第6章 外部存储设备.doc

第6章外部存储设备

微机的外部存储器主要包扩硬盘、软盘驱动器、光盘驱动器以及移动存储设备。硬盘驱动器简称硬盘，是微机系统中最重要的外部存储设备，由于硬盘的存储容量极大，速度在所有外部设备中是最快的，所以，操作系统及所有的应用软件等都存储在硬盘中。

6.1硬盘驱动器

硬盘驱动器的盘片是涂有金属氧化物的刚性金属盘片，所以称为硬盘。它与软盘最明显的区别是，硬盘的生产过程是在无尘环境中进行的，盘片和磁头全部被密封在驱动器内腔的金属盒子中，因此它的容量在出厂之前就已经固定了。
1968年，IBM公司在美国加州坎贝尔市温彻斯特大街的研究所首次提出温彻斯特(Winchester)技术，探讨对硬盘进行技术改造。1973年，IBM公司制造出了第一台采用温彻斯特技术的硬盘，此后硬盘的发展一直沿用这种技术。
温彻斯特技术的特点是：在工作时，磁头悬浮在高速旋转的盘片上方，而不与盘片直接接触，磁头沿盘片做径向移动。这也是现代绝大多数硬盘的工作原理。
6.1.1硬盘的工作原理和结构
硬盘基片一般是以钢或铝为主要成分的合金材料，在基片表面涂上磁性介质就形成了磁盘。大多数硬盘中有2～4个盘片，在盘片的每一面上都有一个读写磁头，所有盘片相同位置的磁道就构成了所谓的柱面。
1．硬盘的工作原理
硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的初始化模块进行初始化工作，此时磁头置于盘片中心位置。初始化完成后，主轴电机启动并高速旋转，装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于盘片表面的00道，处于等待指令的启动状态。当主机下达存取盘片的命令时，通过前置放大控制电路，发出驱动电机运动的信号，控制磁头定位机构移动磁头，搜寻定位磁道扇区位置，进行数据读写。
2．硬盘的外部结构
硬盘的外观如图6-1所示，在外部结构上可分为三大部分：
（1）接口
接口包括电源接口插座和数据接口插座两部分，其中电源接口插座与主机电源插头相连接；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，通过数据线与主板的IDE接口或SATA接口相连接。
（2）控制电路板
大多数硬盘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、控制与接口电路等。在电路板上还有一块ROM芯片，其中固化的程序可进行硬盘的初始化，如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。
硬盘控制电路板上有三个主要的芯片：主控制芯片、数据传输芯片、高速缓存芯片。主控制芯片负责硬盘数据读写指令等工作；数据传输芯片则是将硬盘磁头前置控制电路读出的数据经过校正及变换后，通过数据接口传输到主机系统；高速缓存芯片是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设置的，其容量一般为2～16MB。

图6-1硬盘的外观，左图为正面、右图为背面
（3）固定面板
固定面板就是硬盘正面的面板，它与底板结合成一个密封的整体，保证了硬盘腔体内的盘片、磁头和其它机构在绝对无尘的环境中稳定运行。在面板上贴有产品标签，标注硬盘的品牌名、型号、序列号、生产日期以及硬盘容量等参数。除此之外，还有一个透气孔，它的作用是使硬盘内部气压与大气压保持一致。
3．硬盘的内部结构
硬盘的内部结构主要包括盘片和主轴组件、浮动磁头组件、磁头驱动机构、前置控制电路等几部分，其中磁头和盘片组件是构成硬盘的核心，它密封在硬盘的净化腔体内。硬盘的内部结构如图6-2所示。

图6-2硬盘的内部结构
（1）盘片和主轴组件
盘片是硬盘存储数据的载体，盘片大多采用铝合金材料制成，这种铝合金比软盘载体具有更高的存储密度、高剩磁和高矫顽力等优点。有些硬盘盘片是用玻璃或者不锈钢材料制成的，这种盘片与铝合金盘片相比具有更好的稳定性和更大的容量。盘片组一般是由一片或几片圆形盘片叠加而成。不同容量的硬盘盘片数是不同的，每个盘片有两个面，每个面都记录数据。
主轴组件包括轴承和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和读写速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，导致了传统滚珠轴承电机磨损加剧、温度升高、噪声增大的弊病，对速度的提高带来了负面影响。采用液态轴承电机技术可以避免金属面的直接摩擦，使噪声和温度降到最低，同时主轴电机的速度得到进一步提高，促进了超高速硬盘的发展。
（2）浮动磁头组件
磁头组件是硬盘中最精密的部件之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三个部分组成，它是用集成工艺制成的多个磁头的组合。它采用了非接触式头、盘结构，加电后磁头在高速旋转的磁盘表面移动，磁头与盘片之间的间隙只有0.1～0.3μm，这样可以获得较好的数据传输率，较高的信噪比和数据传输的可靠性。现在的硬盘都采用了巨型磁阻磁头(GMR)，这种磁头的读、写操作分别是由不同的磁头来完成的，可有效地提高硬盘的工作效率，并使磁道密度进一步增加。
（3）磁头驱