追溯歷史

　　從1956年9月，IBM的一個(gè)工程小組向世界展示了第一臺(tái)磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)IBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control）至今，磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)已經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展。經(jīng)歷了這45年，磁盤的變化可以說是非常巨大得，最早的那臺(tái)RAMAC容量只有5MB，然而卻需要使用50個(gè)直徑為24英寸的磁盤。但現(xiàn)在一塊容量高達(dá)100GB的硬盤只需要3張磁盤片即可。

    　　當(dāng)然，IBM 350 RAMAC與現(xiàn)在的硬盤有很大的差距，它只能算是硬盤的開山鼻祖?，F(xiàn)代硬盤的真正原形，可以追溯到1973年，那時(shí)IBM公司推出的Winchester（溫氏）硬盤，它的特點(diǎn)是：“工作時(shí)，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的盤片上方，而不與盤片直接接觸。使用時(shí)，磁頭沿高速旋轉(zhuǎn)的盤片上做徑向移動(dòng)”，這便是現(xiàn)在所有硬盤的雛形。今天高端硬盤容量雖然高達(dá)上百GB，但它卻仍然沒有脫離“溫徹斯特”的動(dòng)作模式。

    　　下面是兩張IBM公司于1980年在IBM-XT上的一塊10M的硬盤圖，可以看出，除了外型略大，無論外觀還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)和現(xiàn)在最先進(jìn)的硬盤并無大的差別。

    　　技術(shù)的前進(jìn)，總是將電腦系統(tǒng)朝人們喜歡的方面發(fā)展，而體積更小、速度更快、容量更大、使用更安全就是廣大用戶對(duì)硬盤的最大期望。出于這樣的目的，硬盤工程師們?yōu)槠渥龀隽嗽S多努力，例如研究讀寫更靈敏的磁頭、更先進(jìn)的接口類型、存儲(chǔ)密度更高的磁盤盤片及更有效的數(shù)據(jù)保持技術(shù)等。這些技術(shù)上的突破使得硬盤不僅越來越先進(jìn)，而且也更加穩(wěn)定，這些也就是現(xiàn)在的硬盤與圖1 中所示硬盤的最大區(qū)別。

深入了解硬盤之外部結(jié)構(gòu)

二、深入了解硬盤

    　　平時(shí)我們了解硬盤，多是從產(chǎn)品外觀、產(chǎn)品特征及磁盤性能等方面去認(rèn)識(shí)，而硬盤的內(nèi)部到底是什么呢？相信許多用戶都不是很清楚，因?yàn)榱私庥脖P內(nèi)部結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)實(shí)在太少了。我們經(jīng)常聽說磁頭、盤片、接口等，但它們都長怎么樣我們卻不是很清楚？還有所謂的玻璃盤片，主軸電機(jī)等又是什么呢？帶著這些問題，接下來筆者將對(duì)硬盤進(jìn)行一次大解剖，使大家能更深入地了解硬盤。

    　　在實(shí)際動(dòng)手之前，還是先了解一些硬盤結(jié)構(gòu)理論知識(shí)?？偟脕碚f，硬盤主要包括：盤片、磁頭、盤片主軸、控制電機(jī)、磁頭控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口、緩存等幾個(gè)部份。所有的盤片都固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上，這個(gè)軸即盤片主軸。而所有盤片之間是絕對(duì)平行得，在每個(gè)盤片的存儲(chǔ)面上都有一個(gè)磁頭，磁頭與盤片之間的距離比頭發(fā)絲的直徑還小。所有的磁頭連在一個(gè)磁頭控制器上，由磁頭控制器負(fù)責(zé)各個(gè)磁頭的運(yùn)動(dòng)。磁頭可沿盤片的半徑方向動(dòng)作，而盤片以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的速度在高速旋轉(zhuǎn)，這樣磁頭就能對(duì)盤片上的指定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。硬盤是精密設(shè)備，塵埃是其大敵，所以必須完全密封。

    　　此次，筆者非常有幸從西部數(shù)據(jù)（WesternDigital）公司哪拿到了一塊最新硬盤，產(chǎn)品型號(hào)為WD200BB，如圖3、4 所示。從型號(hào)上可以判斷，它是一款容量為20GB的7200RPM高速硬盤，產(chǎn)品序列號(hào)為 WMA9L1203351，產(chǎn)地為馬來西亞，出廠日期是2001年8月15日。在接下來的說明中，筆者就以此塊硬盤為例進(jìn)行深入解剖及說明。

    1、外部結(jié)構(gòu)

    　　圖3 所示的WD200BB硬盤是3.5英寸的普通IDE硬盤，它是屬于比較常見的產(chǎn)品，也是用戶最經(jīng)常接觸的。除此，硬盤還有許多種類，例如老式的普通IDE硬盤是5.25英寸，高度有半高型和全高型。除此，還有體積小巧玲瓏的筆記本電腦，塊頭巨大的高端SCSI硬盤及非常特殊的微型硬盤。

    　　在硬盤的正面都貼有硬盤的標(biāo)簽，標(biāo)簽上一般都標(biāo)注著與硬盤相關(guān)的信息，例如產(chǎn)品型號(hào)、產(chǎn)地、出廠日期、產(chǎn)品序列號(hào)等，圖4 所示的就是WD200BB的產(chǎn)品標(biāo)簽。在硬盤的一端有電源接口插座、主從設(shè)置跳線器和數(shù)據(jù)線接口插座，而硬盤的背面則是控制電路板。從圖5 中可以清楚地看出各部件的位置。總得來說，硬盤外部結(jié)構(gòu)可以分成如下幾個(gè)部份：

硬盤接口、控制電路板及固定面板

　　(1)、接口。接口包括電源接口插座和數(shù)據(jù)接口插座兩部份，其中電源插座就是與主機(jī)電源相連接，為硬盤正常工作提供電力保證。數(shù)據(jù)接口插座則是硬盤數(shù)據(jù)與主板控制芯片之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換的通道，使用時(shí)是用一根數(shù)據(jù)電纜將其與主板IDE接口或與其它控制適配器的接口相連接，經(jīng)常聽說的40針、80芯的接口電纜也就是指數(shù)據(jù)電纜，數(shù)據(jù)接口可以分成IDE接口和SCSI接口兩大派系。

    　　(2)、控制電路板。大多數(shù)的控制電路板都采用貼片式焊接，它包括主軸調(diào)速電路、磁頭驅(qū)動(dòng)與伺服定位電路、讀寫電路、控制與接口電路等。在電路板上還有一塊ROM芯片，里面固化的程序可以進(jìn)行硬盤的初始化，執(zhí)行加電和啟動(dòng)主軸電機(jī)，加電初始尋道、定位以及故障檢測(cè)等。在電路板上還安裝有容量不等的高速數(shù)據(jù)緩存芯片，在此塊硬盤內(nèi)結(jié)合有2MB的高速緩存。

    　　(3)、固定面板。就是硬盤正面的面板，它與底板結(jié)合成一個(gè)密封的整體，保證了硬盤盤片和機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。在面板上最顯眼的莫過于產(chǎn)品標(biāo)簽，上面印著產(chǎn)品型號(hào)、產(chǎn)品序列號(hào)、產(chǎn)品、生產(chǎn)日期等信息，這在上面已提到了。除此，還有一個(gè)透氣孔，它的作用就是使硬盤內(nèi)部氣壓與大氣氣壓保持一致。

深入了解硬盤之內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    　　硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)由固定面板、控制電路和板、磁頭、盤片、主軸、電機(jī)、接口及其它附件組成，其中磁頭盤片組件是構(gòu)成硬盤的核心，它封裝在硬盤的凈化腔體內(nèi)，包括有浮動(dòng)磁頭組件、磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、盤片、主軸驅(qū)動(dòng)裝置及前置讀寫控制電路這幾個(gè)部份。

    　　將硬盤面板揭開后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)即可一目了然，圖7、8所示。

磁頭組件及磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　(1)、磁頭組件。這個(gè)組件是硬盤中最精密的部位之一，它由讀寫磁頭、傳動(dòng)手臂、傳動(dòng)軸三部份組成。磁頭是硬盤技術(shù)中最重要和關(guān)鍵的一環(huán)，實(shí)際上是集成工藝制成的多個(gè)磁頭的組合，它采用了非接觸式頭、盤結(jié)構(gòu)，加后電在高速旋轉(zhuǎn)的磁盤表面移動(dòng)，與盤片之間的間隙只有0.1～0.3um，這樣可以獲得很好的數(shù)據(jù)傳輸率?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)速為7200RPM的硬盤飛高一般都低于0.3um，以利于讀取較大的高信噪比信號(hào)，提供數(shù)據(jù)傳輸率的可靠性。

    　　至于硬盤的工作原理，它是利用特定的磁粒子的極性來記錄數(shù)據(jù)。磁頭在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，將磁粒子的不同極性轉(zhuǎn)換成不同的電脈沖信號(hào)，再利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將這些原始信號(hào)變成電腦可以使用的數(shù)據(jù)，寫的操作正好與此相反。從圖9 中我們也可以看出，西數(shù)WD200BB硬盤采用單碟雙磁頭設(shè)計(jì)，但該磁頭組件卻能支持四個(gè)磁頭，注意其中有兩個(gè)磁頭傳動(dòng)手臂沒有安裝磁頭。

    　　(2)、磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。盤硬的尋道是靠移動(dòng)磁頭，而移動(dòng)磁頭則需要該機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)。磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電磁線圈電機(jī)、磁頭驅(qū)動(dòng)小車、防震動(dòng)裝置構(gòu)成，高精度的輕型磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)Υ蓬^進(jìn)行正確的驅(qū)動(dòng)和定位，并能在很短的時(shí)間內(nèi)精確定位系統(tǒng)指令指定的磁道。

    　　其中電磁線圈電機(jī)包含著一塊永久磁鐵，這是磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)傳動(dòng)手臂起作用的關(guān)鍵，如圖10所示，磁鐵的吸引力足起吸住并吊起拆硬盤使用的螺絲刀。防震動(dòng)裝置在老硬盤中沒有，它的作用是當(dāng)硬盤受動(dòng)強(qiáng)裂震動(dòng)時(shí)，對(duì)磁頭及盤片起到一定的保護(hù)使用，以避免磁頭將盤片刮傷等情況的發(fā)生。這也是為什么舊硬盤的防震能力比現(xiàn)在新硬秀盤差多的緣故。

磁盤片、主軸組件及前置控制電路

　　(3)、磁盤片。盤片是硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的載體，現(xiàn)在硬盤盤片大多采用金屬薄膜材料，這種金屬薄膜較軟盤的不連續(xù)顆粒載體具有更高的存儲(chǔ)密度、高剩磁及高矯頑力等優(yōu)點(diǎn)。另外，IBM還有一種被稱為“玻璃盤片”的材料作為盤片基質(zhì)，玻璃盤片比普通盤片在運(yùn)行時(shí)具有更好的穩(wěn)定性。從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，硬盤盤片是完全平整的，簡直可以當(dāng)鏡子使用。

    　　(4)、主軸組件。主軸組件包括主軸部件如軸承和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。隨著硬盤容量的擴(kuò)大和速度的提高，主軸電機(jī)的速度也在不斷提升，有廠商開始采用精密機(jī)械工業(yè)的液態(tài)軸承電機(jī)技術(shù)。例如希捷公司的酷魚ATA IV就是采用此電機(jī)技術(shù)，這樣有利于降低硬盤工作噪音。

    　　(5)、前置控制電路。前置電路控制磁頭感應(yīng)的信號(hào)、主軸電機(jī)調(diào)速、磁頭驅(qū)動(dòng)和伺服定位等，由于磁頭讀取的信號(hào)微弱，將放大電路密封在腔體內(nèi)可減少外來信號(hào)的干擾，提高操作指令的準(zhǔn)確性。

深入了解硬盤之控制電路

3、控制電路

    　　硬盤的控制電路位于硬盤背面，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。具體如圖13、14所示。

    　　硬盤控制電路總得來說可以分為如下幾個(gè)部份：主控制芯片、數(shù)據(jù)傳輸芯片、高速數(shù)據(jù)緩存芯片等，其中主控制芯片負(fù)責(zé)硬盤數(shù)據(jù)讀寫指令等工作，如圖14可知，WD200BB的主控制芯片為WD70C23-GP，這是一塊中國臺(tái)灣產(chǎn)的芯片。數(shù)據(jù)傳輸芯片則是將硬盤磁頭前置控制電路讀取出數(shù)據(jù)經(jīng)過校正及變換后，經(jīng)過數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)，至于高速數(shù)據(jù)緩存芯片是為了協(xié)調(diào)硬盤與主機(jī)在數(shù)據(jù)處理速度上的差異而設(shè)的，該款西數(shù)WD200BB的緩存容量大小為2MB，據(jù)最新消息，西部數(shù)據(jù)公司推出的WD1000BB-SE（特殊版本）結(jié)合有8MB的高速緩存，這是全球首款整合如此高緩存的高速IDE硬盤。緩存對(duì)磁盤性能所帶來的作用是無須置疑的，在讀取零碎文件數(shù)據(jù)時(shí)，大緩存能帶來非常大的優(yōu)勢(shì)，這也是為什么在高端SCSI硬盤中早就有結(jié)合16MB甚至32MB緩存的產(chǎn)品。

硬盤解剖過程之準(zhǔn)備工作

4、解剖過程

    　　上面筆者對(duì)硬盤內(nèi)外部結(jié)構(gòu)及控制電路進(jìn)行了簡單介紹，至于如磁頭的解剖及分析、磁盤片的工作原理、控制電路各芯片之間是如何協(xié)同工作等內(nèi)容，筆者沒有拿到相關(guān)資料，所以也就不能向大家一一說明。上面的西數(shù)WD200BB硬盤已經(jīng)被大解八塊了，但這個(gè)拆解過程是如何進(jìn)行的呢？在解剖硬盤的過程中需要注意那些事項(xiàng)呢？下面筆者再對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行簡單介紹。

    　　在開始解剖過程敘述之前，需要提醒用戶注意：硬盤內(nèi)部是絕對(duì)無塵的，在普通環(huán)境下將硬盤拆開，即意味著你的硬盤將報(bào)廢，所以不要輕易將你的硬盤按筆者這樣解剖。

    　　(1)、準(zhǔn)備工作。要解剖硬盤，工具是必不可少的，由于硬盤的安裝螺絲是使用非常特殊的內(nèi)六角螺絲，而且螺絲中心呈凹形，所以使用普通螺絲刀是沒法擰開的。這樣的螺絲刀在一些比較大的五金店或大商場(chǎng)的五金專柜有賣，價(jià)格不菲，筆者買的這把螺絲刀花了￥45。

控制電路板拆除及結(jié)束語

　　(3)、控制電路板的拆解。電路板的拆解相對(duì)更為簡單些，它沒有面板上的那種隱藏螺絲，只須將背面的四顆螺絲擰開，即可將電路板取下，如圖13所示。在電路板的下面還有一個(gè)海棉護(hù)墊，起到一定的穩(wěn)定作用。

    三、結(jié)述語

    　　本次解剖硬盤，非常感謝西部數(shù)據(jù)公司提供的7200RPM WD200BB硬盤作為拆解對(duì)象。經(jīng)過上面對(duì)硬盤外部、內(nèi)部及控制電路板的介紹，相信讀者對(duì)硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)識(shí)與了解，從上面我們看到了磁頭長什么樣，知道了磁盤片表面光滑如"鏡"，懂得了硬盤是如何初始化及完成尋道工作的等。當(dāng)然這次解剖工作只是淺層次的拆解，如果想更深層次地解剖及研究磁頭、盤片、電機(jī)、主軸等，就需要更高的技術(shù)條件與設(shè)備。