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关于硬盘结构的介绍

 

硬盘驱动器简称硬盘,是PC机配置的大容量外部存储器,由于采用了温彻斯特(Winchester)技术,因此又称为温盘驱动器或温盘。硬盘都是采用全密封结构。
软盘尽管有携带方便、便于保存和更换的优点,但却存在容量小。速度慢的致命弱点。
对于运行稍大一点的软件系统而言,没有硬盘是令人无法想象的。硬盘驱动器在基本原理上与软盘系统非常相似。主要区别在于磁盘的制造材料和转速。硬盘盘片是在铝片上涂敷一层磁性粒子而制成的,硬盘驱动器的转速大约是软盘驱动器转速的十倍以上(硬盘速度在3600转/分以上,而软盘的转速只有300或360转/分)容量则是软盘的几十倍甚至上千倍。因为速度高得多,磁介质也坚固,读写操作用的磁头更精密。
PC机发展至今,硬盘己成为各档次机型的主要配置之一,容量从初期的10MB发展到今天的几十至几百MB,还有GB、TB数量级的,而价格却“一落千丈”,早期的10MB硬盘比目前的1GB硬盘价格还要贵上几倍,可见价格落幅之大,硬盘在PC机发展史上绝对是单位价格落幅最大的器件,这也是硬盘技术的发展海用户带来的最大好处。
硬盘驱动器的类型与规格
PC机上所配硬盘按固定方式分为两种,一为固定式,一为活动式,所谓固定式硬盘就是固定在PC机壳内,且容量也是固定的。当容量不足时,可再扩充另一台硬盘(一般最多可以接两台〕;而活动式硬盘则如同软驱一样,是以磁盘的方式处理,但其速度与容量都远远超过软驱,这种硬盘容量有50MB、80MB等不同规格,适合于备份数据或多个用户使用同一台PC机时使用。
按外形尺寸分有全高、半高和薄型;按盘径大小分目前主要有5.25英寸(135mm)、35英寸(90mm)、25英寸(64mm)、18英寸(46mm)和l3英寸(33mm)等五种,其中5.25英寸的硬盘主要配置在早期286以下的PC机,目前台式PC机中一般都是配置3.5英寸硬盘,也有少量台式机配2.5英寸硬盘,而PC便携机中则主要是配置25英寸以下的硬盘;按容量分有10MB、20MB、30MB至数个GB等多种类型(5.25英寸硬盘多用于老式XT和AT机中,容量一般为10-80MB)。目前的趋势是向大容量、小尺寸发展。
按硬盘的接口方式分主要有:ST506/412接口、IDE接口(即ATBUS接口)、ESDI接口、SCSI接口、MSD接口、IPI接口和ISI接口。PC机中主要采用的接口方式则为:ST506/412接口、IDE接口(即ATBUS接口)、ESDI接口和SCSI接口。ST506/412接口主要是容量为10MB至44MB的硬盘,40MB至50MB硬盘则一般采用IDE接口,而大于50MB的硬盘则主要采用SCSI接口或ESDI接口。
硬盘驱动器的性能指标
硬盘驱动器的性能指标主要有:盘径、接口类型、磁头数、柱面数、每磁道扇区数、数据传输速率、磁盘转速、电源、重量、MTBF(硬盘平均使用寿命)等。
硬盘定位并查询某个扇区中数据的总时间包括以下三个方面时间的总和:
1)磁头定位到目标磁道所需的时间;
2)找到目标扇区所需时间;
3)选取扇区数据所需时间:
这个时间值被称为硬盘的存取时间或硬盘速度。一般XT机配置的硬盘其硬盘速度为85ms左右, 286机为 28ms左右, 28ms对于386系统可能稍显缓慢, 486系统中则应配置在15ms以下的IDE、SCSI或ESDI硬盘。
硬盘的容量是由硬盘的磁头数、柱面数和每磁道扇区数决定的,因PC机中每扇区容量为512字节,所以硬盘容量的具体计算公式为:
总容量(字节数) =512X磁头数X柱面数X每磁道扇区数
例如, CP30104型硬盘的磁头数为8、柱面数为765、每磁道扇区数为39,则其总容量为:
512X8X765X39=1220416字节=12220416/1024/1024=117MB(lKB=1024B 1MB=1024KB )
硬盘的平均使用寿命(MTBF)根据驱动器类型不同在40 000-150 000小时之间。容量越大的驱动器,价格越高,使用期限也越长。但MTBF仅仅是一个参考值,用户个能过于相信制造商所提供的MTBF数据,对用户而言最可靠的是能提供较长的保修期。例如,对于MTBF为150,000小时的驱动器,如果每天使用8小时,应该能用51年,即使每人使用24小时也应该能用17年。但实际上,硬盘驱动器的出现是十多年前的事情,因此制造商们根本无法提供高达150,000小时使用期限的验证或测试。
2.概念荟萃
IDE接口
IDE (Intelligent Drive Electronics)接口,即智能化驱动器电子接口,又名AT BUS接口,多见于3.5英寸硬盘,容量从20-500MB不等,目前市场上40-500MB的硬盘大多采用IDE接口,主要优点在于兼容性高、速度快、价格低廉。其主要特点是:
1)采用高性能的旋转音圈电机,配以嵌入式的扇区伺服机构,定位精确,速度快,其传输速率达7.5MB/s以上,且省电、抗震性能好、断电后磁头能自动锁定在启停区。
2)采用控制线和数据线合用的40线插座及4线直流电源线插座,安装简单。所有的控制器电子设备都集成到驱动器上,IDE驱动器仅仅需要一个价格低廉的接口与总线相连接,因此控制器卡价格低廉。
3)IDE控制卡可支持两个硬盘。与ST506/412接口不同,当连接两个硬盘时,无需外加控制信号电缆。两个硬盘的主从关系取决于硬盘电路板上的短路接头C/D。硬盘上都标示了Master(主)/Slave(从)的具体使用方法。需注意的是作为Slave的2号硬盘的起始盘符恒为D:,若在已定义有多个DOS逻辑盘的系统中添加第二个硬盘,则原所有逻辑盘号应相应后移。
4)接口卡无需另配驱动程序,所有的IDE硬盘均能由系统BIOS利用保存在CMOS中的硬盘参数直接驱动。对于不同的lDE硬盘,必须在系统CMOS中为其设置并保存相应的硬盘参数,若参数不对,有可能使系统不认此硬盘
3、ESDI接口
ESDI(Enhanced Small Disk Interface)即“增强型小型磁盘机接口”是由美国Maxtor、 Shugart、CDC和XEBFC等公司联合开发的,它吸收了ST506/412和其它一些非标准接口的优点,使其更适合于大容量硬盘的工作。ESDI接口的主要特点是:
l)具有浮动的数据传输速率(从1O-15MB/s),适合于大容量硬盘驱动器。
2)数据的编码和译码不在控制器板上进行,而由硬盘驱动器承担。
3)ESDI驱动器具有很快的磁盘存取速度,通常为15ms~18ms。
4)具有34条控制线和20条数据线,大部分控制线和信号线与ST506 /412接口一致只是增加了一些信号,数据线信号的读写数据都改成了不归零制(NRZ)编码数据。
4、SCSI接口
SCSI(Small Computer System Interface)接口是小型计算机接口的简称,是一种多用途的输入输出接口,除用于磁盘外,还广东省用于光盘驱动器、磁带机、扫描仪、打印机等设备。一条SCSI总线最多可以连接8台设备,为了区分各个设备,每个设备拥有一个ID号(0~7)。适用于多用户多任务处理。
SCSI驱动器一次可以处理8位数据,因而有较高的数据传送速率(5~40MB/s),相比较而言,MFM、RLL以及ESDI等硬驱都是串行系统,即一次只能传送1位数据。SCSI具有不需要理解外部设备特有的物理属性(如磁盘的柱面数、磁头数和每磁道扇区数等设备固有的参数)就可以进行高水平逻辑操作的命令体系,因此不需要将其类型编号输入到CMOS安装记录中,对外部设备的更新换代和系统的系列化提供了灵活的处理手段。
SCSI驱动器适合进行备份工作,因为这种备份速度恨快。用户可以快速和容易地将文件从IDE盘拷贝到SCSI盘。
SCSI控制器的类型很多功能和价格也各不相同。
◎ATAPI:
ATAPI为(AT Attachment Packet Interface)的缩写,或称ATA(AT Attachment)接口,其结构为将硬盘控制卡与硬盘的电路合二为一以降低成本,它是由Compaq公司以PC/AT为结构而设计,即我们所说的AT总线,正因为是集成的硬盘控制卡和硬盘电路,故一般也称为IDE(Integrated Disc Electronics)硬盘。E-IDE是Enhanced IDE的缩写,是WD(Westem Digital)公司对IDE的增强改进型接品,IDE最大的功能是可突破早期IDE接口无法控制528MB以上容量硬盘,它也可作为IDE外围设备的接口。目前Pentium主板上都有两个IDE端口的标准接口,其功能归纳如下:
○可控制528MB以上容量的硬盘。
○可接4个IDE接口的外围设备(IDE的硬盘,120MB软盘驱动器、光盘驱动器、磁带机、便携硬盘等)。
可支持ATAPI(AT Attachment Peripheral Interface)标准接口的外围设备。
Fast-ATA:(Fast-ATA-2、Fast-ATA-3)
Fast-ATA接口,是Seagate公司为了改进IDE接口无法控制528MB以上高容量的硬盘而制订的规格,支持的最高容量可达8.4GB,只要符合ATAPI的接口都可使用,可同时连接4个外围设备(硬盘、光盘驱动器,便携硬盘等),而且数据的传输率也提高了,目前市面上有ATA-2、 ATA3和ATA4较快的规格,其数据的传输率达167MB/Sec。
Ultra-DMA 33:
Ultra-DMA 33标准接口是由Intel和Quantum公司共同制订的规格,其主要的目的是,在不必更换扁平缆线的情况下,即可使用主板的IDE接口(E-IDE),不过,主板的BIOS和芯片组必须支持Ultra DMA 33规格,另外还要使用Ultra DMA 33的硬盘,方可真正实现33MB/Sec的传输率,否则只能使用E-IDE规格的16.7MB/Sec
的传输速率。
磁头停放的磁道( Head Parking Track):
当硬盘格式化时,会把盘片最内的同心圆规划为磁头安全停放的磁道,不存放任何数据,专供关机时磁头的停放区,以免硬盘搬动时,发生磁头撞击而导致磁道上数据的丢失,目前新的硬盘都有自动停放磁头(Auto Park)的设计,当关机时,音圈(启动)马达会将磁头驱动臂的磁头推向盘片最内圈的同心圆,并停放在安全磁道
磁头0磁道:
当电脑开机硬盘主轴马达开始运转时,其产生的空气浮力会使硬盘的磁头快速飘浮移至金属盘片的最外围,同心圆的第0磁道待命(Stand By)。第0磁道存放了硬盘的启动程序,硬盘的文件分配表(FAT)、根目录等数据,因此电脑开机时,请勿任意搬动硬盘,以免发生磁头撞击硬盘盘片而损坏硬盘。
引导记录区(Root Record)
开机时BIOS就会先去执行硬盘第0面,第0磁道,第1扇区的引导记录区的程序,把有关硬盘内部的记录(磁柱面总数、扇区大小、 FAT表、目录大小)和DOS的基本数据(COMMAND.COM, IO.SYS, MSDOS.SYS)载入内存,完成开机启动的基本操作。
搜导时间(Seek Time)
是指读写头搜寻数据移动至盘片的磁道进行定位所需要的时间,一般取其平均值,以ms(毫秒)为单位,又称为寻道定位时间(Position Time)。搜寻时间分为最大(Maximum)、最小(Minimum)和平均(Average)三种时间。一般以平均搜寻时间(Average Seek Time)作为硬盘的速度规格,硬盘速度的快慢以此值为标准,目前较快的IDE硬盘为8ms~12ms。
存取时间(Access Time)磁头从硬盘搜寻数据,盘片旋转等待,至数据存取所需的时间。
硬盘存取数据的时间=搜寻时间+等待时间。
传输率(Transfer Rate):
数据的传输率,分内部传输和外部传输:
---------------------------内部的传输:--------------------
硬盘内部的传输,是指硬盘盘片读写的数据传送至硬盘的超高速缓冲区(Cache Buffer)的速率,一般以Mbit/Sec(Mega Bits EGA bits Per Second)单位。目前较快的IDE硬盘有88Mbit/Sec的传送速率,较快的SCSI硬盘有122~177 Mbit/Sec的传送速率。
---------------------------外部的传输:----------------------
数据从主机的内存传送至硬盘的超高速缓冲区(Cache Bumffer)或从硬盘的缓冲区传送至主机的内存/称为外部传输率,以MByte/Sec(Mega Bytes Per Second)为单位。数据传输率的传输模式有PIO Mode 0至PIO Mode 5,以及DMA Mode l至DMA Mode 2。目前较快的传输率有Ultra DMA模式,一般较快硬盘的传输率为20MByte/SES至45MByte/sec。
--------------------------硬盘的分区表(Partition Table)-------------------
一个硬盘经过FDISK的划分和高级格式化以后,会在所属的操作系统中建立分区表,记录一些有关硬盘给哪一种操作系统使用,硬盘的容量大小以及开始磁柱面和结束磁柱面的分配,哪一个硬盘启动,引导区(Boot Sector),文件分配表(FAT)、根目录和数据区等一系列数据。现将分区表内的内容归纳如下:
◎分区表是创建在硬盘的第0磁柱面、第0磁道,第1个扇区上。
◎记录操作系统的数据(DOS, OS2或其他OS)。
◎记录分区硬盘的C(磁柱面)、H(磁头),S(扇区)的数量。
◎记录分配的磁柱面(Cylinder)的开始。结束和容量。
◎记录可启动的硬盘(Active)。
◎建立引导区(Boot Sector)。
◎建立文件分配表(FAT)。
◎建立根目录。
◎建立数据存储区。
-------------------硬盘的文件分配表(FAT)-----------------------------
文件分配表FAT是File Allocation Table的缩写,文件分配表是硬盘对其上文件分配管理的一种系统,它记录着硬盘的容量,文件配置的情况,哪些扇区己被数据占用,哪些扇区没有被数据占用。硬盘经DOS的高级FORMAT格式化以后,在硬盘的分区表中,即会建立文件分配表,文件分配表在不同的操作系统和不同硬盘容量,其配置都不相同。
硬盘的文件分布在不同的分区(Partition)中,其存储文件的基本单位(Allocation Unit)磁簇(Cluster)的扇区数也不相同,也就是说,不同的分区会产生不同的磁簇(Cluster)。如磁簇设置得太大,造成较少的数据存储在较大的磁簇中,也就是房间面积大,但却住较少的人口,形成空间的浪费。
在MS-DOS的FAT表中文件占用存储空间的大小,是由基本单位(Allocation Unit)磁簇的数目来决定的,假如分区的碰簇数小于4095则使用12bit的FAT表。若分区的磁簇数大于4095则使用 16bit的FAT表。我们目前的DOS/Win95是16bit的FAT文件系统Win95 OSR2的版本,为32bit的FAT文件系统,这对于较大容量的硬盘,在文件空间的分配上有较好的规划,对于2GB容量以上的硬盘,簇的规划就比较不会占用较大的空间,对于大容量硬盘的数据存储,也不会造成“虚有其表”的现象
---------------------硬盘的低级格式化--------------------------------
硬盘低级格式化(Low Level Format):又叫硬盘物理格式化(Physical Disk Format)或称为PRE-Format,其最主要的目的是划分磁柱面(Cylinder)、建立扇区数(Sector)和选择扇区的间隔比(Interleave),目前硬盘在工厂都已作好了低级格式化,故不需再作一次。
一般作低级格式化的主要原因是硬盘坏磁道太多,必须重新整理硬盘的结构,进行低级格式化,主要的功能是扫描磁盘是否有坏磁道,再把坏磁道标记出来,防止数据的写入。其次是,对磁盘表面的结构进行规划,把硬盘表面原来没有磁道,没有扇区或凌乱的磁道和扇区,重新划分成许多同心圆的磁道,又把磁道划分为许多扇区,每一扇区又划分为512字节的容量,如此我们才能根据磁道和扇区的位置去搜寻或读写数据。
现将硬盘进行低级格式化的原因归纳如下:
◎新的硬盘在出厂时已低级格式化了,不必再作一次。
◎当重新划分硬盘或要使用不同的操作系统时。
◎当硬盘坏磁道大多,数据无法存储,经常死机或乱码而必须重新整理硬盘时。
◎当硬盘分区表或硬盘间隔系数(Interleave)被病毒修改破, 无法恢复时。
硬盘的高级格式化
硬盘的高级格式化(High Level Format)又叫DOS格式化,或称为逻辑磁盘格式化(Logical Disk Format), 主要的目的,是将硬盘的分区,磁道格式化,使我们能够顺利开机进入硬盘C:\>,让我们的电脑能够与硬盘联络,使我们可以使用电脑系统里最大的存储工具,进而完成硬盘的基本管理操作。
高级格式化,其步骤如下:
步骤1:开机时,立即按DEL键进入CMOS Setup设置程序。
步骤2:选择IDE HDD Auto Detection(IDE硬盘自动检测)。
Enhanced IDE 卡
Enhanced IDE卡是IDE硬盘加强卡,卡上附有控制528MB以上容量硬盘的驱动程序,当主板BIOS不支持LBA(Logical Block Address,逻辑区块地址)模式时,开机时由卡上的BIOS取代主板的BIOS容量控制有关硬盘的设置。目前市面上有所谓的LBA卡,盘霸卡或较新的控制84GB以上和DMA 33MB/sec速率的Ultra 33的快速彪盘卡,其特点规纳如下:
◎可接4个IDE接口的硬盘。光盘驱动器等ATAPI规格的外围设备。
◎可支持528MB以上的硬盘。
◎可支持PIO MODE 3的11.1MB/Sec传输速率,以及DMA MODE 1的133MB/Sec
传送速率。
◎目前E-IDE已是586以上主板的标准接口。
 
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