第 2 章
硬盘简介
介绍
在现代计算机世界中，硬盘已证明自己是计算机最重要的部分。如今，硬盘是存储各类数据最常用的主存储设备，也是计算机最有趣的组件之一。
现代计算机用户很难想象如果没有硬盘，计算生活会是什么样子，因为今天我们大多数人都在计算机上存储了数十亿字节的信息。
最早的计算机根本没有存储空间。每次您想要运行一个程序时，您都必须手动输入它。此外，它使得我们今天认为的很多计算变得不可能，因为没有简单的方法可以让计算机反复使用相同的数据。人们很快就意识到，如果要让计算机成为真正有用的工具，就需要某种永久存储。
计算机最先使用的存储介质是纸。程序和数据是使用在纸带或穿孔卡上打孔来记录的。一种特殊的阅读器利用光束来扫描卡片或磁带。有孔的地方显示“1”，纸张遮住传感器的地方显示“0”，反之亦然。
虽然这比什么都没有有了很大的改进，但这些卡使用起来仍然很不方便。基本上，您必须先在纸上从头编写整个程序，并让它在脑海中运行，然后才能开始尝试将其转移到卡片上，因为如果您犯了错误，就必须重新打孔很多卡片。很难想象你正在做什么。
纸张的下一个重大进步是磁带的发明。通过以类似于磁带上记录声音的方式记录信息，这些磁带比纸带或打孔卡更加灵活、耐用且速度更快。
当然，磁带在现代计算机上仍然使用，但作为离线或二级存储的一种形式。在硬盘出现之前，它们是某些计算机的主要存储器。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的时间，因此随机访问不切实际。
好吧，我们回到正题上。 IBM 推出了第一款适合商业开发的硬盘。它不像我们今天使用的磁盘驱动器。他们使用旋转的圆柱形磁鼓来存储数据的磁性模式。这些鼓很大，操作起来很困难。第一个真正的硬盘驱动器的硬盘头与磁盘表面接触。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，但当时的制造技术远不如今天这么先进，不可能使磁盘表面达到所需的光滑程度，以允许磁头在与磁盘表面接触时高速平稳地滑动。随着时间的推移，磁头会磨损或者磁盘表面的磁性涂层会磨损。
作为IBM新技术的一项重要发现，该技术无需接触磁盘表面，成为了现代硬盘的基础。这种类型的第一个硬盘是 IBM 305 RAMAC（随机存取会计和控制方法），于 1956 年 9 月 13 日推出。该硬盘可存储五百万个字符，约合五兆字节，数据传输率为每秒8800字节。
1962年，IBM推出了1301高级磁盘文件。这种驱动器的主要成就是创造了通过气浮轴承在磁盘表面上方漂浮或飞行的磁头，从而将磁头到磁盘表面的距离从 800 微英寸缩短到了 250 微英寸。
1973 年，IBM 推出了 3340 硬盘，通常被认为是现代硬盘之父，它具有两个独立的主轴，一个是永久的，一个是可移动的，每个主轴的容量为 30 MB。 IBM 于 1979 年推出的 3370 型是第一台采用薄膜磁头的磁盘驱动器。同年，IBM 推出了 3310，这是第一款采用 8 英寸盘片的驱动器，与十多年来一直作为标准的 14 英寸盘片相比，尺寸显著减小。
第一个采用早期 PC 中使用的 5.25 英寸外形设计的硬盘是 Seagate ST-506。它有四个磁头，容量为 5 MB。IBM 绕过了 ST-506，为 IBM PC/XT 选择了相同外形的 10 MB 硬盘 ST-412，使其成为 PC 和 PC 兼容领域中第一个广泛使用的硬盘。
1983 年，Rodime 推出了 RO352，这是第一款采用 3.5 英寸外形尺寸的硬盘，后来成为最重要的行业标准之一。 1985 年，昆腾推出了 Hardcard，这是一款 10.5 MB 硬盘，安装在 ISA 扩展卡上，适用于最初发布的没有硬盘的 PC。
1986 年，Conner Peripherals 推出了 CP340。这是第一个使用音圈驱动的磁盘驱动器。 1988 年，Conner Peripherals 推出了 CP3022，这是第一款采用降低 1 英寸高度（现在称为“低调”）的 3.5 英寸驱动器，也是现代 3.5 英寸驱动器的标准。同年，PrairieTek 推出了一款使用 2.5 英寸盘片的驱动器。 1990年，IBM推出了容量为857MB的681（Redwing）磁盘驱动器。这是第一款同时使用 MR 和 PRML 磁头的产品。
IBM 的 Pacifica 大型机磁盘驱动器于 1991 年推出，是第一个在盘片表面用薄膜介质取代氧化物介质的磁盘驱动器。同年，Integral Peripherals 的 1820 成为第一款采用 1.8 英寸盘片的硬盘，后来用于 PC 卡驱动器。1992 年，惠普推出了 C3013A，成为第一款 1.3 英寸硬盘。
硬盘历史上经历了许多发展，使得当今的硬盘具有现代的设计、形状、性能和容量。本书很难详细列出这些内容。
硬盘组件
硬盘由以下主要组件组成：
- 磁盘盘片和介质
- 读/写头
- 头部滑块、杠杆和驱动器
- 硬盘主轴电机
- 连接器和跳线
- 逻辑板
- 缓存和缓存布局
硬盘组件
磁盘盘片和介质
每个硬盘都使用一个或多个（通常不止一个）圆形扁平磁盘（称为盘片），盘片的两面都涂有特殊的介质材料，用于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数据。
盘片由两种主要物质组成：基底材料，构成盘片的主体并赋予其结构和刚性；磁性介质涂层，实际上保存代表数据的磁脉冲。
盘片的质量，尤其是其介质涂层的质量至关重要。硬盘中盘片的大小是其整体物理尺寸（通常也称为驱动器的外形尺寸）的主要决定因素；大多数驱动器都是按照各种标准硬盘外形尺寸生产的。
有时硬盘会用尺寸规格来表示。如果有人拥有 3.5 英寸硬盘，则通常是指磁盘的外形尺寸，而外形尺寸通常根据盘片尺寸来命名。早期硬盘的标称尺寸为 5.25 英寸，但现在最常见的硬盘盘片尺寸是 3.5 英寸。
笔记本电脑驱动器通常较小，因为其体积小，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 英寸是标准尺寸，但 1.8 英寸甚至 1.0 英寸盘片的驱动器在移动设备中越来越常见。
尽管驱动器将盘片延伸到物理驱动器封装的尽可能大的宽度，以最大限度地增加它们可以装入驱动器的存储量，但总体趋势是朝着更小的盘片发展。以下是公司甚至为台式机采用更小盘片的主要原因：
刚性强的盘片更耐冲击和振动，更适合与高速主轴和其他高性能硬件配合使用。将硬盘盘片的直径减小一半，其刚性将提高约四倍。
盘片尺寸减小，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。这缩短了寻道时间，使随机读写速度更快。
最新的硬盘主轴因速度性能原因而不断提高。盘片越小，旋转起来就越容易，所需的电机功率就越小，从停止位置加速到最高速度也就越快。
目前最小的硬盘盘片直径为 1 英寸。IBM 的神奇微型硬盘只有一个盘片，设计用于数码相机、个人记事本和其他小型设备。盘片尺寸极小，使得微型硬盘能够依靠电池供电运行，在不到一秒的时间内停止旋转并重新开始旋转。
从工程角度来看，盘片数量越多意味着质量越大，因此启动或停止驱动器的命令响应速度越慢。这可以通过更强大的主轴电机来弥补，但这也会导致其他权衡。
事实上，最近的趋势是驱动器的磁头臂和盘片数量越来越少，而不是越来越多。磁面密度不断增加，允许制造大型驱动器而无需使用大量盘片。这使得制造商能够减少盘片数量以缩短寻道时间，而不会制造出对市场来说太小的驱动器。
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。由于主轴单元的质量增加、需要完美对齐所有驱动器，以及控制噪音和振动的难度加大，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安装大量盘片，但标准的“超薄”硬盘外形尺寸高度限制为 1 英寸，这限制了单个单元中可安装的盘片数量。当然，工程师们一直在努力减少盘片之间所需的间隙，以便他们可以增加给定高度的驱动器中的盘片数量。
构成数据的磁性模式记录在硬盘盘片表面的一层非常薄的介质层中；盘片的大部分材料称为基板，其作用只是支撑介质层。为了适合，基板材料必须坚固、易于加工、重量轻、稳定、磁性惰性、价格低廉且随时可用。传统上，制造盘片最常用的材料是铝合金，它满足所有这些标准。
由于盘片旋转时读/写头浮在盘片上方，盘片必须非常光滑平整，因此有人提出了铝的替代品，如玻璃、玻璃复合材料和镁合金。现在看来，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的可能性越来越大。与铝盘片相比，玻璃盘片具有以下几个优点：
- 更好的质量：
- 提高刚性：
- 更薄的盘片：
- 热稳定性：
与铝相比，玻璃的一个缺点是易碎，尤其是当玻璃做得非常薄时。
盘片的基底材料构成了实际记录介质的基础。介质层是一层非常薄的磁性材料涂层，实际数据就存储在其中。它的厚度通常只有几百万分之一英寸。
旧硬盘使用氧化物介质。氧化物介质使用起来成本低廉，但也有几个重要缺点。首先，它是一种软材料，容易因读写头接触而损坏。其次，它只适用于相对低密度的存储。对于数据密度相对较低的旧硬盘，它工作得很好，但随着制造商试图将越来越多的数据装入相同的空间，氧化物无法胜任这项任务：氧化物颗粒对于新设计的小磁场来说太大了。
当今的硬盘使用薄膜介质。薄膜介质由涂在盘片表面的一层非常薄的磁性材料组成。采用特殊的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。它还具有非常优越的磁性，使其能够在相同大小的空间内保存更多的数据。使用磁性介质后，每个盘片的表面通常覆盖一层薄薄的碳保护层。在这上面还添加了一层超薄的润滑层。这些材料用于保护磁盘免受磁头意外接触或可能进入驱动器的其他异物造成的损坏。
读/写头
磁头是硬盘中存储数据的磁性物理介质的读/写接口。磁头负责将数据位转换为磁脉冲并将其存储在盘片上，然后在需要读回数据时反转该过程。磁头是硬盘中较昂贵的部件之一，可以提高面密度和磁盘旋转速度。
尽管GMR磁头在当今的硬盘中最为流行，但对于读/写磁头，曾多次提出过几种技术：
- 铁氧体磁头
- 金属间隙 (MIG) 焊头
- 薄膜 (TF) 磁头
- 各向异性磁阻 (AMR/MR) 磁头
- 巨磁电阻 (GMR) 磁头
- 巨型磁阻 (CMR) 磁头
读/写磁头是决定硬盘整体性能的一个极其关键的部件，因为它们在数据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容量的触发点，因此读/写磁头是硬盘中最复杂的部件，而硬盘本身就是一项技术奇迹。
要存储的每个数据位都使用一种特殊的编码方法记录到硬盘上，这种方法将零和一转换为磁通反转模式。每个硬盘盘片有两个表面用于存储数据，通常驱动器上使用的每个表面都有一个磁头。由于大多数硬盘有一到四个盘片，因此大多数硬盘有两到八个磁头。一些较大的驱动器可能有 20 个或更多的磁头。在给定时间内只有一个磁头可以从硬盘读取或写入。使用特殊电路来控制哪个磁头在任何给定时间处于活动状态。
磁头浮在磁盘表面，无需与盘片物理接触即可完成所有工作。磁头与盘片之间的距离称为浮动高度或飞行高度或磁头间隙。读/写磁头组件采用磁头臂的弹簧钢进行弹簧加载，当磁盘静止时，滑块会压在盘片上。
这样做是为了确保磁头不会偏离盘片，因此保持准确的浮动高度对于正确操作至关重要。当磁盘旋转到工作速度时，高速会导致空气在滑块下方流动并将其抬离磁盘表面。盘片到磁头的距离是一个特定的设计参数，由制造商严格控制。
现代硬盘的浮动高度为 0.5 微英寸，甚至人类的头发厚度也超过 2,000 微英寸，这就是为什么防止灰尘进入硬盘如此重要的原因。实际上，令人惊奇的是，磁头在不接触磁盘表面的情况下飞行得如此之近。灰尘颗粒、指纹甚至烟雾颗粒对硬盘磁头来说都是一个大问题。
硬盘驱动器读写结构
当驱动器的面密度增加以提高容量和性能时，磁场会变得更小更弱。为了补偿，要么必须使磁头更加敏感，要么必须降低浮动高度。
每次浮动高度降低时，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/写头的对齐完美，盘片表面没有灰尘或污垢。振动和冲击也变得更加令人担忧，必须予以补偿。
这就是制造商转向使用较小盘片以及玻璃盘片基板的原因之一。较新的磁头（如 GMR）更受青睐，因为在其他条件相同的情况下，它们比较旧的、灵敏度较低的磁头具有更高的飞行高度。
磁头撞击
由于硬盘的读写头漂浮在磁盘盘片上方的一层微小空气层上，因此在某些情况下，读写头可能会与硬盘上的介质接触。通常，读写头仅在驱动器启动或停止时接触表面。
现代硬盘每秒旋转 100 次。如果磁头在高速运转时接触到磁盘表面，则可能导致数据丢失、磁头损坏、磁盘表面损坏，或三者同时发生。这通常称为磁头碰撞，这对任何计算机用户来说都是最可怕的两个词。磁头碰撞最常见的原因是污染物卡在磁头和磁盘之间的细缝中，以及硬盘在运行时受到冲击。
头部停车场
当盘片不旋转时，磁头停留在磁盘表面。当盘片旋转时，磁头沿着盘片表面摩擦，直到获得足够的速度使其升起并漂浮在气垫上。当驱动器旋转减速时，该过程反向重复。在这两种情况下，磁头在运动时都会与磁盘表面接触一段时间。
尽管在设计盘片和磁头时就已经考虑到会发生这种接触，但避免这种情况发生在有数据的磁盘区域上仍然是有意义的。
因此，大多数磁盘都留出一个特殊的磁道，指定磁头起飞和降落的位置。这个区域称为着陆区，不放置任何数据。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在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，为了安全起见，当时编写了许多小型实用程序，用户在关闭当时的 PC 之前会运行这些实用程序。这些实用程序会指示磁盘将磁头移动到停放区，然后 PC 就可以安全关闭。
硬盘 BIOS 设置中的一个参数会告诉系统哪个磁道是特定型号硬盘的停放区。通常，它是实际用于数据的最大编号磁道上方的下一个连续编号磁道。现代音圈驱动硬盘驱动器都是自动停放的。现在无需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上的读/写磁头对硬盘盘片进行读写操作时，显然，读/写磁头并不是漂浮在空间中。它们必须保持在相对于它们正在读取的表面的准确位置，并且它们必须从一个磁道移动到另一个磁道，以便访问磁盘的整个表面。
磁头安装在一个结构上，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，以促进这一过程。它由几个不同的部件组成。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。磁头臂全部机械融合成一个单一结构，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一个称为磁头滑块（或简称为滑块）的特殊装置上。滑块的作用是物理支撑磁头，并在磁头浮在滑块表面时将其保持在相对于盘片的正确位置。硬盘读/写磁头太小，如果不将其连接到更大的装置上，则无法使用。
滑块具有特殊形状，可精确地在盘片上移动。随着硬盘读写头的尺寸不断缩小，承载它们的滑块也不断缩小。使用小型滑块的主要优势在于，它可减轻必须在盘片表面拖动的重量，从而提高定位速度和精度。较小的滑块还具有较小的表面面积，可能接触到磁盘表面。每个滑块都安装在磁头臂上，使其可在与其配合的盘片表面上移动。
头部 手臂
磁头臂是薄薄的金属片，通常呈三角形，上面安装有载有读写头的磁头滑块。每个读写头有一个磁头臂，所有磁头臂都排成一排，并安装在磁头致动器上，形成一个单元。
这意味着当执行器移动时，所有磁头都会同步移动。磁臂本身由轻质、薄的材料制成，因此可以快速从驱动器的内部移动到外部。较新的设计已用结构形状取代了实心磁臂，以减轻重量并提高性能。
较新的驱动器实现更快的寻道时间，部分原因是使用更快、更智能的致动器和更轻、更坚固的磁头臂，从而缩短了磁道之间的切换时间。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。甚至各种系列中的一些旗舰驱动器现在也只有三个甚至两个盘片，而一年前通常有四个或五个盘片。
造成这种趋势的原因之一是，磁头臂数量过多，使得驱动器难以达到足够高的精度，无法在随机寻道时实现非常快速的定位。这是因为额外的磁头臂增加了执行器组件的重量，而且对齐所有磁头也存在问题。
头部执行器
执行器是硬盘的一个非常重要的部件，因为从一个轨道切换到另一个轨道是硬盘上唯一需要主动移动的操作。更换磁头是一项电子功能，更换扇区需要等待正确的扇区号旋转并到达磁头下方。更换磁道意味着必须移动磁头，因此确保这一移动能够快速准确地完成至关重要。
执行器是用于将磁头臂定位到盘片表面上不同磁道上的不同柱面的装置，因为所有磁头臂都作为同步单元移动，因此每个臂都移动到其各自表面的相同磁道号。磁头执行器有两种类型：
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，基于检查轨道实际位置的反馈。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
主轴电机或主轴轴负责转动硬盘盘片，使硬盘驱动器能够运行。主轴电机必须在数千小时的连续使用中提供稳定、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备以下品质才能延长使用寿命并长期保证数据的安全：
- 它必须具有高品质，这样它才能运行数千小时，并承受数千次启动和停止循环而不会发生故障。
- 由于驱动器内部的盘片和磁头的公差很小，因此它必须平稳运行，且振动最小。
- 它不得产生过多的热量或噪音。
- 它不应该消耗太多电力。
- 必须控制其速度以便它以适当的速度转动。
为了满足这些要求，所有 PC 硬盘都使用伺服控制直流主轴电机。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轴上。
盘片上加工有与主轴尺寸完全相同的孔，并通过隔环放置在主轴上，以保持正确的距离并为磁头臂提供空间。主轴电机的工作量取决于以下因素：
盘片的尺寸和数量：驱动器中的盘片越大、盘片数量越多，意味着电机转动的质量越大，因此需要功率更大的电机。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状态快速加速到运行速度，这也需要更快或更强大的电机。
对于较新的硬盘来说，主轴转速被认为是一个重要的问题，控制由于高主轴转速而产生的硬盘噪音、热量和振动量也成为硬盘的一个重要点。
一些较新的硬盘，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，最好在购买硬盘之前先检查一下它的运行情况，评估它的噪音水平，看看它是否会打扰你；这因人而异。即使是同一个家族中的硬盘，产生的噪音也会因各个硬盘的不同而有所差异。主轴电机产生的热量最终会损坏硬盘，这就是为什么新硬盘更注重散热的原因。
连接器和跳线
硬盘上有多种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。硬盘上的连接器数量和类型取决于它用于连接到系统的数据接口、驱动器的制造商以及驱动器可能拥有的任何特殊功能。
驱动器上通常印有设置常用跳线的说明。硬盘驱动器使用标准的 4 针公头连接器插头，该插头可连接来自电源的其中一个电源连接器。这导致 4 线塑料连接器为硬盘提供 +5 和 +12 电压。
有两种类型的接口，现代硬盘驱动器通常使用其中一种：
- 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。所有这三个针脚号代表不同类型的 SCSI 磁盘，例如：
- 50 针连接器表示该设备是窄 SCSI。
- 68 针表示宽 SCSI。
- 80 针意味着使用单连接器附件 (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 矩形针脚网格形式（其中 N 为 20、25、34 或 40，具体取决于接口）。大多数当前的 SCSI 接口连接器都是 D 形的，因此带有键控以防止错误插入，但其他接口并非总是如此。
因此，在插入电缆之前，务必确保电缆的方向正确。电缆有红色条纹表示电线 1，硬盘使用一种或另一种形式的标记表示匹配的引脚 1。
IDE/ATA 硬盘的跳线相当标准。通常只有少数跳线设置，并且不同驱动器之间的差异不大。以下是硬盘中通常会出现的跳线设置：
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。通常使用跳线来告诉每个驱动器在 IDE 通道上应作为主驱动器还是从驱动器。
对于通道上的单个驱动器，大多数制造商指示驱动器被跳线为主驱动器，而一些制造商（尤其是 Western Digital）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驱动器。主驱动器和从驱动器这两个术语具有误导性，因为驱动器实际上没有操作关系。
从属存在：某些驱动器有额外的跳线，用于告知配置为主驱动器的驱动器，ATA 通道上还有一个从属驱动器。这仅适用于不支持标准主/从 IDE 通道信号的较旧驱动器。
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、哪个是从驱动器，并且当使用此系统时，通常会启用电缆选择跳线。
大小限制跳线：一些较大的硬盘驱动器无法在没有 BIOS 程序或大硬盘支持识别它们的旧计算机中正常工作。为了解决这个问题，一些驱动器有特殊的跳线，设置后，会使它们在 BIOS 中显示的尺寸小于实际尺寸，以实现兼容性。
例如，某些 2.5 GB 硬盘有一个跳线，在不支持超过 2.1 GB 容量的系统上，它们会显示为 2.1 GB 硬盘。这些跳线有时也称为容量限制跳线，因制造商而异。
Seagate Technology 硬盘型号的跳线设置示例
SCSI 硬盘的控制器比 IDE/ATA 硬盘更复杂，因此 SCSI 通常有更多可设置的跳线来控制其操作。不同制造商和不同型号的 SCSI 硬盘的跳线数量和类型也有很大差异。
通常，以下是最常见和最重要的 SCSI 驱动器跳线：
SCSI 设备 ID：为了便于寻址，SCSI 总线上的每个设备都必须具有唯一标识。窄型 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。宽型 SCSI 驱动器将具有四个跳线，用于启用从 0 到 15 的 ID 号。某些系统不使用跳线来配置 SCSI 设备 ID。
SCSI 驱动器跳线
终止激活： SCSI 总线两端的设备必须终止总线才能正常工作。如果硬盘位于总线末端，则设置此跳线将使其终止总线以便正常运行。并非所有驱动器都支持终止。
禁用自动启动：如果存在，此跳线将指示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。这样做通常是为了防止电源的启动负载过大。一些制造商会反转此跳线的意义；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：此跳线指示驱动器自动启动，但从通电开始等待预定的秒数。它还用于在具有许多驱动器的系统中抵消电机启动负载。
错开旋转：当包含多块硬盘的系统为每个单元设置此选项时，这些硬盘的启动时间会错开，方法是将用户定义的常数乘以 SCSI 设备 ID。这样可以确保同一 SCSI 通道上不会有两个硬盘同时启动。
窄或宽：一些驱动器有跳线来控制它们是否在窄模式或宽模式下运行。
强制 SE：允许强制 Ultra2、Wide Ultra2、Ultra160、Ultra160+ 或其他 LVD SCSI 驱动器使用单端（SE）操作而不是 LVD（低压差分）。
禁用奇偶校验：关闭 SCSI 总线上的奇偶校验，以便与不支持该功能的主机适配器兼容。
这还不是全部。许多 SCSI 驱动器都具有一些额外的特殊功能，这些功能可通过更多跳线启用。有些驱动器已用通过 SCSI 接口发送的软件命令替换了部分跳线。
逻辑板
较新的硬盘驱动器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预期的先进方式提供磁盘的高性能特性，所有现代硬盘都配有集成在硬盘单元中的智能电路板。该电路板称为硬盘逻辑板。逻辑板使用其以下重要组件为硬盘提供各种功能和特性：
- 控制电路
- 感测、放大和转换电路
- 接口硬件
- 固件
- 多命令控制和重新排序
目前 PC 硬盘最常用的两种接口 IDE（集成驱动器电子装置）和 SCSI（小型计算机系统接口）均使用集成控制器。IDE 接口更正确的名称是 AT 附件或 ATA（高级技术附件）。现代硬盘具有非常复杂的逻辑板，其中包含的内存和内部处理器甚至比 20 世纪 80 年代中期的整台 PC 还要多。
逻辑板比以前执行了多项重要功能。因此，逻辑电路需要更强大，以处理几何转换、高级可靠性功能、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情况的其他结构和电路。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。
- 控制执行器运动到各个轨道。
- 管理所有读写操作。
- 实现电源管理功能。
- 处理几何翻译。
- 管理内部缓存和预取等优化功能。
- 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/写头所需的形式等。
- 实现所有先进的性能和可靠性功能。
现代硬盘有内部微处理器，大多数硬盘也有内部软件来运行它们。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软件，因为这些指令嵌入在只读存储器中。此代码类似于系统 BIOS，即嵌入在 ROM 中的低级、基于硬件的控制例程。它通常被称为固件。
这就是为什么有时固件被称为硬件和软件的中间环节。在许多驱动器中，固件可以在软件控制下更新。
缓存和缓存电路
硬盘的集成缓存（通常也称为缓冲器）的功能是充当相对较快的设备和相对较慢的设备之间的缓冲器。对于硬盘，缓存用于保存最近从磁盘读取的结果，以及预取可能在不久的将来请求的信息，例如，刚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 中使用的其他缓存并无不同，尽管它通常不被认为是常规 PC 缓存层次结构的一部分。您应该始终记住，当有人泛泛地谈论磁盘缓存时，他们通常不是指硬盘内的这小块内存区域，而是指为缓冲对磁盘系统的访问而留出的系统内存缓存。
使用缓存可提高任何硬盘的性能，因为它可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出。大多数现代硬盘都有 512 KB 到 2 MB 的内部缓存内存，甚至一些高性能 SCSI 驱动器也有多达 16 MB 的缓存内存。
由于硬盘和硬盘接口的速度差异巨大，硬盘的缓存非常重要。在硬盘上查找数据需要随机定位，并且由于硬盘致动器移动且磁盘在主轴上旋转，因此会造成毫秒的损失。这就是硬盘具有内部缓冲区的原因。
简单缓存的基本工作原理很简单。从硬盘读取数据通常是以不同大小的块为单位进行的，而不是每次只读取一个 512 字节扇区。缓存被分成多个段或块，每个段或块可以包含一个数据块。
当请求从硬盘获取数据时，首先查询缓存电路以查看数据是否存在于缓存的任何部分中。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，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，只能保存一定数量的数据。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，特别是在高端 SCSI 驱动器上：
自适应分段：传统缓存被分割成多个大小相同的段。由于请求的数据块大小可能不同，这可能会导致缓存中某些段的存储空间被剩余，从而造成浪费。许多较新的驱动器会根据每次访问所需的空间大小动态调整段的大小，以确保更高的利用率。它还可以更改段的数量。这比固定大小的段更难处理，如果空间管理不当，它本身也会导致浪费。
预取：驱动器的缓存逻辑基于对驱动器的访问和使用模式的分析，尝试将尚未被请求但预计很快会被请求的部分数据加载到缓存中。通常，这意味着除了刚从磁盘读取的数据之外，还要加载其他数据，因为从统计上看，这些数据更有可能被请求。如果操作正确，这将在一定程度上提高性能。
用户控制：高端驱动器已实现一组命令，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、设置段大小、打开或关闭自适应分段和预取等。
虽然内部缓冲区显然可以提高性能，但它也有局限性。如果你对磁盘不同部分的数据进行大量随机访问，那么它的帮助就很小，因为如果磁盘最近没有加载过某段数据，那么它就不会在缓存中。
如果您从磁盘读取大量数据，缓冲区也没什么用，因为如果您复制 50 MB 的文件，缓冲区通常很小。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位于缓冲区中，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不像您想象的那么大。缓存的作用在某种程度上取决于其大小，但至少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其在提高系统性能方面的整体影响很重要。
缓存硬盘读取和缓存硬盘写入在某些方面类似，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开来。关键区别在于写入涉及对硬盘的更改，而读取则不涉及。
如果没有写入缓存，每次写入硬盘都会影响性能，因为系统需要等待硬盘访问硬盘上的正确位置并写入数据。在大多数驱动器上，这至少需要 10 毫秒，这在计算机世界中是很长的时间，并且由于系统等待硬盘，会真正降低性能。这种操作模式称为直写缓存。
当启用写入缓存并且系统向硬盘发送写入时，逻辑电路会将写入记录在其速度更快的缓存中，然后立即向操作系统发送确认以完成处理。然后系统的其余部分可以继续运行，而不必等待执行器定位和磁盘旋转等。这称为写回缓存，因为数据存储在缓存中，稍后才写回盘片。写回功能当然可以提高性能。
由于缓存内存是易失性的，如果断电，其内容就会丢失。如果缓存中有任何未写入磁盘的待处理写入，它们将永远消失，系统的其余部分无法知道这一点，因为硬盘会告知它已完成。因此，不仅会丢失一些数据，而且系统甚至不知道哪些数据丢失，甚至不知道是否发生了这种情况。最终结果可能是文件一致性问题、操作系统损坏等。由于存在这种风险，在某些情况下根本不使用写入缓存。
对于高度重视数据完整性的应用来说尤其如此。然而，由于写入缓存可以提高性能，尽管存在风险，但其使用率却越来越高，而且通过使用其他技术可以降低风险。
最常见的技术就是确保电源不会断电。为了更加放心，采用写入缓存的更好驱动器具有写入刷新功能，该功能会告诉驱动器立即将其缓存中任何待处理的写入写入磁盘。如果系统检测到电源中断，或者系统因任何其他原因关闭之前，通常会在 UPS 电池耗尽之前发送此命令。
低级硬盘几何结构
当我们说低级硬盘几何结构时，我们并不太关心磁盘的物理电路。这里我们将讨论我们现在要处理的术语，以便理解上面的磁盘故障排除和数据恢复编程。
低级硬盘几何通常关注以下术语：
- 追踪
- 圆柱
- 部门
- 头部或侧面
低级硬盘几何结构
硬盘的盘片有两面用于记录数据。盘片的每个表面上都有看不见的同心圆，这些圆在硬盘格式化时作为磁性信息写入表面。这些圆被称为磁道。硬盘上存储的所有信息都记录在磁道中。磁道有编号，从 0 开始，从盘片外部开始，向内逐渐增加。
关于磁道和磁柱的最大数量，我们将在下一章中详细讨论。不过现在我们可以了解磁柱、磁道、磁头（面）和扇区的最大数量的物理底层几何知识。
| 姓名 |
开始于 |
结束限制 |
总数 |
| 气缸 |
0 |
1023 |
1024 |
| 头部 |
0 |
255 |
256 |
| 行业 |
1 |
63 |
63 |
在硬盘盘片表面，通过将磁头从磁盘内部移动到外部来访问数据。这种数据组织方式允许轻松访问磁盘的任何部分，这就是磁盘被称为随机存取存储设备的原因。
低级硬盘几何轨道
每个磁道可以容纳数千字节的数据，通常存储量超过 5000 字节。因此，如果我们将磁道作为磁盘上最小的存储单位，那么就会浪费磁盘空间，因为这样做会浪费小于 5000 字节的小文件，而且通常磁盘上可能会有很多文件比这个大小小得多。
这样以磁道作为最小存储单位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位，称为扇区。每个扇区的大小为 512 字节，即一个扇区可以容纳 512 字节的信息。
因此，硬盘上数据存储的基本单位是扇区。扇区这个名称指的是一个圆的饼形角部分，两边以半径为界，第三边以圆的周长为界。您可以看到下面给出的表示磁道上扇区的逻辑图形。
因此，在包含同心圆形轨道的硬盘上，该形状将定义其截取的盘片表面每个轨道的扇区。这就是硬盘世界中所谓的扇区，是沿着轨道长度的一小段。
根据标准，硬盘的每个扇区可以存储 512 字节的用户数据。但实际上，扇区包含的信息远不止 512 字节。控制结构以及管理驱动器、定位数据和执行其他支持功能所需的其他信息需要额外的字节。
扇区的具体结构取决于驱动器型号和制造商。不过，扇区的内容通常包括以下一般元素：
ID 信息：传统上，每个扇区中都会留出空间来标识扇区的编号和位置。这用于在磁盘上定位扇区，还包括该区域中扇区的状态信息。例如，通常使用一个位来指示扇区是否已被标记为有缺陷并重新映射。
同步字段：这些字段由驱动控制器内部使用，以指导读取过程。
数据：该扇区中的实际数据。
错误纠正码 (ECC)：错误纠正码用于确保数据完整性。
间隙：间隙基本上是根据需要添加的一个或多个间隔物，用于分隔扇区的其他区域，或为控制器提供时间来处理在读取更多位之前已读取的内容。
除了每个扇区都包含上述项目外，每个轨道上的空间还用于存储伺服信息。每个扇区用于存储开销项目的空间大小很重要，因为用于管理的位越多，可用于存储数据的空间就越少。
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的百分比（与之前描述的其他内容相反）称为格式化效率。因此，更高的格式化效率是驱动器的预期特性。
目前，为了获得更高的格式效率，最新的方法是从扇区格式中删除 ID 字段，并且不再在扇区头中标记每个扇区，而是将格式图存储在内存中，并在必须找到扇区时引用。
该图还包含有关已标记为坏扇区并重新定位的扇区的信息，这些扇区相对于伺服信息的位置等。这种方法不仅提高了格式化效率，允许在每个盘片表面上存储多达 10% 的数据，而且还提高了性能。由于这些关键的定位信息存在于高速内存中，因此可以更快地访问它。
硬盘 hd hdd 驱动器物理电路结构
硬盘的每个盘片使用两个磁头（特殊情况除外）来记录和读取数据，一个用于盘片顶部，一个用于盘片底部。访问盘片的磁头被锁在磁头臂组件上，因此所有磁头一起进出，因此每个磁头始终物理位于相同的轨道号上。
这就是不可能有一个磁头位于 0 磁道而另一个位于 1,000 磁道的原因。由于这种安排，磁头的磁道位置通常不称为磁道号，而是称为磁柱号。
磁柱基本上是所有磁头当前所在的所有磁道的集合。如果磁盘有四个盘片，一般情况下会有八个磁头。现在假设磁柱编号为 720。
硬盘驱动器圆柱体物理电路几何结构
它由八组磁道组成，每个盘片表面各有一组磁道，磁道号为 720。该名称的由来是这些磁道形成一个骨架圆柱体，因为它们是大小相等的圆圈，在空间中一个叠在另一个之上，如前图所示。
磁盘因素的寻址传统上是通过参考柱面、磁头和扇区（CHS）来完成的。
格式化
任何存储介质在使用前都必须格式化。格式化实用程序在硬盘和软盘上的表现不同。格式化硬盘涉及以下步骤：
分区：
此过程将磁盘划分为逻辑部分，并分配不同的硬盘卷或驱动器号。
硬盘分区是组织硬盘的最有效方法之一。分区比目录和文件提供了更通用的组织级别。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，则分区是硬盘驱动器的必需品，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。该分区表只能描述四个分区。这些分区称为主分区。其中一个主分区可以指向一系列附加分区。该链中的每个分区称为逻辑分区。我们将在下一章中详细讨论分区基础知识的逻辑方法。
高级格式化：
它定义分区上的逻辑结构，并将任何必要的操作系统文件放置在磁盘的起始位置。此步骤也是一个操作系统级命令。
DOS 的 FORMAT 命令即 FORMAT.COM，在硬盘上使用时的行为与在软盘上使用时的行为不同。软盘具有简单、标准的几何形状，并且无法分区，因此 FORMAT 命令被编程为在必要时自动对软盘进行低级和高级格式化，但对于硬盘，FORMAT 只会进行高级格式化。
完成低级格式化后，磁盘上会有磁道和扇区，但上面没有写入任何内容。高级格式化是在磁盘上写入文件系统结构的过程，使磁盘可用于存储程序和数据。
如果您使用的是 DOS，FORMAT 命令（即 FORMAT.COM）将执行该作业，将 DOS 引导记录文件分配表和根目录等结构写入磁盘。硬盘分区后，执行高级格式化。
格式化和未格式化的存储容量
硬盘的总容量取决于您查看的是格式化容量还是未格式化的容量。硬盘上的部分空间被格式化信息占用，这些信息标记了扇区的开始和结束、ECC（错误纠正码）和其他服务信息。因此，差异可能非常显著。
在较旧的驱动器上，通常由用户进行低级格式化，其大小通常以未格式化容量的单位列出。
例如，以 Seagate ST-412 为例，它是 20 世纪 80 年代早期最初的 IBM PC/XT 中使用的第一台驱动器。该型号中的“12”指的是该驱动器的未格式化容量为 12.76 MB。格式化后的磁盘实际容量为10.65 MB。
硬盘未格式化的容量通常比格式化后的容量高 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，这就是为什么现代驱动器总是由制造商进行低级格式化的原因。
硬盘容量可以用以下四种方式表示：
- 格式化容量（以百万字节为单位）
- 格式化容量（以兆字节为单位）
- 未格式化的容量（以百万字节为单位）
- 未格式化的容量（以兆字节为单位）
现在，如果我有一个硬盘，其 C–H–S = 1024*63*63（这意味着该驱动器的柱面数 = 1024、磁头数或面数 = 63、每个磁道的扇区数 = 63），每个扇区有 512 字节。计算磁盘大小的公式如下：
磁盘总大小（字节）=（柱面数）X（磁头数）X（扇区数）X（每扇区字节数） |
根据这个公式，当我们以字节为单位计算该硬盘的大小时，它将等于
= 1024×63×63×512
= 2080899072 字节
现在，如果我以百万字节为单位计算磁盘的大小，则大约为
= 2080,899072
~ 2081 百万字节
传统上，以百万字节为单位的大小表示为 M。因此，我的磁盘的大小（以百万字节为单位）大约为 2081 M。
但是，当我以兆字节为单位指定硬盘容量时，它将是类似 1985 的数字，并写为 1985 Meg。
因此，计算磁盘容量（以百万字节为单位）的一般公式为：
计算磁盘容量（以兆字节为单位）的一般公式如下：
