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『轉貼』溫故知新:帶你進入硬盤的內部世界

蔡逸竹

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1樓 大 中 小 發表於 2006-10-20 19:58 

『轉貼』溫故知新:帶你進入硬盤的內部世界

硬盤作為數據的載體，是電腦用戶們最熟悉不過的PC配件了。不過大多數用戶平時都是看到硬盤的外表，對於其精密的內部瞭解可能就不多了。其實硬盤的內部結構也沒有想像中的那麼複雜，下面的這篇文章將為初級讀者展示硬盤內部結構，通過拆解讓大家對硬盤內部有一定的認識。

這次為大家介紹的，是老一代用戶比較熟悉的曾經風靡一時的騰龍3代60GXP硬盤。雖然經歷了風光無限美的玻璃硬盤最後因為翻修極高而退出了歷史舞台，但是60GXP作為硬盤技術的革新突破點，還是能作為硬盤發展史上的聚焦點而載入史冊。注意：筆者要鄭重地提醒大家，像本文所介紹這樣拆解硬盤會給其保存的數據帶來不可挽回的損壞，請大家一定要慎重！本次拆解的硬盤雖屬舊產品，不過現在新舊產品的內部構造是大同小異的。

這次給大家介紹硬盤的MODEL號為：IC35L040AVER07-0，從編號我們可以看出，這是「IBM Corporation」公司、3.5英吋、高度1英吋、40GB、ATA接口、60 GXP系列、7200轉/分的硬盤。除了硬盤表面上七顆螺絲外，還有三顆螺絲需要揭開貼紙才可以取下（如上圖紅圈所示）。在圖示右側虛線所圈的位置，可以在一個小孔旁看見「DO NOT COVER THIS HOLE」的提示。我們知道硬盤工作的時候盤片因高速旋轉而與空氣發生劇烈摩擦導致盤腔內部溫度急劇上升，特別是在炎熱的夏天。此小孔的作用就是讓盤腔內部的熱氣可以順利排除，使腔內壓力與大氣壓保持一致。由於硬盤內部相對來說是密封的，所以透氣孔經過了一個高效的塵埃過濾器和內部相通，用以保證盤腔內部無塵的潔淨環境。

在電路板的正面，我們可以清晰地看到主軸驅動芯片、讀/寫通道芯片和數據處理芯片。

在電路板的背面還有一顆HY 2M的緩存芯片。

揭開60GXP神秘的面紗，其內部的秘密也就展現在大家眼前。上圖是打開了磁頭驅動電機上半部分的俯視圖。

在上圖中最搶眼的就是光滑、潔淨的盤片——沒錯，那就是硬盤中承載數據存儲的介質、也是60GXP的技術閃亮點：玻璃盤片。我們知道，一般製作硬盤盤片都是以鋁合金材料作為盤基的，而IBM的硬盤工程師則採用了石英玻璃作為盤基。石英玻璃是一種較鋁合金更為堅固耐磨的盤片材質，生產成本較為低廉、磁盤的存儲密度大，在盤片高速旋轉時的穩定性和可靠性也有不同程度地提高，而且玻璃盤片的表面更為平滑、磁頭在盤片上的飛行高度降得更低、數據讀取動作更為迅速，使得其性能方面更是遙遙領先。但是，正因為磁頭飛行高度的降低致使玻璃盤片的硬盤對震動更為敏感，而IBM的工程師在當時也沒有意識到需要研發相應的磁盤抗震技術來彌補這一缺陷，最終導致玻璃硬盤出現大規模故障，IBM往日與日同輝的硬盤事業部也因此難逃瓦解的命運。

為了可以完好地把各個部件拆卸下來，我們先要把磁頭傳動臂轉到盤片上，拆下磁頭載入/載出軌道，再把傳動臂轉出來並小心地取下。鬆開盤片上軸轂的螺絲，我們可以看見此硬盤內封裝了兩張用墊圈隔開的玻璃盤片。

60GXP還採用了以陶瓷為材料製作的主軸和軸承（仍是滾珠軸承），它比金屬的主軸、軸承更為光滑堅固，可以極大減少工作時發出的噪音。上圖為硬盤的電機，中間圓柱形的是主軸。

此塊硬盤的磁頭驅動電機採用了音圈式旋轉的步進電機，它的結構非常簡單，就是在磁頭傳動臂末端套上一組電磁線圈，線圈的上下兩面各裝一個磁性非常強的永磁體。當有電流通過線圈，根據電磁感應原理，傳動臂會以傳動軸為中心發生偏轉，而磁頭移動的距離是根據控制器在盤面上磁頭位置的信息編碼來得到的。我們知道，硬盤尋道需要磁頭來回地移動，一個高精度的磁頭驅動電機可以快速地驅動磁頭按照系統指令指向的磁道進行精準的定位和跟蹤，保證數據讀寫的可靠性和完整性。

在硬盤中側部靠4PIN電源插口的方向，大家可以看見一個方形的凹面。這個是硬盤的伺服口，一般這個可以從外界直接連接入盤腔內部的口都是用鋁質貼紙封住的，有些硬盤甚至還採用了金屬片來保護這層貼紙。我們知道，硬盤內的工作環境必須是無塵的，但為什麼硬盤廠商還要「多此一舉」，設置這個「危險」的通道呢？原來，硬盤盤片的磁道一般都不是在裝配之前構造的。大家可以看到，要在如此小的盤片上存儲數百G的數據，其精細程度可想而知，如果要在裝配前先構造好磁道，那麼在裝配的過程中一個非常非常輕微的碰撞都有可能使硬盤產生不可預知的故障或者壞道。而伺服口的作用正是為了解決這個問題：在裝配好硬盤後，機械臂能夠通過這個小口伸進盤腔內部對硬盤進行掃瞄和伺服信息的寫入、構造磁道，這樣不僅能最大限度地保證伺服信息的正確寫入，還可以提高硬盤最後成品的可靠性。

在硬盤中非常重要的磁頭組件由三個部分組成：讀寫磁頭、傳動臂和傳動軸）。磁頭是硬盤核心技術所在的組件之一，它主要是讓電信號和磁信息進行相互轉換從而實現硬盤存儲、讀取數據的操作，他的工作原理就是利用某些特殊材料的阻值會隨著磁場的變化而改變的原理來存取磁盤片上數據的。磁頭技術的發展是直接決定磁盤盤片存儲密度大小的重要因素之一，薄膜感應（TEI）磁頭、各向異性磁阻（AMR，Anisotropic Magneto Resistive）磁頭和巨磁阻（GMR，Giant Magneto Resistive）磁頭，是磁頭技術發展的三個標誌性階段。磁頭不僅需要通過懸掛裝置固定在傳動臂上，還需要通過懸掛裝置把電子連接線牽引到傳動臂上。磁頭組件就是靠傳動臂和傳動軸來固定磁頭移動半徑對盤片進行掃瞄，以此來讀寫數據的。數據線則提供從傳動臂到前端控制電路芯片的電子連接。前置控制電路芯片主要負責控制磁頭感應信號、主軸電機調速、磁頭驅動和伺服定位等，由於磁頭讀取的信號非常微弱，所以將此集合放大電路的芯片密封在硬盤腔體內，可以大幅度減少其他信號的干擾，提高操作指令的準確性。

在下圖中，小圈和大圈標識出來的分別是內圈急停（Inner-Diameter Crash Stop）裝置和外圈急停（Outer-Diameter Crash Stop）裝置，他們主要的作用就是防止磁頭偏離最內磁道而撞到軸轂上或者因為磁頭在往載入/載出軌道停靠的時候因為慣性繼續向外運動，最大限度地保護磁頭不受損傷。在外圈急停裝置上有一個小磁塊，在磁頭停在載入/載出軌道上的時候會吸住傳動臂，防止傳動臂因輕微震動而隨處擺動。磁頭載入/載出軌道也可以在硬盤停止運行的時候給予磁頭最大限度地保護。

最後，給大家看一張IBM 60GXP拆解後所有部件的全家福

IBM硬盤王朝的覆滅讓我回想起了當年昆騰也因硬盤頻頻故障而慘遭被邁拓收購的命運。硬盤作為計算機產業中技術發展最為緩慢的部分，但是僅從「98年全球共有12家硬盤製造廠商，到06年縮至屈指可數的幾家」這一數據就可以看出，其中的競爭是非常慘烈的。我們希望今後硬盤能在激烈的競爭中能有較快的進步，為PC中的一大瓶頸作出貢獻！

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三木先生

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2樓 大 中 小 發表於 2006-11-18 22:32 
真是太詳細了
對於硬碟我又更加的瞭解內部結構
謝謝總版主的分享...

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