第2章
硬盘介绍
简介
在当今的计算机世界中，硬盘已证明自己是计算机最重要的部分。如今，硬盘是主要存储设备，最常用于存储各种类型的数据，也是计算机中最有趣的组件之一。
现代计算机用户甚至很难考虑没有硬盘驱动器的计算机生活会怎样，因为我们大多数人今天在我们的计算机中存储了数十亿字节的信息。
在最早的计算机中根本没有存储空间。每次您想运行一个程序时，您都必须手动输入该程序。更重要的是，它使我们今天认为的大部分计算变得不可能，因为没有简单的方法让计算机一遍又一遍地处理相同的数据。人们很快意识到，如果计算机要成为真正有用的工具，就必须有某种永久存储。
计算机上使用的第一个存储介质实际上是纸。使用在纸带或穿孔卡片上打孔来记录程序和数据。一个特殊的阅读器使用一束光来扫描卡片或胶带。 发现孔的地方显示“1”，而纸张挡住传感器的地方显示“0”反之亦然。
虽然这比什么都没有改进，但这些卡仍然很不方便使用。你基本上必须在纸上从头开始编写整个程序，并在你开始尝试将它放在卡片上之前让它在你的脑海中运行，因为如果你犯了一个错误，你必须重新打很多卡片。很难想象你正在使用什么。
纸张的下一个重大进步是磁带的发明。记录信息的方式类似于在磁带上记录音频的方式，这些磁带比纸带或穿孔卡片更灵活、更耐用且速度更快。
当然，磁带今天仍在现代计算机上使用，但作为离线或辅助存储的一种形式。在硬盘出现之前，它们是某些计算机的主要存储设备。它们的主要缺点是必须线性读取。从磁带的一端移动到另一端可能需要几分钟，这使得随机访问变得不切实际。
回到我们的话题。 IBM 推出了第一个可用于商业开发的硬盘。它不像现在使用的磁盘驱动器。他们使用旋转的圆柱形鼓，在其上存储数据的磁性模式。鼓很大，很难使用。第一个真正的硬盘的硬盘磁头与磁盘表面接触。这样做是为了让当时的低灵敏度电子设备能够更好地读取磁盘表面的磁场，但当时的制造技术还没有现在那么复杂，而且也不是可以使磁盘表面尽可能光滑，以使磁头在与磁盘接触时高速平稳地在磁盘表面上滑动。随着时间的推移，磁头会磨损，或磨损磁盘表面的磁性涂层。
作为IBM新技术的一项重要发现，不需要与磁盘表面接触，它成为现代硬盘的基础。这种类型的第一个硬盘是 1956 年 9 月 13 日推出的 IBM 305 RAMAC（会计和控制的随机存取方法）。这个硬盘可以存储 500 万个字符，大约 5 兆字节，数据传输率为 8,800 字节每秒。
1962 年，IBM 推出了型号 1301 Advanced Disk File。这种磁盘驱动器的关键进步是创建了在空气轴承上漂浮或飞行在磁盘表面上方的磁头，将磁头到磁盘表面的距离从 800 微英寸减少到 250 微英寸。
1973 年，IBM 推出了 3340 型磁盘驱动器，它通常被认为是现代硬盘之父，它有两个独立的主轴，一个是永久的，另一个是可移动的，每个都有 30 MB 的容量。 IBM 于 1979 年推出的 3370 型是第一款带有薄膜磁头的磁盘。同年，IBM 推出了 3310 型号，这是第一个配备 8 英寸盘片的磁盘驱动器，其尺寸从十多年来的标准 14 英寸大大减小。
在第一台 PC 中使用的第一个 5.25 英寸外形设计的硬盘驱动器是希捷 ST-506。它具有四个磁头和 5 MB 容量。IBM 绕过了 ST-506，选择了 ST-412- - 一个 10 MB 的相同规格磁盘 - 用于 IBM PC/XT，使其成为第一个广泛用于 PC 和 PC 兼容世界的硬盘驱动器。
1983 年，Rodime 推出了 RO352，这是第一个使用 3.5" 外形尺寸的磁盘驱动器，它成为最重要的行业标准之一。1985 年，Quantum 推出了 Hardcard，这是一种安装在 ISA 上的 10.5 MB 硬盘用于最初没有硬盘的 PC 的扩展卡。
1986 年，Conner Peripherals 推出了 CP340。这是第一个使用音圈致动器的磁盘驱动器。 1988 年，Conner Peripherals 推出了 CP3022，这是第一款使用降低的 1" 高度的 3.5" 驱动器，现在称为“薄型”，也是现代 3.5" 驱动器的标准。同年，PrairieTek 推出了使用 2.5" 的驱动器拼盘。 1990 年，IBM 推出了 681 型 (Redwing)，一个 857 MB 的驱动器。它是第一个使用 MR 磁头和 PRML 的。
IBM 于 1991 年推出的“Pacifica”大型机驱动器是第一个在盘片表面用薄膜介质代替氧化物介质的驱动器。同年 Integral Peripherals 的 1820 是第一个 1.8" 盘片的硬盘，后来用于 PC-Card 磁盘驱动器。1992 年，惠普推出了第一个 1.3" 驱动器 C3013A。
硬盘历史上发生了许多发展，为当今的硬盘提供了当前的设计、形状性能和容量。这些在本书中很难详细计算。
硬盘的组成部分
硬盘中包含以下主要组件：
- 磁盘盘片和媒体
- 读/写磁头
- 头部滑块、臂和执行器
- 硬盘主轴电机
- 连接器和跳线
- 逻辑板
- 缓存和缓存电路
硬盘组件
磁盘盘片和媒体
每个硬盘使用一个或多个（通常不止一个）圆形称为盘片的扁平磁盘，两面都涂有特殊的介质材料旨在以磁性图案的形式存储信息。磁盘上每个盘片的每个表面都可以容纳数十亿位的数据。
盘片由两种主要物质组成，一种是构成盘片主体并赋予其结构和刚性的基板材料，另一种是实际保存代表数据的磁脉冲的磁性介质涂层。
盘片的质量，尤其是它们的介质涂层，至关重要。硬盘中盘片的大小是其整体物理尺寸的主要决定因素，通常也称为驱动器的外形尺寸；大多数驱动器都是以各种标准硬盘外形之一生产的。
有时硬盘是由大小规范来引用的。如果有人有一个 3.5 英寸的硬盘，这意味着它通常是指磁盘的外形尺寸，通常，外形尺寸是根据盘片大小命名的。早期硬盘的标称尺寸为 5.25"，但现在最常见的硬盘盘片尺寸为 3.5"。
笔记本电脑驱动器通常更小，因为预期尺寸小且重量轻。这些驱动器上的盘片直径通常为 2.5 英寸或更小；2.5 英寸是标准外形尺寸，但带有 1.8 英寸甚至 1.0 英寸盘片的驱动器在移动设备中变得越来越普遍。
尽管驱动器尽可能地将盘片扩展到物理驱动器包的宽度，但为了最大限度地增加它们可以装入驱动器的存储量，但总体趋势是向更小的盘片发展。即使是台式机，公司也选择更小的盘片的主要原因是：
刚硬的盘片更耐冲击和振动，更适合与更高速度的主轴和其他高性能硬件配合使用。将硬盘盘片的直径减小 2 倍，其刚性大约会提高四倍。
盘片尺寸的减小减少了磁头致动器必须左右移动磁头以执行随机寻道的距离。这可以缩短寻道时间，并加快随机读写速度。
由于速度性能原因，最新的硬盘主轴正在增加。较小的盘片更容易旋转，并且需要功率较小的电机，并且可以更快地从停止位置加速。
目前可用的最小硬盘盘片尺寸为 1 英寸。IBM 令人惊叹的微型驱动器只有一个盘片，旨在适合数码相机、个人组织者和其他小型设备。盘片的微小尺寸使微型驱动器耗尽电池电量，在不到一秒的时间内再次减速和备份。
从工程的角度来看，更多的盘片也意味着更多的质量，因此对启动或停止驱动器的命令的响应更慢。它可以通过更强大的主轴电机进行补偿，但这会导致其他权衡。
事实上，最近的趋势是使用更少的磁头臂和盘片驱动器，而不是更多。面密度不断增加，允许创建大型驱动器而无需使用大量盘片。这使制造商能够减少盘片数量以缩短寻道时间，而不会为市场制造太小的驱动器。
硬盘的外形尺寸对驱动器中的盘片数量也有很大影响。有几个因素与磁盘中使用的盘片数量有关。由于主轴单元质量增加、需要完美对齐所有驱动器以及控制噪音和振动的难度更大，因此具有许多盘片的驱动器更难设计。
即便如此，尽管硬盘工程师希望在特定型号中放置大量盘片，但标准的“超薄”硬盘外形尺寸限制为 1 英寸高，这限制了可以放入的盘片数量。单个单元。当然，工程师们一直在努力减少盘片之间所需的间隙，因此他们可以增加给定高度的驱动器中的盘片数量。
构成您数据的磁性图案记录在硬盘盘片表面的一个非常薄的介质层中；盘片的大部分材料称为基板，除了支撑介质层之外什么都不做。为了适用，基材必须是刚性的、易于使用、重量轻、稳定、磁惰性、便宜且易于获得。传统上，制作盘片最常用的材料是符合所有这些标准的铝合金。
由于盘片旋转的方式是读/写头刚好漂浮在盘片上方，因此盘片必须非常光滑和平坦，因此已经提出了铝的替代品，例如玻璃、玻璃复合材料和镁合金。现在看起来越来越有可能玻璃和用玻璃制成的复合材料将成为盘片基板的下一个标准。与铝盘相比，玻璃盘具有以下几个优点：
- 更好的质量：
- 提高刚性：
- 更薄的拼盘：
- 热稳定性：
与铝相比，玻璃的一个缺点是易碎，尤其是在做得很薄时。
制成盘片的基板材料形成了实际记录介质沉积在其上的基底。媒体层是一层非常薄的磁性材料涂层，用于存储实际数据。它的厚度通常只有百万分之几英寸。
较旧的硬盘使用氧化物介质。氧化物介质使用成本低廉，但也有几个重要的缺点。首先是它是一种柔软的材料，很容易被读/写头接触而损坏。第二个是它只对相对低密度的存储有用。它适用于数据密度相对较低的旧硬盘，但随着制造商试图将越来越多的数据打包到同一空间中，氧化物无法完成任务：氧化物颗粒对于新设计的小磁场来说变得太大了.
今天的硬盘使用薄膜介质。薄膜介质由施加在盘片表面的一层非常薄的磁性材料组成。采用特殊制造技术将介质材料沉积在盘片上。
与氧化物介质相比，薄膜介质更加均匀和光滑。它还具有非常出色的磁性，使其能够在相同的空间中保存更多的数据。应用磁介质后，每个盘片的表面通常都覆盖有一层薄薄的碳保护层。在此之上添加了超薄润滑层。这些材料用于保护磁盘免受因磁头意外接触或其他可能进入驱动器的异物而造成的损坏。
读/写磁头
磁头是磁物理介质的读/写接口，数据存储在硬盘上。磁头负责将位转换为磁脉冲并将它们存储在盘片上，然后在需要回读数据时反转该过程。磁头是硬盘中用于提高面密度和磁盘旋转速度的更昂贵的部件之一。
尽管GMR磁头在当今的硬盘中最为流行，但对于读/写磁头，也曾多次提出过几种技术：
- 铁氧体磁头
- 金属间隙 (MIG) 头
- 薄膜 (TF) 头
- 各向异性磁阻 (AMR/MR) 磁头
- 巨磁阻 (GMR) 磁头
- 巨型磁阻 (CMR) 磁头
读/写磁头是决定硬盘整体性能的极其关键的组件，因为它们在数据的存储和检索中起着如此重要的作用。新的磁头技术往往是提高现代硬盘速度和尺寸的触发点，因此读/写磁头是硬盘中最复杂的部分，这本身就是一个技术奇迹。
使用一种特殊的编码方法将要存储的每一位数据记录到硬盘上，该方法将零和一转换为磁通量反转模式。每个硬盘盘片通常有两个用于存储数据的表面，并且驱动器上使用的每个表面通常有一个磁头。由于大多数硬盘有 1 到 4 个盘片，因此大多数硬盘有 2 到 8 个磁头。一些较大的驱动器可能有 20 个磁头或更多。在给定时间，只有一个磁头可以读取或写入硬盘。特殊电路用于控制在任何给定时间哪个磁头处于活动状态。
磁头漂浮在磁盘表面上，无需物理接触磁盘即可完成所有工作。磁头和盘片之间的空间量称为浮动高度或浮动高度或磁头间隙。读/写磁头组件是使用磁头臂的弹簧钢弹簧加载的，当磁盘静止时，这会导致滑块压在盘片上。
这样做是为了确保磁头不会从盘片上漂移，因此保持准确的浮动高度对于正确操作至关重要。当磁盘旋转到运行速度时，高速会使空气在滑块下方流动并将它们从磁盘表面提起。盘片到磁头的距离是由制造商严格控制的特定设计参数。
现代硬盘的浮动高度为 0.5 微英寸，即使是人类的头发也有超过 2,000 微英寸的厚度，这就是为什么让灰尘进入硬盘如此重要的原因。磁头在不接触的情况下飞离磁盘表面的距离实际上是相当惊人的。 灰尘颗粒、指纹甚至烟雾颗粒都是硬盘磁头的大问题。
硬盘读写结构
当增加驱动器的面密度以提高容量和性能时，磁场会变得更小和更弱。作为补偿，必须使磁头更敏感，或者必须降低浮动高度。
每次降低浮动高度时，必须调整磁盘的机械方面，以确保盘片更平整，盘片组件和读/写磁头对齐完美，没有灰尘或盘片表面的污垢。振动和冲击也变得更加令人担忧，必须加以补偿。
这就是制造商转向更小的盘片以及使用玻璃盘片基板的原因之一。较新的磁头如 GMR 是首选，因为它们允许比旧的、不太敏感的磁头更高的飞行高度，其他条件相同。
头部碰撞
由于硬盘的读/写磁头漂浮在磁盘盘片本身上方的微小空气层上，因此在某些情况下磁头可能会与硬盘上的介质发生接触。通常，磁头仅在驱动器启动或停止时接触表面。
现代硬盘每秒转动 100 次。 如果磁头在磁盘处于运行速度时接触磁盘表面，结果可能是数据丢失，磁头损坏，磁盘表面损坏，或三者兼而有之。这通常被称为头部崩溃，这是对任何计算机用户来说最可怕的两个词。磁头崩溃的最常见原因是污染物卡在磁头和磁盘之间的薄间隙中，以及硬盘在运行时受到冲击。
头部停车场
当盘片不旋转时，磁头会停留在磁盘表面上。当盘片旋转起来时，磁头会沿着盘片表面摩擦，直到获得足够的速度让它们升起并漂浮在它们的气垫上。当驱动器减速时，该过程反向重复。在这两种情况下，磁头在移动时都会与磁盘表面接触一段时间。
虽然盘片和磁头的设计考虑到会发生这种接触，但避免在有数据的磁盘区域上发生这种情况仍然是有意义的。
出于这个原因，大多数磁盘都预留了一个特殊的轨道，该轨道被指定为磁头在起飞和着陆时放置的位置。这个区域称为着陆区，这里没有放置任何数据。将磁头移动到这个指定区域的过程称为磁头停放。
几乎所有新操作系统都内置了必要时自动停放磁头的功能。大多数使用步进电机的早期硬盘驱动器不会自动停放驱动器的磁头，因此作为安全预防措施，许多小型实用程序被写入了用户在关闭 PC 之前运行的那些日子。该实用程序将指示磁盘将磁头移动到着陆区，然后可以安全地关闭 PC。
硬盘的 BIOS 设置中的一个参数告诉系统哪个磁道是特定型号硬盘的着陆区。通常，它是实际用于数据的最大编号轨道之上的下一个连续编号轨道。现代音圈驱动的硬盘驱动器都是自动停车的。现在没有必要手动停放现代硬盘的磁头。
头部滑块、臂和执行器
当使用安装在每个盘片顶部和底部表面的读/写磁头访问硬盘盘片进行读写操作时，显然，读/写磁头不只是漂浮在空间中。它们必须保持在相对于它们正在读取的表面的精确位置，并且它们必须从一个磁道移动到另一个磁道以允许访问磁盘的整个表面。
磁头安装在一个有助于该过程的结构上，该结构通常称为磁头组件或致动器组件或磁头致动器组件。它由几个不同的部分组成。磁头本身安装在磁头滑块上。滑块悬挂在磁头臂末端的磁盘表面上。磁头臂都被机械地融合成一个单一的结构，由致动器围绕磁盘表面移动。
头部滑块
每个硬盘磁头都安装在称为磁头滑块或简称滑块的特殊设备上。滑块的功能是物理支撑磁头，并在磁头漂浮在其表面上时将其保持在相对于盘片的正确位置。硬盘读/写磁头太小，如果不将它们连接到更大的单元，就无法使用。
滑块具有特殊的形状，可让它们精确地滑过盘片。随着硬盘读/写磁头的尺寸不断缩小，承载它们的滑块也在缩小。使用小滑块的主要优点是它减少了必须在盘片表面周围猛拉的重量，从而提高定位速度和准确性。较小的滑块也具有较小的表面积以可能接触磁盘的表面。每个滑块都安装在磁头臂上，以使其能够在与之配合的盘片表面上移动。
头部武器
磁头臂是薄金属片，通常呈三角形，承载读/写磁头的磁头滑块安装在其上。每个读/写磁头有一个臂，它们全部排列并安装在磁头执行器上，形成一个单元。
这意味着当执行器移动时，所有磁头以同步方式一起移动。臂本身由轻质、薄的材料制成，以使其能够从驱动器的内部快速移动到外部。较新的设计已将实心臂替换为结构形状，以减轻重量并提高性能。
较新的驱动器通过使用更快、更智能的执行器和更轻、更坚固的磁头臂来实现更快的寻道时间，从而减少了在轨道之间切换的时间。硬盘行业最近的一个趋势是减少各种驱动器系列中的盘片数量。即使是各个家族的一些旗舰驱动器，现在也只有三个甚至两个盘片，而在一年多以前，四五个是司空见惯的。
这种趋势的一个原因是，拥有大量磁头臂会使驱动器难以制造出足够高的精度以允许在随机寻道时非常快速地定位。这是由于额外的臂增加了致动器组件的重量，以及对齐所有磁头的问题。
头部执行器
执行器是硬盘的一个非常重要的部分，因为从一个磁道到另一个磁道的改变是硬盘上唯一需要主动移动的操作。更换磁头是一种电子功能，更换扇区需要等待正确的扇区号旋转并进入磁头下方。改变轨道意味着必须移动磁头，因此确保能够快速准确地完成这一移动至关重要。
致动器是用于将磁头臂定位到盘片表面上不同磁道的装置到不同的柱面，由于所有磁头臂作为一个同步单元移动，因此每个臂移动到其各自的相同磁道号表面。头部执行器有两种一般类型：
两种设计的主要区别在于步进电机是绝对定位系统，而音圈是相对定位系统。
所有现代硬盘都使用音圈致动器。音圈致动器不仅适应性更强，而且对热问题不敏感。它比步进电机更快、更可靠。致动器的定位是动态的，并且基于检查轨道的实际位置的反馈。这种闭环反馈系统有时也称为伺服电机或伺服定位系统，通常用于数千种需要精确定位的不同应用中。
主轴电机
主轴电机或主轴负责转动硬盘盘片，使硬盘驱动器运行。主轴电机必须为数千小时的连续使用提供稳定、可靠和一致的转动功率，以使硬盘正常工作，因为许多驱动器故障实际上是主轴电机故障，而不是数据存储系统故障。
硬盘的主轴电机必须具有以下品质才能长期使用并确保您的数据长期安全：
- 它必须是高质量的，因此它可以运行数千小时，并且可以承受数千个启动和停止循环，而不会失败。
- 由于驱动器内的盘片和磁头的严格公差，它必须平稳运行且振动最小。
- 不得产生过多的热量或噪音。
- 它不应该消耗太多能量。
- 必须对其速度进行管理，以便以适当的速度转动。
为了满足这些需求，所有 PC 硬盘都使用伺服控制的直流主轴电机。硬盘主轴电机配置为直接连接。没有用于将它们连接到硬盘盘片主轴的皮带或齿轮。安装盘片的主轴直接连接到电机的轴上。
盘片加工有一个与主轴精确尺寸的孔，并放置在主轴上，它们之间有分隔环，以保持正确的距离并为磁头臂提供空间。主轴电机要做的工作量取决于以下因素：
盘片的大小和数量：更大的盘片和驱动器中的更多盘片意味着电机转动的质量更大，因此需要更强大的电机。高速驱动器也是如此。
o 电源管理： 如今，用户越来越希望硬盘能够从停止位置快速旋转到运行速度，这也需要更快或更强大的电机。
正如在较新的硬盘中，主轴速度被认为是一个重要问题，它也成为控制硬盘由于高主轴速度而产生的噪音、热量和振动量的一个重要点。
一些较新的驱动器，尤其是 7200 和 10,000 RPM 型号在运行时会产生很大的噪音。如果可能的话，最好在购买前检查一下正在运行的硬盘，评估它的噪音水平，看看它是否会打扰您；这因人而异。即使在同一个家庭中，产生的噪音也会因个别驱动器而有所不同。主轴电机产生的热量最终会导致硬盘损坏，这就是为什么较新的驱动器较新的硬盘更加关注其冷却的原因。
连接器和跳线
硬盘中有几个不同的连接器和跳线，用于配置硬盘并将其连接到系统的其余部分。硬盘上连接器的数量和类型取决于它用来连接系统的数据接口、驱动器的制造商以及驱动器可能拥有的任何特殊功能。
设置常用跳线的说明通常印在驱动器上。硬盘驱动器使用标准的 4 针公连接器插头，该插头采用来自电源的电源连接器之一。 这导致 4 线塑料连接器提供 +5 和 +12硬盘电压。
现代硬盘驱动器通常使用两种接口形式：
- IDE/ATA： 它有一个 40 针矩形连接器。
- SCSI： 50 针、68 针或 80 针 D 形连接器。所有这三个引脚号代表不同类型的 SCSI 磁盘，例如：
- 50 针连接器意味着设备是窄 SCSI。
- 68 针表示宽 SCSI。
- 80 针表示使用单连接器附件 (SCA) 的宽 SCSI。
连接器和跳线
硬盘驱动器上的连接器通常采用2xN 矩形引脚网格的形式（其中 N 为 20、25、34 或 40，具体取决于接口）。目前大多数 SCSI 接口连接器都是带键的，以防止错误插入，因为它们是 D 形的，其他接口并非总是如此。
因此，在插入之前确保电缆的方向正确非常重要。电缆有一条红色条纹表示电线 1，而硬盘使用一种或另一种形式的标记来表示匹配引脚 1。
IDE/ATA 硬盘在跳线方面是相当标准的。通常只有几个跳线设置，并且它们在驱动器之间变化不大。以下是您通常会在硬盘中找到的跳线设置：
驱动器选择： 同一IDE 通道上可能有两个驱动器，主驱动器和从驱动器。跳线通常用于告诉每个驱动器它应该作为 IDE 通道上的主设备还是从设备。
对于通道上的单个驱动器，大多数制造商指示将驱动器跳线作为主驱动器，而一些制造商（尤其是西部数据）对单个驱动器有单独的设置，而不是通道上的主驱动器和从属驱动器。由于驱动器实际上没有操作关系，因此术语主从器具有误导性。
Slave Present: 一些驱动器有一个额外的跳线，用于告诉配置为主驱动器的驱动器还有一个从驱动器在 ATA 通道上。这仅适用于一些不支持标准主/从 IDE 通道信号的旧驱动器。
电缆选择： 某些配置使用特殊电缆来确定哪个驱动器是主驱动器，哪个驱动器是从驱动器，以及何时使用此系统通常启用电缆选择跳线。
大小限制跳线： 一些较大的硬盘驱动器在没有 BIOS 程序或大硬盘的旧计算机中无法正常工作磁盘支持识别它们。为了解决这个问题，一些驱动器有特殊的跳线，当设置这些跳线时，会导致它们看起来比它们在 BIOS 中的实际尺寸更小，以实现兼容性。
例如, 一些 2.5 GB 硬盘有一个跳线，这会使它们在不支持超过 2.1 GB 的系统中显示为 2.1 GB 硬盘。这些有时也称为容量限制跳线，并且因制造商而异。
Seagate Technology 硬盘型号的跳线设置示例
SCSI 硬盘具有比 IDE/ATA 硬盘更复杂的控制器，因此 SCSI 通常有更多的跳线可以设置来控制它们的操作。它们的跳线数量和类型往往因制造商和型号而异。
通常以下是最常见和最重要的 SCSI 驱动器跳线：
SCSI 设备 ID： SCSI 总线上的每个设备都必须被唯一标识以用于寻址目的。 Narrows SCSI 驱动器将具有一组三个跳线，可用于为磁盘分配从 0 到 7 的 ID 号。Wide SCSI 驱动器将具有四个跳线来启用从 0 到 15 的 ID 号。某些系统不使用跳线配置 SCSI 设备 ID。
SCSI 驱动器跳线
终止激活： SCSI 总线末端的设备必须终止总线才能正常工作。如果硬盘位于总线的末端，设置此跳线将导致它终止总线以正常运行。并非所有驱动器都支持终止。
禁用自动启动： 如果存在，此跳线将告诉驱动器在通电时不要自动旋转，而是等待 SCSI 总线上的启动命令。通常这样做是为了防止电源的启动负载过大。有的厂家倒置了这种跳线的感觉；他们默认禁用启动并提供启用自动启动跳线。
延迟自动启动： 该跳线告诉驱动器自动启动，但在通电后等待预定义的秒数。它还用于抵消具有许多驱动器的系统上的电机启动负载。
Stagger Spin: 当一个有很多硬盘的系统为每个单元设置了这个选项时，驱动器通过乘以错开它们的启动时间用户定义的常数乘以他们的 SCSI 设备 ID。这可确保同一 SCSI 通道上的两个驱动器不会同时启动。
窄或宽：一些驱动器有一个跳线来控制它们是在窄模式还是宽模式下工作。
Force SE: 允许Ultra2、Wide Ultra2、Ultra160、Ultra160+或其他LVD SCSI驱动器强制使用单端(SE) 操作而不是 LVD（低压差）。
禁用奇偶校验：关闭 SCSI 总线上的奇偶校验检查，以便与不支持这些功能的主机适配器兼容。
这还不是全部。许多 SCSI 驱动器具有通过更多跳线启用的一些附加特殊功能。一些驱动器已经用通过 SCSI 接口发送的软件命令替换了它们的一些跳线。
逻辑板
较新的硬盘驱动器已经推出，具有许多功能和更快的速度，并且开发仍在进行中。为了控制所有这些功能并以先进的方式提供磁盘的高性能特性，所有现代硬盘都采用集成到硬盘单元中的智能电路板制成。该电路板称为硬盘逻辑板。逻辑板使用以下重要组件为硬盘提供各种功能和特性：
- 控制电路
- 感应、放大和转换电路
- 接口硬件
- 固件
- 多命令控制和重新排序
当今最流行的两种 PC 硬盘接口 IDE（集成驱动电子设备）和 SCSI（小型计算机系统接口）都使用集成控制器。 IDE 接口更正确的名称是 AT Attachment 或 ATA（高级技术附件）。现代硬盘有一个非常复杂的逻辑板，它包含比 1980 年代中期的整个 PC 更多的内存和更快的内部处理器。
逻辑板执行几个重要的功能。因此，逻辑电路需要更强大，以处理几何转换、高级可靠性特性、更复杂的磁头技术、更快的接口以及来自磁盘本身的更高带宽数据流等变化。
硬盘的内部逻辑板包含微处理器和内部存储器，以及控制驱动器内部发生的其他结构和电路。驱动器控制电路的一些最重要的功能如下：
- 控制主轴电机，包括确保主轴以正确的速度运行。
- 控制执行器向各个轨道移动。
- 管理所有读写操作。
- 实现电源管理功能。
- 处理几何转换。
- 管理内部缓存和优化功能，例如预取。
- 协调和集成本节中提到的其他功能，例如硬盘接口上的信息流、优化多个请求、将数据转换为读/写磁头所需的格式等。
- 实现所有高级性能和可靠性功能。
现代硬盘具有内部微处理器，其中大多数还具有运行它们的内部软件。这些例程运行控制逻辑并使驱动器工作。事实上，这并不是传统意义上的真正软件，因为这些指令嵌入到只读存储器中。该代码类似于系统 BIOS，是嵌入在 ROM 中的基于硬件的低级控制例程。通常称为固件。
这就是为什么有时将Firmware称为硬件和软件的中间环节的原因。在许多驱动器中，固件可以在软件控制下进行更新。
缓存和缓存电路
硬盘的集成缓存（也常称为缓冲区）的作用是在较快的设备和较慢的设备之间充当缓冲区。对于硬盘，缓存用于保存最近从磁盘读取的结果，也用于预取可能在不久的将来请求的信息，例如刚请求的扇区之后的一个或多个扇区.
因此，此缓存的用途与 PC 中使用的其他缓存没有什么不同，尽管它通常不被视为常规 PC 缓存层次结构的一部分。您应该始终牢记，当有人笼统地谈论磁盘缓存时，他们通常不是指硬盘内的这个小内存区域，而是指为缓冲对磁盘系统的访问而预留的系统内存缓存。
缓存的使用通过减少重复读取时对磁盘的物理访问次数并允许数据在总线繁忙时不间断地从磁盘流式传输来提高任何硬盘的性能。大多数现代硬盘都有 512 KB 到 2 MB 的内部缓存，甚至一些高性能 SCSI 驱动器也有 16 MB 之多。
硬盘的缓存很重要，因为硬盘的速度和硬盘接口存在巨大差异。在硬盘上查找一条数据涉及随机定位，并且随着硬盘致动器的移动和磁盘在主轴上的旋转而导致毫秒的损失。这就是硬盘有内部缓冲区的原因。
简单缓存操作背后的基本原理很简单。从硬盘读取数据通常以各种大小的块为单位进行，而不仅仅是一次一个 512 字节的扇区。缓存被分成段或片段，每个片段可以包含一个数据块。
当从硬盘请求数据时，首先查询缓存电路以查看数据是否存在于缓存的任何段中。如果存在，则将其提供给逻辑板，而无需访问硬盘盘片。如果数据不在缓存中，则从硬盘读取数据，将其提供给控制器，然后在再次请求时将其放入缓存中。
由于缓存的大小有限，因此在必须回收段之前，只能保存这么多数据。通常，最旧的数据会被最新的数据替换。 这称为循环、先进先出 (FIFO) 或环绕式缓存。
为了提高性能，当今大多数硬盘制造商都对其缓存管理电路进行了增强，尤其是在高端 SCSI 驱动器上：
自适应分段： 传统的缓存被分割成许多大小相等的段。由于可以对不同大小的数据块进行请求，这可能导致某些段中的一些缓存存储被剩余并因此被浪费。许多较新的驱动器会根据每次访问需要多少空间来动态调整段的大小，以确保更高的利用率。它还可以更改段数。这比固定大小的段处理起来更复杂，如果空间管理不当，可能会导致自身浪费。
Pre-Fetch:驱动器的缓存逻辑，基于分析驱动器的访问和使用模式，尝试加载到尚未请求但预计将很快请求的部分缓存数据。通常，这意味着加载超出刚刚从磁盘读取的数据之外的其他数据，因为从统计上讲，下一次请求的可能性更大。如果操作正确，这将在一定程度上提高性能。
用户控制： 高端驱动器实现了一组命令，允许用户详细控制驱动器缓存的操作。这包括让用户启用或禁用缓存、设置分段大小、打开或关闭自适应分段和预取等。
虽然内部缓冲区明显提高了性能，但它也有局限性。如果您对磁盘不同部分的数据进行大量随机访问，这将无济于事，因为如果磁盘过去最近没有加载过一条数据，它就不会在缓存中。
如果您从磁盘读取大量数据，缓冲区也没有什么帮助，因为如果您复制 50 MB 的文件，缓冲区通常会非常小。例如，在具有 512 字节缓冲区的典型磁盘上，文件的一小部分可能在缓冲区中，其余部分必须从磁盘本身读取。
由于这些限制，缓存对整体系统性能的影响并没有您想象的那么大。它有多大帮助在某种程度上取决于它的大小，但至少同样取决于其电路的智能；就像硬盘的整体逻辑一样。就像整体逻辑一样，在许多情况下，很难确定给定驱动器上的缓存逻辑到底是什么样的。然而，磁盘缓存的大小对于提高系统性能的整体影响很重要。
缓存从硬盘读取和缓存写入硬盘在某些方面相似，但在其他方面却大不相同。它们的总体目标是相同的，即将快速计算机与硬盘的慢速机制分离。主要区别在于写入涉及对硬盘的更改，而读取则不涉及。
在没有写入缓存的情况下，每次写入硬盘都会影响性能，同时系统会等待硬盘访问硬盘上的正确位置并写入数据。这在大多数驱动器上至少需要 10 毫秒，这在计算机世界中是很长的时间，并且在系统等待硬盘时确实会降低性能。这种操作模式称为直写缓存。
当启用写缓存并且系统向硬盘发送写操作时，逻辑电路将写操作记录在其速度更快的缓存中，然后立即向操作系统发回确认以完成处理。然后系统的其余部分可以继续运行，而不必坐在那里等待执行器定位和磁盘旋转等等。这称为回写缓存，因为数据存储在缓存中，并且稍后才写回盘片。回写功能当然可以提高性能。
由于高速缓冲存储器是易失性的，如果断电，它的内容就会丢失。如果缓存中有任何尚未写入磁盘的未决写入，它们将永远消失，系统的其余部分无法知道这一点，因为当硬盘告诉它完成时。因此，不仅丢失了一些数据，而且系统甚至不知道哪些数据，甚至不知道它发生了。最终结果可能是文件一致性问题、操作系统损坏等等。由于存在这种风险，在某些情况下根本不使用写入缓存。
对于高度数据完整性至关重要的应用程序尤其如此。然而，由于写入缓存提供的性能改进，尽管存在风险，但它越来越多地被使用，并且通过使用其他技术来降低风险。
最常见的技术就是确保电源不会关闭。为了更加安心，采用写入缓存的更好的驱动器具有写入刷新功能，该功能告诉驱动器立即将其缓存中的任何未决写入写入磁盘。如果系统检测到电源中断，或者就在系统因任何其他原因关闭之前，此命令通常会在 UPS 电池耗尽之前发送。
低级硬盘几何
当我们说低级硬盘几何时，我们并不太关心知道磁盘的物理电路。在这里，我们将讨论我们现在要处理的术语，以了解之后的磁盘故障排除和数据恢复编程。
低级硬盘几何通常与以下术语有关：
- 跟踪
- 气缸
- 部门
- 头部或侧面
低级硬盘几何
硬盘的盘片有两个用于记录数据的面。盘片的每个表面上都有看不见的同心圆，这些同心圆在硬盘格式化过程中作为磁信息写在表面上。这些圆圈称为轨道。存储在硬盘上的所有信息都记录在磁道中。曲目编号，从 0 开始，从盘片外侧开始，随着您进入而增加。
关于磁道和柱面的最大数量，我们将在接下来的章节中详细讨论。然而，现在我们可以获得关于最大数量的圆柱体、轨道、磁头（边）和扇区的物理低级几何知识。
| Name |
Start From |
End Limit |
Total Number |
| Cylinders |
0 |
1023 |
1024 |
| Heads |
0 |
255 |
256 |
| Sectors |
1 |
63 |
63 |
在硬盘的盘片表面，通过将磁头从磁盘的内部移动到磁盘的外部来访问数据。这种数据组织允许轻松访问磁盘的任何部分，这就是磁盘被称为随机访问存储设备的原因。
低级硬盘几何轨迹
每个磁道可以容纳数千字节的数据，一般这个存储量超过 5000 字节。因此，如果我们将磁道设置为磁盘上的最小存储单元，这将浪费磁盘空间，因为这样做会使大小小于 5000 字节的小文件浪费空间量，通常很有可能磁盘中有许多文件远小于此大小。
这样使轨道成为最小的存储单元会导致小文件浪费大量空间。因此，每个磁道被分成更小的单元，称为扇区。每个扇区的大小为 512 字节 即一个扇区可以保存 512 字节的信息。
因此，硬盘上数据存储的基本单位是扇区。扇形这个名称是指一个圆的饼状角截面，两侧以半径为界，第三侧以圆的周长为界。您可以看到一个逻辑图形，表示接下来给出的轨道上的扇区。
因此，在包含同心圆形磁道的硬盘上，该形状将定义它所拦截的盘片表面的每个磁道的一个扇区。这就是硬盘世界中所谓的扇区，是沿着磁道长度的一小段。
按照标准，硬盘的每个扇区可以存储512字节的用户数据。然而，实际上扇区包含的信息远多于 512 字节。管理驱动器、定位数据和执行其他支持功能所需的控制结构和其他信息需要额外的字节。
扇区结构的具体细节取决于驱动器型号和制造商。但是，一个扇区的内容通常包括以下一般元素：
ID 信息： 通常，每个扇区都留有空间来标识扇区的编号和位置。这用于定位磁盘上的扇区，还包括有关该区域中扇区的状态信息。例如，一个位通常用于指示扇区是否已被标记为有缺陷并重新映射。
同步字段：驱动控制器内部使用这些字段来指导读取过程。
数据：扇区的实际数据。
纠错码（ECC）：纠错码用于确保数据完整性。
间隙： 间隙基本上是根据需要添加一个或多个间隔，以分隔扇区的其他区域，或为控制器提供时间在读取更多位之前处理它已读取的内容。
除了每个包含所描述项目的扇区之外，每个磁道上的空间也用于伺服信息。每个扇区为开销项目占用的空间量很重要，因为用于此管理的位越多，可用于数据的整体就越少。
这就是硬盘制造商努力减少必须存储在磁盘上的非用户数据信息量的原因。每个磁盘上用于数据的位百分比（与前面描述的其他事物相反）称为格式效率。因此，更高的格式化效率是驱动器的预期特性。
在当今获得更高格式效率的最新方法中，ID 字段已从扇区格式中删除，而不是在扇区标头中标记每个扇区，而是将格式映射存储在内存中并在必须定位扇区时引用.
该映射还包含有关已标记为坏的扇区的信息，并在扇区相对于伺服信息的位置等位置重新定位。这种方法不仅提高了格式化效率，允许在每个盘片的表面上存储多达 10% 的数据，而且还提高了性能。由于此关键定位信息存在于高速存储器中，因此可以更快地访问它。
硬盘 hdd 驱动器物理电路结构
硬盘的每个盘片使用两个磁头（某些特殊情况除外）来记录和读取数据，一个用于盘片顶部，一个用于底部。访问盘片的磁头在磁头臂组件上锁定在一起，因此所有磁头一起进出，因此每个磁头在物理上始终位于相同的磁道号。
这就是不可能有一个磁头在磁道 0 上而另一个磁头在磁道 1,000 上的原因。由于这种安排，磁头的磁道位置通常不称为磁道编号，而是称为柱面编号。
柱面基本上是所有磁头当前所在的所有磁道的集合。如果一个磁盘有四个盘片，一般情况下它会有八个磁头。现在假设它的气缸数为 720。
硬盘驱动器柱面物理电路几何结构
它将由八组轨道组成，每个盘片表面一个，轨道编号为 720。这个名称来源于这些轨道形成一个骨架圆柱体的事实，因为它们是相同大小的圆形堆叠在一个其他在空间中，如上图所示。
磁盘因素的寻址传统上是通过引用柱面、磁头和扇区 (CHS) 来完成的。
格式化
每个存储介质都必须在使用前进行格式化。用于格式化的实用程序在硬盘上的行为与在软盘上的行为不同。格式化硬盘涉及以下步骤：
分区：
此过程将磁盘划分为分配不同硬盘卷或驱动器号的逻辑部分。
硬盘分区是可用于组织硬盘的最有效方法之一。分区提供比目录和文件更通用的组织级别。它们还通过将数据与操作系统和应用程序分开来提供更高的安全性。
分区允许您将必须定期备份的数据文件与程序和操作系统文件分开。如果您愿意在磁盘中加载多个操作系统，则分区成为硬盘驱动器的必要条件，否则在大多数情况下，您可能会丢失数据。
任何硬盘的第一个扇区都包含一个分区表。这个分区表只剩下描述四个分区的空间。这些被称为主分区。其中一个主分区可以指向一系列附加分区。此链中的每个分区称为逻辑分区。我们将在接下来的章节中详细讨论分区基础知识和逻辑方法。
高级格式化：
它定义了分区上的逻辑结构，并将任何必要的操作系统文件放在磁盘的开头。这一步也是操作系统级别的命令。
DOS 的 FORMAT 命令 FORMAT.COM 在硬盘上使用时的行为与在软盘上使用时不同。软盘具有简单、标准的几何形状，不能分区，因此 FORMAT 命令被编程为自动对软盘进行低级和高级格式化，如果需要，但对于硬盘，FORMAT 只会执行高级格式。
当我们完成低级格式化后，我们有一个带有磁道和扇区但没有写入任何内容的磁盘。高级格式化是在磁盘上写入文件系统结构的过程，让磁盘用于存储程序和数据。
如果您使用的是 DOS，FORMAT 命令（即 FORMAT.COM）通过将诸如 DOS 引导记录文件分配表和根目录等结构写入磁盘来执行此工作。硬盘分区后进行高级格式化。
格式化和未格式化的存储容量
硬盘的总存储量取决于您查看的是格式化还是未格式化的容量。硬盘上的部分空间被标记扇区开始和结束的格式化信息、ECC（纠错码）和其他开销信息占用。因此，差异可能非常显着。
通常由用户进行低级格式化的旧驱动器通常以未格式化的容量列出其大小。
例如：以希捷ST-412为例， 1980 年代初用于原始 IBM PC/XT 的第一个驱动器。 “12”此型号中的驱动器未格式化容量为 12.76 MB。格式化后，其实是10.65MB的驱动器。
硬盘的未格式化容量通常比其格式化容量高 19% (19%)。由于没有人可以使用未格式化的驱动器，因此唯一重要的是格式化的容量，因此现代驱动器总是由制造商进行低级格式化。
硬盘的容量可以用以下四种方式表示：
- 以百万字节为单位的格式化容量
- 以兆字节为单位的格式化容量
- 以百万字节为单位的未格式化容量
- 未格式化的容量（以 MB 为单位）
现在如果我有一个 C–H–S = 1024*63*63 的硬盘（这意味着磁盘的柱面数 = 1024，磁头或面数 = 63 每个磁道的扇区数 = 63）并且每个扇区有 512 个字节。计算磁盘大小的公式如下：
磁盘的总大小（字节）=（圆柱）X（磁头）X（扇区）X
（每个扇区的字节数） |
通过这个公式，当我们以字节为单位计算给定硬盘的大小时，它将是
= 1024 X 63 X 63 X 512
= 2080899072 Bytes
现在，如果我以数百万字节计算我的磁盘大小，它将大约是
= 2080.899072
~ 2081 millions of byte
传统上以百万字节为单位的大小用 M 表示。因此，我的磁盘以百万字节为单位的大小约为 2081 M。
但是当我以兆字节为单位告诉我硬盘的容量时，它将大约是 1985 并且将被写为 1985 Meg。
这样计算磁盘容量（百万字节）的通用公式如下：
以兆字节为单位计算磁盘容量的通用公式如下：
Page Modified on: 04/01/2022
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