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硬盘内部结构


发布时间: 2009-6-3 15:06:47 来源: 周建新

 

 

  从1956年9月,IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM 350 RAMAC(Random Access Method of Accounting and Control)至今,磁盘存储系统已经历了近半个世纪的发展。经历了这45年,磁盘的变化可以说是非常巨大的,最早的那台RAMAC容量只有5MB,然而却需要使用50个直径为24英寸的磁盘。但现在一块容量高达100GB的硬盘只需要3张磁盘片即可。

  当然,IBM 350 RAMAC与现在的硬盘有很大的差距,它只能算是硬盘的开山鼻祖。现代硬盘的真正原型,可以追溯到1973年,那时IBM公司推出的Winchester(温氏)硬盘,它的特点是:“工作时,磁头悬浮在高速转动的盘片上方,而不与盘片直接接触。使用时,磁头沿高速旋转的盘片上做径向移动”,这便是现在所有硬盘的雏形。今天高端硬盘容量虽然高达上百GB,但它却仍然没有脱离“温彻斯特”的动作模式。



  图1:左图是1980年IBM 10MB硬盘的内部结构图,右图为当今硬盘的内部结构

  图1是IBM公司于1980年在IBM-XT上的一块10M的硬盘图,可以看出,除了外行略大,无论外观还是内部结构和现在最先进的硬盘并无大的差别。

  技术的前进,总是将电脑系统朝人们喜欢的方面发展,而体积更小、速度更快、容量更大、使用更安全就是广大用户对硬盘的最大期望。出于这样的目的,硬盘工程师们为其做出了许多努力,例如研究读写更灵敏的磁头、更先进的接口类型、存储密度更高的磁盘盘片及更有效的数据保持技术等。这些技术上的突破使得硬盘不仅越来越先进,而且也更加稳定,这些也就是现在的硬盘与图1中所示硬盘的最大区别。

  深入了解硬盘

  平时我们了解硬盘,多是从产品外观、产品特征及磁盘性能等方面去认识,而硬盘的内部到底是怎样的呢?相信许多用户都不是很清楚,因为了解硬盘内部结构的机会实在太少了。我们经常听说磁头、盘片、接口等,但它们都长什么样我们却不是很清楚?还有所谓的玻璃盘片、主轴电机等又是什么呢?带着这些问题,接下来笔者将对硬盘进行一次大解剖,使大家能更深入地了解硬盘。

  在实际动手之前,还是先了解一些硬盘结构理论知识。总的来说,硬盘主要包括:盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部分。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。



  图2 待拆的西部数据WD200硬盘上的具体产品信息

  此次,笔者非常有幸从西部数据(WesternDigital)公司那儿拿到了一块最新硬盘,产品型号为WD200BB,如图2所示。从型号上可以判断,它是一款容量为20GB的7200RPM高速硬盘,产品序列号为 WMA9L1203351,产地为马来西亚,出厂日期是2001年8月15日。在接下来的说明中,笔者就以此块硬盘为例进行深入解剖及说明。

  外部结构



  图3 硬盘背面及各部件名称

  图3 所示的WD200BB硬盘是3.5英寸的普通IDE硬盘,它是属于比较常见的产品,也是用户最经常接触的。此外,硬盘还有许多种类,例如老式的普通IDE硬盘是5.25英寸,高度有半高型和全高型。除此,还有体积小巧玲珑的笔记本电脑,块头巨大的高端SCSI硬盘及非常特殊的微型硬盘。

  在硬盘的正面都贴有硬盘的标签,标签上一般都标注着与硬盘相关的信息,例如产品型号、产地、出厂日期、产品序列号等,图2所示的就是WD200BB的产品标签。在硬盘的一端有电源接口插座、主从设置跳线器和数据线接口插座,而硬盘的背面则是控制电路板。从图3中可以清楚地看出各部件的位置。总的来说,硬盘外部结构可以分成如下几个部分:

  ■ 接口 接口包括电源接口插座和数据接口插座两部份,其中电源插座就是与主机电源相连接,为硬盘正常工作提供电力保证。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,使用时是用一根数据电缆将其与主板IDE接口或与其它控制适配器的接口相连接,经常听说的40针、80芯的接口电缆也就是指数据电缆,数据接口可以分成IDE接口和SCSI接口两大派系。



  图4 揭开硬盘面板

  ■ 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,在此块硬盘内结合有2MB的高速缓存。

  ■ 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,这在上面已提到了。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。

  内部结构

  硬盘内部结构由固定面板、控制电路和板、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其它附件组成,其中磁头和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这几个部分。



  图5 细看西数硬盘内部结构

  将硬盘面板揭开后,内部结构即可一目了然,图5所示。

  ■ 磁头组件 这个组件是硬盘中最精密的部位之一,它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环,实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合,它采用了非接触式头、盘结构,加电后在高速旋转的磁盘表面移动,与盘片之间的间隙只有0.1~0.3um,这样可以获得很好的数据传输率。现在转速为7200RPM的硬盘飞高一般都低于0.3um,以利于读取较大的高信噪比信号,提供数据传输率的可靠性。



  图6 西数硬盘磁头及附属组件

  至于硬盘的工作原理,它是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。磁头在读取数据时,将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号,再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据,写的操作正好与此相反。从图6中我们也可以看出,西数WD200BB硬盘采用单碟双磁头设计,但该磁头组件却能支持四个磁头,注意其中有两个磁头传动手臂没有安装磁头。

  ■ 磁头驱动机构 硬盘的寻道是靠移动磁头,而移动磁头则需要该机构驱动才能实现。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。

  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传动手臂起作用的关键,磁铁的吸引力足起吸住并吊起拆硬盘使用的螺丝刀。防震动装置在老硬盘中没有,它的作用是当硬盘受动强烈震动时,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。这也是为什么旧硬盘的防震能力比现在新秀硬盘差得多的缘故。

  ■ 磁盘片 盘片是硬盘存储数据的载体,现在硬盘盘片大多采用金属薄膜材料,这种金属薄膜较软盘的不连续颗粒载体具有更高的存储密度、高剩磁及高矫顽力等优点。另外,IBM还有一种被称为“玻璃盘片”的材料作为盘片基质,玻璃盘片比普通盘片在运行时具有更好的稳定性。从图7中可以发现,硬盘盘片是完全平整的,简直可以当镜子使用。



  图7 西数硬盘主轴组件

  ■ 主轴组件 主轴组件包括主轴部件如轴承和驱动电机等。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。例如,希捷公司的酷鱼ATA IV就是采用此电机技术,这样有利于降低硬盘工作噪音。

  ■ 前置控制电路 前置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。

  控制电路



  图8 拆下硬盘控制电路后

  硬盘的控制电路位于硬盘背面,将背面电路板的安装螺丝拧下,翻开控制电路板即可见到控制电路。具体如图8、9所示。



  图9 西数硬盘控制电路近照

  硬盘控制电路总的来说可以分为如下几个部分:主控制芯片、数据传输芯片、高速数据缓存芯片等,其中主控制芯片负责硬盘数据读写指令等工作。通过观察图9可知,WD200BB的主控制芯片为WD70C23-GP,这是一块我国台湾产的芯片。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,经过数据接口传输到主机系统。至于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的,该款西数WD200BB的缓存容量大小为2MB。据最新消息,西部数据公司推出的WD1000BB-SE(特殊版本)结合有8MB的高速缓存,这是全球首款整合如此高缓存的高速IDE硬盘。缓存对磁盘性能所带来的作用是无庸置疑的,在读取零碎文件数据时,大缓存能带来非常大的优势,这也是为什么在高端SCSI硬盘中早就有结合16MB甚至32MB缓存的产品。

  解剖过程

  上面笔者对硬盘内外部结构及控制电路进行了简单介绍,至于如磁头的解剖及分析、磁盘片的工作原理、控制电路各芯片之间是如何协同工作等内容,笔者没有拿到相关资料,所以也就不能向大家一一说明。上面的西数WD200BB硬盘已经被大卸八块了,但这个拆解过程是如何进行的呢?在解剖硬盘的过程中需要注意哪些事项呢?下面笔者再对这些内容进行简单介绍。

  在开始解剖过程叙述之前,需要提醒用户注意:硬盘内部是绝对无尘的,在普通环境下将硬盘拆开,即意味着你的硬盘将报废,所以不要轻易将你的硬盘按笔者这样解剖。

  ■ 准备工作 要解剖硬盘,工具是必不可少的,由于硬盘的安装螺丝是使用非常特殊的内六角螺丝,而且螺丝中心呈凹形,所以使用普通螺丝刀是没法拧开的。这样的螺丝刀在一些比较大的五金店或大商场的五金专柜有卖,价格不菲。

  ■ 硬盘面板的拆解 解剖硬盘的第一步就是将硬盘面板给取下,硬盘面板上一共有八颗螺丝,其中六颗螺丝暴露在外头,是可以看见的,还剩下的两颗在贴纸标签的下面,所以必须将标签及防伪激光贴纸撕掉。

  将这八颗螺丝全部取开后,即可揭开硬盘面板,如图4所示,硬盘内部结构一览无余,具体的内部结构在上面已经介绍了。从图中还可以看到硬盘透气孔的内部图,在孔上贴有一个过滤空气尘埃的过滤器,这样可以非常有效地保持硬盘内腔的无尘。

  ■ 控制电路板的拆解 电路板的拆解相对更为简单些,它没有面板上的那种隐藏螺丝,只须将背面的四颗螺丝拧开,即可将电路板取下,如图8所示。在电路板的下面还有一个海绵护垫,起到一定的稳定作用。

  经过上面对硬盘外部、内部及控制电路板的介绍,是不是对硬盘的内部有了一定的认识与了解,至少看见了磁头长什么样,磁盘片表面光滑如镜,懂得了硬盘是如何初始化及完成寻道工作的。当然,这次解剖工作只是浅层次的拆解,如果想更深层次地解剖及研究磁头、盘片、电机、主轴等,就需要更高的技术条件与设备。

 
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