头是 用线圈缠绕在磁芯上制成的，工作原理则是利用特殊材料的电阻值会随着磁场变 化的原理来读写盘片上的数据。硬盘在工作时，磁头通过感应旋转的盘片上磁场 的变化来读取数据；通过改变盘片上的磁场来写入数据。为避免磁头和盘片的磨 损，在工作状态时，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，间隙只有0.1～0.3um，而 不与盘片直接接触，在电源关闭之后，磁头会自动回到盘片上的着陆区，此处盘 片并不存储数据，是盘片的起始位置。如图所示为磁头组件及磁头驱动组件。
主轴 磁道 扇区

盘片
柱面
盘片
硬盘逻辑结构
1.磁道

当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这 些圆形轨迹就叫做磁道。磁盘上的磁道是一组记录密度不同的同心圆，如图所示。磁表面存储 器是在不同形状(如盘状、带状等)的载体上，涂有磁性材料层，工作时，靠载磁体高速运动， 由磁头在磁层上进行读写操作，信息被记录在磁层上，这些信息的轨迹就是磁道。这些磁道用 肉眼是根本看不到的，因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息便 是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近时磁性 会产生相互影响，同时也为磁头的读写带来困难，通常盘片的一面有成千上万个磁道。
3.柱面

硬盘的种类

硬盘的种类比较多，若是按照硬盘的接口类型的不同来分，大致可 以分为IDE硬盘、SATA硬盘、SCSI硬盘、移动硬盘、固态硬盘 硬盘按照其工作形式的不同可以分为两种，一种是机械硬盘，另一 种是固态硬盘。比较常见的机械硬盘按照其接口形式的不同可以分 为IDE硬盘、SATA硬盘、SCSI硬盘三种。 IDE（Integrated Drive Electronics）硬盘是指采用IDE接口的硬盘，如 图所示 。IDE算是所有现存并行ATA接口规格的通称。这种硬盘相 对来说价格低廉、兼容性强、工作稳定、容量大、噪音低，应用比 较多。但是，这种硬盘采用并行数据传输方式，传输速度的不断提 升使得信号干扰逐渐变强，不利于数据的传输。
硬盘的工作过程
硬盘驱动器加电后，硬盘电路板上的主控芯片中的DSP（数字信号处理器）开始 对硬盘进行初始化；即DSP首先运行ROM中的程序，部分硬盘会检查各部件的完整 性，然后盘片电机起转，当转速达到预定转速时，盘片转速引起一定的气流托起磁头， 磁头开始运动，并定位到盘片的固件区，读取硬盘的固件程序和坏道表（固件区在硬 盘上的物理位置并不是一定的，完全由硬盘的设计决定；同时，并不是所有的固件都 一定要写在盘片上，在硬盘的所有固件中，只有硬盘的密码是一定写在其固件区的）， 在固件被正常读出后，硬盘初始化完成。接着主轴电机将启动并带动磁盘高速旋转， 同时音圈电机启动，带动磁头移动到硬盘的0柱面0磁头1扇区（也就是我们常说的0 道），处于等待指令的启动状态。 接下来，电脑运行一个应用程序时，应用程序通过操作系统的API（Application Programming Interface，应用程序接口）发出调用数据请求到CPU，然后CPU发出指 令，当硬盘接口电路接收到电脑的CPU传来的指令信号后，通过硬盘微处理器向电机 驱动芯片发出控制信号，接着电机驱动芯片将此信号翻译成电压驱动信号，驱动主轴 电机和音圈电机转动，进而带动盘片转动，并将磁头移动到数据所在的扇区；这时根 据感应阻值变化的磁头会读取磁盘上的数据信息。同时将读取的数据信息传送到磁头 信号放大芯片，磁头芯片将信号放大后，再传送到前置信号处理器，前置信号处理器 将接收到的模拟信号解码后再传送到数字信号处理器，数字信号处理器再对数据信号 进行进一步加工，转为数字信号，之后传送到接口电路；接口电路将数据转换成电脑 能识别的接口数据信号后，反馈给电脑系统，完成指令操作。最后硬盘微处理器向磁 头发出归位控制信号，使磁头归位。磁头又处于等待指令的启动状态，如下图所示为 硬盘工作过程图。
温彻斯特技术
随着计算机行业的不段发展，存储文件用的硬盘也在不断的发展， 1973年，IBM研制 成功了一种新型的硬盘IBM3340。这种硬盘拥有几个同轴的金属盘片，盘片上涂着磁性材 料，盘片和移动的磁头共同密封在一个盒子里面，磁头能从旋转的盘片上读出磁信号的变 化。这就是第一块温彻斯特硬盘（Winchester）。“温彻斯特”这个名字的来历是： IBM3340硬盘拥有两个30MB的存储单元，而当时一种很有名的“温彻斯特来福枪”的口 径和装药也恰好包含了两个数字“30”。于是这种硬盘的内部代号就被定为“温彻斯特”。 现在的IDE、SATA和SCSI接口硬盘采用的都是“温彻思特”技术，简称为“温盘”。 温彻斯特技术的主要内容是“头盘组合件（HAD，Head Disk Assembly）”。将磁头、盘 片、主轴等运动部分密封在一个壳体中，就形成一个头盘组合件（ HAD），头盘组合件与 外界环境隔绝，避免了灰尘的污染。其中，磁头浮动块采用小型化轻浮力设计，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。 温彻斯特硬盘的特点如下： （1）磁头、盘片、运动机构密封。 （2）固定并高速旋转的镀磁盘片表面平整光滑。 （3）磁头沿盘片径向移动。 （4）磁头对盘片接触式启停，但工作时呈飞行状态不与盘片直接接触。

电磁线圈 磁盘片
硬盘的内部结构
4.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，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高 操作指令的准确性。
前置控制电路
硬盘逻辑结构

新买来的硬盘是不能直接使用的，必须对它进行分区并进行格式化才能储存数据。经过格式化 分区之后，逻辑上每个盘片的每一面都会被分为磁道、扇区、柱面这几个虚拟的概念，并非像 切豆腐一样真的进行切割。如所示为硬盘划分的逻辑结构图。另外，不同的硬盘中的盘片数不 同，一个盘片有两面Fra Baidu bibliotek这两面都能存储数据，每一面都会对应一个磁头，习惯上将盘面数计为 磁头数，用来计算硬盘容量。 扇区，磁道（或柱面）和磁头数构成了硬盘结构的基本参数，用这些参数计算硬盘的容量，基 计算公式为： 存储容量=磁头数×磁道（柱面）数×每道扇区数×每扇区字节数
硬盘的种类
4. 固态硬盘 固态硬盘（Solid State Disk）用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，如图所示为 固态硬盘，它主要由控制单元和存储单元（FLASH芯片）组成。固态硬盘的接口规 范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上与普通 硬盘几乎一致。固态硬盘的存储介质分为两种，一种是采用闪存（ FLASH芯片）作 为存储介质，另外一种是采用DRAM作为存储介质。广泛应用于军事、车载、工控、 视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等领域。但是，由 于固态硬盘的成本比较高，销售价格相对较高，所以还没有得到普及。