《计算机硬件与维护》课程课件 第三章_磁盘存储器

第3章计算机的外部存储设备内存是计算机的主要存储设备。同样也是存储设备的硬盘、软盘、优盘和光盘是计算机的辅助存储设备，也是外部存储设备。本章介绍这类存储器的性能特点、种类、结构原理、技术参数和接口类型等内容。3.1数据仓库-硬盘3.2小巧存储器-优盘3.3软件之源-光盘和光驱3.4古老存储器-软盘和软驱退出3.1数据的仓库-硬盘3.1.1硬盘的基本结构硬盘驱动器（HardDiskDriver，HDD）是微机系统最基本的外存设备。由于它的磁盘片是硬质合金的，并固定安装在驱动器内部，所以也称为硬盘。其结构可分为外部结构和内部结构两个部分。3.1.1.1硬盘的外部结构1.接口接口包括电源接口插座和数据接口插座两部分，其中电源插座就是与主机电源相连接，为硬盘正常工作提供电力保证。数据接口插座则是硬盘数据与主板控制芯片之间进行数据传输交换的通道，使用时是用一根数据线将其与主板IDE接口或与其他控制适配器的接口相连接，经常听说的40针、80芯的接口电缆也就是指数据线，数据接口可以分成IDE接口和SCSI接口两大派系。目前又出现了S-ATA结构的接口。图3-1所示的是SCSI接口。图3-1SCSI接口2.控制电路板大多数的控制电路板(见图3-2)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进行硬盘的初始化，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。图3-2所示的是控制电路板。图3-2硬盘背面的控制电路板图3-2硬盘正面的控制电路板3.外壳、顶盖（面板）硬盘的外壳与底板结合成一个密封的整体，正面的外壳保证了硬盘盘片和机构的稳定运行。在固定面板上贴有产品标签，上面印着产品型号、产品序列号、产地、生产日期等信息，由此我们可以对这款产品作一番大致的了解。除此，还有一个透气孔，它的作用就是使硬盘内部气压与大气气压保持一致。另外，硬盘侧面还有一个向盘片表面写入伺服信号的Servo孔(见图3-3所示)。图3-4所示的是硬盘面板。图3-3外壳servo孔图3-4面板3.1.1.2硬盘的内部结构拆下控制电路板后再将外面的保护面罩拆下后就现出了硬盘的内脏。它由磁头、盘片、主轴、电机、接口及其他附件组成，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。将硬盘面板揭开后，内部结构即可一目了然。图3-5所示的是硬盘内部结构全图。图3-5硬盘内部结构全图浮动磁头组件为什么是多层的？图3-6磁头组件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。一块硬盘存取数据的工作完全依靠磁头来进行的。没有磁头，也就没有实际意义上的硬盘。磁头的作用就类似于在硬盘盘体上进行读写的“笔尖”，通过全封闭式的磁阻感应读写，将信息记录在硬盘内部特殊的介质上。图3-7盘片2.盘片如果上述硬盘磁头比喻成笔的形容成立，那么所谓硬盘的盘面自然就是这笔下的纸。盘片是硬盘存储数据的载体。硬盘的盘体由多个重叠在一起并由垫圈隔开的盘片组成，盘片是表面极为平整光滑且涂有磁性物质的金属圆片。它们通过表面的磁性物质结合在一起。这种特殊物质的金属磁盘具有更高的记录密度和更强的安全性能。目前市场上主流硬盘的盘片大都是由金属薄膜磁盘构成。目前已经有一些硬盘厂商开始尝试使用玻璃作为磁盘基片，与金属薄膜磁盘相比，用玻璃作为盘片有利于把硬盘盘片做得更平滑，单位磁盘密度也会更高，同时由于玻璃的坚固特性，新一代的玻璃硬磁盘在性能方面也会更加稳定。图3-8磁头驱动机构-电磁线圈电机、磁头驱动小车3.磁头驱动机构有了笔和纸，要让笔能够在纸上顺利地写字，当然还要有手。硬盘的寻道是靠移动磁头，而移动磁头则需要该机构驱动才能实现。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。图3-9主轴驱动机构4.主轴驱动机构主轴组件包括主轴部件如轴承和马达等。硬盘在工作时，通过马达的转动将用户需要存取的资料所在的扇区带到磁头下方，马达的转速越快，用户存取数据的时间也就越短。从这个意义上讲，硬盘马达的转速在很大程度上决定了硬盘最终的速度。通常我们提到的硬盘转速就是指硬盘主轴电机每分钟的转速。目前的马达一般采用液态轴承马达，以达到静音、减少摩擦、降低工作温度的效果。继续前面的比喻，如果磁头驱动机构是右手，那么主轴组件就是左手。图3-10前置控制电路5.前置控制电路最后的这个部分是硬盘的前置控制电路。它主要用于控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和定位等，同时这个电路还用于连接硬盘的电路板。图3-11硬盘拆卸零件我们平时是否需要拆卸硬盘？3.1.2硬盘的主要性能参数1．转速硬盘的转速是指硬盘主轴马达也就是盘片的转速，单位是RPM（RoundPerMinute）即每分钟圈数。高转速的负面影响……2．容量单位:MB、GB。标称值与实际容量的差异……3．缓存缓存容量（Cache）是指硬盘内部数据的高速缓冲存储器的大小，与主板上的Cache作用类似。大小有2MB、4MB、8MB和16MB等。4．平均寻道时间磁头移动到指定磁道所需的时间，单位是毫秒（ms）。与之对应的还有，平均延迟时间（AveragelatencyTime）,指磁头移动到指定轨道开始，到数据开始从该位置转移到磁头（即开始真正的读或写）为止的延迟时间。5．平均故障间隔时间平均故障间隔时间MTBF（MeanTimeBetweenFailures）是指硬盘操作时发生故障的时间间隔的平均数。6．单碟容量仅次于硬盘转速的速度指标。指单张盘片的容量。7．传输模式▲PIO(ProgrammedInputOuput)中央处理器参与硬盘读取或写入内存的过程。操作系统系统内存E-IDE设备中央处理器E-IDE接口7．传输模式（续）▲DMA(DirectMemoryAccess)中央处理器不参与硬盘与内存的数据交换过程。但提供控制信号并接受硬盘完成I/O操作后的内存地址。操作系统系统内存E-IDE（SCSI）设备中央处理器E-IDE（SCSI）接口8．发热量9．超频能力10．内部数据传输率----决定硬盘整体性能的隐性决定因素硬盘磁头与缓存之间的数据传输率。主流家用硬盘：70~90MB/s左右。连续工作时，更低。3.1.3硬盘的常用技术1．S.M.A.R.TSelf-MonitorAnalysisandReportingTechnolog。是IBM公司最早提出的预测错误分析技术，它不仅具有错误监测功能，而且还提供了有效的数据保护措施。可以监控磁头、磁盘、电机、电路等，由硬盘的监测电路和主机上的监测软件对被监对象的运行情况与历史记录和预设的安全值进行分析、比较，当出现安全值范围以外的情况时，会自动向用户发出警告。这种保护措施兼有成本低和效率高双重优点。2．PRML(PartialResponseMaximumLikelyhood)简单的讲就是将硬盘数据读取电路分成两段“操作流水线”，流水线第一段将磁头读取的信号进行数字化处理然后只选取部分“标准”信号移交第二段继续处理，第二段将所接收的信号和PRML芯片预置信号模型进行对比，然后选取差异最小的信号进行组合后输出以完成数据的读取过程。PRML技术可以降低硬盘读取数据的错误率，因此可以进一步提高磁盘数据密集度。3．数据保护与震动保护技术硬盘非常怕震动，不管电源是否已经启动，只要硬盘受到了撞击或震动，或多或少总有数据受到一定程度的损伤，如果处于运转状态的硬盘受到震动或撞击，所造成的伤害会更大。在这方面，原昆腾公司(已被迈拓公司并购)的DPS(DataProtectionSystem，数据保护系统)与SPS(ShockProtectionSystem)技术、西部数据公司的DataSafeGuard(数据卫士)技术、IBM公司的DFT(DiskFitnessTest)、迈拓公司的MaxSafe与ShockBlock以及希捷公司的SeaShield技术使得硬盘可以承受较大力量的冲击，这种技术可以把硬盘因冲击而造成的损害降到最低的程度，能够对硬盘中的数据有一个很好的保障，大大提高了数据的完整性与可靠性。4．RAID(RedundantArrayofInexpensiveDisks)也就是廉价磁盘冗余阵列技术，它将一组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来，作为逻辑上的一个磁盘驱动器来使用。这种技术的优点是成本低、功耗小、传输速率高，可以提供容错功能,安全性更高。过去这项技术主要是应用于高端服务器上的。Raid0：条带化，数据分别放在多个物理盘内即磁盘的扩展，加快数据访问速度，但不提供数据保护；Raid1：磁盘镜像，两块磁盘互为冗余；Raid10：对两个磁盘镜像的阵列作扩展；Raid3：同Raid0一样，Raid3也采用数据分块并行传送的方法，但有不同的是它在数据分块之后计算它们的奇偶校验和，然后把分块数据和奇偶校验信息一并写到硬盘阵列中（校验信息集中放在某一块硬盘中）。Raid5：同Raid3一样，但校验信息分布的冗余磁盘阵列，目前使用最为广泛的方式。要求三块以上硬盘。任意一快损坏，可从其它N-1块物理硬盘中恢复数据。Raid50：对两个Raid5的阵列作条带化扩展。5．NCQ（NativeCommandQueuing全速命令排队）是一种使硬盘内部优化工作负荷执行顺序，通过对内部队列中的命令进行重新排序实现智能数据管理。硬盘访问磁盘上信息的过程如下：●寻找存储数据的目标磁碟(platter)，访问该磁碟。●寻找磁碟上存储数据的目标磁道(track)，访问磁道。●寻找磁道上存储数据的目标簇(cluster)，访问簇。●寻找簇上存书数据的目标扇区(sector)，访问扇区。●寻找目标数据，读取数据。对于不支持NCQ的硬盘来说，大量的数据读写需要反复重复上面的步骤，而对于不同位置的数据存取，磁头需要更多的操作，降低了存取效率。支持NCQ技术的硬盘对接收到的指令按照他们访问的地址的距离进行了重排列，这样对硬盘机械动作的执行过程实施智能化的内部管理，大大地提高整个工作流程的效率。要充分享用NCQ技术，还要对应的硬盘控制器支持才行。例如Intel从945芯片组的ICH7R南桥开始支持NCQ技术，nVidia从nForce4SLI芯片组开始支持NCQ技术。3.1.4硬盘的接口类型1．IDE/EIDE接口IDE（IntegratedDriveElectronics）的本意实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，我们现在统称的IDE（或ATA）接口，是指接口形式相同的早期IDE、EIDE、ATA（ATAttachment，AT附加设备）和UltraDMA等多种改进型。现在PC机使用的硬盘大多数都是IDE兼容的，只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。EnhancedIDE(加强型IDE，简称为EIDE)就是WesternDigital公司针对传统IDE接口的缺点加以改进之后所推出的新接口。EnhancedIDE使用扩充CHS(Cylinder-Head-Sector)或LBA(LogicalBlockAddressing)寻址的方式，突破512MB的容量限制，现在我们就可以顺利使用容量达到百十GB等级的IDE硬盘。在传输速度方面，因为技术不断改进，EnhancedIDE目前的最高传输速度可高达133MB/秒(UltraATA/133)。图3-12所示为硬盘IDE接口的插座。PC主板通常提供两个ID