硬盘电子电路

3.3.2　硬盘电子电路

1．主控芯片

微处理器芯片（主控芯片）主要负责对电机驱动芯片的控制，对前置信号处理器和数字信号处理器传来的数据进行分析处理并传递给接口部分。不同的硬盘使用不同的MCU。下面介绍比较常见的一种硬盘主控芯片。

（1）ARM7TDMI芯片概述

ARM7TDMI芯片为32bit结构，是缩减的计算机（RISC）体系结构。它具有的特点是：较低的能源消耗，4GB线性地址空间，Fetch、Decode和Execute三个平台管线体系，8bit、16bit和32bit数据类型，Single-cycle 32×8硬件乘法器和JTAG调试和电路仿真。

（2）ARM7TDMI的主要信号

ARM7TDMI微处理器芯片由Clock时钟部分、Interrupt中断控制部分、Bus Controls总线控制部分、Power电源部分、Debug调试部分、Boundary Scan部分、Boundary Scan控制信号、Processor Mode过程模式、Processor State过程状态控制、Memory Interface存储分布、Memory Management Interface存储分布管理和CoProcessor Interface部分组成。图3-14所示是ARM7TDMI微处理器芯片主要信号分布图。

（3）ARM7TDMI的内部结构

ARM7TDMI处理器包括一个TAP控制器（TAPController for Boundary Scan）和一个输入电路仿真程序（In-circuitEmulator，即ICE Breaker）。还有一个数据信号（总线）分离器（Bus Splitter）保证数据的双向通信。ARM7TDMI的内部结构框图如图3-15所示。

图3-14　ARM7TDMI微处理器芯片主要信号分布图

图3-15　ARM7TDMI内部结构框图

如图3-16所示是地址、数据的内部总线和详细的内部结构图。ARM7TDMI内部有37个32bit的寄存器和6个状态寄存器，它的功能是存储完整的32×8乘法器和32bit内部移位寄存器的结果。5条独立的内部总线来保证高质量的并行执行指令。其中32bit的数据总线的输入/输出是分开且双向通信的，32bit的地址总线是单项输出的。

图3-16　ARM7TDMI内部总线结构图

（4）ARM7TDMI芯片信号功能说明

表3-2所示是ARM7TDMI芯片引脚功能的详细说明。表中类型说明如下：

1）IC是输入端。

2）P是电源。

3）O4是INV4驱动和输出端。

4）O8是INV8驱动和输出端。

表3-2　ARM7TDMI芯片的引脚信号功能说明

（续表）

2．电机驱动芯片

硬盘的另一部分主要电路是电机驱动电路，主要由主轴电机（Spindle Motor Driver）和语音线圈电机（Voice Cole Driver）组成，各个厂商使用的驱动芯片不一样，有的使用单一芯片驱动两个电机，如松下公司的AN8428GAK就是单芯片驱动两个电机；还有使用两个芯片分别驱动两个电机的，如ST公司的L6238就是驱动主轴电机的芯片，L6243是驱动语音线圈电机的驱动芯片。下面就以ST公司的两个芯片介绍电机驱动系统。

（1）主轴电机驱动

L6238是完全的三相直流主轴电机驱动系统芯片，这个芯片可以单独操作电源和控制部分，或者使用在线性的高电压电路中。内部主要包括串行接口、时钟、电源和数字延迟等主要模块，还有L6238芯片具有三相电机驱动输出。L6238的内部结构框图如图3-17所示，L6238芯片的引脚图如图3-18所示，芯片信号引脚功能说明如表3-3所示。

图3-17　L6238芯片内部结构框图

图3-18　L6238芯片引脚图

表3-3　L6238信号引脚功能说明

（续表）

（2）L6238的应用电路

L6238的典型应用主要是和L6243联合工作，图3-19所示是L6238和L6243的典型应用电路，其中L6238作为主轴电机的驱动芯片，而L6243是作为语音线圈电机的驱动芯片。L6238芯片中引脚12是＋12V电源的输入端，引脚25和27分别连接不同频率的输入时钟，引脚41连接＋5V电压，在L6238中最主要的是引脚10、1和35，分别驱动电机的A、B、C相。L6243是语音线圈电机驱动芯片，在后面有详细的介绍。

（3）语音线圈电机驱动

L6243芯片是语音线圈电机驱动芯片，具有双相输出，输入电压是＋12V和＋5V，芯片内部具有电流、电压放大电路和内部保护电路等主要模块。图3-20所示是L6243芯片的内部结构图。

图3-19　L6238芯片的典型应用电路

图3-20　L6243芯片内部结构图

（4）L6243芯片引脚

L6243芯片是采用PLCC和SO两种封装形式的芯片，PLCC是40引脚的芯片，SO是24引脚的芯片。芯片信号引脚功能说明如表3-4所示，图3-21所示是PLCC和SO两种封装形式的芯片引脚图。

表3-4　L6243信号引脚功能说明

图3-21　L6243芯片引脚图

（5）L6243芯片的典型应用电路

图3-22所示是L6243芯片的典型应用电路，引脚25和43是音圈电机的驱动相A和B；引脚21是＋12V的输入电压；检测音圈电机驱动电路时，首先检测输出端的输出是否正常，不正常时检测芯片的基本工作条件是否满足即工作电源和控制信号，具体检测信号维修人员可以参看表3-4中的信号功能说明，选择合理的控制信号进行检测来判断芯片的工作状态。

图3-22　L6243芯片的典型应用电路

3．硬盘BIOS芯片

电路板上还有一块类似于BIOS芯片作用的ROM。其中固化的程序可以在硬盘加电以后自动执行启动主轴电机、初始化寻道、定位和自检等一系列初始化动作。下面主要介绍W49F102芯片。

W49F102芯片的容量是1MB，采用40针STSOP（10mm×14mm）封装的Flash存储芯片。W49F102芯片信号引脚如图3-23所示。

（1）采用＋5V供电电压工作模式，即＋5V读取和＋5V擦除。

（2）快速的程序工作模式。

（3）快速的读取时间是45ns。

（4）快速的擦除模式，100ms（typ）。

（5）硬件数据保护。

（6）低能源消耗，即动态电压为25mA（typ）和标准电压为20μA（typ）。

（7）采用TTL兼容性I/O接口。

图3-23　W49F102芯片引脚图

系统结构由四部分即控制部分、输出缓冲器、译码器和主存储器组成。A[0∶15]为数据输入译码器（Decoder）。CE#、OE#、WE#对控制器（Control）和输出缓冲器（OutBuffer）进行各种使能控制，主存储器（Main Memory）处理译码器传过来的数据，V_DD和V_SS是电源和地线。W 49F102芯片内部结构图如图3-24所示，W49F102芯片信号功能说明如表3-5所示。

4．缓存

一般硬盘的平均访问时间为十几毫秒，但RAM（内存）的速度要比硬盘快几百倍。所以RAM通常会花大量的时间去等待硬盘读出数据，从而也使CPU效率下降。于是，人们采用了高速缓冲存储器（又叫高速缓存）技术来解决这个矛盾。

简单地说，硬盘上的缓存容量越大越好，大容量的缓存对提高硬盘速度很有好处，不过提高缓存容量就意味着成本上升。目前市面上的硬盘缓存容量通常为512KB～2MB。

图3-24　W49F102芯片内部结构图

表3-5　W49F102芯片信号功能说明