北大数据恢复中心论，硬盘的物理结构和原理

北大数据恢复中心论，硬盘的物理结构和原理

一、引言

自1956年IBM推出第一台硬盘驱动器IBM RAMAC 350至今已有四十多年了，其间虽没有CPU那种令人眼花缭乱的高速发展与技术飞跃，但我们也确实看到，在这几十年里，硬盘驱动器从控制技术、接口标准、机械结构等方面都进行了一系列改进。正是这一系列技术上的研究与突破，使我们今天终于用上了容量更大、体积更小、速度更快、性能更可靠、价格更便宜的硬盘。

如今，虽然号称新一代驱动器的JAZ、DVD-ROM、DVD-RAM、CD-RW、MO、PD等纷纷登陆大容量驱动器市场，但硬盘以其容量大、体积小、速度快、价格便宜等优点，依然当之无愧地成为桌面电脑最主要的外部存储器，也是我们每一台PC必不可少的配置之一。


二、硬盘磁头技术


1、磁头

磁头是硬盘中最昂贵的部件，也是硬盘技术中最重要和最关键的一环。传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头，但是，硬盘的读、写却是两种截然不同的操作，为此，这种二合一磁头在设计时必须要同时兼顾到读/写两种特性，从而造成了硬盘设计上的局限。而MR磁头（Magnetoresistive heads），即磁阻磁头，采用的是分离式的磁头结构：写入磁头仍采用传统的磁感应磁头（MR磁头不能进行写操作），读取磁头则采用新型的MR磁头，即所谓的感应写、磁阻读。这样，在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化，以得到最好的读/写性能。另外，MR磁头是通过阻值变化而不是电流变化去感应信号幅度，因而对信号变化相当敏感，读取数据的准确性也相应提高。而且由于读取的信号幅度与磁道宽度无关，故磁道可以做得很窄，从而提高了盘片密度，达到200MB/英寸2，而使用传统的磁头只能达到20MB/英寸2，这也是MR磁头被广泛应用的最主要原因。目前，MR磁头已得到广泛应用，而采用多层结构和磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头（Giant Magnetoresistive heads）也逐渐普及。


2、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。这些磁道用肉眼是根本看不到的，因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响，同时也为磁头的读写带来困难。一张1.44MB的3.5英寸软盘，一面有80个磁道，而硬盘上的磁道密度则远远大于此值，通常一面有成千上万个磁道。


3、扇区

磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息，磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。1.44MB3.5英寸的软盘，每个磁道分为18个扇区。


4、柱面

硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。所谓硬盘的CHS,即Cylinder（柱面）、Head（磁头）、Sector（扇区），只要知道了硬盘的CHS的数目，即可确定硬盘的容量，硬盘的容量=柱面数×磁头数×扇区数×512B。


三、硬盘接口技术

硬盘接口是连接硬盘驱动器和计算机的专用部件，它对计算机的性能以及在扩充系统时计算机连接其他设备的能力都有很大影响。硬盘驱动器接口的类型主要有：


1、 ST506/412接口与ESDI接口

ST506/412是PC/XT、AT时代的标准接口标准。ST506/412最多可安装4个硬盘驱动器，允许最大硬盘空间为150MB。而ESDI（Enhanced Small Device Inte***ce，增强型小型设备接口）是ST506/412接口的改进版，但与ST506/412接口互不兼容。ESDI支持的硬盘容量上增加到300MB，最大数据传输率为2MB/sec。目前这两种接口均已遭淘汰。


2、SCSI接口

SCSI（Small Computer System Inte***ce）即“小型计算机系统接口”是一种系统级的接口，支持硬盘的容量突破了528MB的限制，可以同时挂接7个不同的设备。目前SCSI接口有二个标准：SCSI-2和SCSI-3。SCSI-2又称为Fast SCSI，在8bit总线下能达到10M/s的数据传输率。而SCSI-3包括Ultra SCSI（8bit）、Ultra wide SCSI（含16bit和32bit）和Ultra2 SCSI。其中Ultra2 SCSI在8bit数据宽度下提供40M/s的数据传输率，在16位总线下最高能达到80M/s。SCSI接口的硬盘被广泛应用于网络服务器、工作站和小型计算机系统上，但由于SCSI接口硬盘的价格要比IDE接口硬盘高，而且使用时还必须另外购买SCSI接口卡，因而在家用电脑上仍以IDE接口的硬盘为主流。


3、IDE接口

IDE（Integrated Drive Electronics）接口是Compaq公司为解决老式的ST506/412接口速度慢、成本高而开发出硬盘接口标准，亦即ATA（AT Attachment）接口标准。由于IDE接口的硬盘具有价格低廉、稳定性好、标准化程度高等优点，因此得到广泛的应用。ATA接口标准亦已由ATA、ATA-2、ATA-3发展到今天的Ultra ATA。

Ultra ATA（也称为Ultra DMA/33）是由Intel和Quantum公司共同提出的硬盘接口标准，与Fast ATA相比，Ultra ATA有以下几个优点：

外部数据传率由Fast ATA的16.6MB/s提高到33.3MB/s；

采用CRC循环冗余检验，通过两个寄存器的重复测试来提高数据传输的可靠性；由硬盘直接产生选通信号，并且同时将数据传送到总线上，从而减少数据传输的延迟时间。

要发挥Ultra ATA的威力，除了要有一块Ultra ATA接口的硬盘外，还需要有操作系统和芯片组的支持。目前支持Ultra ATA的芯片组包括Intel的430TX、440LX，SiS 5597/5581，VIA的VP2、VP3，ALi的Aladdin IV+，AMD-640以及所有100Mhz的芯片组。虽然，Ultra ATA向下兼容于Fast ATA，两者都是使用40pin的接口，但如果芯片组或操作系统不支持，即使是Ultra ATA硬盘也只能达到16.6MB/s的外部传输率。


4、IEEE 1394接口

IEEE 1394并不是硬盘专用接口，但它却可以方便地连接包括硬盘在内的63个不同设备，并支持即插即用和热插拨。在数据传输率方面，IEEE 1394可以提供100MB/s、400MB/s、1.2GB/s三档高速传输率，是现时所有硬盘望尘莫及的。虽然目前市面上仍未能见到IEEE 1394接口的硬盘，但由于IEEE 1394接口的先进性，它必然会取代SCSI和IDE而成为明日的硬盘接口。目前Windows 98已支持IEEE 1394。


四、硬盘数据保护技术

硬盘容量越做越大，我们在硬盘里存放的数据也越来越多。那么，这么大量的数据存放在这样一个铁盒子里究竟有多安全呢？虽然，目前的大多数硬盘的无故障运行时间（MTBF）已达300，000小时以上，但这仍不够，一次故障便足以造成灾难性的后果。因为对于不少用户，特别是商业用户而言，数据才是PC系统中最昂贵的部分，他们需要的是能提前对故障进行预测。正是这种需求与信任危机，推动着各厂商努力寻求一种硬盘安全监测机制，于是，一系列的硬盘数据保护技术应运而生。

　　1、S.M.A.R.T.技术

　　S.M.A.R.T.技术的全称是Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology，即“自监测、分析及报告技术”。在ATA-3标准中，S.M.A.R.T.技术被正式确立。S.M.A.R.T.监测的对象包括磁头、磁盘、马达、电路等，由硬盘的监测电路和主机上的监测软件对被监测对象的运行情况与历史记录及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，而更先进的技术还可以提醒网络管理员的注意，自动降低硬盘的运行速度，把重要数据文件转存到其它安全扇区，甚至把文件备份到其它硬盘或存储设备。通过S.M.A.R.T.技术，确实可以对硬盘潜在故障进行有效预测，提高数据的安全性。但我们也应该看到，S.M.A.R.T.技术并不是万能的，它只能对渐发性的故障进行监测，而对于一些突发性的故障，如盘片突然断裂等，硬盘再怎么smart也无能为力了。因此不管怎样，备份仍然是必须的。

2、DFT技术

　　DFT（Drive Fitness Test，驱动器健康检测）技术是IBM公司为其PC硬盘开发的数据保护技术，它通过使用DFT程序访问IBM硬盘里的DFT微代码对硬盘进行检测，可以让用户方便快捷地检测硬盘的运转状况。

　　据研究表明，在用户送回返修的硬盘中，大部分的硬盘本身是好的。DFT能够减少这种情形的发生，为用户节省时间和精力，避免因误判造成数据丢失。它在硬盘上分割出一个单独的空间给DFT程序，即使在系统软件不能正常工作的情况下也能调用。

　　DFT微代码可以自动对错误事件进行登记，并将登记数据保存到硬盘上的保留区域中。DFT微代码还可以实时对硬盘进行物理分析，如通过读取伺服位置错误信号来计算出盘片交换、伺服稳定性、重复移动等参数，并给出图形供用户或技术人员参考。这是一个全新的观念，硬盘子系统的控制信号可以被用来分析硬盘本身的机械状况。

　　而DFT软件是一个独立的不依赖操作系统的软件，它可以在用户其他任何软件失效的情况下运行。