外部存储设备

第6章外部存储设备

6.1 硬盘

6.1.1 硬盘的发展概述

6.1.2 硬盘的工作原理和结构

硬盘是一种磁介质的外部存储设备，数据存储在密封、洁净的硬盘驱动器内腔的多片磁盘片上。这些盘片一般是在以铝为主要成分的片基表面涂上磁性介质所形成，在磁盘片的每一面上，以转动轴为轴心、以一定的磁密度为间隔的若干个同心圆，被划分成磁道（Track），每个磁道又被划分为若干个扇区（Sector），数据就按扇区存放在硬盘上。在每一面上都相应地有一个读写磁头（Head），所有盘片相同位置的磁道就构成了所谓的柱面（Cylinder）。

硬盘的基本工作原理是这样的：硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的初始化模块进行初始化工作，此时磁头置于盘片中心位置。初始化完成后，主轴电机将启动，并以高速旋转，装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于盘片表面的00道，处于等待指令的启动状态。当主机下达存取磁盘片上的数据时，通过前置放大控制电路，发出驱动电机运动的信号，控制磁头定位机构将磁头移动，搜寻定位它要存取数据的磁道扇区位置，进行数据读写。

硬盘的第一个扇区（0道0头1扇区）被保留为主引导扇区。在主引导区内主要有两项内容：主引导记录和硬盘分区表。主引导记录是一段程序代码，其作用主要是对硬盘上安装的操作系统进行引导；硬盘分区表则存储了硬盘的分区信息。微型机启动时将读取该扇区的数据，并对其合法性进行判断（扇区最后两个字节是否为0x55AA或0xAA55 ），如合法则跳转执行该扇区的第一条指令。所以硬盘的主引导区常常成为病毒攻击的对象。

硬盘在结构上可以分为三大部分：

1．外部结构：

(1)接口

接口包括电源接口插座和数据接口插座两部分，其中电源插座与主机电源相连接。数据接口插座则是硬盘数据与主板控制芯片之间进行数据传输交换的通道。

(2)控制电路板

大多数的控制电路板都采用贴片式焊接，它包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块ROM芯片，里面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。在电路板上还安装有容量不等的高速数据缓存芯片，一般为512KB或2MB。

(3)固定面板

就是硬盘正面的面板，它与底板结合成一个密封的整体，保证了硬盘盘片和机构的稳定运行。在面板上最显眼的莫过于产品标签，上面印着产品型号、产品序列号、

产品、生产日期等信息。除此，还有一个透气孔，它的作用就是使硬盘内部气压与大气气压保持一致。

2. 内部结构：

硬盘内部结构由控制电路板、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。

3. 控制电路

硬盘控制电路总得来说可以分为如下几个部分：主控制芯片、数据传输芯片、数据缓存芯片等。其中，主控制芯片负责硬盘数据读写指令等工作；数据传输芯片则是将硬盘磁头前置控制电路读取出数据经过校正及变换后，由数据接口传输到主机系统；高速数据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；缓存对磁盘性能所带来的作用是无须置疑的，在读取零碎文件数据时，大缓存能带来非常大的优势。

6.1.3 硬盘的性能指标

1.硬盘容量

硬盘作为存放微型机所安装的软件及各种多媒体数据的主要外部存贮器，其容量的大小是一个非常重要的指标。硬盘的容量通常以兆字节（MB）或千兆字节（GB）为单位，目前主流硬盘容量为40GB以上。影响硬盘容量大小的因素有单碟容量和盘片数量。

2.平均寻道时间、平均潜伏时间和平均访问时间

硬盘的平均寻道时间是指磁头从初始位置移到目标磁道所需的时间。硬盘存取数据的过程大致是这样的：当硬盘接到存取指令后，磁头从初始位置移到目标磁道位置（经过一个寻道时间），然后等待所需数据扇区旋转到磁头下方（经过一个待等时间）开始读取数据。所以硬盘在读取数据时，要经过一个寻道时间和一个等待时间，那么硬盘的平均访问访问= 平均寻道时间+平均等待时间。平均寻道时间受限于硬盘的机械结构，这个时间越小越好。

3.转速

硬盘的转速是指硬盘内，驱动电机主轴的转动速度，单位为RPM （ROTATION PER MINUTE）。目前IDE硬盘的主轴转速一般为5400/7200RPM （每分钟5400转/7200转）。主流硬盘的转速为7200 RPM。SCSI硬盘主轴转速可达7200-10000 RPM，最高的SCSI硬盘主轴转速高达15000 RPM（希捷的捷豹X15系列）。

4.最大内部数据传输率

也称作持续数据传输率。它是指磁头到硬盘高速缓存之间的传输速度。硬盘的外部数据传输率远远高于其内部传输率。

5.外部数据传输率(突发数据传输率)

是指从硬盘高速缓存与系统总线之间数据传输率。外部数据传输率一般与硬盘接口类型和高速缓存大小有关。

6.数据缓存

是指在硬盘内部的高速缓冲存贮器，目前IDE硬盘的高速缓存贮器一般为512K-2M，主流IDE硬盘的高速缓存应为2M，而SCSI硬盘中最高的数据缓存已达16MB。

7.硬盘接口

目前硬盘的接口主要为IDE接口和SCSI接口两大类。此外，还有如IEEE1394接口、USB接口和PC-AC光纤通道接口的产品。IDE接口的硬盘与外部总线交换数据时，有两种控制数据流的方式，一种是PIO模式，另一种是DMA模式。SCSI接口硬盘具有比E-IDE接口硬盘更快的速度和更低的CPU占用率，但价格较高，主要用于高档微型机及服务器上。

SCSI接口近年来也经历了从最初的SCSI（最大数据传输率5MB/S）、SCSI-2（20MB/S）、SCSI-3（40MB/S）到Ultra 160/M SCSI的演变，目前Ultra 160/M SCSI的最大数据传输率已高达160MB/S。SCSI硬盘接口有三种，分别为50针，68针和80针，在硬盘标牌上标有的“N”、“W”、“SCA”就是表示接口针数的。N （NARROW）即窄口，50针；W（WIDE）即宽口，68针；SCA（SINGLE CONNETOR ATTACHMENT），即单接头，80针。其中，80针的SCSI硬盘支持热插拔。

8.连续无故障时间（MTBF）

它是指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间，单位是小时。一般硬盘的MTBF至少在30000～40000小时。

6.1.4 硬盘的新技术

1.新型磁头技术

读写合一的电磁感应式磁头(亚铁盐类磁头、MIG磁头，薄膜磁头等)。

MR磁头(磁阻磁头)

GMR（巨磁阻磁头）

TMR（隧道型磁阻）

2.PRML读取通道技术

3.接口技术

4.S.M.A.R.T技术(自监测、分析及报告技术)

5.RAID技术(廉价冗余磁盘阵列、磁盘阵列)

6.噪音与防震技术

6.1.5 硬盘的维护与常见故障处理

1. 硬盘的维护

(1) 防止硬盘受震动

(2) 硬盘正在读写时不能随意关机或重新启动系统