硬盘结构及原理.pptx

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1、会计学1硬盘结构及原理硬盘结构及原理 培训目的 u了解硬盘的有关参数，基本结构及其工作原理第1页/共49页硬盘驱动器的基本结构及原理硬盘驱动器的基本结构及原理第2页/共49页概述概述n n随着微型电子计算机不断的发展，其外围设备也相应的在飞跃地发展，特别是磁记录技术的日新月异，使硬盘技术也有了突飞猛进的变化。硬盘是一种融机、电于一身的高科技产品，由于其容量大，存取速度快，价格便宜，在电脑资讯领域里，始终扮演着重要角色，以下我们将简单讲述硬盘的结构及每个部分的性能和工作原理，最后将讲述硬盘的工作原理。第3页/共49页第4页/共49页一、有关磁记录的基本一、有关磁记录的基本参数参数n n存储密度n

2、 n道密度道密度n n道密度为磁盘径向单位长度的磁道密度为磁盘径向单位长度的磁道数道数n n位密度位密度n n位密度为单位长度上所记录的二位密度为单位长度上所记录的二进制数进制数 码的位数码的位数n n2.2存储容量n n能存储的数码总数称为存储容能存储的数码总数称为存储容量量第5页/共49页n n平均存取时间n n磁头从起始位置到达所要求的磁头从起始位置到达所要求的某一位置，并完成写或读所需某一位置，并完成写或读所需要的全部时间要的全部时间n n数据传输率n n单位时间内磁盘机向主机内存单位时间内磁盘机向主机内存传送数码的位数或字节数称为传送数码的位数或字节数称为数据传输率。数据传输率。第6

3、页/共49页n n检读时间余量n n如果峰值检测，可用检读窗口宽如果峰值检测，可用检读窗口宽度度TwTw表征检读分辨力。表征检读分辨力。n n时钟间隔是判断时钟间隔是判断0 0或或1 1的时间基准，的时间基准，称为检读称为检读 窗口，它的值取决于窗口，它的值取决于用何种编码方式。用何种编码方式。第7页/共49页n n分辨率n n以以FMFM制记录为例，全制记录为例，全0 0信号频信号频率率1F1F，全，全1 1信信 号频率号频率2F2F，其分辨，其分辨率为：率为：分辨率分辨率=2F=2F幅度幅度/1F/1F幅度幅度100%100%即分辨率即分辨率=读读1 1幅度幅度/读读0 0幅度幅度100%

4、100%n n由于脉冲拥挤效应，读由于脉冲拥挤效应，读 1 1幅度要幅度要小于读小于读 0 0 幅幅 度。度。n n误码率n n为磁盘机与主机连续传输数据为磁盘机与主机连续传输数据中出现错误的比率。中出现错误的比率。第8页/共49页n n有关硬盘的基本规格有关硬盘的基本规格n nCAPCAP540MB540MBn n资料传输速度资料传输速度:10 MB/S:10 MB/Sn n平均存取时间平均存取时间:12 ms:12 msn nCSS:CSS:20000 20000次次MINMINn n介面介面:IDE/SCSI:IDE/SCSIn n工作环境n n温度温度:n n使用中使用中5 5to 5

5、5to 55n n非使用中非使用中 -40-40to 60to 60第9页/共49页二、二、硬盘的结构硬盘的结构n n电路板部分n n介面控制器介面控制器n n读写通道读写通道n n特制基体电路特制基体电路(application specific(application specific integrated circuit)integrated circuit)n n处理或辨别特殊信号处理或辨别特殊信号,如磁轨信号如磁轨信号(graycode)(graycode)，磁区信号磁区信号 (sectorcode)(sectorcode)，然后再将这些资料传，然后再将这些资料传 给中央处给中央处理

6、单元。理单元。第11页/共49页n n微处理器微处理器n n伺服系统伺服系统n n主轴马达，主轴马达，音圈马达音圈马达第12页/共49页n n机构部分(head disk assembly)n n主轴马达主轴马达n n音圈马达音圈马达n n头堆头堆n n盘片盘片n n底座和顶盖底座和顶盖n n密封圈密封圈n n再循环过滤器再循环过滤器第13页/共49页三、各部分性能指标三、各部分性能指标n n主轴马达n n速度速度n n非重复性马达振动量非重复性马达振动量(Non-(Non-repeatable run-out)repeatable run-out)n n噪音噪音(acoustics)(aco

7、ustics)程度程度n n启动扭力启动扭力(starting torque)(starting torque)n n音圈马达n n一般而言，音圈马达的大小以越一般而言，音圈马达的大小以越高越宽为最佳。其次，在线圈的高越宽为最佳。其次，在线圈的运动区间密度运动区间密度(flexdensity)(flexdensity)要保持要保持固定，固定，且越高越好。且越高越好。(F=6500(F=6500 gauss)gauss)第14页/共49页磁铁音圈磁头组件磁铁 托板第15页/共49页n n盘片n n表面粗度表面粗度(surface roughness)(surface roughness)n n以

8、中心线平均粗糙度来表示，此以中心线平均粗糙度来表示，此值越大表示盘片表面越粗，相对值越大表示盘片表面越粗，相对地会增加磁头与盘片间的摩擦损地会增加磁头与盘片间的摩擦损耗，此值越小，会增加磁头与盘耗，此值越小，会增加磁头与盘片间的粘滞摩擦力。片间的粘滞摩擦力。n n表面平面度表面平面度 (surface flatness)(surface flatness)n nReference:20 micrometerReference:20 micrometer第16页/共49页n n轴向偏摆度轴向偏摆度 (axial run-out)(axial run-out)n n指盘片在旋转时指盘片在旋转时,垂

9、直于盘片表面垂直于盘片表面方向的最大摆方向的最大摆 度。度。Reference:Reference:0.05mm 0.05mm n n滑行高度滑行高度(glide height)(glide height)n n在这个高度以上在这个高度以上,无任何凸起物来无任何凸起物来导致飞行状态下导致飞行状态下 磁头与盘片接触磁头与盘片接触.Reference:2microinchReference:2microinch以下。以下。n n可飞行范围可飞行范围 (flyable area)(flyable area)n n润滑层厚度润滑层厚度 (lubricant thickness)(lubricant t

10、hickness)n nReference:35+/-10AReference:35+/-10A第17页/共49页n n动摩擦系数动摩擦系数(dynamic friction(dynamic friction coefficient)coefficient)n n此系数是指磁头与盘片的相对速此系数是指磁头与盘片的相对速度在度在5+/-1mm/s 5+/-1mm/s 时，所测到的时，所测到的 Rc=0.3Rc=0.3。n n抗冲击值抗冲击值(impact resistance)(impact resistance)n n指磁头与盘片之组合所能承受的指磁头与盘片之组合所能承受的冲击能力，冲击能力，

11、100G/10ns100G/10nsn nCSSCSSn n涉及磁头，涉及磁头，盘片与主轴马达间的盘片与主轴马达间的匹配。匹配。第18页/共49页n n介面控制器n n介面控制器必须与读写通道相匹介面控制器必须与读写通道相匹配，主要注配，主要注 意如下事项：意如下事项：n n介面控制（介面控制（interface controlinterface control）n n非归零码速率非归零码速率 (NRZ rate)(NRZ rate)n n错误更正码的能力错误更正码的能力（errorcorrectioncodeerrorcorrectioncode，一般有，一般有 88bit88bit，144

12、bit&198bit144bit&198bit三种，三种，198bit198bit更错能更错能力最强，但最占空间）力最强，但最占空间）n n换蘅记忆体的控制换蘅记忆体的控制第19页/共49页n n读写通道n n目前最为流行的读写通道目前最为流行的读写通道ICIC，是将所有的读写功能是将所有的读写功能(除了前置除了前置放大器放大器)放在一个放在一个CHIPCHIP中，中，n n 称之为称之为COMBO CHIP?COMBO CHIP?其功能其功能如下如下:n n脉波侦测器与自动增益控制脉波侦测器与自动增益控制 (pulse(pulse detector&AGC)detector&AGC)n n滤

13、波器与等化器滤波器与等化器 (filter&equalizer)(filter&equalizer)n n编码器与解码器编码器与解码器 (ENDEC)(ENDEC)n n时基产生锁相回路时基产生锁相回路(time base(time base generator)generator)n n资料同步锁相回路资料同步锁相回路 (data(data synchronieer)synchronieer)第20页/共49页四、各部分的结构及工作原理四、各部分的结构及工作原理n n主轴马达n n结构：结构：n n由三部分组成：电机本体、转子由三部分组成：电机本体、转子位置传感器和电子转换开关。位置传感器和

14、电子转换开关。n n电机本体包括主定子和转子两部电机本体包括主定子和转子两部分，主转子相当于磁极，电枢绕分，主转子相当于磁极，电枢绕组放在定子铁芯槽内，并形成多组放在定子铁芯槽内，并形成多项形式。传感器的转子与主轴同项形式。传感器的转子与主轴同轴，传感器的定子通常装在电机轴，传感器的定子通常装在电机定子上。定子上。（如图）（如图）第21页/共49页n n为消除碳刷上电火花所带来的干为消除碳刷上电火花所带来的干扰，采用霍尔器件代替碳刷作为扰，采用霍尔器件代替碳刷作为换向开关电路于无刷直流电机。换向开关电路于无刷直流电机。无刷直流电机的位置传感器常用无刷直流电机的位置传感器常用霍尔磁敏感式位置传感

15、器，它霍尔磁敏感式位置传感器，它 是是一种砷化镓或锑化铟半导体。一种砷化镓或锑化铟半导体。第22页/共49页n n1 1、主锭子、主锭子 n n2 2、主转子、主转子n n3 3、传感器锭子、传感器锭子n n4 4、传感器转子、传感器转子n n5 5、电子换向开关、电子换向开关电机结构图第23页/共49页工作原理图 第24页/共49页n n音圈马达n n如图所示如图所示,音圈马达位于磁场中音圈马达位于磁场中,当当线圈两端加线圈两端加 上电压并产生电流时上电压并产生电流时,据劳伦斯定律据劳伦斯定律,会有力作会有力作 用于线用于线圈上：圈上：F=rILBF=rILB 其中其中 F F 为作用于线圈

16、上的力为作用于线圈上的力 N N 为线圈上的电流为线圈上的电流 A A 为线圈总长度，为线圈总长度，其方向为电流方向其方向为电流方向 m m 为磁通密度为磁通密度 T T 为线圈于磁场内的长度与总长度之比为线圈于磁场内的长度与总长度之比 n n 此作用力之方向与磁通密度及电此作用力之方向与磁通密度及电流方向互相流方向互相 垂直。垂直。第25页/共49页n n盘片n n种类种类n n氧化物盘片氧化物盘片n n电镀式金属薄膜盘片电镀式金属薄膜盘片n n溅镀式金属薄膜盘片溅镀式金属薄膜盘片第26页/共49页n n以金属薄膜盘片为例，简述其基本结构:n n介面层介面层n n介面层的主要目的是增强基板硬

17、介面层的主要目的是增强基板硬度及降低基板材料本身表面的粗度及降低基板材料本身表面的粗糙度，因此该层大部分采用无电糙度，因此该层大部分采用无电解镍处理，主要是因为无电解镍解镍处理，主要是因为无电解镍过程的平整特性。过程的平整特性。n n磁性材料层磁性材料层n n盘片读写性能的好坏主要取决于盘片读写性能的好坏主要取决于该层，目前磁性材料层已朝着厚该层，目前磁性材料层已朝着厚度愈来愈薄，磁场强度愈来愈大度愈来愈薄，磁场强度愈来愈大的方向发展，其主要目的是减少的方向发展，其主要目的是减少磁化粒子间的互消作用。磁化粒子间的互消作用。第27页/共49页u介面控制器介面控制电路的方框图:第28页/共49页n

18、 n读写通道n n结构：结构：n n前置放大器前置放大器 (preamplifier)(preamplifier)n n脉波侦测器与自动增益控制脉波侦测器与自动增益控制(pulse(pulse detector/AGC)detector/AGC)n n滤波器与等化器滤波器与等化器(filter/equalizer)(filter/equalizer)n n编码器与解码器编码器与解码器(Endec)(Endec)n n时基产生锁相回路时基产生锁相回路(time base generator(time base generator PLL)PLL)n n资料同步锁相回路资料同步锁相回路(data

19、synchronizer(data synchronizer PLL)PLL)第29页/共49页原理：第30页/共49页n n特制基体电路 (application specific integrated circuit)n n处理或辨别特殊信号，如磁轨信处理或辨别特殊信号，如磁轨信号号(graycode)(graycode)，磁区信号，磁区信号(sectorcode)(sectorcode)，然后再将这些资料，然后再将这些资料 传给中央处理单元。传给中央处理单元。第31页/共49页n n伺服系统n n埋入式伺服控制埋入式伺服控制n n将能够侦测出磁头目前所在位置将能够侦测出磁头目前所在位置的

20、特殊定位信号和使用者的资料的特殊定位信号和使用者的资料共同放在资料磁轨内，当盘片旋共同放在资料磁轨内，当盘片旋转时，硬盘电路将随时读取伺服转时，硬盘电路将随时读取伺服码，利用伺服码的信号可精确地码，利用伺服码的信号可精确地计算出磁头所在的位置，然后反计算出磁头所在的位置，然后反馈给定位控制器做定位修正。馈给定位控制器做定位修正。第32页/共49页第33页/共49页n n工作原理框图五、硬盘的基本原理第34页/共49页第35页/共49页n n主轴稳速系统n n硬盘机大多采用锁相环伺服控硬盘机大多采用锁相环伺服控制技术，锁相环稳速系统的稳制技术，锁相环稳速系统的稳定性，主要取决于基准输入信定性，主

21、要取决于基准输入信号的稳定度。根据输入信号是号的稳定度。根据输入信号是模拟量或数字量，锁相电路可模拟量或数字量，锁相电路可分为模拟鉴相和数字鉴两种类分为模拟鉴相和数字鉴两种类型。模拟锁相电路一般采用型。模拟锁相电路一般采用 RCRC电路产电路产 生基准信号，数字锁生基准信号，数字锁相电路一般用晶振产生基准信相电路一般用晶振产生基准信号。号。第36页/共49页基准信号鉴频鉴相积 分无刷直 电路 滤 波器流电机 速度检测器第37页/共49页n n读写系统第38页/共49页n n写入电路写入电路n n硬盘接收到从主机送来的写命令硬盘接收到从主机送来的写命令控制写数据序列脉冲经过编码，控制写数据序列脉

22、冲经过编码，再经写数据分频，最后送至此头再经写数据分频，最后送至此头的写驱动电路，使磁头线圈轮流的写驱动电路，使磁头线圈轮流导通；并利用恒流源电路向磁头导通；并利用恒流源电路向磁头线圈提供恒定的励磁电流，写在线圈提供恒定的励磁电流，写在盘片上形成记录的位单元。盘片上形成记录的位单元。n n磁头线圈分中心抽头，无中心抽磁头线圈分中心抽头，无中心抽头两种。中心抽头，有的接地，头两种。中心抽头，有的接地，有的接电平，中心抽头的线圈可有的接电平，中心抽头的线圈可以减小负载的电感量，提高度出以减小负载的电感量，提高度出幅度，但两半线圈必须平衡，幅度，但两半线圈必须平衡，否否则会降低读出分辩隆。则会降低读

23、出分辩隆。第39页/共49页n n读出电路读出电路n n前放前放n n主放大器主放大器n n自动增益回路自动增益回路n n低通滤波器低通滤波器n n鉴别电路鉴别电路n n数字滤波和整形电路数字滤波和整形电路n n均衡电路均衡电路第40页/共49页六、接口电路六、接口电路n n概述n n接口是硬盘的重要组成部分，接口是硬盘的重要组成部分，硬盘档次的高低，与采用什么硬盘档次的高低，与采用什么样的接口有很大的关系。另外，样的接口有很大的关系。另外，衡量硬盘性能的一个重要指标衡量硬盘性能的一个重要指标-数据传数据传 输率，也与接口有关。输率，也与接口有关。因此，对于计算机系统设计者因此，对于计算机系统

24、设计者来说，可以不关心硬盘的工作来说，可以不关心硬盘的工作原理与电路结构，但必须熟悉原理与电路结构，但必须熟悉接口和接口协议等。以下就简接口和接口协议等。以下就简单讲述目前最为流行的四种接单讲述目前最为流行的四种接口：口：ATAT、SCSISCSI、ESDIESDI、ST506ST506。第41页/共49页n nAT接口n nATAT接口是一种智能型的主机接口，接口是一种智能型的主机接口，它由它由4040芯插芯插 头向外连接。头向外连接。第42页/共49页第43页/共49页n n SCSI接口n nSCSISCSI接口是小型计算机系统接口接口是小型计算机系统接口 (SMALL COMPUTER

25、 SYSTEM(SMALL COMPUTER SYSTEM INTERFACE)INTERFACE)的缩写，的缩写，它由它由8 8位双位双向数据总线，向数据总线，1 1位奇偶校验和位奇偶校验和 9 9条条 控制信号线组成控制信号线组成.最多可在最多可在 SCSISCSI接接口上连接口上连接 8 8台设备，具有异步和台设备，具有异步和同步两种数据传输方同步两种数据传输方 式，异步式式，异步式数据传输率为数据传输率为1.5MB/s1.5MB/s，同步式，同步式 可达可达4MB/s4MB/s。第44页/共49页第45页/共49页n nESDI接口n nESDIESDI接口接口(ENHANCEDSMA

26、LLDEVICEI(ENHANCEDSMALLDEVICEINTERFACE)NTERFACE)是是 一种设备级接口，一种设备级接口，有串行，步行两种模式，串行有串行，步行两种模式，串行模式在命令和状态的传输过程模式在命令和状态的传输过程中使用串中使用串 行命令传输方式行命令传输方式.每每次传输命令或状态时，利用传次传输命令或状态时，利用传输请求和传输确认两个信号将输请求和传输确认两个信号将1616位命令字或状态字在接口之位命令字或状态字在接口之间传输，而同步方式则不同，间传输，而同步方式则不同，其命令和状态均有相应的信号其命令和状态均有相应的信号线来表线来表 示。示。ESDIESDI接口在物

27、理上接口在物理上采用采用3434芯命令电缆及芯命令电缆及2020芯的芯的 数数据总线。据总线。第46页/共49页n nST506接口n nST506ST506接口是一种设备级接口，接口是一种设备级接口，它是一种低它是一种低 级无智能接口，与级无智能接口，与主机连接时需要相应的控制器。主机连接时需要相应的控制器。ST506ST506接口由接口由3434芯的命令电缆和芯的命令电缆和 2020芯芯 数据电缆组成。数据电缆组成。第47页/共49页总总 结结n n有关硬盘的基本参数n n存储密度、存储容量、平均存储时存储密度、存储容量、平均存储时间、数据间、数据 传输率、检读时间余量、传输率、检读时间余量、分辨率及误码率等分辨率及误码率等n n硬盘的结构及工作原理n n伺服系统、盘片、介面控制器、读伺服系统、盘片、介面控制器、读写通道等写通道等n n硬盘的基本原理n n磁头定位系统、主轴稳速系统及读磁头定位系统、主轴稳速系统及读写系统等写系统等n n接口电路n nATAT接口、接口、SCSISCSI接口、接口、ESDIESDI接口、接口、ST506ST506接口接口第48页/共49页