平時(shí)大家在論壇上對硬盤(pán)的認識和選購，大都是通過(guò)產(chǎn)品的外型、性能指標特征和網(wǎng)站公布的性能評測報告等方面去了解，但是硬盤(pán)的內部結構究竟是怎么樣的呢，所謂的磁頭、盤(pán)片、主軸電機又是長(cháng)什么樣子呢，硬盤(pán)的讀寫(xiě)原理是什么，估計就不是那么多人清楚了。所以我就以一塊二手西數硬盤(pán)WD200BB為例向大家講解一下硬盤(pán)的內部結構，讓硬件初學(xué)者們能夠對硬盤(pán)有一個(gè)更深的認識。
在動(dòng)手之前，先了解一些硬盤(pán)的結構理論知識?？偟脕?lái)說(shuō)，硬盤(pán)主要包括：盤(pán)片、磁頭、盤(pán)片主軸、控制電機、磁頭控制器、數據轉換器、接口、緩存等幾個(gè)部份。所有的盤(pán)片都固定在一個(gè)旋轉軸上，這個(gè)軸即盤(pán)片主軸。而所有盤(pán)片之間是絕對平行的，在每個(gè)盤(pán)片的存儲面上都有一個(gè)磁頭，磁頭與盤(pán)片之間的距離比頭發(fā)絲的直徑還小。所有的磁頭連在一個(gè)磁頭控制器上，由磁頭控制器負責各個(gè)磁頭的運動(dòng)。磁頭可沿盤(pán)片的半徑方向動(dòng)作，而盤(pán)片以每分鐘數千轉到上萬(wàn)轉的速度在高速旋轉，這樣磁頭就能對盤(pán)片上的指定位置進(jìn)行數據的讀寫(xiě)操作。由于硬盤(pán)是精密設備，塵埃是其大敵，所以必須完全密封。
現在先貼上今日的主角西數WD200BB硬盤(pán)的“玉照”，它是容量為20G的7200轉的普通3.5寸IDE硬盤(pán)，屬于比較常見(jiàn)的產(chǎn)品，也是用戶(hù)最經(jīng)常接觸的。除此之外，硬盤(pán)還有許多種類(lèi)，例如老式的普通IDE硬盤(pán)是5.25英寸，高度有半高型和全高型，還有體積小巧玲瓏的筆記本電腦，塊頭巨大的高端SCSI硬盤(pán)及非常特殊的微型硬盤(pán)。
在硬盤(pán)的正面都貼有硬盤(pán)的標簽，標簽上一般都標注著(zhù)與硬盤(pán)相關(guān)的信息，例如產(chǎn)品型號、產(chǎn)地、出廠(chǎng)日期、產(chǎn)品序列號等，上圖所示的就是WD200BB的產(chǎn)品標簽。在硬盤(pán)的一端有電源接口插座、主從設置跳線(xiàn)器和數據線(xiàn)接口插座，而硬盤(pán)的背面則是控制電路板。從下圖中可以清楚地看出各部件的位置?？偟脕?lái)說(shuō)，硬盤(pán)外部結構可以分成如下幾個(gè)部份：
一、硬盤(pán)接口、控制電路板及固定面板：
(1)、接口。接口包括電源接口插座和數據接口插座兩部份，其中電源插座就是與主機電源相連接，為硬盤(pán)正常工作提供電力保證。數據接口插座則是硬盤(pán)數據與主板控制芯片之間進(jìn)行數據傳輸交換的通道，使用時(shí)是用一根數據電纜將其與主板IDE接口或與其它控制適配器的接口相連接，經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)的40針、80芯的接口電纜也就是指數據電纜，數據接口主要分成IDE接口、SATA接口和SCSI接口三大派系。
(2)、控制電路板。大多數的控制電路板都采用貼片式焊接，它包括主軸調速電路、磁頭驅動(dòng)與伺服定位電路、讀寫(xiě)電路、控制與接口電路等。在電路板上還有一塊ROM芯片，里面固化的程序可以進(jìn)行硬盤(pán)的初始化，執行加電和啟動(dòng)主軸電機，加電初始尋道、定位以及故障檢測等。在電路板上還安裝有容量不等的高速數據緩存芯片，在此塊硬盤(pán)內結合有2MB的高速緩存。
(3)、固定面板。就是硬盤(pán)正面的面板，它與底板結合成一個(gè)密封的整體，保證了硬盤(pán)盤(pán)片和機構的穩定運行。在面板上最顯眼的莫過(guò)于產(chǎn)品標簽，上面印著(zhù)產(chǎn)品型號、產(chǎn)品序列號、產(chǎn)品、生產(chǎn)日期等信息，這在上面已提到了。除此，還有一個(gè)透氣孔，它的作用就是使硬盤(pán)內部氣壓與大氣氣壓保持一致。
硬盤(pán)內部結構由固定面板、控制電路板、磁頭、盤(pán)片、主軸、電機、接口及其它附件組成，其中磁頭盤(pán)片組件是構成硬盤(pán)的核心，它封裝在硬盤(pán)的凈化腔體內，包括有浮動(dòng)磁頭組件、磁頭驅動(dòng)機構、盤(pán)片、主軸驅動(dòng)裝置及前置讀寫(xiě)控制電路這幾個(gè)部份。將硬盤(pán)面板揭開(kāi)后，內部結構即可一目了然，如圖所示。
二、磁頭組件及磁頭驅動(dòng)機構：
(1)、磁頭組件。這個(gè)組件是硬盤(pán)中最精密的部位之一，它由讀寫(xiě)磁頭、傳動(dòng)手臂、傳動(dòng)軸三部份組成。磁頭是硬盤(pán)技術(shù)中最重要和關(guān)鍵的一環(huán)，實(shí)際上是集成工藝制成的多個(gè)磁頭的組合，它采用了非接觸式頭、盤(pán)結構，加后電在高速旋轉的磁盤(pán)表面移動(dòng)，與盤(pán)片之間的間隙只有0.1～0.3um，這樣可以獲得很好的數據傳輸率?，F在轉速為7200RPM的硬盤(pán)飛高一般都低于0.3um，以利于讀取較大的高信噪比信號，提供數據傳輸率的可靠性。
至于硬盤(pán)的工作原理，它是利用特定的磁粒子的極性來(lái)記錄數據。磁頭在讀取數據時(shí)，將磁粒子的不同極性轉換成不同的電脈沖信號，再利用數據轉換器將這些原始信號變成電腦可以使用的數據，寫(xiě)的操作正好與此相反。從下圖中我們也可以看出，西數WD200BB硬盤(pán)采用單碟雙磁頭設計，但該磁頭組件卻能支持四個(gè)磁頭，注意其中有兩個(gè)磁頭傳動(dòng)手臂沒(méi)有安裝磁頭。
(2)、磁頭驅動(dòng)機構。硬盤(pán)的尋道是靠移動(dòng)磁頭，而移動(dòng)磁頭則需要該機構驅動(dòng)才能實(shí)現。磁頭驅動(dòng)機構由電磁線(xiàn)圈電機、磁頭驅動(dòng)小車(chē)、防震動(dòng)裝置構成，高精度的輕型磁頭驅動(dòng)機構能夠對磁頭進(jìn)行正確的驅動(dòng)和定位，并能在很短的時(shí)間內精確定位系統指令指定的磁道。其中電磁線(xiàn)圈電機包含著(zhù)一塊永久磁鐵，這是磁頭驅動(dòng)機構對傳動(dòng)手臂起作用的關(guān)鍵，磁鐵的吸引力足起吸住并吊起拆硬盤(pán)使用的螺絲刀。防震動(dòng)裝置在老硬盤(pán)中沒(méi)有，它的作用是當硬盤(pán)受動(dòng)強裂震動(dòng)時(shí)，對磁頭及盤(pán)片起到一定的保護使用，以避免磁頭將盤(pán)片刮傷等情況的發(fā)生。這也是為什么舊硬盤(pán)的防震能力比現在新硬秀盤(pán)差得多的緣故。
3)、磁盤(pán)片。盤(pán)片是硬盤(pán)存儲數據的載體，現在硬盤(pán)盤(pán)片大多采用鋁金屬薄膜材料，這種金屬薄膜較軟盤(pán)的不連續顆粒載體具有更高的存儲密度、高剩磁及高矯頑力等優(yōu)點(diǎn)。從下圖中可以發(fā)現，硬盤(pán)盤(pán)片是完全平整的，簡(jiǎn)直可以當鏡子使用。
(4)、主軸組件。主軸組件包括主軸部件如軸承和驅動(dòng)電機等。隨著(zhù)硬盤(pán)容量的擴大和速度的提高，主軸電機的速度也在不斷提升，于是有廠(chǎng)商開(kāi)始采用精密機械工業(yè)的液態(tài)軸承電機技術(shù)，現在已經(jīng)被所有主流硬盤(pán)廠(chǎng)商所普遍采用了，它有利于降低硬盤(pán)工作噪音。
(5)、前置控制電路。前置電路控制磁頭感應的信號、主軸電機調速、磁頭驅動(dòng)和伺服定位等，由于磁頭讀取的信號微弱，將放大電路密封在腔體內可減少外來(lái)信號的干擾，提高操作指令的準確性。
三、控制電路：
硬盤(pán)的控制電路位于硬盤(pán)背面，將背面電路板的安裝螺絲擰下，翻開(kāi)控制電路板即可見(jiàn)到控制電路。具體如下圖所示。
硬盤(pán)控制電路總得來(lái)說(shuō)可以分為如下幾個(gè)部份：主控制芯片、數據傳輸芯片、高速數據緩存芯片等，其中主控制芯片負責硬盤(pán)數據讀寫(xiě)指令等工作，如上圖所示，WD200BB的主控制芯片為WD70C23-GP，這是一塊中國臺灣產(chǎn)的芯片。數據傳輸芯片則是將硬盤(pán)磁頭前置控制電路讀取出數據經(jīng)過(guò)校正及變換后，經(jīng)過(guò)數據接口傳輸到主機系統，至于高速數據緩存芯片是為了協(xié)調硬盤(pán)與主機在數據處理速度上的差異而設的，該款西數WD200BB的緩存容量大小為2MB。緩存對磁盤(pán)性能所帶來(lái)的作用是無(wú)須置疑的，在讀取零碎文件數據時(shí)，大緩存能帶來(lái)非常大的優(yōu)勢，這也是為什么在高端SCSI硬盤(pán)中早就有結合16MB甚至32MB緩存的產(chǎn)品。
硬盤(pán)拆解到這里就基本告一段落了，大家在意猶未盡的同時(shí)，可能對一些硬盤(pán)性能指標的含義還不是很明白吧，接下來(lái)就一鼓作氣送上硬盤(pán)常見(jiàn)的一些性能指標定義：
1、主軸轉速：硬盤(pán)的主軸轉速是決定硬盤(pán)內部數據傳輸率的決定因素之一，它在很大程度上決定了硬盤(pán)的速度，同時(shí)也是區別硬盤(pán)檔次的重要標志。從目前的情況來(lái)看，7200RPM的硬盤(pán)具有性?xún)r(jià)比高的優(yōu)勢，是國內市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，而SCSI硬盤(pán)的主軸轉速已經(jīng)達到10000rpm甚至15000rpm了，但由于價(jià)格原因讓普通用戶(hù)難以接受。
2、尋道時(shí)間：該指標是指硬盤(pán)磁頭移動(dòng)到數據所在磁道而所用的時(shí)間，單位為毫秒(ms)。平均尋道時(shí)間則為磁頭移動(dòng)到正中間的磁道需要的時(shí)間。注意它與平均訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間的差別。硬盤(pán)的平均尋道時(shí)間越小性能則越高，現在一般選用平均尋道時(shí)間在10ms以下的硬盤(pán)。
3、單碟容量：?jiǎn)蔚萘渴怯脖P(pán)相當重要的參數之一，一定程度上決定著(zhù)硬盤(pán)的檔次高低。硬盤(pán)是由多個(gè)存儲碟片組合而成的，而單碟容量就是一個(gè)存儲碟所能存儲的最大數據量。硬盤(pán)廠(chǎng)商在增加硬盤(pán)容量時(shí)，可以通過(guò)兩種手段：一個(gè)是增加存儲碟片的數量，但受到硬盤(pán)整體體積和生產(chǎn)成本的限制，碟片數量都受到限制，一般都在5片以?xún)?；而另一個(gè)辦法就是增加單碟容量。目前的IDE和SATA硬盤(pán)最多只有四張碟片，靠增加碟片來(lái)擴充容量滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的存儲容量的需求是不可行的。只有提高每張碟片的容量才能從根本上解決這個(gè)問(wèn)題?，F在的大容量硬盤(pán)都采用的是新型GMR巨阻型磁頭，磁碟的記錄密度大大提高，硬盤(pán)的單碟容量也相應提高了。目前主流硬盤(pán)的單碟容量大都在80GB以上，而最新的希捷酷魚(yú)7200.9系列硬盤(pán)的最高單碟容量更是達到160GB，使硬盤(pán)總容量可以達到500GB以上。
單碟容量的一個(gè)重要意義在于提升硬盤(pán)的數據傳輸速度，而且也有利于生產(chǎn)成本的控制。硬盤(pán)單碟容量的提高得益于數據記錄密度的提高，而記錄密度同數據傳輸率是成正比的，并且新一代GMR磁頭技術(shù)則確保了這個(gè)增長(cháng)不會(huì )因為磁頭的靈敏度的限制而放慢速度。在下面的測試中，你將會(huì )發(fā)現單碟容量越高，它的數據傳輸率也將會(huì )越高，其中希捷酷魚(yú)7200.9系列硬盤(pán)就是一個(gè)明顯的例證。
4、潛伏期：該指標表示當磁頭移動(dòng)到數據所在的磁道后，等待所要的數據塊繼續轉動(dòng)(半圈或多些、少些)到磁頭下的時(shí)間，其單位為毫秒(ms)。平均潛伏期就是盤(pán)片轉半圈的時(shí)間。
5、硬盤(pán)表面溫度：該指標表示硬盤(pán)工作時(shí)產(chǎn)生的溫度使硬盤(pán)密封殼溫度上升的情況。這項指標廠(chǎng)家并不提供，一般只能在各種媒體的測試數據中看到。硬盤(pán)工作時(shí)產(chǎn)生的溫度過(guò)高將影響薄膜式磁頭的數據讀取靈敏度，因此硬盤(pán)工作表面溫度較低的硬盤(pán)有更穩定的數據讀、寫(xiě)性能。
6、道至道時(shí)間：該指標表示磁頭從一個(gè)磁道轉移至另一磁道的時(shí)間，單位為毫秒(ms)。
7、高速緩存：該指標指在硬盤(pán)內部的高速存儲器。目前硬盤(pán)的高速緩存一般為2MB～8MB，SCSI硬盤(pán)的更大。購買(mǎi)時(shí)最好選用緩存為8M以上的硬盤(pán)。
8、全程訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間：該指標指磁頭開(kāi)始移動(dòng)直到最后找到所需要的數據塊所用的全部時(shí)間，單位為毫秒(ms)。而平均訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間指磁頭找到指定數據的平均時(shí)間，單位為毫秒。通常是平均尋道時(shí)間和平均潛伏時(shí)間之和?，F在不少硬盤(pán)廣告之中所說(shuō)的平均訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間大部分都是用平均尋道時(shí)間所代替的。
9、最大內部數據傳輸率：該指標名稱(chēng)也叫持續數據傳輸率(sustained transfer rate)，單位為Mb/s。它是指磁頭至硬盤(pán)緩存間的最大數據傳輸率，一般取決于硬盤(pán)的盤(pán)片轉速和盤(pán)片線(xiàn)密度(指同一磁道上的數據容量)。注意，在這項指標中常常使用Mb/s或Mbps為單位，這是兆位/秒的意思，如果需要轉換成MB/s(兆字節/秒)，就必須將Mbps數據除以8(一字節8位數)。例如，某硬盤(pán)給出的最大內部數據傳輸率為683Mbps，如果按MB/s計算就只有85.37MB/s左右。
10、連續無(wú)故障時(shí)間（MTBF）：該指標是指硬盤(pán)從開(kāi)始運行到出現故障的最長(cháng)時(shí)間，單位是小時(shí)。一般硬盤(pán)的MTBF至少在300000小時(shí)以上。這項指標在一般的產(chǎn)品廣告或常見(jiàn)的技術(shù)特性表中并不提供，需要時(shí)可專(zhuān)門(mén)上網(wǎng)到具體生產(chǎn)該款硬盤(pán)的公司網(wǎng)址中查詢(xún)。
11、外部數據傳輸率：該指標也稱(chēng)為突發(fā)數據傳輸率，它是指從硬盤(pán)緩沖區讀取數據的速率。在廣告或硬盤(pán)特性表中常以數據接口速率代替，單位為MB/s。目前主流的硬盤(pán)已經(jīng)全部采用SATA150接口技術(shù)，外部數據傳輸率可達150MB/s。
12、S.M.A.R.T：該指標的英文全稱(chēng)是Self－Monitoring Analysis＆Reporting Technology，中文含義是自動(dòng)監測分析報告技術(shù)。這項技術(shù)指標使得硬盤(pán)可以監測和分析自己的工作狀態(tài)和性能，并將其顯示出來(lái)。用戶(hù)可以隨時(shí)了解硬盤(pán)的運行狀況，遇到緊急情況時(shí)，可以采取適當措施，確保硬盤(pán)中的數據不受損失。采用這種技術(shù)以后，硬盤(pán)的可靠性得到了很大的提高。
