硬盘物理结构

硬盘内部由头盘组件和前置读写控制电路组成,其中头盘组件属于机械装置部分,组件中每一个组成部分都是由高度精密的机械零件组装而成;前置读写控制电路由一组复杂电路组成,负责调制硬盘与中央处理器之间交换的信号类型并将其放大。
下面以实物图与示意图相结合的形式详细介绍这些结构组成。
1. 头盘组件
头盘组件是硬盘的核心部分,包括盘体、主轴电机、读写磁头、寻道电机等主要部件,打开密封的外壳即可看到其内部构造,如下图所示。
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因为这个体腔是非常干净的,而且里面都属于高度精密机械配件,所以万万不可开启外壳。生产硬盘的车间对无尘度要求非常严格,平均每平方米不超过十粒尘埃。虽然有相关文章谈到过开盖除尘,坏盘复用的实例,但这仍然是下下策,除非是一块烂盘或是扔货,否则……
了解了硬盘内部头盘组件的总体结构以后,再来看看每个组成部分的详细结构。
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盘体:硬盘的盘体由单个或多个盘片重叠在一起组成,是数据存储的载体,也就是保存文件的地方。由多个盘片组成的盘体,可以形象的理解成一个圆柱,每个盘片与其他盘片之间都有垫圈隔开。这些盘片是一些表面极为平整光滑的金属圆片,并涂有记录数据的磁性物质。
组成盘体的金属盘片多为铝制品,不过早期的盘片也有用陶瓷制成的,而现在则有用玻璃材料来充当盘片基质的,比如IBM的腾龙二代产品玻璃之星Deskstar 75GXP (DTLA-307030,30GB)硬盘。
下面以实物图与示意图相结合的方式来认识盘体的详细内容。
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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……。由于每个磁面对应一个读写磁头,因此在 对磁面进行读写操作时,也可称为磁头0、1、2……。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。扇区的编号从1计起。
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执行格式化操作后,硬盘将会被划分为面、磁道和扇区。需要注意的是,这些只是虚拟的概念,并不是真正会在硬盘上划出一道一道的痕迹。下面结合示意图来理解这些概念。
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硬盘上磁面、磁道和扇区的划分并不在表面留下痕迹,执行读写操作时,磁头靠盘片高速旋转的空气动力悬浮在盘片上空,不过与盘片的距离非常近,用 微米来记。磁头可以根据每个磁道的半径来找到这个磁道,但要找到需要读取的数据所在的扇区,或者为需要写入的数据找到中央处理器指定的空白扇区,还需要一 个标志,这个标志也就是扇区的界限标志,标志内存储了扇区的编号和地址等信息,每个扇区的首尾都有,与每个扇区分配的512个字节构成一个整体。
l l 主轴电机:主轴电机是专门带动盘体做高速旋转的装置,能够带动硬盘达到相当高的转速。主轴电机能够达到的转速也是评测硬 盘档次的一个重要指标。目前主流硬盘的转速在每分钟5400转至7200转之间(5400转的硬盘已开始逐渐被淘汰),10000转的属于高速硬盘。在网 络服务器与某些处理图形的设备上使用的硬盘一般为15000转至20000之间,有的甚至更高。
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主轴电机主要采用无刷直流电机,这种电机在高速轴承的支撑下机械磨损很小,可以长时间连续工作,平均寿命在10万小时左右。也有的硬盘采用液态 流动轴承电机,有效的起到了减小磨擦,降低噪音的作用,比如希捷公司的酷鱼三代和四代都采用了这项技术,目前已有更多品牌与厂商采用了这种电机,大有代替 无刷直流电机的势头。
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l l 读写磁头与寻道电机:读写磁头负责读取与写入数据时与盘片表面的磁性物质发生作用;寻道电机负责带动磁头寻道,两者由驱动臂连接在一起,构成一个整体装置,如下图所示。
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2. 前置读写控制电路
前置读写控制电路也叫前置放大电路,该电路主要有两个作用:第一,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;第二,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。前置放大电路在硬盘内的部位如下图所示。
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