深入了解硬盘结构

前不久我的老电脑的硬盘坏了，里面还有很多资料，所以很是郁闷。想去硬盘数据恢复，问了下价格，吓了我一跳，决定自己深入了解下硬盘恢复技术。在深入了解硬盘开盘数据恢复之前，必须对硬盘的整体物理结构有充分的认识。作为精密度较高的配件，硬盘的外部结构还是比较简单，真正的高科技含量在于其盘体内部。

   1. 硬盘的外部结构 

    硬盘的外部结构并不复杂，主要由电源接口、数据接口、控制电路板构成。对于 IDE 硬盘、 Serial-ATA 硬盘以及 SCSI 硬盘而言，其外部结构略有差别，这也是大家在使用时需要分辨的。
    电源接口
    电源接口用于连接主机的电源，为硬盘工作提供足够的电力 。一般而言，硬盘采用最为常见的 4 针 D 形电源接口。不过需要注意的是，最新的
Serial-ATA 硬盘不再使用 4 针的 D 形电源接口，而是使用易于插拔的接口代替 。这种接口有 15 个插针，但其宽度与以前的电源接口相当。硬盘控制器厂商如 Silicon 、 Promise 等以及主板厂商都在其产品包装中提供了必备的电源转接线 ，此时依旧可以使用 4 针 D 形电源接口。从未来的发展趋势来看，今后能够直接扩展出 Serial-ATA 硬盘电源接口线的 ATX 电源将会越来越普及。
    数据接口
    数据接口是硬盘中很重要的一部分，它用于连接主板上的南桥芯片或者其它独立的磁盘控制器芯片。以最常见的 IDE 硬盘为例，其前部有一排 40 针接口，需要通过扁平的 IDE 数据线连接主板或者 RAID/ATA 卡上的 IDE 接口。以往的老式硬盘采用普通 40pin数据线，然而为了提高硬盘的传输性能，各大硬盘厂商联合推出了 Ultra DMA 传输模式，也就是我们常说的 ATA66/100/133 硬盘传输模式。因为这种模式下数据信号的传输量增大，所以就得保障信号传输的准确性。为了提高 IDE 数据线的电气性能，我们原来使用的 40pin 的 IDE 数据线数量增加到 80pin ，其中 40pin 用于信号的传输，另外 40pin 则是地线，用来有效地屏蔽杂波信号。
    与 IDE 硬盘相比， SCSI 硬盘的接口更为复杂。 SCSI 硬盘的接口类型可以大致分为 68 针接口和 80 针接口，其中前者可以直接使用SCSI 控制卡来连接，而 80 针接口的产品则必须使用 LVD 转接头。 需要注意的是， LVD 转接头和 SCSI 数据线的质量很大程度上决定 SCSI 硬盘的性发挥，质量不佳的转接头会折损性能.此外， SCSI 硬盘在安装时不需要设计类似 IDE 硬盘的主从概念，而是通过 ID 号来区别。
    在所有的硬盘中， Serial-ATA 硬盘的数据线连接是最为简单的，因为它采用了点对点连接方式，即每个 Serial-ATA 线缆（或通道）只能连接一块硬盘，不必像 IDE 硬盘那样设置主从跳线 了。值得称道的是， Serial-ATA 数据线占据的空间很小，这非常有利于散热，同时可以提高数据传送的稳定性。
    控制电路板
    控制电路板一般裸露在硬盘下表面，以利于散热不过也有少数品牌的硬盘将其完全封闭，这样可以更好地保护各种控制芯片，同时还能降低噪音。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、读写控制电路、控制与接口电路等构成。此外，还有一块高效的单片机ROM 芯片用来固化软件，用于对硬盘进行初始化，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。当然，高速缓存也是控制电路板上不可或缺的，一般具备 2 ～ 8MB SDRAM 。
   
在硬盘控制电路板中，读写控制电路是最为重要的，它主要有两个作用：首先是负责将二进制码转换成模拟信号。当数据信息需要写入时，由中心处理系统传向磁头的是代表数据的二进制码，这个电路是这些二进制码的必经之路，其责任是将经过这里的二进制码转换为能够改变电流大小的模拟信号，并传向磁头；其次是负责将模拟信号转换成二进制码并放大信号。当读取数据时磁头从盘片获得的是由磁场而产生的电流，电流在向中心处理系统传输时，也必须经过前置放大电路，此时这个电路的工作是将代表模拟信号的电流转变为中心处理系统能够识别的二进制码，并将微弱的信号放大。

    对于大多数 Serial-ATA 硬盘而言，我们还能看到一块转接芯片。  7200.7 系列在开发时并不是一款真正意义上的 Serial-ATA 硬盘，而是通过 Marvell公司的转接芯片来实现。这枚芯片在硬盘上的作用就是把硬盘产生的源生并行信号转换为序列信号并传输给系统南桥芯片，又或是把接收到的序列信号转换为硬盘可以接收的并行信号。如此一来，其转换过程必将导致性能损失。当然，并非说使用转接芯片的Serial-ATA 硬盘就不好，而是说这样难以发挥出 Serial-ATA 硬盘的最大威力，我们也希望今后这类芯片能从 Serial-ATA 硬盘中消失。

 

2.硬盘的内部结构

 

尽管在外部结构方面，各种硬盘之间有着一定的区别，但是其内部结构还是完全相同的，毕竟硬盘的本质工作方式不会改变。打开硬盘外壳之后，我们也就能够看到神秘的内部世界，其核心部分包括盘体、主轴电机、读写磁头、寻道电机等主要部件。不过需要提醒大家的是，千万不要随意打开硬盘的外壳，这将 100 ％地使整个硬盘报废，因为硬盘的内部盘面不能沾染上一滴灰尘，否则立即报废。一般硬盘内部结构维修甚至需要在要求极为严格的洁净间中进行。
    盘体从物理的角度分为磁面（ Side ）、磁道（ Track ）、柱面（ Cylinder ）与扇区（ Sector ）等 4 个结构。磁面也就是组成盘体各盘片的上下两个盘面，第一个盘片的第一面为 0 磁面，下一个为 1 磁面；第二个盘片的第一面为 2 磁面，以此类推……。磁道也就是在格式化磁盘时盘片上被划分出来的许多同心圆。最外层的磁道为 0 道，并向着磁面中心增长。其中，在最靠近中心的部分不记录数据，称为着陆区（ Landing Zone ），是硬盘每次启动或关闭时，磁头起飞和停止的位置。所有盘片上半径相同的磁道构成一个圆筒，称其为柱面。柱面可用 以计算逻辑盘的容量。
   
扇区是磁盘存取数据的最基本单位，也就是将每个磁道等分后相邻两个半径之间的区域，这样不难理解每个磁道包含的扇区数目相等，扇区的起始处包含了扇区的唯一地址标识 ID ，扇区与扇区之间以空隙隔开，便于操作系统识别。事实上，硬盘的盘体结构与大家熟悉的软盘非常类似。只不过其盘片是由多个重叠在一起并由垫圈隔开的盘片组成，而且盘片采用金属圆片（IBM 曾经采用玻璃作为材料），表面极为平整光滑，并涂有磁性物质。
    读写磁头组件
   
读写磁头组件由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。在具体工作时，磁头通过传动手臂和传动轴以固定半径扫描盘片，以此来读写数据。磁头是集成工艺制成的多个磁头的组合，采用非接触式结构。硬盘加电后，读写磁头在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有0.1 ～ 0.3μm ，可以获得极高的数据传输率。新型 MR （ Magnetoresistive heads ） 磁阻磁头采用读写分离的磁头结构，写操作时使用传统的磁感应磁头，读操作则采用 MR 磁头。
    自从 1973 年 IBM 发明了 Winchester （温彻斯特）硬盘以来，至今的近 30 年时间里，硬盘的核心机械结构部份的基本原理始终没有脱离“温彻斯特”模式。“温彻斯特”模式的精髓是在密封、固定并高速旋转的镀磁盘片的每个存储面上有一个沿盘片径向移动的磁头。客观而言，这种模式严重阻碍了硬盘速度提升，但是要将其改变并不容易，至少现今的主流硬盘还没有跨出第一步。或许未来会出现多磁头的硬盘技术，通过有多个独立磁头协调工作，会使磁头寻道时间几乎完全相互抵消，磁头读写数据块的持续时间也会部分抵消。当一个磁头读写一段时，另一个磁头进行下一段的寻道过程，找到后可立即进行读写操作，或者进入读写操作的预备状态，等待前一个磁头完成前一段后立即接替作业。乐观估计，这项技术需要在5 年后才会进入实质性应用阶段。
    磁头驱动机构
对于硬盘而言，磁头驱动机构就好比是一个指挥官，它控制磁头的读写，直接为传动手臂与传动轴传送指令。磁头驱动机构主要由音圈电机、磁头驱动小车和防震动机构组成。磁头驱动机构对磁头进行正确的驱动，在很短的时间内精确定位到系统指令指定的磁道上，保证数据读写的可靠性。

   
一般而言，磁头机构的电机有步进电机、力矩电机和音圈电机三种，现在硬盘多采用音圈电机驱动。音圈是中间插有与磁头相连的磁棒的的线圈，当电流通过线圈时，磁棒就会发生位移，进而驱动装载磁头的小车，并根据控制器在盘面上磁头位置的信息编码来得到磁头移动的距离，达到准确定位的目的。值得注意的是，如果磁头驱动机构设计不良，很容易造成盘体划伤或者出现坏道。先进的磁头驱动机构应当有效优化读取方式，提供性能，并且针对突然停电、剧烈外部冲击等不可知情况作出相应的判断与及时妥当的处理。

 

3．主轴组件
   
硬盘的主轴组件主要是轴承和马达，我们可以笼统地认为轴承决定一款硬盘的噪音表现，而马达决定性能。当然，这样说并不完全正确，但是基本上表达了这两项内容在硬盘中的重要地位。从滚珠轴承到油浸轴承再到液态轴承，硬盘轴承处于不断的改良当中，目前液态轴承已经成为绝对的主流市场，得到 Segate 、 Matrox 、 WD 、 IBM 、 SUNSUNG 等众多厂商的支持。由于采用液体作为轴承，所以金属之间不直接摩擦，这样一来除了延长了主轴点解的寿命、减少发热之外，最重要一点是实现了硬盘噪声控制的突破。不过需要指出的是，采用液态轴承对于性能并没有任何好处，甚至反而会延长寻道时间，似乎噪音与性能是一对永远难以平衡的矛盾。
    至于马达，其直观理解就是磁头转动的速度，速度越高，扫过的盘体面积越大，因而读写速度也能相应提高。目前主流 IDE 硬盘以及 Serial-ATA 硬盘的转速为 7200RPM ，而少数低端 IDE 硬盘以及笔记本硬盘只有 5400RPM 和 4200RPM 。相对而言， SCSI 硬盘的转速要高得多， 10000RPM 似乎已经是入门级产品，主流产品维持在 15000RPM 。