㈠ 硬碟 基本結構是什麼
平時大家在論壇上對硬碟的認識和選購，大都是通過產品的外型、性能指標特徵和網站公布的性能評測報告等方面去了解，但是硬碟的內部結構究竟是怎麼樣的呢，所謂的磁頭、碟片、主軸電機又是長什麼樣子呢，硬碟的讀寫原理是什麼，估計就不是那麼多人清楚了。本文以一塊西數硬碟WD200BB為例向大家講解一下硬碟的內部結構，讓硬體初學者們能夠對硬碟有一個更深的認識。
硬碟的結構與組成
首先要說明的是，本文示例的用的西數WD200BB硬碟，是容量為20G的7200轉的3.5寸桌面級IDE硬碟。除此之外，硬碟還有許多種類，例如老式的普通IDE硬碟是5.25英寸，高度有半高型和全高型，還有體積小巧玲瓏的筆記本電腦，塊頭巨大的高端SCSI硬碟及非常特殊的微型硬碟等，不過，這些名目繁多的硬碟在結構與組成方面大同小異。
一般說來，無論哪種硬碟，都是由碟片、磁頭、碟片主軸、控制電機、磁頭控制器、數據轉換器、介面、緩存等幾個部份組成。所有的碟片都固定在一個旋轉軸上，這個軸即碟片主軸。而所有碟片之間是絕對平行的，在每個碟片的存儲面上都有一個磁頭，磁頭與碟片之間的距離比頭發絲的直徑還小。所有的磁頭連在一個磁頭控制器上，由磁頭控制器負責各個磁頭的運動。磁頭可沿碟片的半徑方向動作，而碟片以每分鍾數千轉到上萬轉的速度在高速旋轉，這樣磁頭就能對碟片上的指定位置進行數據的讀寫操作。由於硬碟是精密設備，塵埃是其大敵，所以必須完全密封。
在硬碟的正面都貼有硬碟的標簽，標簽上一般都標注著與硬碟相關的信息，例如產品型號、產地、出廠日期、產品序列號等，上圖所示的就是WD200BB 的產品標簽。在硬碟的一端有電源介面插座、主從設置跳線器和數據線介面插座，而硬碟的背面則是控制電路板。從下圖中可以清楚地看出各部件的位置。
介面部分 : 介麵包括電源介面插座和數據介面插座兩部份，其中電源插座就是與主機電源相連接，為硬碟正常工作提供電力保證。數據介面插座則是硬碟數據與主板控制晶元之間進行數據傳輸交換的通道，使用時是用一根數據電纜將其與主板IDE介面或與其它控制適配器的介面相連接，經常聽說的40針、80芯的介面電纜也就是指數據電纜，數據介面主要分成IDE介面、SATA介面和SCSI介面三大派系。
控制電路板 : 大多數的控制電路板都採用貼片式焊接，它包括主軸調速電路、磁頭驅動與伺服定位電路、讀寫電路、控制與介面電路等。在電路板上還有一塊ROM 晶元，裡面固化的程序可以進行硬碟的初始化，執行加電和啟動主軸電機，加電初始尋道、定位以及故障檢測等。在電路板上還安裝有容量不等的高速數據緩存晶元，在此塊硬碟內結合有2MB的高速緩存。
固定面板 : 就是硬碟正面的面板，它與底板結合成一個密封的整體，保證了硬碟碟片和機構的穩定運行。在面板上最顯眼的莫過於產品標簽，上面印著產品型號、產品序列號、產品、生產日期等信息，這在上面已提到了。除此，還有一個透氣孔，它的作用就是使硬碟內部氣壓與大氣氣壓保持一致。
硬碟的內部結構
硬碟內部結構由固定面板、控制電路板、磁頭、碟片、主軸、電機、介面及其它附件組成，其中磁頭碟片組件是構成硬碟的核心，它封裝在硬碟的凈化腔體內，包括有浮動磁頭組件、磁頭驅動機構、碟片、主軸驅動裝置及前置讀寫控制電路這幾個部份。將硬碟面板揭開後，內部結構即可一目瞭然。
磁頭碟片組件
磁頭組件 : 這個組件是硬碟中最精密的部位之一，它由讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸三部份組成。磁頭是硬碟技術中最重要和關鍵的一環，實際上是集成工藝製成的多個磁頭的組合，它採用了非接觸式頭、盤結構，加後電在高速旋轉的磁碟表面移動，與碟片之間的間隙只有0.1～0.3um，這樣可以獲得很好的數據傳輸率。現在轉速為7200RPM的硬碟飛高一般都低於0.3um，以利於讀取較大的高信噪比信號，提供數據傳輸率的可靠性。
至於硬碟的工作原理，它是利用特定的磁粒子的極性來記錄數據。磁頭在讀取數據時，將磁粒子的不同極性轉換成不同的電脈沖信號，再利用數據轉換器將這些原始信號變成電腦可以使用的數據，寫的操作正好與此相反。從下圖中我們也可以看出，西數WD200BB硬碟採用單碟雙磁頭設計，但該磁頭組件卻能支持四個磁頭，注意其中有兩個磁頭傳動手臂沒有安裝磁頭。
磁頭驅動機構 : 硬碟的尋道是靠移動磁頭，而移動磁頭則需要該機構驅動才能實現。磁頭驅動機構由電磁線圈電機、磁頭驅動小車、防震動裝置構成，高精度的輕型磁頭驅動機構能夠對磁頭進行正確的驅動和定位，並能在很短的時間內精確定位系統指令指定的磁軌。其中電磁線圈電機包含著一塊永久磁鐵，這是磁頭驅動機構對傳動手臂起作用的關鍵，磁鐵的吸引力足起吸住並吊起拆硬碟使用的螺絲刀。防震動裝置在老硬碟中沒有，它的作用是當硬碟受動強裂震動時，對磁頭及碟片起到一定的保護使用，以避免磁頭將碟片刮傷等情況的發生。這也是為什麼舊硬碟的防震能力比現在新硬秀盤差得多的緣故。
硬碟的內部結構(續)
磁碟碟片 : 碟片是硬碟存儲數據的載體，現在硬碟碟片大多採用鋁金屬薄膜材料，這種金屬薄膜較軟盤的不連續顆粒載體具有更高的存儲密度、高剩磁及高矯頑力等優點。從下圖中可以發現，硬碟碟片是完全平整的，簡直可以當鏡子使用。
主軸組件 : 主軸組件包括主軸部件如軸承和驅動電機等。隨著硬碟容量的擴大和速度的提高，主軸電機的速度也在不斷提升，於是有廠商開始採用精密機械工業的液態軸承電機技術，現在已經被所有主流硬碟廠商所普遍採用了，它有利於降低硬碟工作噪音。
前置控制電路 : 前置電路控制磁頭感應的信號、主軸電機調速、磁頭驅動和伺服定位等，由於磁頭讀取的信號微弱，將放大電路密封在腔體內可減少外來信號的干擾，提高操作指令的准確性。
硬碟的控制電路
硬碟的控制電路位於硬碟背面，將背面電路板的安裝螺絲擰下，翻開控制電路板即可見到控制電路。總得來說,硬碟控制電路可以分為如下幾個部份：主控制晶元、數據傳輸晶元、高速數據緩存晶元等。具體見下圖。
在硬碟控制電路中，主控制晶元負責硬碟數據讀寫指令等工作，WD200BB的主控制晶元為WD70C23-GP，這是一塊中國台灣產的晶元；而數據傳輸晶元則是將硬碟磁頭前置控制電路讀取出數據經過校正及變換後，經過數據介面傳輸到主機系統，至於高速數據緩存晶元是為了協調硬碟與主機在數據處理速度上的差異而設的，該款西數WD200BB的緩存容量大小為2MB。緩存對磁碟性能所帶來的作用是無須置疑的，在讀取零碎文件數據時，大緩存能帶來非常大的優勢，這也是為什麼在高端SCSI硬碟中早就有結合16MB甚至 32MB緩存的產品。
衡量硬碟性能的技術參數
通過以上的介紹，相信朋友們對硬碟的結構與組成有了大致的概念了。下面接著介紹常見的與硬碟性能指標有關的參數，以助朋友們了解那些參數各意味著什麼。
主軸轉速 : 硬碟的主軸轉速是決定硬碟內部數據傳輸率的決定因素之一，它在很大程度上決定了硬碟的速度，同時也是區別硬碟檔次的重要標志。從目前的情況來看，7200RPM的硬碟具有性價比高的優勢，是國內市場上的主流產品，而SCSI硬碟的主軸轉速已經達到10000rpm甚至15000rpm了，但由於價格原因讓普通用戶難以接受。
尋道時間 : 該指標是指硬碟磁頭移動到數據所在磁軌而所用的時間，單位為毫秒(ms)。平均尋道時間則為磁頭移動到正中間的磁軌需要的時間。注意它與平均訪問時間的差別。硬碟的平均尋道時間越小性能則越高，現在一般選用平均尋道時間在10ms以下的硬碟。
單碟容量 : 單碟容量是硬碟相當重要的參數之一，一定程度上決定著硬碟的檔次高低。硬碟是由多個存儲碟片組合而成的，而單碟容量就是一個存儲碟所能存儲的最大數據量。硬碟廠商在增加硬碟容量時，可以通過兩種手段：一個是增加存儲碟片的數量，但受到硬碟整體體積和生產成本的限制，碟片數量都受到限制，一般都在5片以內；而另一個辦法就是增加單碟容量。目前的IDE和SATA硬碟最多隻有四張碟片，靠增加碟片來擴充容量滿足不斷增長的存儲容量的需求是不可行的。只有提高每張碟片的容量才能從根本上解決這個問題。現在的大容量硬碟都採用的是新型GMR巨阻型磁頭，磁碟的記錄密度大大提高，硬碟的單碟容量也相應提高了。目前主流硬碟的單碟容量大都在80GB以上，而最新的希捷酷魚7200.9系列硬碟的最高單碟容量更是達到160GB，使硬碟總容量可以達到 500GB以上。
單碟容量的一個重要意義在於提升硬碟的數據傳輸速度，而且也有利於生產成本的控制。硬碟單碟容量的提高得益於數據記錄密度的提高，而記錄密度同數據傳輸率是成正比的，並且新一代GMR磁頭技術則確保了這個增長不會因為磁頭的靈敏度的限制而放慢速度。在下面的測試中，你將會發現單碟容量越高，它的數據傳輸率也將會越高，其中希捷酷魚7200.9系列硬碟就是一個明顯的例證。
潛伏期 : 該指標表示當磁頭移動到數據所在的磁軌後，等待所要的數據塊繼續轉動(半圈或多些、少些)到磁頭下的時間，其單位為毫秒(ms)。平均潛伏期就是碟片轉半圈的時間。
硬碟表面溫度 : 該指標表示硬碟工作時產生的溫度使硬碟密封殼溫度上升的情況。這項指標廠家並不提供，一般只能在各種媒體的測試數據中看到。硬碟工作時產生的溫度過高將影響薄膜式磁頭的數據讀取靈敏度，因此硬碟工作表面溫度較低的硬碟有更穩定的數據讀、寫性能。
道至道時間 : 該指標表示磁頭從一個磁軌轉移至另一磁軌的時間，單位為毫秒(ms)。
高速緩存 : 該指標指在硬碟內部的高速存儲器。目前硬碟的高速緩存一般為2MB～8MB，SCSI硬碟的更大。購買時最好選用緩存為8M以上的硬碟。
全程訪問時間 : 該指標指磁頭開始移動直到最後找到所需要的數據塊所用的全部時間，單位為毫秒(ms)。而平均訪問時間指磁頭找到指定數據的平均時間，單位為毫秒。通常是平均尋道時間和平均潛伏時間之和。現在不少硬碟廣告之中所說的平均訪問時間大部分都是用平均尋道時間所代替的。
最大內部數據傳輸率 : 該指標名稱也叫持續數據傳輸率(sustained transfer rate)，單位為Mb/s。它是指磁頭至硬碟緩存間的最大數據傳輸率，一般取決於硬碟的碟片轉速和碟片線密度(指同一磁軌上的數據容量)。注意，在這項指標中常常使用Mb/s或Mbps為單位，這是兆位/秒的意思，如果需要轉換成MB/s(兆位元組/秒)，就必須將Mbps數據除以8(一位元組8位數)。例如，某硬碟給出的最大內部數據傳輸率為683Mbps，如果按MB/s計算就只有85.37MB/s左右。
連續無故障時間(MTBF) : 該指標是指硬碟從開始運行到出現故障的最長時間，單位是小時。目前大部分硬碟的MTBF都在300000小時以上。不過，對於該項指標要客觀地看待，具體可參看BT下載是否傷硬碟的深度分析中對MTBF的詳細闡述和MTBF概念的誤導可以休矣！中不良廠商使用該參數對消費者的誤導。
外部數據傳輸率 : 該指標也稱為突發數據傳輸率，它是指從硬碟緩沖區讀取數據的速率。在廣告或硬碟特性表中常以數據介面速率代替，單位為MB/s。目前主流的硬碟已經全部採用SATA150介面技術，外部數據傳輸率可達150MB/s。
S.M.A.R.T : 該指標的英文全稱是Self－Monitoring Analysis＆Reporting Technology，中文含義是自動監測分析報告技術。這項技術指標使得硬碟可以監測和分析自己的工作狀態和性能，並將其顯示出來。用戶可以隨時了解硬碟的運行狀況，遇到緊急情況時，可以採取適當措施，確保硬碟中的數據不受損失。採用這種技術以後，硬碟的可靠性得到了很大的提高。