1.1 硬盘结构

硬盘是一个工艺要求精密、内部密封的专业数据存储系统。它集机、电、磁技术于一身，对用户而言，各类硬盘之间除其品牌型号、家族系列、各类参数有所不同外，最直观明显的区别就是硬盘接口的不同。硬盘接口是指硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。目前，常用硬盘可分为IDE、SATA、SCSI、光纤通道和SAS五种。IDE接口硬盘多用于家用产品中，也部分应用于服务器；SCSI接口的硬盘则主要应用于服务器市场，而光纤通道只在高端服务器上，价格昂贵。SAS是并行SCSI接口之后开发出的全新接口。此接口的设计改善了存储系统的效能、可用性和扩充性，并且提供与SATA硬盘的兼容性。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度也不相同。在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行的速度和系统性能的好坏。

1.1.1 硬盘外部结构

硬盘的外部结构并不复杂，主要由盘体、电源接口、数据接口、控制电路板等几部分构成。

1.盘体

硬盘的外壳与底板结合成一个密封的整体，简称盘体，如图1-1所示。

硬盘正面外壳起到了保证硬盘盘片和机构稳定运行的作用，在其面板上印有产品标签，标明该产品的厂家信息和产品信息，例如：商标、型号、容量、转速、序列号、产地及生产日期等信息，这些信息是正确使用硬盘的基本依据，如图1-2所示。

图中标示了西部数据WD2500BEVS的产品标签。从型号上判断，这是一款容量为250GB，转速为5400rpm的SATA高速硬盘，产品序列号为WXE408AX7395，产地是泰国，出厂日期是2008年5月3日。

控制电路板位于硬盘的背面，如图1-3所示。硬盘外部的物理结构总体可以分为外壳和控制电路板两个部分。

2.电源接口

电源接口的功能是通过与主机的电源连接，为硬盘工作提供电力支持。对于5.25inch与3.5inch的台式机硬盘，常见的接口类型有两种：一种是最为常见的4针D形电源接口；另一种为Serial—ATA硬盘使用的是SATA专用电源接口，该接口的宽度与以前的电源相当，这种接口有15个插针。在购买SATA硬盘时，厂商一般会在其产品包装中提供必备的电源转接线。

对于2.5inch的硬盘，可直接由数据口取电，不需要额外的电源接口。2.5inch的移动硬盘，由计算机外部的USB接口提供电力来源，而单个USB口供电约为4～5V，500mA，若移动硬盘盒用电需求较高，需要外接电源供电，否则，需接上两个USB口才能使用。但现今多数新型硬盘盒（使用2.5吋以下之硬盘）已可方便地使用单个USB口供电。

3.数据接口

数据接口是硬盘和主板控制器之间进行数据传输和信号交换的纽带，根据连接方式的差异，分为EIDE接口、SCSI接口、SATA串口光纤通道和SAS四种。硬盘通过硬盘数据线连接到硬盘数据接口。

老式的IDE硬盘采用的是普通40针数据线，现已不常见。目前IDE硬盘采用的是80针数据线。IDE接口技术不断发展，其性能也在不断提高，特点是价格低廉、兼容性强。

SCSI硬盘数据线有68针接口和80针接口两种。SCSI是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点，但价格较高，因此SCSI硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。

SATA硬盘采用7芯的数据线，采用点对点传输协议，这样可以做到在减少数据线内部电缆数目的情况下提高抗干扰能力。每个SATA线缆（或通道）只能连接一块硬盘，因此也不必考虑主、从跳线的设置。

光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度和灵活性才开发的，它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度。光纤通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设备数量大等。

SAS（Serial Attached SCSI）即串行连接SCSI，其技术特点是采用串行技术以获得更高的传输速度，并通过缩短连接线、改善内部空间等，是新一代的SCSI技术，和现在流行的Serial ATA（SATA）硬盘相同。SAS是并行SCSI接口之后开发出的全新接口。此接口的设计是为了改善存储系统的效能、可用性和扩充性，并且提供与SATA硬盘的兼容性。

4.控制电路板

为了加强散热，控制电路板一般裸露在硬盘下表面，但是也有少数硬盘将其完全封闭以更好地保护各种控制芯片，同时还能降低噪声。硬盘的控制电路板由主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、高速缓存、读/写控制电路、控制与接口电路等构成，如图1-4所示。

1.1.2 硬盘内部结构

从产品外观、产品特征及磁盘性能等方面可以认识了解硬盘，而大多数计算机的使用者和非计算机硬件维护方面的技术人员并不关心硬盘内部构造，因此硬盘的内部结构很少被涉及到。此外，硬盘内部对空气洁净度的要求极高，需要时要求在极为严格的超净环境中进行操作，不能沾染上一点灰尘，否则立即报废，这样就使得真正了解硬盘内部结构的机会变少了。硬盘内部如电机、磁头、盘片、接口等部件的外观是怎样的，它们又是如何工作的？可以通过对硬盘内部结构加以剖析，使用户能够更加了解硬盘的整体构造。

打开硬盘外壳之后，能够看到硬盘内部结构，如图1-5所示。

注意

硬盘内部结构主要包括：盘片、磁头、主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部分。其中磁头盘片组件是构成硬盘的核心，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等几个部分，如图1-6所示。

所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。而所有盘片之间是绝对平行的，在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小。所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向动作，而盘片以每分钟数千转的速度在高速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。硬盘是精密设备，尘埃是其大敌，所以必须完全密封。

1.磁头组件

磁头组件（Hard Disk Assembly，HDA）负责数据的最终存取，是硬盘中最精密的部件之一。它由三部分组成：读/写磁头、传动手臂、转动轴，如图1-7所示。

磁头采用非接触式头、盘结构，加电后与盘片之间的间隙只有0.1～0.3μm，这样能够获得极高的数据传输率。转速5400rpm的硬盘飞高都低于0.3μm，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性。

2.磁头驱动机构

硬盘的寻道是靠移动磁头来实现的，而移动磁头需要驱动机构才能完成。磁头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。另外，还有防振动保护装置，当硬盘受到强烈震动时，对磁头和盘片起到一定的保护作用，以避免磁头将盘片刮伤等情况的发生。

其中电磁线圈电机包含着一块永久磁铁，这是磁头驱动机构对转动手臂起作用的关键，磁铁的吸引力能够吸住并吊起拆硬盘使用的螺丝刀。防震动装置的作用是当硬盘受到强裂震动时，对磁头及盘片起到一定的保护使用，以避免磁头将盘片刮伤等情况的发生。

3.磁盘片

盘片是硬盘存储数据的载体，硬盘的盘片采用具有高密度、高剩磁、高矫顽力的金属薄膜工艺制成，而大家所熟悉的软盘盘片是一种不连续颗粒载体，所以硬盘盘片较之软磁盘具有更高的记录密度，如图1-8所示。

4.主轴组件

主轴组件由主轴部件、轴承和驱动电机等组成。由于硬盘技术不断发展，为了满足用户对其容量和转速的更大的需求，目前生产商采用了精密机械工业的液态轴承电机技术，从而有效地降低了硬盘工作噪声，提高了主轴电机的转速。

5.前置控制电路

前置控制电路的主要功能为以下几项：一是用于控制磁头感应的信号；二是用于磁头驱动；三是用于主轴电机调速；四是用于伺服定位。为了防止外来信号对磁头读取的微弱信号形成干扰，将放大电路密封在腔体内，从而提高了操作指令的准确性。

1.1.3 “温彻思特”技术

现在使用的硬盘采用的几乎都是“温彻思特”技术，这种硬盘也被称为温盘，具有以下几个特点。

●磁头、盘片及运动机构密封于盘体内部。

●固定并高速旋转的磁盘片表面平整光滑。

●为了满足硬盘运转时的磁头处于适度的“悬浮”状态（“悬浮”高度在0.1～0.3μm之间）并提高盘片的位密度，磁头制作时必须提供一个合适的加载力。

●磁头在启动、停止时与盘片接触，在工作时因盘片高速旋转，而带动磁头“悬浮”在盘片上呈飞行状态，不与盘片直接接触。

硬盘内的电机都为无刷电机，这是因为无刷电机具有：无电刷、低干扰；噪声低、运转顺畅；寿命长、维护成本低等优点，可以保证硬盘长时间连续工作。硬盘盘片在高速旋转时盘体会产生陀螺效应，所以工作中的硬盘不宜移动，否则将加重轴承的工作负荷。硬盘磁头的寻道伺服电机多采用音圈式旋转或者直线运动步进电机，在伺服跟踪的调节下精确地跟踪盘片的磁道，所以在硬盘工作时不要有冲击碰撞，搬动时要小心轻放。

硬盘驱动器、磁头与磁头臂及伺服定位系统是一个整体。伺服定位系统由磁头臂后的线圈和固定在底板上的电磁控制系统组成。由于定位系统限制，磁头臂只能在盘片的内外磁道之间移动。因此，不管开机还是关机，磁头总在盘片上。所不同的是，关机时磁头停留在盘片启停区，开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。

硬盘转速（Rotational speed或Spindle speed）对硬盘的数据传输率有直接的影响，转速是硬盘内部传输率的决定性因素之一，也是区别硬盘档次的重要标志。转速是指硬盘盘片每分钟转动的圈数，单位为rpm（转/分钟）。从理论上说，转速越快越好，因为较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读/写时间，从而可以提高在硬盘上的读/写速度。但任何事物都有两面性，在转速提高的同时，硬盘的发热量也会增加，它的稳定性就会有一定程度的降低。主流硬盘的转速多为5400rpm、7200rpm和10000rpm。

盘片厚度一般在0.5mm左右，若按其直径大小对盘片进行分类，目前大致可分为四种，主要有：1.8inch（1inch=25.4mm），2.5inch，3.5inch和5.25inch。其中应用最为广泛的为2.5inch和3.5inch盘片。考虑到惯性及盘片的稳定性，盘片的转速与盘片大小成反比，即盘片越大转速越低。譬如：2.5inch硬盘的转速在5400rpm～7200rpm之间；3.5inch硬盘的转速在4500rpm～5400rpm之间；而5.25inch硬盘转速则在3600rpm～4500rpm之间。随着技术的进步，现在2.5inch硬盘的转速最高可达15000rpm，3.5inch硬盘的转速最高已达12000rpm。

有的硬盘只装一张盘片，有的硬盘则有多张盘片。这些盘片安装在主轴电机的转轴上，在主轴电机的带动下高速旋转。每张盘片的容量称为单碟容量，而硬盘的容量就是所有盘片容量的总和。早期硬盘由于单碟容量低，这样盘片较多，有的甚至多达10余片，现代硬盘的盘片一般只有少数几片。一块硬盘内的所有盘片都是完全一样的，不然控制部分就太复杂了。同一品牌的一个系列一般都用同一种盘片，使用不同数量的盘片，就出现了一个系列不同容量的硬盘产品。

每个盘片的每个面都有一个读写磁头，磁盘盘面区域的划分如图1-9所示。

磁头通常情况下为两种状态：即运行和静止。对应的盘片就分为两个区域：启停区（也称着陆区）、数据区。启停区是一个特殊的区域，不存放任何数据，靠近主轴，该区域线速度最小。启停区外就是数据区。数据区的规划是这样的：离主轴最远的地方（即最外圈）是“0”磁道，硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。硬盘的初始定位即“0”磁道位置的确定，是由“0”磁道检测器来完成的，如果“0”磁道损坏了，就需要重建，否则整个硬盘就会报废。磁头在启动、停止的时候在启停区接触硬盘表面。磁头在工作时，不接触表面，处于悬浮飞行状态，飞行高度非常小。磁头读取数据时，盘片高速旋转，由于对磁头运动采取了精巧的空气动力学设计，此时磁头处于离盘面数据区0.1～0.5μm距离处。既不与盘面接触造成磨损，又能可靠地读取数据。因此，在工作过程中，一旦受到震荡磁头就会和盘片相撞，产生破坏性的后果。所以运转中的硬盘非常脆弱，绝对不能受到任何碰撞。

硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的单片机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0道，处于等待指令的启动状态。当接口电路接收到微机系统传来的指令信号，通过前置放大控制电路驱动音圈电机发出磁信号，再根据感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定位，并将接收后的数据信息解码，通过放大控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统完成指令操作。结束硬盘操作的断电状态，在反力矩弹簧的作用下浮动磁头驻留到盘面中心。

硬盘存储数据是根据电、磁转换原理实现的。硬盘工作时磁片高速旋转，设置在磁片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置，然后将数据存储或读取出来。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“写数据”电流磁场消失后仍能保持，这样数据就存储下来了。当系统从硬盘中读数据时，磁头经过盘片指定区域，磁片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化，经相关电路处理后还原成数据。因此，只要能将磁片表面处理得更平滑，磁头设计得更精密，以及尽量提高盘片旋转速度，就能制造出容量更大、读写数据速度更快的硬盘。这是因为磁片表面处理得越平滑、转速越快就能越使磁头离磁片表面越近，提高读、写灵敏度和速度。磁头设计越精密就能使磁头在磁片上占用空间越小，使磁头在一张磁片上能建立更多的磁道以存储更多的数据。