硬盘物理结构及工作原理名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,硬盘物理结构及工作原理,第1页,硬盘外部结构,硬盘物理结构能够分为外部结构和内部结构两个部分，其逻辑结构主要包括硬盘盘片数据存放。,从外部看，硬盘结构主要包含金属固定面板、控制电路板和接口三部分。,1.,金属固定面板,硬盘外部总会有一个金属面板，用于保护整个硬盘，如图所表示。普通在硬盘金属面板正面贴有产品标签，标签上多会标注产品型号、产地、设置数据等，这些信息是正确使用硬盘基本依据。金属面板和底板结合成一个密封整体，确保硬盘盘片和机构稳定运行。固定面板和盘体侧面还设有螺纹孔，以方便硬盘安装。,金属固定板,第2页,2.,控制电路板,在硬盘金属盖板上会固定有一个电路板，这个电路板就是硬盘控制电路板，如图所表示。为了节约空间，该电路板上电子元器件大多采取贴片式元件焊接，这些电子元器件组成了功效不一样电子电路，这些电路包含主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上有几个主要芯片：主控芯片、,BIOS,芯片、缓存芯片、电机驱动芯片。对于不一样硬盘，其电路板上主要芯片种类也是不一样。,硬盘外部结构,缓存芯片,主控芯片,晶振,电机驱动芯片,数字信号处理芯片,电源控制芯片,电源接口,SATA,数据接口,盘片电机接口,第3页,3.,接口,在硬盘顶端会有几个不一样硬盘接口，如图所表示，这些接口主要包含电源插座接口、数据接口和主、从跳线接口，其中电源插口与主机电源相联，为硬盘工作提供电力确保。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换纽带。中间主、从盘跳线接口，用以设置主、从硬盘，即设置硬盘驱动器访问次序。其设置方法普通标注在盘体外标签上，也有一些标注在接口处，早期硬盘还可能印在电路板上。,硬盘外部结构,第4页,硬盘内部结构,打开硬盘外壳，硬盘内部结构一览无遗。仔细观察和了解后，总结出硬盘内部主要包含磁头组件、磁头驱动组件、盘片、主轴组件、前置控制电路等。,1.,磁头组件,磁头组件包含读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头组件中最主要部分是磁头，另外两个部分能够看作是磁头辅助装置。传动轴带动传动臂，使磁头抵达指定位置。,磁头是硬盘中对盘片进行读写工作工具，是硬盘中最精密部位之一。磁头是用线圈缠绕在磁芯上制成，工作原理则是利用特殊材料电阻值会伴随磁场改变原理来读写盘片上数据。硬盘在工作时，磁头经过感应旋转盘片上磁场改变来读取数据；经过改变盘片上磁场来写入数据。为防止磁头和盘片磨损，在工作状态时，磁头悬浮在高速转动盘片上方，间隙只有,0.1,0.3um,，而不与盘片直接接触，在电源关闭之后，磁头会自动回到盘片上着陆区，此处盘片并不存放数据，是盘片起始位置。如图所表示为磁头组件及磁头驱动组件。,第5页,硬盘内部结构,2.,磁头驱动组件,磁头移动是靠磁头驱动组件实现，硬盘寻道时间长短与磁头驱动组件关系非常亲密。磁头驱动机构由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置组成，高精度轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确驱动和定位，并能在很短时间内准确定位系统指令指定磁道，确保数据读写可靠性。电磁线圈电机包含着一块永磁铁，该磁铁磁力很强，对于传动手臂运动起着关键性作用。防震装置是为了防止磁头将盘片刮伤等情况发生而设计。,永磁铁,电磁线圈,第6页,硬盘内部结构,3.,盘片与主轴组件,盘片是硬盘存放数据载体，盘片是在铝合金或玻璃基底上涂敷很薄磁性材料、保护材料和润滑材料等各种不一样作用材料层加工而成，其中磁性材料物理性能和磁层结构直接影响着数据存放密度和所存放数据稳定性。金属盘片含有很高存放密度、高剩磁及高矫顽力；玻璃盘片比普通金属盘片在运行时含有更加好稳定性。如图所表示，为硬盘盘片和主轴组件。,主轴组件包含主轴部件轴瓦和驱动电机等。伴随硬盘容量扩大和速度提升，主轴电机速度也在不停提升，有厂商开始采取精密机械工业液态轴承电机技术，这种技术应用有效降低了硬盘工作噪音。,磁盘片,电磁线圈,第7页,硬盘内部结构,4.,前置控制电路,前置放大电路控制磁头感应信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，因为磁头读取信号微弱，将放大电路密封在腔体内可降低外来信号干扰，提升操作指令准确性。,前置控制电路,第8页,硬盘逻辑结构,新买来硬盘是不能直接使用，必须对它进行分区并进行格式化才能储存数据。经过格式化分区之后，逻辑上每个盘片每一面都会被分为磁道、扇区、柱面这几个虚拟概念，并非像切豆腐一样真进行切割。如所表示为硬盘划分逻辑结构图。另外，不一样硬盘中盘片数不一样，一个盘片有两面，这两面都能存放数据，每一面都会对应一个磁头，习惯上将盘面数计为磁头数，用来计算硬盘容量。,扇区，磁道（或柱面）和磁头数组成了硬盘结构基本参数，用这些参数计算硬盘容量，基计算公式为：,存放容量,=,磁头数,磁道（柱面）数,每道扇区数,每扇区字节数,磁道,柱面,扇区,盘片,盘片,主轴,第9页,硬盘逻辑结构,1.,磁道,当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。磁盘上磁道是一组统计密度不一样同心圆，如图所表示。磁表面存放器是在不一样形状,(,如盘状、带状等,),载体上，涂有磁性材料层，工作时，靠载磁体高速运动，由磁头在磁层上进行读写操作，信息被统计在磁层上，这些信息轨迹就是磁道。这些磁道用肉眼是根本看不到，因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了一些磁化区，磁盘上信息便是沿着这么轨道存放。相邻磁道之间并不是紧挨着，这是因为磁化单元相隔太近时磁性会产生相互影响，同时也为磁头读写带来困难，通常盘片一面有成千上万个磁道。,磁道,第10页,硬盘逻辑结构,2.,扇区,分区格式化磁盘时，每个盘片每一面都会划分很多同心圆磁道，而且还会将每个同心圆深入分割为多个相等圆弧，这些圆弧就是扇区。为何要进行扇区划分呢？因为，读取和写入数据时候，磁盘会以扇区为单位进行读取和写入数据，即使计算机只需要某个扇区内几个字节文件，也必须一次把这几个字节数据所在扇区中全部,512,字节数据全部读入内存，然后再进行筛选所需数据，所认为了提升计算机运行速度，就需要对硬盘进行扇区划分。另外，每个扇区前后两端都会有一些特定数据，这些数据用来组成扇区之间界限标志，磁头经过这些界限标志来识别众多扇区。,3.,柱面,硬盘通常由一个或多个盘片组成，而且每个面都被划分为数目相等磁道，并从外缘开始编号（即最边缘磁道为,0,磁道，往里依次累加）。如此磁盘中含有相同编号磁道会形成一个圆柱，此圆柱称为磁盘柱面。磁盘柱面数与一个盘面上磁道数是相等。因为每个盘面都有一个磁头，所以，盘面数等于总磁头数。,第11页,硬盘种类,硬盘种类比较多，若是按照硬盘接口类型不一样来分，大致能够分为,IDE,硬盘、,SATA,硬盘、,SCSI,硬盘、移动硬盘、固态硬盘,硬盘按照其工作形式不一样能够分为两种，一个是机械硬盘，另一个是固态硬盘。比较常见机械硬盘按照其接口形式不一样能够分为,IDE,硬盘、,SATA,硬盘、,SCSI,硬盘三种。,1.IDE,硬盘,IDE,（,Integrated Drive Electronics,）硬盘是指采取,IDE,接口硬盘，如图所表示。,IDE,算是全部现存并行,ATA,接口规格通称。这种硬盘相对来说价格低廉、兼容性强、工作稳定、容量大、噪音低，应用比较多。不过，这种硬盘采取并行数据传输方式，传输速度不停提升使得信号干扰逐步变强，不利于数据传输。,第12页,硬盘种类,2.SATA,硬盘,SATA,（,Serial Advanced Technology Attachment,）硬盘是指采取,SATA,接口硬盘，如图所表示。,SATA,接口采取串行数据传输方式，理论上传输速度比,IDE,接口要快很多，处理了,IDE,硬盘数据传输信号干扰限制传输速率问题，而且采取该接口硬盘支持热插拔，执行率也很高。,3.SCSI,硬盘,SCSI,（,Small Computer System Interface,）硬盘就是采取,SCSI,接口硬盘，采取这种接口硬盘主要用于服务器，如图所表示。这种接口使用,50,针，外观和普通硬盘接口有些相同。,SCSI,硬盘和普通,IDE,硬盘相比有很多优点：接口速度快，而且因为主要用于服务器，所以硬盘本身性能也比较高，硬盘转速快，缓存容量大，,CPU,占用率低，扩展性远优于,IDE,硬盘，而且一样支持热插拔。,SCSI,硬盘,SATA,硬盘,第13页,硬盘种类,4.,固态硬盘,固态硬盘（,Solid State Disk,）用固态电子存放芯片阵列而制成硬盘，如图所表示为固态硬盘，它主要由控制单元和存放单元（FLASH,芯片）组成。固态硬盘接口规范和定义、功效及使用方法上与普通硬盘完全相同，在产品外形和尺寸上与普通硬盘几乎一致。固态硬盘存放介质分为两种，一个是采取闪存（,FLASH,芯片）作为存放介质，另外一个是采取,DRAM,作为存放介质。广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等领域。不过，因为固态硬盘成本比较高，销售价格相对较高，所以还没有得到普及。,第14页,温彻斯特技术,伴随计算机行业不段发展，存放文件用硬盘也在不停发展，,1973,年，,IBM,研制成功了一个新型硬盘,IBM3340,。这种硬盘拥有几个同轴金属盘片，盘片上涂着磁性材料，盘片和移动磁头共同密封在一个盒子里面，磁头能从旋转盘片上读出磁信号改变。这就是第一块温彻斯特硬盘（,Winchester,）。“温彻斯特”这个名字来历是：,IBM3340,硬盘拥有两个,30MB,存放单元，而当初一个很有名“温彻斯特来福枪”口径和装药也恰好包含了两个数字“,30,”。于是这种硬盘内部代号就被定为“温彻斯特”。,现在,IDE,、,SATA,和,SCSI,接口硬盘采取都是“温彻思特”技术，简称为“温盘”。温彻斯特技术主要内容是“头盘组合件（,HAD,，,Head Disk Assembly,）”。将磁头、盘片、主轴等运动部分密封在一个壳体中，就形成一个头盘组合件（,HAD,），头盘组合件与外界环境隔绝，防止了灰尘污染。其中，磁头浮动块采取小型化轻浮力设计，盘片表面涂润滑剂，实施接触起停。即日常盘片不转时，磁头停靠在盘片上，当盘片转速达一定值时，磁头浮起并保持一定浮动间隙。这么简化了机械结构，缩短了起动时间。,温彻斯特硬盘特点以下：,（,1,）磁头、盘片、运动机构密封。,（,2,）固定并高速旋转镀磁盘片表面平整光滑。,（,3,）磁头沿盘片径向移动。,（,4,）磁头对盘片接触式启停，但工作时呈飞行状态不与盘片直接接触。,第15页,硬盘工作原理,计算机中数据都是保留在硬盘中，那么硬盘工作原理到底是怎样呢？简单说，硬盘工作原理就是利用盘片上磁性粒子极性来统计保留数据，其实就是电磁转换原理。,硬盘存放数据位置是在盘片表面，不过盘片材料普通为合金材料或者是玻璃材料，并非磁性材料，所以不具备统计数据条件，需要在盘片上附着一层磁性粉，这些磁粉在硬盘工作过程中，经过磁头释放磁性信号将磁粉做以不一样磁化从而统计数据，另外，硬盘在进行数字统计是，首先要将统计数据信息转为二进制数，然后将磁化状态统计在磁粉介质之上。,硬盘驱动器加电后，磁盘片由主轴电机驱动进行高速旋转，设置在盘片表面磁头会在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存放或读出来。当系统向硬盘写入数据时，磁头中写数据电流产生磁场使盘片表面磁性物质状态发生改变，并在写电流磁场消失后仍能保持，当系统从硬盘中读取数据时，磁头经过盘片指定区域，盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生改变，经过相关电路处理后还原成数据。,第16页,硬盘工作过程,硬盘驱动器加电后，硬盘电路板上主控芯片中,DSP,（数字信号处理器）开始对硬盘进行初始化；即,DSP,首先运行,ROM,中程序，部分硬盘会检验各部件完整性，然后盘片电机起转，当转速到达预定转速时，盘片转速引发一定气流托起磁头，磁头开始运动，并定位到盘片固件区，读取硬盘固件程序和坏道表（固件区在硬盘上物理位置并不是一定，完全由硬盘设计决定；同时，并不是全部固件都一定要写在盘片上，在硬盘全部固件中，只有硬盘密码是一定写在其固件区），在固件被正常读出后，硬盘初始化完成。接着主轴电机将开启并带动磁盘高速旋转，同时音圈电机开启，带动磁头移动到硬盘,0,柱面,0,磁头,1,扇区（也就是我们常说,0,道），处于等候指令开启状态。,接下来，电脑运行一个应用程序时，应用程序经过操作系统,API,（,Application Programming Interface,，应用程序接口）发出调用数据请求到,CPU,，然后,CPU,发出指令，当硬盘接口电路接收到电脑,CPU,传来指令信号后，经过硬盘微处理器向电机驱动芯片发出控制信号，接着电机驱动芯片将此信号翻译成电压驱动信号，驱动主轴电机和音圈电机转动，进而带动盘片转动，并将磁头移动到数据所在扇区；这时依据感应阻值改变磁头会读取磁盘上数据信息同时将读取数据信息传送到磁头信号放大芯片，磁头芯片将信号放大后，再传送到前置信号处理器，前置信号处理器将接收到模拟信号解码后再传送到数字信号处理器，数字信号处理器再对数据信号进行深入加工，转为数字信号，之后传送到接口电路；接口电路将数据转换成电脑能识别接口数据信号后，反馈给电脑系统，完成指令操作。最终硬盘微处理器向磁头发出归位控制信号，使磁头归位。磁头又处于等候指令开启状态，以下列图所表示为硬盘工作过程图。,第17页,硬盘工作过程,电脑,CPU,主板中硬盘接口,（,IDE,接口或,SATA,接口）,硬盘接口电路,硬盘缓存,硬盘微处理器,数字信号处理器,前置信号处理器,电机驱动芯片,磁盘,主轴电机,磁头,磁头芯片,音圈电机,主控芯片,另外，为了协调硬盘与主机在数据处理速度上差异，在硬盘中增加了存放缓冲区，即硬盘将,CPU,惯用数据存放在缓冲区中，等再次使用时，直接从缓冲区调入数据，而不需再到硬盘磁盘中读取，以此提升数据调入速度。,第18页,