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从1957年IBM公司研制成功出第一台真正意义上的硬盘存储器到现在已经将近半个世纪的时间里,人们对硬盘这种已经十分普及的外存储器仍然带着认识上的误解。很多人认为硬盘内是真空,硬盘内有16个磁头。本人就这两个问题从原理上来进行分析,使读者走出误区。

     几乎所有的电脑都要使用到硬盘,硬盘作为电脑不可缺少的重要部件而被大家广泛认识。短短十年时间从几十M发展到现在的几百G,容量成千上万倍的增长。同时硬盘又具有天生的脆弱性,以至于大家平时对它都敬而远之,因为就算一点点的撞击都会对它造成致命的破坏。正因为这样,硬盘批上了一曾神秘的面纱。而到现在为止,很多人包括部分计算机专业人士都在认为:“硬盘里面是真空的”,“一个硬盘有16个磁头”。为什么会有如此误解呢?究其原因是现在的各种教科书上都没有将这个问题解释清楚。本文将从硬盘的物理结构开始来解释这两个问题。  


一. 硬盘的内部结构

拆开硬盘后,我们可以看到硬盘由主轴、磁盘、磁头、磁头臂、马达等主要部件组成。

现在的硬盘,无论是IDE还是SCSI,采用的都是"温彻思特"技术,都有以下特点:
盘片是将磁粉附着在铝合金(新材料也有用玻璃,如IBM腾龙二代)圆盘片的表面上。这些磁粉被划分成若干个同心圆,这些同心圆被称为“磁道”。盘体由多个盘片组成,这些盘片重叠在一起放在一个密封的盒中,它们在主轴电机的带动下以很高的速度旋转,其每分钟转速达3600,4500,5400,7200甚至以上。

    磁头用来读取或者修改盘片上磁性物质的状态,一般说来,每一个磁面都会有一个磁头,从最上面开始,从0开始编号。磁头在停止工作时,与磁盘是接触的,但是在工作时呈飞行状态。磁头采取在盘片的着陆区接触式启停的方式,着陆区不存放任何数据,磁头在此区域启停,不存在损伤任何数据的问题。读取数据时,盘片高速旋转,由于对磁头运动采取了精巧的空气动力学设计,此时磁头处于离盘面数据区0.2---0.5微米高度的"飞行状态"。既不与盘面接触造成磨损,又能很好的读取数据。磁头之所以能够飘浮起来,完全是靠空气的浮力。如果没有空气的话磁头将与磁盘产生直接接触,除非能够制造出零磨檫力的绝对平面,否则在一瞬间就会使整个磁盘表面和磁头磨损。

硬盘内的电机都为无刷电机,在高速轴承支撑下机械磨损很小,可以长时间连续工作。
高速旋转的盘体产生了明显的陀螺效应,所以工作中的硬盘不宜运动,否则将加重轴承的工作负荷。硬盘磁头的寻道饲服电机多采用音圈式旋转或者直线运动步进电机,在饲服跟踪的调节下精确地跟踪盘片的磁道。


二.硬盘使用时候的注意事项:

      1.硬盘在工作时不能突然关机
      当硬盘开始工作时,一般都处于高速旋转之中,如果我们中途突然关闭电源,可能会导致磁头与盘片猛烈磨擦而损坏硬盘。因此最好不要突然关机,关机时一定要注意面板上的硬盘指示灯是否还在闪烁,只有当硬盘指示灯停止闪烁、硬盘结束读写后方可关闭计算机的电源开关。忽然断电会让磁头在还来不及回到着陆区的情况与盘片直接接触,可能使磁盘表面产生坏扇区。

      2.防止灰尘进入
      灰尘对硬盘的损害是非常巨大的。这是因为在灰尘严重的环境下,硬盘很容易吸引空气中的灰尘颗粒,被吸引的灰尘长期积累在硬盘的内部电路、元器件上,会影响电子元器件的热量散发,使得电路板等元器件的温度上升,产生漏电而烧坏元件。虽然如此,可是却不必担心灰尘会进入硬盘里面,盘体是完全密封的,唯一可与内部相通的就是伺服口。熟悉硬盘的读者都知道,硬盘的侧面上有一个孔,一般都是用铝质贴纸封住,有的甚至还用金属片包住封口的贴纸,防止它被破坏,这个就是伺服口。有一些销售人员将硬盘内部误认为是真空的,管这个封口叫这个是“真空封口”,这种说法是错误的。当封口破损了后灰尘便会进入盘体,首先是硬盘的读写速度变的很慢,其次是硬盘的噪音会变的很大。这种情况下使用时间长了就会导致硬盘数据的丢失,更严重时可能导致盘片的损坏。所以我们要特别注意不要破坏封口。
另外灰尘也可能吸收水分,腐蚀硬盘内部的电子线路,造成一些莫名其妙的问题。所以灰尘体积虽小,但对硬盘的危害是不可低估的。因此必须保持环境卫生,减少空气中的潮湿度和含尘量。
3.要防止温度过高
       温度对硬盘的寿命也是有影响的。硬盘工作时会产生一定的热量,使用中存在散热问题。温度以20~25℃为宜,温度过高或过低都会造成硬盘电路元件失灵,磁介质也会因热胀效应而造成记录错误;温度过低,空气中的水分会被凝结在集成电路元件上,可能造成短路。
       另外,尽量不要使硬盘靠近强磁场,如音箱、喇叭、电机、电台、手机等,以免硬盘所记录的数据因磁化而损坏。在硬盘工作时不要有冲击碰撞,搬动时要小心轻放。
三.硬盘的物理磁头数与逻辑磁头数
       在解释物理磁头和逻辑磁头之前,先列举这样一组数据:
           Cylinders          Heads           Sectors
            2491              255               63
     硬盘的容量=2491x255x63x512=19.08G
上面的参数是从一个金钻20G硬盘上得到的。很明显它的柱面数是2491,磁头数是
255,每个磁道上的扇区数为63。误会由此开始了,如果我们对硬盘的物理结构不了解,我们会认为这个硬盘有255个磁头。可是仔细想一下,便会发现它不成立。

       一张单面的盘片需要一个磁头,双面的盘片则需要两个磁头,假如全部都是双面盘片,255个磁头至少拥有128张盘片,而128张盘片叠起来的厚度比一个硬盘要厚的多,这还没有考虑盘片之间的间隙。其实我们在BIOS中看到的硬盘的参数只是一个逻辑值,现在的硬盘大部分都是单碟,单磁头。拿金钻九代80G来说,就是单碟的。也就是说它只有一个磁头,可是为什么我们用测试软件检测的时候会显示255个磁头呢?答案要从很多年前说起了。

       由于早先的硬盘容量比较小,因此设计的BIOS的时候当把地址从Int 13的地址寄存器转换为IDE的地址寄存器时,仅仅把INT 13管理中低10位的柱面地址用来对应硬盘中的16位柱面寄存器,并且也仅把6位的扇区地址来对应硬盘中的8位扇区寄存器,其中没有用到的位设置为0。并且只用4位来表示磁头。因此,此时的磁盘柱面最大数为1024(2的10次方),磁头的最大数是16(2的4 次方),扇区的最大数是63(2的6次方-1)。因此能寻址的扇区数就成了1,032,192(1,024x16x63)。一个扇区的容量是512字节,也就是说如果以CHS寻址方式,IDE硬盘的最大容量为528.4MB。这种寻址方式便是NORMAL方式。

使用LBA(Logical Block Addressing)逻辑块寻址模式管理的硬盘空间可达 8.4GB。在 LBA 模式下,设置的柱面、磁头、扇区等参数并不是实际硬盘的物理参数。在访问硬盘时,由 IDE 控制器把由柱面、磁头、扇区等参数确定的逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。在 LBA 模式下,可设置的最大磁头数为 255,其余参数与普通模式相同。

此时磁头数只是一个虚拟数字,实际上的物理磁头只有一个。但是硬盘生产商为了让BIOS系统能够正常识别和使用硬盘,将硬盘的物理地址转换成一个虚拟的逻辑地址。而在这个地址里面我们看到了255个磁头。其实幕后的工作却是将柱面数除了一个255,而磁头数乘了一个255,总共表示的寻址范围仍然没有变化。

       硬盘经过半个世纪的发展,容量、速度已经到了往日不可想象的地步。但是它的发展受到了老技术的制约,为了往下兼容不得不牺牲一些好的方法和技术。现在SATA的硬盘大有取代PATA 硬盘之势,而且性能值追SCSI硬盘。硬盘做为电脑的不可缺少的一部分,而走入千家万户。像“硬盘内部是真空”,把硬盘伺服口的封口称为“真空封口”这种现象在全国个大IT卖场和专业人士之间广为流传实属不该。在电脑十分普及的今天,我们也要将其基础知识普及好。      


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