【文章內(nèi)容簡介】 e作為匹配來調(diào)節(jié)速度差異，如顯示器、硬盤、光驅(qū)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中都使用 Cache技術(shù)來提高設(shè)備傳輸性能。但由于磁盤等外部設(shè)備與 CPU之間的存取速度要慢得多，所以，磁盤 Cache并沒有使用 SRAM，而是使用 SDRAM存儲器作為 Cache。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 硬盤驅(qū)動器，簡稱硬盤（ Hard Disk），是微型計算機(jī)中廣泛使用的外部存儲器，它具有比軟盤大得多的容量，速度快，可靠性高，幾乎不存在磨損等問題，硬盤的存儲介質(zhì)是若干剛性磁盤片，硬盤由此得名。 圖 硬盤的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu) 硬盤作為主要的外部存儲設(shè)備，隨著其設(shè)計技術(shù)的不斷更新，不斷朝著容量更大、體積更小、速度更快、性能更可靠、價格更便宜的方向發(fā)展。目前市場上的硬盤幾乎都是，其外觀如圖 4. 18所示。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 圖 硬盤的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 硬盤驅(qū)動器的分類 （ a） 3． 5英寸 b） （ c） d） 1英寸 圖 各種尺寸的硬盤 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 目前，市面上流行的硬盤，其接口類型大致可分為：PATA（ IDE）、 SATA和 SCSI三種。 圖 IDE 40芯電纜接口 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 目前，市面上流行的硬盤，其接口類型大致可分為：PATA（ IDE）、 SATA和 SCSI三種。 圖 IDE 40芯電纜接口 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 圖 40芯和 80芯硬盤數(shù)據(jù)線 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 圖 SATA接口的硬盤 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 圖 Serial ATA數(shù)據(jù)線 2022年 5月 28日星期六 圖 SCSI接口硬盤 硬盤驅(qū)動器 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 圖 固態(tài)硬盤 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 硬盤的結(jié)構(gòu) 1. 硬盤的外部結(jié)構(gòu) 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 硬盤的結(jié)構(gòu) 1. 硬盤的外部結(jié)構(gòu) 圖 硬盤的外部結(jié)構(gòu) 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 （ 1）電源接口。 （ a） IDE電源線 （ b） SATA電源線 （ c） IDE、 SATA轉(zhuǎn)接線 圖 各種硬盤電源線 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 （ 2）數(shù)據(jù)接口。 （ a） IDE硬盤接口 （ b） SCSI硬盤接口 （ c） Serial ATA接口 圖 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 （ 3）控制電路板。 圖 硬盤控制電路板 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 （ 4）固定蓋板。 圖 Servo孔 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 2. 硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由固定面板、控制電路板、磁頭組件、接口及附件等幾大部分組成，而磁頭組件（ Hard Disk Assembly， HAD）是構(gòu)成硬盤的核心，封裝在硬盤的凈化腔體內(nèi)，如圖 ，磁頭組件包括浮動磁頭組件、磁頭驅(qū)動機(jī)構(gòu)、盤片及主軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)、前置讀寫控制電路等。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 圖 硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 （ 1）盤體。 盤體從物理的角度分為磁面（ Side）、磁道（ Track）、柱面（ Cylinder）與扇區(qū)（ Sector）四個結(jié)構(gòu)。其中，在最靠近中心的部分不記錄數(shù)據(jù)，稱為著陸區(qū)，是硬盤每次啟動或關(guān)閉時，磁頭起飛和停止的位置。所有盤片上半徑相同的磁道構(gòu)成一個圓筒，稱其為柱面。扇區(qū)是磁盤存取數(shù)據(jù)的基本單位，也就是將每個磁道等分后相鄰兩個半徑之間的區(qū)域。硬盤盤片多為金屬圓片，表面極為平整光滑，并涂有磁性物質(zhì)。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 （ 2）讀寫磁頭組件。 讀寫磁頭組件由讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸等三部分組成，如圖 。 圖 浮動磁頭組成 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 （ 3）磁頭驅(qū)動機(jī)構(gòu) 。 磁頭驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制磁頭的讀寫，直接為傳動手臂與傳動軸傳送指令。磁頭驅(qū)動機(jī)構(gòu)由音圈電機(jī)和磁頭驅(qū)動小車組成。 （ 4）主軸組件。 主軸組件包括軸瓦和驅(qū)動電機(jī)等，如圖 。 （ 5）硬盤控制電路。 硬盤控制電路控制磁頭感應(yīng)的信號、主軸電機(jī)調(diào)速、磁頭驅(qū)動和伺服定位等，如圖 。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 圖 圖 硬盤控制電路 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 硬盤的工作原理 硬盤的工作原理很簡單，硬盤可以讀取和寫入并保存數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)實際上是通過磁頭對硬盤片表面的可磁化單元進(jìn)行磁化，就像錄音機(jī)的錄音過程；不同的是，錄音機(jī)是將模擬信號順序地錄制在涂有磁介質(zhì)的磁帶上，而硬盤是將二進(jìn)制的數(shù)字信號以環(huán)狀同心圓軌跡的形式，一圈一圈地記錄在涂有磁介質(zhì)的高速旋轉(zhuǎn)的盤面上。讀取數(shù)據(jù)時，只需把磁頭移動到相應(yīng)的位置讀取此處的磁化編碼狀態(tài)即可。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 硬盤的工作原理 硬盤驅(qū)動器加電正常工作后，利用控制電路中的單片機(jī)初始化模塊進(jìn)行初始化工作。此時，磁頭置于盤片中心位置。初始化完成后，主軸電機(jī)將啟動并以高速旋轉(zhuǎn)。裝載磁頭的小車機(jī)構(gòu)移動，將浮動磁頭置于盤片表面的 00道，如圖 ，處于等待指令的啟動狀態(tài)，當(dāng)接口電路接收到微機(jī)系統(tǒng)傳來的指令信號，通過前置放大控制電路，驅(qū)動音圈電機(jī)發(fā)出磁信號，根據(jù)感應(yīng)阻值變化的磁頭對盤片數(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磁頭駐留到盤面中心。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 圖 硬盤驅(qū)動器的工作原理 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 硬盤驅(qū)動器的性能參數(shù) （ Volume）。 硬盤的容量以 MB、 GB、 TB為單位， 1 GB=1024 MB。但硬盤廠商在標(biāo)稱硬盤容量時通常取 1G=1000 MB，因此，在BIOS中或在格式化硬盤時看到的容量會比廠家的標(biāo)稱值小。 2. 轉(zhuǎn)速（單位： rpm）。 轉(zhuǎn)速（ Rotational speed或Spindle speed）是指硬盤盤片每分鐘轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，單位為rpm，有時也用 r/min表示，轉(zhuǎn)速是決定硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速率的決定性因素之一，同時，也是區(qū)別硬盤檔次的主要標(biāo)志。目前，市場上 IDE硬盤的主軸轉(zhuǎn)速為 5400～ 7200 rpm，主流硬盤的轉(zhuǎn)速為 7200 rpm， SCSI硬盤的主軸轉(zhuǎn)速可達(dá) 7200～ 10 000 rpm，而 SCSI硬盤的最高轉(zhuǎn)速高達(dá) 15 000 rpm（希捷“捷豹 X15”系列硬盤）。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 3. 數(shù)據(jù)傳輸率（單位： MB/s） 硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率（ Data Transfer Rate）是指硬盤讀寫數(shù)據(jù)的速度，單位為 MB/s。硬盤數(shù)據(jù)傳輸率又包括了內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率和外部數(shù)據(jù)傳輸率。 （ 1）內(nèi)部傳輸率（ Internal Transfer Rate） 也稱為持續(xù)傳輸率（ Sustained Tra nsfer Rate），是指磁介質(zhì)到硬盤緩存間的最大數(shù)據(jù)傳輸率。內(nèi)部傳輸率主要依賴于硬盤的旋轉(zhuǎn)速度。例如， WD2022JB硬盤的最大內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率為 。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 （ 2）外部傳輸率（ External Transfer Rate） 也稱為突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率（ Burst Data Transfer Rate）或接口數(shù)據(jù)傳輸率，它標(biāo)稱的是系統(tǒng)總線與硬盤緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，外部數(shù)據(jù)傳輸率與硬盤接口類型和硬盤緩存的大小有關(guān)。目前，主流硬盤普遍采用的是 Ultra ATA/100和ATA/133，它的最大外部數(shù)據(jù)傳輸率分別為 100MB/s和133MB/s。采用 SATA接口硬盤，目前最高傳輸速率可以達(dá)到3Gb/s，而在 SCSI硬盤中，采用 Ultra 160 SCSI接口標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 160 MB/s，采用 Fiber Channel（光纖通道），最大外部數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 400 MB/s。 Ultra 320 SCSI的接口在理論上將最大外部數(shù)據(jù)傳輸率提高到了 320MB/s 由于硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率要小于外部數(shù)據(jù)傳輸率，所以，內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率的高低才是衡量硬盤性能的真正標(biāo)準(zhǔn)，如圖。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 圖 硬盤內(nèi) /外數(shù)據(jù)傳輸率瓶頸 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 （單位： ms）。 平均訪問時間（ Average Access Time）是指磁頭從起始位置到達(dá)目標(biāo)磁道位置且從目標(biāo)磁道上找到要讀寫的數(shù)據(jù)扇區(qū)所需要的時間。 平均訪問時間體現(xiàn)了硬盤的讀寫速度，它包括了硬盤的尋道時間和等待時間，即平均訪問時間 =平均尋道時間 +平均等待時間。 硬盤的平均尋道時間（ Average Seek Time）是指硬盤的磁頭移動到盤面指定磁道所需要的時間。這個時間越小越好。目前，硬盤的平均尋道時間通常在 8～ 12 ms之間，而 SCSI硬盤則應(yīng)小于或等于 8 ms。 硬盤的等待時間又稱為潛伏期（ Latency），是指磁頭已處于要訪問的磁道，等待所要訪問的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)至磁頭下方的時間。平均等待時間為盤片旋轉(zhuǎn)一周所需時間的 1/2，一般應(yīng)在 4 ms以下。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 5．高速緩存（單位： KB、 MB）。 與主板上的高速緩存（ Cache）一樣，緩存是硬盤與外部總線交換數(shù)據(jù)的場所，當(dāng)磁頭從硬盤盤片上將磁記錄轉(zhuǎn)化為電信號時，硬盤會臨時將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)緩存內(nèi)，當(dāng)數(shù)據(jù)緩存內(nèi)的暫存數(shù)據(jù)傳輸完畢后，硬盤會清空緩存，然后再進(jìn)行下一次的填充與清空。目前，硬盤的高速緩存一般為 2MB～ 32MB，目前，主流 ATA硬盤的數(shù)據(jù)緩存為 8MB和 16MB。緩存大的硬盤在存取零散文件時具有很大的優(yōu)勢。 6. 硬盤單碟容量。 單碟容量是指硬盤單個盤片的存儲容量，由單位記錄密度（每平方英寸）決定，通過提高單碟容量，可以縮短尋道時間和等待時間，并極大地降低硬盤的成本。單盤容量越大，單位成本越低，平均訪問時間也越短。目前，市面上大多數(shù)硬盤的單碟容量為 60GB、 80GB、 100GB、200GB、 250GB、 334GB，而更高的容量則已達(dá)到了 500GB。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 7．磁頭數(shù)（ Heads）。 硬盤的磁頭數(shù)與硬盤體內(nèi)的盤片數(shù)目有關(guān)。由于每個盤片均有 2個磁面，每面都應(yīng)有 1個磁頭，因此，磁頭數(shù)一般為盤片數(shù)的 2倍。每面磁道數(shù)與每磁道所含的扇區(qū)數(shù)與硬盤的種類及容量有關(guān)。 8. 柱面。 硬盤通常由重疊的一組盤片（盤片最多為14片，一般均在 1～ 10片之間）構(gòu)成，每個盤面都被劃分為數(shù)目相等的磁道，并從外緣以“ 0”開始編號，具有相同編號的磁道形成一個圓柱，稱為硬盤的柱面。硬盤的柱面數(shù)與一個盤面上的磁道數(shù)是相等的。由于每個盤面都有自己的磁頭，因此，盤面數(shù)等于總的磁頭數(shù)。 2022年 5月 28日星期六 硬盤驅(qū)動器 9. 每磁道扇區(qū)數(shù)（ Sector）。 把硬盤的磁道進(jìn)一步劃分為扇區(qū)，每一扇區(qū)是 512B。格式化后，硬盤的容量由3個參數(shù)決定，即硬盤容量＝磁頭數(shù) 柱面數(shù) 扇區(qū)數(shù) 512（ B）。 10. 交錯因子。 交錯因子就是每兩個連續(xù)邏輯扇區(qū)之間所間隔的物理扇區(qū)數(shù)。交錯因子是硬盤低級格式化時，需要給定的一個主要參數(shù)，取值范圍在 1:1到 5:1之間，具體數(shù)值視硬盤類型而定。交錯因子對硬盤的存取速度有很大影響。雖然硬盤的物理扇區(qū)在磁道上是連續(xù)排列的，但進(jìn)行格式化后的邏輯扇區(qū)卻是交叉排列的，也就是說，連續(xù)的物理扇區(qū)對應(yīng)不連續(xù)的邏輯扇區(qū)。