第2章硬盘物理和逻辑结构

数据恢复的本质是找到用户所需要的数据，而数据不论是哪种类型的，其必然存储于一定的介质之上。因此我们有必要了解一下当今市场上主流的数据存储介质。根据使用的材料和存储原理的不同，存储介质可分为三大类：★电存储技术介质，如内存、闪存等；★磁存储技术介质，如磁带、磁盘等；★光存储技术介质，如光盘、DVD等。电存储技术主要是指半导体存储器SCM（SemiconductorMemory）。早期的SCM采用典型的晶体管触发器作为存储位元，加上选择、读写等电路构成存储器。现代的SCM采用超大规模集成电路工艺制成存储芯片，每个芯片中包含相当数量的存储位元，再由若干芯片构成存储器。磁存储，主要指磁表面存储器MSM（MagneticSurfaceMemory）。磁表面存储器是用非磁性金属或塑料作基体，在其表面涂敷、电镀、沉积或溅射一层很薄的高导磁率、硬矩磁材料的磁面，用磁层的两种剩磁状态记录信息“0”和“1”。基体和磁层合称为磁记录介质。依记录介质的形状可分别称为磁卡存储器、磁带存储器、磁鼓存储器和磁盘存储器。计算机中目前广泛使用的MSM是磁盘和磁带存储器。光盘存储器ODM（OpticalDiskMemory）和MSM类似，也是将用于记录的薄层涂敷在基体上构成记录介质。不同的是基体的圆形薄片由热传导率很小，耐热性很强的有机玻璃制成。在记录薄层的表面再涂敷或沉积保护薄层，以保护记录面。记录薄层有非磁性材料和磁性材料两种，前者构成光盘介质，后者构成磁光盘介质。采用光存储技术的介质有CD、DVD光盘等。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。图2-1硬盘正面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硬盘产品标签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。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。图2-3硬盘背面大多数的控制电路板，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。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2-4所示。SCSI接口则多用在网络服务器和高档图形工作站中，如图2-5所示。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2-6所示。图2-4硬盘EIDE接口图2-5硬盘SCSI接口（68针）图2-6硬盘SATA接口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。硬盘内部结构由固定面板、控制电路和板、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份。图2-7揭开硬盘面板图2-8内部结构①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0.1～0.3μm，这样可以获得很好的数据传输率，如图2-9所示。图2-9磁头组件②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。③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。④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。⑤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。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2-10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；图2-10磁头高度（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。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。图2-11硬盘盘片的启停区和数据区5.“湿盘”技术如果要把磁盘密度进一步增大，目前以金属薄膜盘片以及玻璃盘片为基础的“温盘”技术便无能为力了，我们知道，当磁盘密度达到一定程度时，信号便会变得更加微弱，并且相邻信号之间的干扰也更为严重．要解决这个问题只能把磁头进一步贴近盘片，但目前的磁头飞行高度己不到0.08um，要进一步令磁头靠近盘片非常困难，因为这要克服磁头抖动及盘片细微凹凸等引起的问题。为此，有人提出干脆把磁头紧贴磁盘(Contactrecording)，就像录音机那样。但对盘片及磁头而言，这种接触是致命的，磁头与盘片会两败俱伤．于是，一种全新的盘片一“湿盘”(wetdisk)，被提上研发口程，“湿盘”可以最大限度地减少磁头与盘片的摩擦，但其中还有下少技术与工艺上的问题有待解决。我们期待着这新型磁盘材钧的早日间世。2.4.1盘片硬盘的盘片一般用铝合金作基片，高速旋转的硬盘也有用玻璃作基片的。玻璃基片更容易达到其要求的平面度和光洁度，并且有很高的硬度。磁头传动装置是使磁头部件作径向移动的部件，磁头传动装置以很小的等距离使磁头部件作径向移动，用以变换磁道。硬盘的每一个盘片都有两个盘面（Side），即上、下盘面，一般每个盘面都利用上，即都装上磁头可以存储数据，成为有效盘片，也有极个别的硬盘其盘面数为单数。每一个这样的有效盘面都有一个盘面号，按顺序从上而下自“0”开始依次编号。在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号，就是因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。硬盘的盘片组在2～14片不等，通常有2～3个盘片，故盘面号（磁头号）为0～3或0～5。磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道（Track）。磁道从外向内自0开始顺序编号。硬盘的每一个盘面有300～1024个磁道，新式大容量硬盘每面的磁道数更多，如图2-12所示。信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中，这些同心圆不是连续记录数据，而是被划分成一段段的圆弧，每段圆弧叫做一个扇区，扇区从“1”开始编号，每个扇区中的数据是作为一个单元同时读出或写入的。一个标准的3.5英寸硬盘盘面通常有几百到几千条磁道。这些磁道是看不见的，它们只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化区。这些磁道是在磁盘格式化时就规划好了的。图2-12磁头、柱面和扇区所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱，通常称作柱面（Cylinder），每个圆柱上的磁头，由上而下从“0”开始编号。数据的读写是按柱面进行的，即磁头在读写数据时首先在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作，只在同一柱面所有的磁头全部读写完毕后才移动磁头转移到下一柱面。也就是说，一个磁道已写满数据，就在同一柱面的下一个盘面来写，一个柱面写满后，才移到下一个柱面，从下一个柱面的1扇区开始写数据。而不是在同一盘面的下一磁道来写，一个盘面写满后再从下一个盘面的0磁道开始写，读数据也是按照这种方式进行，这样就提高了硬盘的读/写效率。操作系统以扇区（Sector）形式将信息存储在硬盘上，每个扇区包括512个字节的数据和一些其他信息。一个扇区有两个主要部分：存储数据地点的标识符和存储数据的数据段，如图2-13所示。图2-13硬盘扇区的构成标识符就是扇区头标，包括有组成扇区三维地址的三个数字：扇区所在的磁头（或盘面）、磁道（或柱面号），以及扇区在磁道上的位置即扇区号。头标中还包括一个字段，其中有显示扇区是否能可靠存储数据，或者是否已发现某个故障因而不宜使用的标记。有些硬盘控制器在扇区头标中还记录有指示字，可在原扇区出错时指引磁盘转到替换扇区或磁道。最后，扇区头标以循环冗余校验（CRC）值作为结束，以供控制器检验扇区头标的读出情况，确保准确无误。扇区的第二个主要部分是存储数据的数据段硬盘的容量由盘面数（磁头数）、柱面数和扇区数决定，其计算公式为：硬盘容量＝盘面数×柱面数×扇区数×512字节硬盘容量单位：KB（Kilobyte）、MB（Megabyte）、GB（Gigabyte）、TB（Terabyte）、PB（Petabyte）、EB（Exabyte）各种单位之间的换算关系如下：1KB＝210B＝1，024Byte1MB＝210KB＝220B＝1，048，576Byte1GB＝210MB＝220KB＝230B=1，073，741，824Byte1TB＝210GB＝220MB＝230KB＝240B=1，099，511，627，776Byte1PB＝210TB＝220GB＝230MB＝240KB=250B=1，125，899，906，842，624Byte1EB＝210PB＝220TB＝230GB＝240MB=250KB=260B=152，921，504，606，846，976Byte系统在管理硬盘扇区时以簇为单位进行，并采用LBA方式来定位扇区。LBA，全称为LogicBlockAddress（即扇区的逻辑块地址）。显然，它是相对硬盘扇区三维物理地址而言的。扇区的三维物理地址与硬盘上的物理扇区一一对应，即三维物理地址可完全确定硬盘上的物理扇区。那么为什么还要引入LBA地址呢？首先，由于INT13的限制，三维地址C/H/S的最大值只能为1024/16/63，容量最大只能达到1024×16×63×512Byte=1032192Byte=504MB。另外，在系统管理文件