硬盘的工作原理和结构-计算机组装维护教程

硬盘是一种磁介质的外部存储设备，数据存储在密封、洁净的硬盘驱动器内腔的多片磁盘片上。这些盘片的片基表面被涂上磁性介质，在磁盘片的每一面上，以转动轴为轴心、以一定的磁密度为间隔的若干个同心圆，被划分成磁道（Track）。每个磁道又被划分为若干个扇区（Sector），数据就按扇区存放在硬盘上。在每一面上都相应地有一个读写磁头（Head），所有盘片相同位置的磁道就构成了所谓的柱面（Cylinder）。

硬盘的基本工作原理是：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，主轴电机将启动，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。当主机下达存取磁盘片上的数据时，通过前置放大控制电路，发出驱动电动机运动的信号，控制磁头定位机构将磁头移动，搜寻定位它要存取数据的磁道扇区位置，进行数据读写。

硬盘的第一个扇区（0道0头1扇区）被保留为主引导扇区。在主引导区内主要有两项内容：主引导记录和硬盘分区表。主引导记录是一段程序代码，其作用主要是对硬盘上安装的操作系统进行引导。硬盘分区表则存储了硬盘的分区信息。计算机启动时将读取该扇区的数据，并对其合法性进行判断（扇区最后两个字节是否为0x55AA或0xAA55），如合法则跳转执行该扇区的第一条指令。所以硬盘的主引导区常常成为病毒攻击的对象，常被篡改，甚至被破坏。

硬盘在结构上可以分为外部结构、内部结构和控制电路3大部分。

1.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电缆将其与主板控制适配器的接口相连接。

（2）控制电路板

大多数的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，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动机，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，一般为2～8 MB。硬盘的外观如图6-1所示。

图6-1 硬盘的外观

（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，保证了硬盘盘片和机构的稳定运行。在面板上最显眼的莫过于产品标签，上面印着产品型号、产品序列号、产品及生产日期等信息。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。

2.内部结构

硬盘内部结构由控制电路板、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其他附件组成，如图6-2所示。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。

（1）浮动磁头组件(www.xing528.com)

浮动磁头组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动手臂和传动轴3部分组成。磁头是硬盘技术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。它采用了非接触式头和盘结构，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0.1～0.3 μm，这样就可以获得很好的数据传输率。现在的硬盘都采用了巨型磁阻磁头（GMR），应用此种技术的硬盘的读、写是分别由不同的磁头来完成的，这可有效地提高硬盘的工作效率并使增大磁道密度成为可能。

图6-2 硬盘的内部结构

（2）磁头驱动机构

由音圈电机和磁头驱动小车组成，同时还有高效的防振动机构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行精确的定位，并在很短的时间内精确定位到系统指令指定的磁道上，以保证数据读写的可靠性。

音圈电机是由中间插有与磁头相连的磁棒的线圈和其外部永磁机构组成的。当电流通过线圈时，在外磁场的作用下磁棒就会发生位移，进而驱动装载磁头的小车，并根据控制器在盘面上磁头位置的信息编码来得到磁头移动的距离，以达到准确定位的目的。音圈电动机是密封型的控制系统，能够自动调整，速度比早期的驱动电动机要快而且安全系数更高。

（3）盘片和主轴组件

盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软磁盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。

主轴组件包括了轴承和驱动电机。驱动电机使盘片转起来。理论上，驱动电动机的转速越高，其数据读写速度也就越快，目前主流的驱动电动机转速为5400 r/min以及7200 r/min，高端SCSI硬盘可以达到10000 r/min甚至15000 r/min的转速。主轴电动机的速度的不断提升，导致出现传统滚珠轴承电动机磨损加剧、温度升高、噪声增大的弊病，对速度的提高带来了负面影响。因而生产厂商开始采用精密机械工业的液态轴电动机（Fluid Dynamic Bear-ing Motors）技术，液态轴承电动机使用黏膜液油轴承，以油膜代替滚珠可以避免金属面的直接摩擦，使噪声和温度减小到最低。

（4）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，提高信噪比。

3.控制电路

硬盘控制电路总得来说可以分为如下几个部分：主控制芯片、数据传输芯片、数据缓存芯片等，如图6-3所示。其中，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取出数据经过校正及变换后，由数据接口传输到主机系统；高速数据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，缓存的容量越大，在读写琐碎文件时的性能就更突出，高端硬盘往往都配备大容量的缓存空间以确保的性能的稳定发挥。

图6-3 硬盘的控制电路板