硬盘的工作原理

2012-05-21 15:20:34来源: 互联网 关键字:硬盘  工作原理

1 .笔记本电脑硬盘工作原理

  硬盘利用特定磁粒子的极性记录数据。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,然后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。

  另外,硬盘中还有一个存储缓冲区,是为协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设。由于硬盘的结构比软盘复杂,所以其格式化也比软盘复杂,分为低级格式化、硬盘分区、高级格式化及建立文件系统。  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完成初始化,此时磁头置于盘片中心位置。初始化后,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,处于等待命令的启动状态。

  当接口电路接收到电脑系统传来的命令信号后通过前置放大控制电路驱动音圈电机发出磁信号。根据感应阻值变化的磁头正确定位盘片数据信息,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命令操作。结束硬盘操作的断电状态在反力矩弹簧的作用下将浮动磁头驻留到盘面中心。

  2 .笔记本电脑硬盘结构

  由于受到笔记本电脑尺寸的限制,笔记本电脑硬盘也不能做得很大。第一代产品面世之时,笔记本电脑硬盘的 17mm的厚度几乎没有什么机型可以装配,还有过高的发热量和噪声等。在第二代产品中,硬盘厂商将这个厚度降到了 12.5mm 。12.5mm 可以使 4200r/min 硬盘顺利地装入普通笔记本电脑,但是对笔记本电脑不断向超轻薄方向发展的趋势,它却难有作为。

  在过去的两年中,笔记本硬盘 12.5mm 产品已经逐渐被 9.5mm产品所替代。这样就为轻薄笔记本电脑的发展奠定了基础。但这还只是厚度的改变,其外形并没有发生改变,它们仍然都是 2.5英寸的硬盘。也就是说,它们的盘片大小都是一样的。

  就在 2.5 英寸 9.5mm 的硬盘正在大行其道时, 1.8 英寸的硬盘悄然走入了人们的视野。可以说,目前 1.8英寸笔记本硬盘技术已经成熟。它对超轻薄笔记本电脑的发 展提供了必要的条件。

  3 .笔记本电脑硬盘接口

  硬盘接口一直是人们关心的技术,随着笔记本电脑其他配件(如 CPU、内存、显示等子系统)性能的大步迈进,硬盘的接口传输率越来越体现出它在整个电脑系统的瓶颈效应,硬盘接口问题越来越受到人们的关注。硬盘接口有电源接口与数据接口,其中电源插口与主机电源相连,为硬盘提供电力。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间传输交换的纽带,根据连接方式的差异分为IDE ( Integrated Drive EleCTRonICs )与 EIDE 接口等。

  现在的笔记本硬盘采用的都是 IDE 接口技术,实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器,我们常说的 IDE 接口,也叫 ATA (Advanced Technology Attachment )接口。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度,数据传输的可靠性得到了增强,硬盘制造起来变得相对简单,厂商不需要再担心自己生产的硬盘控制器的兼容性,对用户而言,硬盘安装起来也更为方便。

  随着技术的不断更新, IDE 接口不断推出各种新的技术指标 ATA-1 ~ ATA-4 直到最新的 Serial ATA 接口(即串行 ATA), ATA-4 (包含 Ultra ATA 、 Ultra DMA 、 Ultra DMA/33 、 Ultra DMA/66四种技术标准)接口这个新标准将 PIO-4 下的最大数据传输率提高了一倍,达到 33Mb/s ,或更高的 66Mb/s 。它还在总线占用上引入了新的技术,使用 PC 的 DMA 通道减少了 CPU 的处理负荷。要使用 Ultra-ATA ,需要一个空闲的 PCI扩展槽,其中的 Ultra ATA/66 (即 Ultra DMA/66 )是目前主流笔记本硬盘采用的接口类型,其支持最大外部数据传输率为66.7Mb/s 。

  新的 Serial — ATA (即串行 ATA )是 Intel公司采用的接口类型,就如其名所示,它以连续串行的方式传送资料,在同一时间点内只会有 1位数据传输,此做法能减小接口的针脚数目,用四个针就完成了所有的工作(第 1 针发出、第 2 针接收、第 3 针供电、第 4针地线)。这样的做法能降低电力消耗,减小发热量。最新的硬盘接口类型 ATA-100 就是 Serial ATA 的初始规格,它支持的最大外部数据传输率达 100Mb/s 。

  4 .笔记本电脑硬盘磁头

  硬盘技术的更新换代,其中一个非常重要的技术就是磁头技术。磁头是硬盘技术中最重要和最关键的一环,实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合。采用磁头和盘非接触式结构,加电后磁头好像在高速旋转的磁盘表面飞行,飞高间隙只有 0.1 m m ~ 0.3 m m,可以获得极高的数据传输率。现在转速 5400r/min 的硬盘飞高都低于 0.3 m m ,以利于读取较大的高信噪比信号,提供数据传输存储能力。现在的硬盘单碟容量一般都在 10GB 以上,最高的单碟容量已经达到了 20GB,以后硬盘的单碟容量还将继续增大,对于单碟容量,与它直接联系的技术就是磁头技术,磁头技术越先进,硬盘的单碟容量就可以做得越高。由于笔记本硬盘密度太小,就连转轴中心附近也写进了数据,所以它就要在盘片的附近安装一个装置,用来放置磁头。所以笔记本硬盘在读盘的时候会产生“咯嗒、咯嗒”的声音,其实是它在“靠岸”。这种设计也带来了一些好处,在硬盘不工作的时候,由于磁头远离盘片,就不会出现因震动而划伤盘片的现象。

  最早的磁头是应用铁磁性物质,它不论在磁头的感应敏感程度还是在精密度上都不理想,因此早期的硬盘单碟容量均非常低。1979 年发明了薄膜磁头,使进一步缩小硬盘体积、增大容量、提高读写速度成为可能。接着,在 20 世纪 80 年代末期, IBM公司对硬盘发展做出了一个非常重要的贡献,即研发了 MR 磁阻磁头技术。磁阻磁头是基于磁致电阻效应工作的,其核心是一片金属材料,电阻随磁场的变化而变化。磁阻元件连接着一个对电阻变化十分敏感的放大器,可以测出微小的电阻变化。所以,后来的MR 技术可以通过提高记录密度来记录更多的数据,增加单碟片容量即硬盘的最高容量,提高数据传输率。PRML 读取技术能使盘片存储更多的信息,即增加了盘片的容量,同时可以有效地提高数据的读取和传输速率。 GMR 是 IBM 公司在 MR技术基础上研发成功的新一代磁头技术,它是最新的磁头技术,现在生产的硬盘全都应用了 GMR 磁头技术。GMR 巨磁阻磁头与 MR 磁头一样,其原理是利用特殊材料的电阻阻值随磁场变化读取盘片上的数据,但是 GMR磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构,因而比 MR 磁头更为敏感,相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化,实现更高的存储密度。现有的 MR 磁头能够达到盘片密度为 3Gb ~ 5Gb 每平方英寸( Gb 每平方英寸),而 GMR 磁头每平方英寸可以达到 10Gb ~40Gb 以上。

  目前 GMR 磁头已经处于成熟推广期,在今后的数年内,它将会逐步取代 MR 磁头,成为最流行的磁头技术。 GMR 比 MR具有更高的信号变化灵敏度,从而使硬盘的单碟容量做得更大,目前最新的磁头技术为 第四代 GMR 磁头技术。此外,磁头的驱动机构由音圈电机和磁头驱动小车组成,新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。高精度的轻型磁头驱动机构,能够正确驱动和定位磁头,并在很短的时间内精确定位系统命令指定的磁道,保证数据读写的可靠性。

  5 .笔记本电脑硬盘电机

  在硬盘中,与磁头技术一样重要的另一项技术就是电机技术,它直接影响着硬盘转速的大小及传输速率的大小。FDB ( Fluid Dynamic Bearing ,流体动态轴承电机)技术是在 1996年第一次推出的,目前已经到了第三代,流体动态轴承电机使用的是黏膜液油轴承,以油膜代替滚珠。这样可以避免金属面的直接磨擦,将噪声及温度降至最低;同时油膜可有效吸收震动,使抗震能力得到提高,可减少磨损,提高寿命。FDB 有效地减少了震动,降低了噪音,增强了对震动的抵抗能力,延长了硬盘的使用寿命。

  目前笔记本硬盘的速度最快为 7200r/min ,而主流转速为 4200r/min 。目前主轴转速较快的硬盘是希捷公司推出的 CheetahX15 (捷豹 X15 系列),它的主轴电机转速高达 15000r/min 。现在主流的 IDE 硬盘转速为 7200r/min ,而主流的SCSI 硬盘转速则为 10000r/min 。

  可见,笔记本硬盘受其先天影响速度不可能太快。电机技术发展了,直接带动的就是硬盘主轴转速的提高,而转速决定着硬盘的寻道时间。当然,在提高硬盘主轴转速的同时,需要考虑的是硬盘的发热量及振动问题,还有硬盘的工作噪声问题。所以,电机技术直接决定着硬盘的快慢、工作温度及工作噪声等。

  6 .笔记本电脑硬盘材料

  ( 1 )盘片材料。

  一般而言,早期硬盘的盘片都是使用塑料材料作为盘片基质,然后再在塑料基质上涂上磁性材料构成的。

随后推出采用铝质材料作为硬盘盘片基质,目前市场上的 IDE硬盘几乎都是使用铝硬盘盘片基质,而采用玻璃材料作为盘片基质则是最新的硬盘盘片技术。玻璃材料能使硬盘具有平滑性及更高的坚固性,此外玻璃材

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