硬盘结构和工作原理

硬盘结构和工作原理：

从硬盘的外观上看， 有电源接口、 数据线接口、 控制电路板、 固定盖板、 固定螺丝孔等部分。

⑴ 电源接口

电源接口与主板电源相接连， 为硬盘正常工作提供电力。

⑵ 数据线接口

数据线接口是硬盘数据和主板控制器之间进行传输的纽带， 使用时是用一根数据电缆将其与

主板 IDE 接口或与其它控制适配器的接口相连接。根据连接方式的不同分为 EIDE 接口和 SCSI

接口。

⑶ 跳线设置

跳线主要完成硬盘主从设置。 对于硬盘的跳线， 在硬盘正面的标签上都有较详细地说明。 如

果只用 1 块硬盘， 跳线应在主盘（Master） 位置； 如果使有 2 块硬盘， 那么必须有 1 块设置

为主盘（Master）， 一块设置为从盘（Slave）。

⑷ 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。 基于加强散热保证稳定运行的原因， 控制电路一般裸露在硬盘表面。

⑸ 固定盖板

硬盘的固定盖板面板上标注产品的型号、 产地、 设置参数等， 和底板结合成一个密封的整体，

保证硬盘盘片和伺服机构的稳定运行。

⑹ 固定螺丝孔

用于在机箱中固定硬盘时使用。

2. 硬盘的内部结构

硬盘内部结构由浮动磁头组件、 磁头驱动机构、 盘片、 主轴驱动装置、 前置读写控制电路及

电机等组成， 被封装在硬盘的净化腔体内磁头组件由读写磁头、 传动手臂、 传动轴三部份组

成， 如图 5-13 所示。 是硬盘中最精密的部位之一。 磁头是硬盘技术中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， 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。 磁头采用非接触

式头、 盘结构， 加后电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. 3um， 这

样可以获得很好的数据传输率。 现在转速为 7200RPM 的硬盘飞高一般都低于 0. 3um， 以利于

读取较大的高信噪比信号， 提供数据传输率的可靠性

⑵ 磁头驱动机构

磁头驱动机构由电磁线圈电机、 磁头驱动小车、 防震动装置构成。

⑶ 磁盘片

磁盘片是硬盘存储数据的载体。 目前市场上主流硬盘的盘片大都是由金属薄膜磁盘构成.

⑷ 主轴组件

主轴组件包括主轴部件如轴承和马达等。 硬盘马达的转速在很大程度上决定了硬盘最终的速

度。 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， 从 4000 转左右、 5400

转， 发展到今天的 7200 转， 甚至 10000 转。 但随着硬盘转速的不断提高， 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。 广泛应用在精密机械工业上的液态轴承马达

被引入到硬盘技术中。 一方面避免了与金属面的直接磨擦， 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。

⑸ 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， 提高操作指令的准确性。3. 硬盘工作原理

硬盘的工作原理比较复杂， 这里以硬盘的一个工作流程来述叙其工作原理。

当硬盘驱动器加电正常工作后， 利用控制电路中的单片机初始化模块进行初始化工作， 此时

磁头置于盘片的中心位置， 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。

当接口电路接收到计算机系统传来的指令信号时， 该指令信号通过前置放大控制电路， 驱动

音圈电机发出磁信号， 根据感应阻值变化的磁头对盘片数据进行正确定位并将接收后的数据

信息解码， 然后通过放大控制电路传输到接口电路， 反馈给主机系统以完成指令操作。 当硬

盘断电停止工作时， 在反力矩弹簧的作用下浮动磁头驻留到盘面中心。

因此， 可以看出， 硬盘驱动器在非工作状态下， 硬盘不旋转， 各磁头依靠微弱的弹力与对应

的盘片表面相接触。每一个盘片的中心区都有一部分不用来存放信息， 而是用来停靠磁头的，

这个区域叫做启停区。

当硬盘进行读写数据时， 磁盘开始旋转， 当旋转速度达到额定的高速时， 磁头就会因盘片旋

转产生的气流而抬起， 这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。 读写完毕， 盘片停止旋转，

磁头又回归到启停区。 硬盘没工作时， 磁头就停留在这个启停区。 盘片旋转产生的气流相当

强， 它足以使磁头托起与盘面保持一个微小的距离。 这个距离越小， 磁头读写数据的速度就

越快， 当然对硬盘各部件的要求也越高。 气流即能使磁头脱离开盘面， 又能使它保持在离盘

足够近的地方， 非常紧密地跟随着磁盘表面呈起伏运动, 使磁头飞行处于严格受控状态。

由于硬盘在工作时磁盘表面与磁头的距离相当小， 所以即使很微细的灰尘粒子也会导致硬盘

驱动器的严重故障。 因此硬盘驱动器中的全部零部件均封闭在一个极为洁净的密封腔里。 除

非是专业技术人员在符合条件的洁净室里进行操作， 平时切不可开启硬盘， 否则会导致硬盘

驱动器损坏。

硬盘技术指标：

⑴ 容量

目前市场上的硬盘容量多为 20GB～160GB。 影响硬盘容量的因素有单碟容量和碟片数量， 硬

盘中的存储碟片一般有 1～4 片。 每张碟片的磁储存密度越高， 则其达到相同容量所用的碟片

就越少， 其系统可靠性也就越好。 同时， 高密度碟片可使硬盘在读取相同数据量时， 磁头的

寻道动作和移动距离减少， 从而使平均寻道时间减少， 加快硬盘读写速度。 在硬盘的容量方

面值得注意的是这样一个问题， 即硬盘的标称容量是生产厂商按照 1G＝1000MB 计算的， 而在

操作系统和计算机的自检中是按照 1G＝1024MB 计算的， 因此用户在 BIOS 中或在格式化硬盘

时看到的容量会比厂家的标称值要小。

⑵ 数据传输率

硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度， 单位为兆字节每秒（MB/s）。 硬盘数据传输率又

包括了内部数据传输率和外部数据传输率。

内部传输率（Internal Transfer Rate） 也称为持续传输率（ustained Transfer Rate）， 是

指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率， 它反映了硬盘缓冲区未用时的性能。 内部传输率主

要依赖于硬盘的旋转速度。

外部传输率（External Transfer Rate） 也称为突发数据传输率（Burst Data Transfer Rate）

或接口传输率， 它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率， 外部数据传输率与硬

盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。 ATA/66/100/133 接口的硬盘的传输率可达 66-133MB/S。

⑶ 平均寻道时间

平均访问时间（Average Access Time） 是指磁头从起始位置到达目标磁道位置， 并且从目标

磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。 它主要指硬盘的平均寻道时间（average seek

time）， 道间寻道时间（single track seek）， 最大寻道时间（max full seek）， 以及平均等

待时间（average latency） 等等， 它们的单位皆为 ms（毫秒）。

硬盘的平均寻道时间， 指的是硬盘磁头移动到数据所在磁道时所用的时间， 这个数值越小越

好， 如今 IDE 硬盘的平均寻道时间大多在 9ms 以下。 而硬盘的道间寻道时间， 指的是磁头从

一磁道转移至另一磁道的时间， 这个时间也是越短越好。

硬盘的最大寻道时间， 指的是硬盘磁头从开始移动直到最后找到所需要的数据块所用的全部

时间， 它的数值也是越小越好， 市场上的主流 IDE 硬盘的最大寻道时间大多在 20ms 以内。 至

于硬盘的平均等待时间， 是指当磁头移动到数据所在的磁道后， 然后等待所要的数据块继续

转动到磁头下的时间， 它的数值也是越小越好。

（4） 硬盘高速缓存

缓存的大小在影响硬盘的性能上是一个比较重要的因素之一， IDE 接口硬盘的缓存大小一

般为 512KB 和 2M， 有 8M 版本的硬盘， 性能已经接近了 SCSI 接口的专业硬盘。 一般， 7200RPM

的硬盘的缓存都为 2M， 5400RPM 的硬盘则有 512KB 和 2M 两种。 在 SCSI 硬盘中最高的数据缓

存现在已经达到 16MB。

⑸ 硬盘主轴转速

同时转速也是区别硬盘档次的重要标志。 硬盘的性能基本与转速成正比， 7200 转硬盘性能比

5400 转提高了 30％。 目前市场上常见的硬盘转速一般有 5400、 7200、 10000RPM。 其主流转

速多为 7200rpm。 理论上转速越快越好， 但转速越大其发热量就越大， 主轴磨损也大， 工作

噪音也会增大。

⑹ 硬盘的磁头

硬盘上采用的磁头类型， 主要有 MR 和 GMR 两种。 GMR 巨磁阻磁头已开始取代 MR 磁头成为硬

盘磁头的主流。 MR 磁阻磁头， 采用的是写入和读取磁头分离式的磁头结构， 它是通过阻值的

变化去感应信号幅度， 对信号的变化相当敏感， 使其读取数据的准确性也相应提高， 而且由

于其读取的信号幅度与磁道宽度无关， 因而磁道可以做得很窄， 从而提高了盘片的密度， 这

就使硬盘的容量能够做得很大。而 GMR 磁头同 MR 磁头相比它使用了磁阻效应更好的材料和多

层薄膜结构， 它比 MR 磁头更敏感， 因而可以实现更高的存储密度。 现在的 MR 磁头的盘片存

储 密 度 可 达 到 3Gbit-5Gbit/in2 （ 每 平 方 英 寸 每 千 兆 位 ） ， 而 GMR 磁 头 则 可 达

10Gbit-40Gbit/in2 以上。

⑺ 硬盘接口

① IDE/ATA 接口

电子集成驱动器（Integrated Drive Electronics， IDE） 是指把控制器与盘体集成在一起的

驱动器。 现在 PC 机使用的硬盘大多数都是 IDE 兼容的， 只需用一根电缆和一根数据线将它们

与主板连起来就可以。

常说的 IDE 接口， 也叫高级技术附加装置接口（Advanced Technology Attachment， ATA）。

ATA 是最早的 IDE 标准的正式名称， 在 ATA 接口标准的整个发展过程中， 到目前为止可以划

分为 ATA—1、 ATA－2、 ATA-3、 ATA-4、 ATA-5、 ATA-6、 ATA-7 等 7 个不同的版本。

② SCSI 接口

小型计算机系统接口（Small Computer System Interface， SCSI） 是一种与 IDE（ATA） 完

全不同的接口， 它最早研制于 1979 年， 专为小型机研制的一种接口技术。 但随着计算机技术

的发展， 现在它被完全移植到了普通计算机上。 每个 SCSI 总线上可以连接包括 SCSI 控制卡

在内的 8 个 SCSI 设备。 SCSI 的优势在于它支持多种设备， 其独立的总线使得它对 CPU 的占

用率很低， 传输速率比 ATA 接口快得多， 但同时价格也很高。 目前 SCSI 接口标准广泛应用于

如： 硬盘、 光驱、 ZIP、 MO、 扫描仪、 磁带机、 JAZ、 打印机、 光盘刻录机等设备上， 同时由

于较其它标准接口的传输速率快， 所以在一些高端计算机、 工作站， 特别是服务器上常用来

作为硬盘及其它储存装置的接口。 ③ Srial ATA

Srial ATA， 即串行 ATA， 它一改以往 ATA 标准的并行数据传输方式， 而是以连续串行的方式

传送资料。 这样在同一时间点内只会有 1 位数据传输， 此做法能减小接口的针脚数目， 用四

个针就完成了所有的工作（第 1 针发出、 2 针接收、 3 针供电、 4 针地线）， 从而使得 Serial ATA

能够实现硬盘热插拔。

(8) . MTBF（连续无故障时间）： 它指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间， 单位是小时。 一

般硬盘的 MTBF 至少在 30000 或 40000 小时。

硬盘读写的数据越零碎， 缓存的作用就越大

硬盘选择：

目前， 硬盘是计算机系统启动、 各类软件运行的唯一超大容量存贮设备， 由于硬盘生产的厂

家设计能力和工艺技术的差异， 会造成硬盘质量、 可靠性、 速度、 容量上有一定的差别。 因

此， 用户在选择硬盘时， 应该从以下的几方面去考虑。

⑴ 硬盘接口技术

硬盘接口技术和传输速率是不同名但是同样意义的称呼， 目前市面上普遍使用的接口技术是

ATA 100 和 ATA 133， ATA 100 硬盘数据传输理论上可以达到 100MB/秒。 不过在实际使用当中

不管是那个品牌的硬盘都是不可能达到这种效果的， ATA133 技术里面的数据外部传输速率已

到了 133MB/S， 而目前 S-ATA 的出现， 将使之进一步提高。

⑵ 硬盘速度

由于硬盘是整台计算机存储系统中较慢的环节， 因此内存与 CPU 很多候都在等待硬盘的操作。

毫无疑问， 如果硬盘速度提升了， 那么系统性能会有不小的上升。 决定硬盘速度的最大因素

就是转速， 因此目前也以 7200rpm 与 5400rpm 来区分硬盘的高低端市场。

⑶ 硬盘的单碟容量

所谓的单碟容量就是指一张硬盘碟片的容量， 因为一个硬盘里面通常都有数张碟片的， 单碟

容量对硬盘大小起着至关重要的影响， 仅次于转速。 单碟容量直接决定了 硬盘的持续数据传

输速度， 在硬盘转速相同的情况下， 单碟容量大的比单碟容量小的硬盘在相同的时间内可以

读取更多的文件， 因此硬盘的传输速率也会加快。

⑷ 缓存容量

缓存是硬盘与外部总线交换数据的场所， 硬盘的读过程是经过磁信号转换成电信号后， 通过

缓存的一次次填充与清空、 再填充、 再清空才一步步地按照 PCI 总线周期送出去， 所以缓存

的作用不容小视， 缓存的容量与速度可以直接关系到硬盘的传输速度。

⑸ 噪音

普通 IDE 接口的硬盘所采用的是铝基板作为盘片的， 由于表面上是坑坑洼洼所以在高速运转

礑时候会发出噪音， 如果使用的是玻璃基板的硬盘就会拥有更多的宁静。 而且玻璃盘片运转

起来比较平稳， 散热快， 抗震性能高。 在这方面“蓝色巨人” IBM 的玻璃硬盘非常的突出。

⑹ 超频

其实超频不光是 CPU 的超频能力和主板的性能所决定的， 其它许多设备都是可以决定超频能

否成功的关键， 硬盘也是其中的一个设备， 当提升 CPU 的外频时， 硬盘的数据传输速率也会

跟随上升的， 如果硬盘自身承受不了， 就会出现不正常的情况， 造成超频失败， 严重的还会

引起数据丢失或者系统崩溃。

⑺ 正规的渠道

由于硬盘是高科技的产品， 不会出现仿造产品， 所以选择时要注意， 走私货冒充行货、 将返

修货或者二手硬盘当成新品出手这几方面。

走私货也就是水货硬盘。 硬盘是所有计算机配件中可靠性相对较低的， 它很容易出现坏道，

甚至报废， 因此产品的售后服务极为关键。 尽管水货在价格上略占优势， 但是权衡利弊， 还

是有些不值得。

返修硬盘， 部分有物理坏道的硬盘经过厂商维修后可以再次使用， 但是其稳定性已经大打折

扣， 寿命也不会很长， 因此这类硬盘是最危险的。 一般而言， 只要硬盘表面的序列号与产品

包装盒能够一一对应， 并且包装盒未拆封， 那么就可以基本确认不是返修产品。

二手硬盘， 即已被使用过的硬盘。 用过的硬盘在 IDE 接口处总有一些划伤， 此外如果买来的

硬盘已经分好了区， 那么就可以肯定是二手硬盘， 因为厂商是不会为用户分区的。

⑻ 售后服务

硬盘是用户数据的最重要存贮设备， 其读写操作比较频繁， 所以保修问题更是突出。 目前大

部分硬盘提供的保修服务只有一年质保， 但迈拓保两年； 三星是保三年， 还有大部分高端硬

盘也是三年。 当然， 人为的损坏的话可是不负责保修的。 所以说， 买硬盘一定要到一些正规

的渠道去购买， 这样在出了问题的时候才能保障用户的权益。

光盘驱动器：

光盘存储技术的主要产品是光盘及光盘驱动器。 由于光盘具有存储密度高、 容量大的优点，

又易于长久保存， 因此为多媒体信息的存储提供了强有力的载体， 光盘技术成为多媒体技术

发展的主要手段和保证。

根据光盘存储器技术， 光盘驱动器分为： CD-ROM（只读光盘驱动器）、 CD-R（可写光盘驱动器）、

CD-R/W（可擦写光盘驱动器）、 DVD-ROM（DVD 只读光盘驱动器）、 DVD-RAM（可反复擦写 DVD

光盘驱动器）。

常见故障：

1． 硬盘常见故障

⑴ 系统不认硬盘

系统从硬盘无法启动， 从 A 盘启动也无法进入 C 盘， 使用 CMOS 中的自动监测功能也无法发现

硬盘的存在。 这种故障大都出现在连接电缆或 IDE 端口上， 硬盘本身故障的可能性不大， 可

通过重新插接硬盘电缆或者改换 IDE 口及电缆等进行替换试验， 就会很快发现故障的所在。

如果新接上的硬盘也不被接受， 一个常见的原因就是硬盘上的主从跳线， 如果一条 IDE 硬盘

线上接两个硬盘设备， 就要分清楚主从关系。

2． 硬盘常见故障

⑵ FAT 表引起的读写故障

FAT 表记录着硬盘数据的存储地址， 每一个文件都有一组 FAT 链指定其存放的簇地址。 FAT

表的损坏意味着文件内容的丢失。 一些工具软件等本身具有这样的修复功能， 使用也非常的

方便。

⑶ 开机自检完成后， 不能进入操作系统

分析原因： 误操作或者病毒破坏了引导扇区、 系统启动文件被破坏、 0 磁道损坏。

处理步骤： 用启动盘启动硬盘， 用 SYS C:命令修复系统启动文件。 如果无效可以使用杀毒工

具检查是否有病毒， 如果属于病毒破坏引导扇区的情况就可以解决。 如果不是这些问题， 就

用 NORTON 工具修复引导扇区和 0 磁道， 如果无法修复 0 磁道.

⑷ 写入的数据经常丢失

原因是硬盘出现了逻辑错误、 出现坏磁道。 使用病毒防火墙软件， 一般的黑客软件都会原形

毕露， 即可恢复正常。 如果不是这个原因可以用 SCANDISK 和 CHKDSK 命令检查是否存在硬盘

逻辑错误， 用 NORTON 磁盘医生检查修复功能更强大， 按照提示修复即可。 如果硬盘扫描的时

候出现了 大量的红色 B 符号， 用户的硬盘出现了坏磁道。 一般可以用 NORTON 工具修复， 建议

使用硬盘厂商提供的 DM 磁盘工具， 不建议大家使用低级格式化， 因为它对硬盘的损害也不小。

遇到坏磁道集中而且实在无法修复的， 可以重新分区， 把有坏道的部分分在一个逻辑区， 分

好区以后删除了这个逻辑区就可以正常使用了⑸ 使用过程中硬盘经常停转， 出现死机的状态 可能是电压不稳定、 硬盘供电不足、 硬盘马达问题。 用万用表测量市电电压， 如果发现电压

过低或者不稳定的现象应该使用稳压器。 测量计算机电源的电压输出是否正常， 或者是否有

电源接口接触不良的情况。 这种情况用更换电源或者换一个电源接口就可以解决。 排除到最

后只能认定是硬盘马达故障， 最好更换硬盘。

⑹ 能进入 Windows 系统， 但是运行程序出错， 同时运行磁盘扫描也不能通过。 经常在扫描时

候缓慢停滞甚至死机。

这种现象可能是硬盘的问题， 也可能是 Windows 天长日久的软故障， 如果排除了软件方面设

置问题的可能性后， 就可以肯定是硬盘有物理故障了。

⑺ 硬盘的物理坏道

处理物理坏道的核心思想是将这些有坏道的簇单独分成一个分区， 并隐藏起来避免其它程序

调用， 这样就可以不让坏道扩散， 以免造成更大的损失。 对于这一处理， 可以使用 Partition

Magic 来解决。

硬盘的管理和维护： 注意事项：

1. 保持电脑工作环境清洁 ： 硬盘是一密封体， 仅以带有超精过滤纸的呼吸孔与外界相通。

它可以在普通无净化装置的室内环境中使用。 但若环境中灰尘过多 ， 会被吸附到 PCBA 的表

面、 主轴电机的内部以及堵塞呼吸过滤器。 应保持电脑工作环境清洁。

2. 硬盘拆装时要注意防止静电

3. 减少震动与冲击?： 如今的硬盘转速非常快， 微机工作或刚关机时， 严禁搬运机器， 以免磁

头与盘片产生撞击而擦伤盘片表面的磁层， 从而导致硬盘的物理损害 （这种损伤往往是致命

的）。

3. 养成正确关机的习惯

6. 保持合理的使用温度（10-40℃）

6. 养成经常整理硬盘的习惯

7. 时常备份重要信息

8. 建立恢复系统： ? 使用 Norton Utilities 瑞星软件等工 具软件将硬盘分区表、 引

导记录以及 CMOS 信息保存到 u 盘上， 以防万一。 或用 GHOST 将 C 盘做成 IMAGE 文件， 当系

统损坏时可以用 GHOST 克隆技术恢复 C 盘系统。

9. 及时删除不再使用的文件、 临时文件等。

10. 注意预防病毒和特洛依木马程序? 拥有两套不同的杀毒软件就显得很重要了。

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