《硬盘基本结构》PPT课件.ppt

,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,由于SCSI硬盘平时我们接触较少，因此我们目前所提到的硬盘一般指的是IDE接口的硬盘。这种硬盘多属于温盘（Winchester），由头盘组件（HDA，Head Disk Assembly）与印刷电路板组件（PCBA，Print Circuit Board Assembly）组成。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,图2-1 硬盘正面及各部件名称,硬盘是一个集机、电、磁于一体的高精系统。其内部是密封的，对用户而言既是黑匣子，也是透明的，用户根本不用关心其内部的运行，只需把标准接口接上即可正常使用，其正面如图2-1所示。,2.1.1 硬盘外部结构,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.1 硬盘外部结构,在硬盘的正面贴有产品标签，主要有厂家的信息和产品信息，如商标、型号、序列号、生产日期、容量、参数、主从设置方法等，这些信息是正确使用硬盘的基本依据，如图2-2所示。图2-2所示的是WD200BB的产品标签。从型号上可以判断，它是一款容量为20GB的7200RPM高速硬盘，产品序列号为WMA9L1203351，产地为马来西亚，出厂日期是2001年8月15日。,图2-2 硬盘产品标签,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,图2-3 硬盘背面及各部件名称,在硬盘的背面则是控制电路板，如图2-3所示。从图2-3中可以清楚地看出各部件的位置。总得来说，硬盘外部结构可以分成控制电路板和外壳两个部份。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,图2-4 带有保护层的硬盘的背面,有些硬盘的电路板上会附加有一层保护层，使用海绵或金属板，如图2-4所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,图2-5 卸下保护层的硬盘,卸下保护层，可以看到电路板与保护层间还有一层海绵，如图2-5所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,图2-6 卸下电路板的硬盘,拧下电路板上的4颗螺丝，就可以取下电路板。这块硬盘的电路板和硬盘内部的电路连接并不是通过软排线，而是弹性触点。为防止短路，电路板和盘体之间还有一层海绵。如果采用软排线的方式进行连接，需要先将用于连接排线的插座两边的“耳朵”向外拉，然后就可以取出排线，再取下电路板。揭开电路板后的盘体如图2-6所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,大多数的控制电路板都采用贴片式焊接，它包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、高速缓存、控制与接口电路等。在电路板上还有一块ROM芯片，里面固化的程序可以对硬盘进行初始化，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。在电路板上还安装有容量不等的高速数据缓存芯片。读写电路的作用就是控制磁头进行读写操作。磁头驱动电路直接控制寻道电机，使磁头定位。主轴调速电路是控制主轴电机带动盘体以恒定速率转动的电路。缓存（Cache）对磁盘性能所带来的作用是毋庸置疑的，在读取零碎文件数据时，大缓存能带来非常大的优势。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,图2-7 硬盘EIDE接口,在硬盘的一端有电源接口插座、主从设置跳线器和数据线接口插座，电源插口与主机电源相联，为硬盘工作提供电力保证。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换的纽带，根据联接方式的差异，分为EIDE接口、SCSI接口和SATA串口。EIDE接口多用在桌面硬盘，经常听说的40针、80芯的接口电缆指的就是这类数据线，如图2-7所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,SCSI接口则多用在网络服务器和高档图形工作站中，如图2-8所示。,图2-8 硬盘SCSI接口,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,图2-9 硬盘SATA接口,SATA串口数据传输目前最高达到150MB/S，是当前的主流产品，如图2-9所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,对于STAT硬盘，不再使用4针的“D形”电源接口，改用新式的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SIIG、Promise、3Ware等均在其PCI扩展卡的包装中提供有电源转接线。在接好硬盘接口上的电源和数据线之后，将线缆连接到PCI扩展卡或主板的S-ATA端口上即可完成安装。S-ATA采用点对点连接方式，因此每个S-ATA线缆（或通道）只能连接一块硬盘，相应的也就不必像并行硬盘那样设置主、从跳线。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,梭鱼，一种凶猛的热带海生鱼，有带尖牙的突出的下颚，包括一些可食种类。,图2-10 典型SATA硬盘产品标签,典型SATA的产品标签如图2-10所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,平时我们了解硬盘，多是从产品外观、产品特征及磁盘性能等方面去认识，那么硬盘的内部到底是什么样呢？相信许多朋友都不太清楚，由于硬盘的特殊结构，其内部对空气洁净度的要求至少是100级以上，所以一般的用户谁都不会去冒冒失失地将硬盘拆开来，因此了解硬盘内部结构的机会就非常少。把硬盘上表面的塑料纸彻底斯掉，拧下8颗螺丝（四周6颗，中间2颗），再撕掉后侧面的密封锡纸，看到的硬盘如图2-11所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-11 没有外包装的硬盘,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-12 硬盘腔体,由于顶盖和盘体的连接非常紧密，要用平口螺丝刀才能撬开，撬开顶盖后就露出其“庐山真面目”了，与图2-11相比，里面可漂亮多了，其内部结构如图2-12所示，在顶盖内侧有4个扇形突起，是和外界交换空气用的减压囊。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-13 硬盘内部架构,这就是里边的结构，硬盘的盘片相当光滑，比我们常用的镜子还要平整许多。揭掉顶盖，保留单独的内部架构，如图2-13所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-14 拆卸主电机顶盖,拆下主电机顶盖上的3颗螺丝，再取下顶盖，就可以挪动上边的一张盘片，如图2-14所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-15 取下上边的盘片,把磁头架移到盘片外沿，可以取下上边的盘片，如图2-15所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-16 卸下磁头架,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-17 取下下边的盘片,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-18 铝合金盘体,卸下固定主电机的三颗螺丝，电机就拆下来了。最后剩下的只是一个铝合金的盘架，如图2-18所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,对于SATA接口的硬盘，其内部接口与PATA接口的硬盘一样，只是对外接口不一样，详细的说，硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其它附件组成，其中磁头盘片组件是构成硬盘的核心，它封装在硬盘的净化腔体内，包括有浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路这几个部分，如图2-19所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-19 硬盘的内部结构,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,磁头组件。这个组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，采用非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0.10.3m，这样可以获得很好的数据传输率，如图2-20所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-20 磁头组件,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,磁头驱动机构。磁头驱动机构由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成，高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并能在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道。磁盘片。盘片是硬盘存储数据的载体，现在硬盘盘片大多采用金属薄膜材料，这种金属薄膜与软盘的不连续颗粒载体相比具有更高的存储密度、高剩磁及高矫顽力等优点。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,主轴组件。主轴组件包括主轴部件如轴承和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术（FDB）。采用FDB电机不仅可以使硬盘的工作噪音降低许多，而且还可以增加硬盘的工作稳定性。前置控制电路。前置电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,目前，微机上安装的硬盘几乎都是采用温彻斯特（Winchester）技术制造的硬盘，这种硬盘也被称为温盘。这种结构的特点为：（1）磁头、盘片及运动机构密封在盘体内；（2）磁头在启动、停止时与盘片接触，而在工作时因盘片高速旋转，从而带动磁头“悬浮”在盘片上面呈飞行状态（空气动力学原理），这个“悬浮”的高度约为0.1微米0.3微米，这个高度是非常小的，图2-21标出了这个高度与头发、烟尘和手指印的大小比较关系，从这里就可以直观的“看”出这个高度到底有多“高”了；,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-21 磁头高度,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,（3）磁头工作时与盘片不直接接触，所以磁头的加载较小，磁头可以做得很精致，检测磁道的能力很强，可大大提高位密度；（4）磁盘表面非常平整光滑，可以做镜面使用。综上所述，硬盘内部的完整结构如图2-22所示。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-22 硬盘内部结构,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,每个盘片的每个面都有一个读写磁头，磁盘盘面区域的划分如图2-23所示。与磁头接触的表面靠近主轴，即线速度最小的地方，是一个特殊的区域，它不存放任何数据，称为启停区或着陆区（LandingZone），启停区外就是数据区。在最外圈，离主轴最远的地方是“0”磁道，而硬盘数据的存放就是从最外圈开始的，所以在硬盘启动的时候有时能听到“吧嗒、吧嗒”声，这是磁头从启停区转到“0”磁道寻道时，由于转速不够，又被磁力拉回，与主轴磕碰发出的声音，很显然，出现这种声音可不是什么好兆头。那么磁头是如何找到“0”磁道的位置的呢？从图2-22中还可以看到，有一个“0”磁道检测器，就是由它来完成硬盘的初始定位的。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,图2-23 硬盘内部结构,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,早期的硬盘，每次关机之前需要运行一个叫Parking的程序，其作用就是让磁头回到启停区，现代硬盘在设计上已摒弃了这个虽不复杂却很让人不愉快的小缺陷，硬盘不工作的时候，磁头就停留在这个启停区。当需要从硬盘读写数据时，磁盘开始旋转，当旋转速度达到额定的高速时，磁头就会被盘片旋转产生的气流所抬起，这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。读写完毕，盘片停止旋转，磁头又回归到启停区。盘片旋转产生的气流相当强，足以使磁头托起与盘面保持一个微小的距离。这个距离越小，磁头读写数据的速度就越快，当然对硬盘各部件的要求也越高。早期设计的磁盘驱动器使磁头保持在盘面上方几微米处飞行。稍后一些设计使磁头在盘面上的飞行高度降到约0.10.5微米，现在的水平已经达到0.0050.01微米，这只是人类头发直径的千分之一，如图2-21所示。气流既能使磁头脱离开盘面，又能使它保持在离盘足够近的地方，非常紧密地跟随着磁盘表面呈起伏运动，使磁头飞行处于严格受控状态。磁头必须飞行在盘面上方，而不是接触盘面，这种位置可避免擦伤磁性涂层，更重要的是，不让磁性层损伤磁头。但是，磁头也不能离盘面太远，否则就不能使盘面达到足够强的磁化，也就难以读出盘上的磁化翻转（磁极转换形式，也就是磁盘上实际记录数据的方式）。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,磁盘上的磁道与唱片上的纹路很类似，其区别就在于磁盘盘面上的磁道是一个个的同心圆，各磁道之间互不相连，而唱片只有一条从外侧向中心呈螺旋状的纹路（光盘的纹路和唱片的纹路是非常相象的，不过光盘是从内向外）。放送唱片时，唱针从唱片外侧向中心连续移动。而在磁盘上读/写数据时，磁头保持静止不动，只有在需要从一条磁道进到另一条磁道时，磁头才会移动。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,硬盘驱动器内的电机都是无刷电机，在高速轴承支持下机械磨损很小，可以长时间连续工作。高速旋转的盘体产生明显的陀螺效应，所以在硬盘工作时不宜搬动，否则会增加轴承的工作负荷。为了长时间高速存储和读取信息，硬盘驱动器的磁头小，惯性也小，所以硬盘驱动器的寻道速度要明显快于软驱和光驱。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,硬盘驱动器磁头的飞行悬浮高度低，飞行速度快，一旦有小的尘埃进入硬盘密封腔内，或者一旦磁头与盘体发生碰撞，就可能造成数据丢失，形成坏块，甚至造成损坏磁头和盘体的严重后果。所以，硬盘系统的密封一定要可靠，在非专业条件下绝对不能开启硬盘密封腔，否则灰尘进入后会加速硬盘的损坏。另外，硬盘驱动器磁头的寻道伺服电机多采用音圈式旋转或直线运动步进电机，在伺服跟踪的调节下精确地跟踪盘片的磁道，所以硬盘工作时不要有冲击碰撞，搬动时要小心轻放。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,硬盘的盘片是硬质磁性合金盘片，片厚一般在0.5毫米左右，直径主要有1.8英寸、2.5英寸、3.5英寸和5.25英寸四种，其中2.5英寸和3.5英寸盘片应用最广，目前也有大量的新型硬盘如微型硬盘上市，直径为0.8英寸或1英寸。盘片的转速与盘片大小有关，考虑到惯性及盘片的稳定性，盘片越大转速越低。一般来讲，2.5英寸硬盘的转速在5400r/min7200r/min之间，3.5英寸硬盘的转速在4500r/min5400r/min之间，而5.25英寸硬盘转速则在3600r/min4500r/min之间。现在2.5英寸硬盘的转速最高已达15000r/min，3.5英寸硬盘的转速最高已达12000r/min。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,旧式硬盘驱动器的磁头是一种读写合一的薄膜磁头，这种磁头体积小重量轻，与盘片的磨擦较小。但在盘片高速旋转时磁头仍然与盘片产生较大的磨擦，因而容易引起盘片发热，增加能耗，从而限制了盘片的转速。又因为磁头是读写合一，磁头只能单向工作，读写不能同时进行，影响了数据传输速率。现在的硬盘驱动器磁头已从MR磁头（磁致电阻磁头，这种磁头不但轻小，而且还可以做到读写分离），发展到GMR（巨磁阻）磁头、MRX（扩展磁阻）磁头、窄磁道薄膜感应性写入磁头等新型磁头，而且还有更多采用更新技术的新型磁头不断面世，其性能也更加优越。,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,信息产业部数据恢复技术培训,第3讲 硬盘外部、内部结构,2.1.2 硬盘内部结构,？,