硬盤
硬盤作為計(jì)算機(jī)主要的外部存儲(chǔ)設(shè)備，隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷更新和廣泛應(yīng)用，不斷朝著容量更大、體積更小、速度更快、性能更可靠、價(jià)格更便宜的方向發(fā)展。
目前市場(chǎng)上的硬盤除昆騰公司的Bigfoot（大腳）系列為5.25英寸結(jié)構(gòu)外，其他都為3.25英寸產(chǎn)品，其中5.25英寸又有半高型和全高型之分。
我們先對(duì)硬盤的外部結(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)單的介紹。
1、接口
包括電源插口和數(shù)據(jù)接口兩部分，其中電源插口與主機(jī)電源相聯(lián)，為硬盤工作提供電力保證。數(shù)據(jù)接口則是硬盤數(shù)據(jù)和主板控制器之間進(jìn)行傳輸交換的紐帶，根據(jù)聯(lián)接方式的差異，分為EIDE接口和SCSI接口。EIDE接口由于造價(jià)低廉，使用方便，為多數(shù)硬盤采用。而采用SCSI接口則必須另配SCSI卡才能使用，雖然其價(jià)格相對(duì)較高，但卻具有優(yōu)良的傳輸性能，多在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和高檔圖形工作站等設(shè)備中使用。
2、控制電路板
采用貼片式元件焊接，包括主軸調(diào)速電路、磁頭驅(qū)動(dòng)與伺服定位電路、讀寫電路、控制與接口電路等。在電路板上還有一塊高效的單片機(jī)ROM芯片，其固化的軟件可以進(jìn)行硬盤的初始化，執(zhí)行加電和啟動(dòng)主軸電機(jī)，加電初始尋道、定位以及故障檢測(cè)等�；诜�(wěn)定運(yùn)行和加強(qiáng)散熱的原因，控制電路板都是裸露在硬盤表面的。在電路板上還安裝有高速緩存芯片，通常為128KB或256KB，而目前最新產(chǎn)品為了獲得更高的傳輸效率，已逐步使用512KB甚至2048KB的數(shù)據(jù)緩存。
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3、固定蓋板
實(shí)際上它是硬盤的面板，用以標(biāo)注產(chǎn)品的型號(hào)、產(chǎn)地、設(shè)置數(shù)據(jù)等，和底板結(jié)合成一個(gè)密封的整體，保證硬盤盤片和機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。
4、安裝螺孔
用于硬盤的安裝，對(duì)于3.25英寸的產(chǎn)品，固定蓋板和側(cè)面都具有安裝孔，可以方便靈活地放置。
下面我們來(lái)介紹硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)由固定面板、控制電路板、盤頭組件、接口及附件等幾大部分組成，而盤頭組件是構(gòu)成硬盤的核心，封裝在硬盤的凈化腔體內(nèi)，包括浮動(dòng)磁頭組件、磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、盤片及主軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、前置讀寫控制電路等。
1、浮動(dòng)磁頭組件
由讀寫磁頭、傳動(dòng)手臂、傳動(dòng)軸三部分組成。磁頭是硬盤技術(shù)最重要和關(guān)鍵的一環(huán)，實(shí)際上是集成工藝制成的多個(gè)磁頭的組合，它采用了非接觸式頭、盤結(jié)構(gòu)，加電后在高速旋轉(zhuǎn)的磁盤表面飛行，飛高間隙只有 0.1-0.3μm，可以獲得極高的數(shù)據(jù)傳輸率。現(xiàn)在轉(zhuǎn)速達(dá)5400rpm的硬盤飛高都低于0.3μm，以利于讀取較大的高信噪比信號(hào)，提供數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)的可靠性。由于早期硬盤采用的磁感應(yīng)磁頭在讀寫使用和設(shè)計(jì)上的局限性，新型大容量的硬盤產(chǎn)品都采用了新型MR磁阻磁頭。
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MR磁阻磁頭采用了讀寫分離的磁頭結(jié)構(gòu)，寫操作時(shí)使用傳統(tǒng)的磁感應(yīng)磁頭，讀操作則采用MR磁頭。分離設(shè)計(jì)可以針對(duì)磁頭的不同特性分別進(jìn)行優(yōu)化，以得到最佳的讀寫性能。
由于MR磁頭采用特殊材料制成，在磁場(chǎng)作用下可改變MR元件的電阻值和電流，當(dāng)磁頭飛過(guò)盤片表面時(shí)通過(guò)阻值變化去感應(yīng)信號(hào)，因而對(duì)信號(hào)變化相當(dāng)敏感，數(shù)據(jù)讀取的準(zhǔn)確性也非常高。同時(shí)MR磁頭具有極窄的道密度，可以把盤片磁道做得很細(xì)，則相應(yīng)整體密度將提高，從而使硬盤的單碟容量可以達(dá)到以GB(1GB=1024MB)為單位。隨著技術(shù)的發(fā)展，具備更窄的道密度，采用多層結(jié)構(gòu)、磁阻效應(yīng)更好的材料制作的GMR巨磁阻磁頭也已在超大容量的硬盤中使用。
2、磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
由音圈電機(jī)和磁頭驅(qū)動(dòng)小車組成，新型大容量硬盤還具有高效的防震動(dòng)機(jī)構(gòu)。高精度的輕型磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)Υ蓬^進(jìn)行正確的驅(qū)動(dòng)和定位，并在很短的時(shí)間內(nèi)精確定位到系統(tǒng)指令指定的磁道上，保證數(shù)據(jù)讀寫的可靠性。磁頭機(jī)構(gòu)的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、力矩電機(jī)和音圈電機(jī)三種，前兩種應(yīng)用在低容量硬盤中，現(xiàn)已被淘汰，大容量硬盤多采用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
音圈是中間插有與磁頭相連的磁棒的的線圈，當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，磁棒就會(huì)發(fā)生位移，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)裝載磁頭的小車，并根據(jù)控制器在盤面上磁頭位置的信息編碼來(lái)得到磁頭移動(dòng)的距離，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。音圈電機(jī)是密封型的控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)調(diào)整，速度比早期的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要快而且安全系數(shù)高。
3、盤片和主軸組件
盤片是硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的載體，現(xiàn)在的盤片大都采用金屬薄膜磁盤，這種金屬薄膜較之軟磁盤的不連續(xù)顆粒載體具有更高的記錄密度。
主軸組件包括主軸部件如軸瓦和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。隨著硬盤容量的擴(kuò)大，主軸電機(jī)的速度也在不斷提升，導(dǎo)致了傳統(tǒng)滾珠軸承電機(jī)磨損加劇、溫度升高、噪聲增大的弊病，對(duì)速度的提高帶來(lái)了負(fù)面影響。因而生產(chǎn)廠商開始采用精密機(jī)械工業(yè)的液態(tài)軸電機(jī)技術(shù)，液態(tài)軸承電機(jī)使用黏膜液油軸承，以油膜代替滾珠可以避免金屬面的直接摩擦，噪聲和溫度減小到最低。而油膜具有有效吸收震動(dòng)的能力，可以提高主軸部件的抗震能力，從理論上講液態(tài)軸承電機(jī)無(wú)磨損，壽命無(wú)限長(zhǎng)，是目前超高速硬盤的發(fā)展趨勢(shì)。
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4、前置控制電路
前置放大電路控制磁頭感應(yīng)的信號(hào)、主軸電機(jī)調(diào)速、磁頭驅(qū)動(dòng)和伺服定位等，由于磁頭讀取的信號(hào)微弱，將放大電路密封在腔體內(nèi)可減少外來(lái)信號(hào)的干擾，提高操作指令的準(zhǔn)確性。
5、其他新技術(shù)
PRML（局部響應(yīng)最大相似）讀取通道技術(shù)。PRML技術(shù)應(yīng)用于硬盤信號(hào)讀取時(shí)，能避免因磁道過(guò)窄造成的信號(hào)干擾，大幅度地提高盤片的密度。同時(shí)由于磁盤密度的增大，磁頭在相同時(shí)間內(nèi)可以讀取到更多的信號(hào)，使得讀取速度得以提高。而通過(guò)最大相似原理的多點(diǎn)采樣可以把磁頭讀取到的信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，以得出最匹配的信號(hào)再傳送出去，從而大大地提高了數(shù)據(jù)讀取的 準(zhǔn)確性。PRML技術(shù)的普通采用，使硬盤的容量、速度、可靠性都有了不同程度的提高。
S.M.A.R.T.技術(shù)，即自我監(jiān)測(cè)、分析及報(bào)告技術(shù)，它可以監(jiān)控磁頭、磁盤、電機(jī)、電路等，由硬盤的監(jiān)測(cè)電路和主機(jī)上的監(jiān)測(cè)軟件對(duì)被監(jiān)對(duì)象的運(yùn)行情況與歷史記錄和預(yù)設(shè)的安全值進(jìn)行分析、比較，當(dāng)出現(xiàn)安全值范圍以外的情況時(shí)，會(huì)自動(dòng)向用戶發(fā)出警告。而更先進(jìn)的技術(shù)還可以自動(dòng)降低硬盤的運(yùn)行速度，把重要數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)存到其它安全扇區(qū)，通過(guò)S.M.A.R.T.技術(shù)可以對(duì)硬盤潛在故障進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，提高數(shù)據(jù)的安全性。
最后介紹一下硬盤的工作原理
硬盤驅(qū)動(dòng)器加電正常工作后，利用控制電路中的單機(jī)初始化模塊進(jìn)行初始化工作，此時(shí)磁頭置于盤片中心位置，初始化完成后主軸電機(jī)將啟動(dòng)并高速旋轉(zhuǎn)，裝載磁頭的小車機(jī)構(gòu)移動(dòng)，將浮動(dòng)磁頭置于盤片表面的00道，處于等待指令的啟動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)接口電路接收到微機(jī)系統(tǒng)傳來(lái)的指令信號(hào)，通過(guò)前置放大控制電路，驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)發(fā)出磁信號(hào)，根據(jù)感應(yīng)阻值變化的磁頭對(duì)盤片數(shù)據(jù)信息進(jìn)行正確定位，并將接收后的數(shù)據(jù)信息解碼，通過(guò)放大控制電路傳輸?shù)浇涌陔娐�，反饋給主機(jī)系統(tǒng)完成指令操作。結(jié)束硬盤操作的斷電狀態(tài)，在反力矩彈簧的作用下浮動(dòng)磁頭駐留到盤面中心。
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