硬盘的结构

3.1.1　硬盘的结构

1．硬盘的外部结构

硬盘从外观上看，由盘体、固定盖板、安装螺孔、数据线、控制电路板、电源接口、数据接口等组成，各种硬盘的外观结构都是相似的。

（1）接口

硬盘接口包括电源插口和数据接口两部分。其中电源插口与主机电源相连，为硬盘工作提供电力保证。电源插口和数据接口之间是用以设置硬盘“主”、“从”关系的跳线。数据接口根据连接方式的差异，分为IDE接口和SCSI接口。IDE接口由于造价低廉、使用方便，为多数硬盘采用。采用SCSI接口则必须在网络服务器和高档图形工作站等设备中使用，如图3-1所示。

图3-1　硬盘接口

（2）电路板

硬盘控制电路板如图3-2所示，采用贴片式元件焊接，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高效的单片机ROM芯片，其固化的软件可以进行硬盘的初始化，执行加电和启动主轴电机、初始寻道、定位以及故障检测等任务。基于稳定运行和加强散热的原因，控制电路板都是裸露在硬盘表面的。在电路板上还安装有高速缓存芯片，通常为256KB或512KB，而目前最新产品为了获得更高的传输效率，已逐步普遍使用2MB的数据缓存。

图3-2　硬盘控制电路板

（3）固定盖板

固定盖板实际是硬盘的面板。面板上标注有产品的型号、产地、设置数据等，和底板结合成一个密封的整体，保证硬盘片和机构的稳定运行。

（4）安装螺孔

安装螺孔的位置如图3-2所示，用于将硬盘安装在机架上。对于3.25英寸的产品，固定盖板和侧面都具有安装孔，可以方便、灵活地放置。

2．硬盘的内部结构

硬盘是一个贵重的高精密度的机电一体化产品，由磁头盘片组件（Head Disk Assembly，缩写为HDA）和印刷电路板组件两大部分构成，图3-3所示是硬盘的内部结构图。由于将硬盘的所有机械运动及传动装置全密封在一个净室的腔体内，这样大大提高了硬盘的防尘、防潮和防有害气体污染的能力。

图3-3　硬盘内部结构图

（1）磁头组件

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、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环。众所周知，一块硬盘存取数据的工作完全依靠磁头来进行的。没有磁头，也就没有实际意义上的硬盘。磁头的作用就类似于在硬盘盘体上进行读/写的“笔尖”，通过全封闭式的磁阻感应读/写，将信息记录在硬盘内部特殊的介质上。

硬盘磁头的发展先后经历了亚铁盐类磁头、MIG磁头、薄膜磁头、MR磁头和GMR磁头几个阶段。前三种传统的磁头技术都是采取了读/写合一的电磁感应式磁头，造成了硬盘在设计方面的局限性。第四种磁阻磁头在设计方面引入了全新的分离式磁头结构，写入磁头仍沿用传统的磁感应磁头，而读取磁头则应用了新型的MR磁头，即感应写、磁阻读，针对读/写的不同特性分别进行优化，以达到最好的读、写性能。

现在的磁头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、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片的间隙只有0.1～0.3μm，这样可以获得很好的数据传输率，如图3-4所示。

图3-4　放大的磁头组件

（2）磁头驱动机构

由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读/写的可靠性。

磁头驱动电机的工作方式一般分为步进电机驱动式和音圈驱动式两种。在前一种方式中，驱动磁头的是一条缠绕在步进电机上的柔软金属带，靠金属带的缠绕或散开使磁头移动。音圈是一个中间插有一根与磁头相连的磁棒的线圈，当有电流通过时，磁棒就会移动，进而带动磁头。音圈驱动方式的优点是快速、精确、安全。现在，绝大多数硬盘都使用这种方式。

（3）盘片

盘片是硬盘存储数据的载体。硬盘的盘体由多个重叠在一起并由垫圈隔开的盘片组成，盘片是表面极为平整光滑且涂有磁性物质的金属或玻璃圆片，它们与表面的磁性物质结合在一起。这种特殊物质的金属磁盘具有更高的记录密度和更强的安全性能。

目前市场上主流硬盘的盘片大都是由金属薄膜磁盘构成，金属薄膜磁盘比普通的金属磁盘具有更高的剩磁和高矫顽力，因此也被大多数硬盘厂商普遍采用。

除金属薄膜磁盘以外，目前已经有一些硬盘厂商开始尝试使用玻璃作为磁盘基片。与金属薄膜磁盘相比，用玻璃作为盘片有利于把硬盘盘片做得更平滑，单位磁盘密度也会更高，同时由于玻璃的坚固特性，新一代的玻璃硬磁盘在性能方面也会更加稳定。盘片如图3-5所示。

图3-5　硬盘盘片（介质）外形图

（4）控制电路板

控制电路板采用贴片式元件焊接，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。

在电路板上有一块高效的ROM芯片，其固化的软件可以进行硬盘的初始化，执行加电和启动主轴电机、初始寻道、定位以及故障检测等任务。

基于稳定运行和加强散热的原因，控制电路板都是裸露在硬盘表面的。

在电路板上还安装有高速缓存芯片，通常为2MB，而目前最新产品为了获得更高的传输效率，其数据缓存也逐步增大。

控制电路板一方面通过扁平的数据排线与盘体内的主轴电机和磁头组件交换数据，另一方面通过数据线接口和电源接口与外部配件连接。

（5）主轴组件

主轴组件包括主轴部件如轴承、马达等。硬盘在工作时，通过马达的转动将用户需要存取资料所在的扇区带到磁头下方，马达的转速越快，用户存取数据的时间也就越短。从这个意义上讲，硬盘马达的转速在很大程度上决定了硬盘最终的速度。

在当今硬盘不断向超大容量迈进的同时，硬盘的速度也在不断提高。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，马达的速度也在不断提升。现在7200转、2MB缓存的大容量硬盘已经成为装机的首选。

随着硬盘转速的不断提高，同时也会带来诸如磨损加剧、温度升高、噪声增大等一系列负面问题。传统的普通滚珠轴承马达无法妥善解决这些问题，于是先前曾广泛应用在精密机械工业上的液态轴承马达（Fluid Dynamic Bearing Motors）被引入到硬盘技术中。希捷公司推出的酷鱼四产品中就采用了上述技术。这种技术与传统的滚珠轴承马达相比，一方面避免了与金属面的直接摩擦，将传统马达所带来的噪声及温度降至最低；另一方面，油膜可以有效地吸收外来的震动，使硬盘的抗震能力得到了提高，从而也使硬盘的寿命得到了延长。