第6章 外部存储设备文档格式.docx

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大多数硬盘控制电路板都采用贴片式焊接，它包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。

在电路板上还有一块ROM芯片，其中固化的程序可进行硬盘的初始化，如执行加电和启动主轴电机、加电初始寻道、定位以及故障检测等。

硬盘控制电路板上有三个主要的芯片：

主控制芯片、数据传输芯片、高速缓存芯片。

主控制芯片负责硬盘数据读写指令等工作；

数据传输芯片则是将硬盘磁头前置控制电路读出的数据经过校正及变换后，通过数据接口传输到主机系统；

高速缓存芯片是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设置的，其容量一般为2～16MB。

图6-1硬盘的外观，左图为正面、右图为背面

（3）固定面板

固定面板就是硬盘正面的面板，它与底板结合成一个密封的整体，保证了硬盘腔体内的盘片、磁头和其它机构在绝对无尘的环境中稳定运行。

在面板上贴有产品标签，标注硬盘的品牌名、型号、序列号、生产日期以及硬盘容量等参数。

除此之外，还有一个透气孔，它的作用是使硬盘内部气压与大气压保持一致。

3．硬盘的内部结构

硬盘的内部结构主要包括盘片和主轴组件、浮动磁头组件、磁头驱动机构、前置控制电路等几部分，其中磁头和盘片组件是构成硬盘的核心，它密封在硬盘的净化腔体内。

硬盘的内部结构如图6-2所示。

图6-2硬盘的内部结构

（1）盘片和主轴组件

盘片是硬盘存储数据的载体，盘片大多采用铝合金材料制成，这种铝合金比软盘载体具有更高的存储密度、高剩磁和高矫顽力等优点。

有些硬盘盘片是用玻璃或者不锈钢材料制成的，这种盘片与铝合金盘片相比具有更好的稳定性和更大的容量。

盘片组一般是由一片或几片圆形盘片叠加而成。

不同容量的硬盘盘片数是不同的，每个盘片有两个面，每个面都记录数据。

主轴组件包括轴承和驱动电机等。

随着硬盘容量的扩大和读写速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，导致了传统滚珠轴承电机磨损加剧、温度升高、噪声增大的弊病，对速度的提高带来了负面影响。

采用液态轴承电机技术可以避免金属面的直接摩擦，使噪声和温度降到最低，同时主轴电机的速度得到进一步提高，促进了超高速硬盘的发展。

（2）浮动磁头组件

磁头组件是硬盘中最精密的部件之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三个部分组成，它是用集成工艺制成的多个磁头的组合。

它采用了非接触式头、盘结构，加电后磁头在高速旋转的磁盘表面移动，磁头与盘片之间的间隙只有0.1～0.3μm，这样可以获得较好的数据传输率，较高的信噪比和数据传输的可靠性。

现在的硬盘都采用了巨型磁阻磁头（GMR），这种磁头的读、写操作分别是由不同的磁头来完成的，可有效地提高硬盘的工作效率，并使磁道密度进一步增加。

（3）磁头驱动机构

磁头驱动机构的作用是在硬盘寻道时移动磁头的，一般由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置组成。

高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行精确的定位，并能在极短的时间内定位到指定的磁道上，保证数据读写的可靠性。

（4）前置控制电路

前置控制电路的作用是控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等。

由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在硬盘腔体内可减少外来信号的干扰。

6.1.2硬盘的主要技术指标

1．硬盘容量

硬盘容量是指硬盘能够存储数据的总量，通常以吉字节（GB）为单位。

影响硬盘容量大小的因素有单碟容量和盘片数量。

硬盘单碟容量在飞速增加，目前已经超过100GB。

硬盘总容量也超过了1000GB，很快就会进入TB（1000GB）时代。

在硬盘使用过程中，我们会发现微机检测出的硬盘容量小于厂家标称的容量，这是由于采用了不同的换算关系造成的。

在微机中，1GB＝1024MB，而硬盘生产厂家通常按1GB＝1000MB来换算。

2．转速

硬盘的转速是指带动盘片旋转的主轴电机的最高旋转速度，目前主流硬盘的转速一般为7200转/分钟，高性能硬盘转速为10000转/分钟，最高的硬盘转速可达15000/分钟。

通常，转速越高，硬盘的数据传输率也越高，综合性能也越佳。

但是由此也带来价格的提高，以及发热量和噪声增大等问题。

3．外部数据传输率

外部数据传输率也称为突发数据传输率，它是指从硬盘高速缓存到系统总线之间的传输速度，这也就是硬盘接口定义的速度。

IDE接口规定的最高数据传输率为133MB/s（UltraATA133标准）；

SATA接口硬盘的外部数据传输率为150MB/s；

而SCSI接口硬盘的外部数据传输率可达160MB/s。

4．内部数据传输率

内部数据传输率也称为持续数据传输率，它是指从磁头到硬盘高速缓存之间的传输速度。

目前主流硬盘在容量、平均访问时间、转速等方面都相差不大，但在内部数据传输率上的差别比较大，它的高低也会影响到系统的整体性能。

硬盘的外部数据传输率高于其内部传输率，硬盘的内部数据传输率只有外部数据传输率的60%左右。

5．数据缓存（Cache）

数据缓存是指在硬盘内部的高速缓冲存储器。

配置了Cache后，可大大提高硬盘读取数据的速度。

另一方面，将要写入硬盘的数据事先存放到Cache中，等到磁头空闲时再从Cache写入盘片。

所以，硬盘Cache对硬盘性能的提高起着很大的作用，硬盘Cache的容量和速度直接关系到硬盘的数据传输率。

目前主流硬盘的Cache容量为2～16MB不等。

6.1.3硬盘接口

硬盘接口是指硬盘与主机之间连接的通道，硬盘的接口方式直接决定硬盘的性能。

目前硬盘的接口主要有EIDE接口和SerialATA接口两大类。

此外，还有SCSI接口、IEEE1394接口、USB接口和PC-AC光纤通道接口等。

1．IDE接口

IDE（IntegratedDriveElectronics，集成驱动电子接口），也称为AT-Bus或ATA（AdvancedTechnologyAttachment）接口。

IDE接口采用40线单组扁平电缆与硬盘连接，一个接口可连2个硬盘或光驱，最初的数据传输率只有1.25MB/s，最大为8.3MB/s，所支持的硬盘容量最大为528MB。

该接口现已被淘汰。

2．EIDE接口

EIDE（EnhancedIDE）接口是一种增强型的IDE接口，又称ATA-2接口，是为取代IDE而开发的接口标准。

EIDE接口与IDE接口兼容，提供两个通道（IDE0和IDE1），每个通道可连接两个IDE设备，最多可连接4台IDE设备。

EIDE接口与外部总线交换数据时，有PIO模式、DMA（或称FastATA）模式和UltraDMA模式三种控制数据流的工作放式。

PIO模式是IDE接口最早使用的模式，以PIO模式运行的IDE接口，数据传输率在3.3MB/s（PIOmode0）～16.6MB/s（PIOmode4）之间。

该模式除了速度慢以外，最大弊端是占用大量CPU资源。

DMA（或称FastATA）模式减少了CPU资源的占用。

最高数据传输率可达16.66MB/s。

由于UltraDMA模式的出现和迅速普及，DMA模式不久就被UltraDMA模式所取代。

UltraDMA模式除了具有DMA模式的优点外，还应用了CRC（CyclicRedundancyCheck,循环冗余校验）码校验技术，加强了数据在传输过程中的纠错能力，提高了数据传输的完整性和可靠性。

同时UltraDMA模式完全向下兼容旧模式。

它包括UltraDMA/33/66/100/133等接口标准，数据传输率分别为33/66/100/133MB/s，其数据传输率最高达133MB/s。

由于硬盘数据传输率的提高，在进行数据传输的过程中将会产生电磁干扰，因此为了有效克服信号线之间的电磁干扰，从UltraDMA/66接口开始，硬盘信号线在原来40线的基础上又额外增加了40根地线；

并且这40根地线与原来的40根线是交错排列的，其偶数线为新增的地线，奇数线为原信号线。

这样可以对实际传输的信号起到屏蔽作用。

所以从UltraDMA/66开始，硬盘的信号线采用80线的扁平电缆线，并支持CRC纠错技术。

为了确保现有的系统和驱动器的兼容性，UltraDMA/66及以后的UltraDMA/100、UltraDMA/133接口仍然保持了传统的40针连接器。

符合UltraDMA/66、UltraDMA/100、UltraDMA/133接口标准的电缆共有3个连接头，一般分别用蓝色、灰色、黑色标记，灰色接头位于电缆线中间。

在连接时，蓝色接头与主板的IDE接口相连，黑色接头与主硬盘相连，灰色接头与从硬盘相连。

一般情况下，3个接头不可颠倒使用，这一点和以前的硬盘信号线是不同的。

3．SerialATA接口

SerialATA（SATA接口）是由Intel公司牵头，联合IBM、APTTechnologies、Dell、Maxtor、Quantum、Seagate等公司于2000年推出的全新硬盘接口标准。

顾名思义，它是串行传输数据的接口，在同一时间点内只会有1位数据被传输。

这样可以减少接口的针脚数，克服了并行传输信号之间的电磁干扰，同时节省了机内空间，更有利于散热。

SerialATA接口传输数据时只需要用一根4芯电缆与设备相连，用4个针（第1针为数据发送端、第2针为数据接收端、第3针为供电端、第4针为地线）就能完成所有的数据交换工作。

实际使用中，SerialATA接口硬盘使用7芯信号电缆线、15芯专用电源线。

考虑到兼容性，SerialATA接口硬盘还提供IDE接口硬盘标准电源接口。

EIDE接口采用的是并行传输方式，如果有一台EIDE设备处于数据传输状态，其它EIDE设备只能闲置，处于等待状态，这属于点对面（主板对EIDE设备）的模式。

而SerialATA接口采用点对点的模式，一台微机连接两个硬盘时就没有主、从之分，所有SATA设备均为主设备，避免了用户设置主、从跳线的麻烦。

此外，SerialATA接口不再受单通道只能连接两个硬盘的限制，它可以同时连接多个硬盘，这一点是传统EIDE接口无法与之相比的。

同时它不但支持硬盘，还支持CD-ROM等存储设备。

SerialATA1.0版中，规定数据传输速率为150MB/s，在SerialATA2.0版中，规定数据传输速率为300MB/s。

而且随着未来后续版本的推出，数据传输速率可允许提高到1.5GB/s、3.0GB/s和5.0GB/s。

目前支持SerialATA接口标准的硬盘和主板已经成为市场主流。

4．SCSI接口

SCSI（SmallComputerSystemInterface）是小型计算机系统接口，最初是为小型计算机研制的一种接口技术，现已被完全移植到微机上。

它是一种总线型接口，适用于多任务的操作系统。

SCSI接口具有比EIDE接口更快的速度和更低的CPU占用率，但价格较高，主要用于高档微机及服务器上。

SCSI接口的最大数据传输速率是160MB/s，硬盘转速为10000转/分钟，可支持最多15个设备。

目前SCSI接口硬盘有3种规格，分别为50针、68针和80针，可通过硬盘标牌上的标记来识别。

“N”、“W”、“SCA”就是表示接口针数的，N（Narrow）即窄口，50针；

W（Wide）即宽口，68针；

SCA（SingleConnectorAttachment）即单接头，80针。

其中，80针的SCSI硬盘支持热插拔。

现在SCSI接口除了可以用于硬盘外，还可以用于CD-ROM、刻录机、磁带机、扫描仪、MO和打印机等多种设备上。

5．IEEE1394接口

IEEE1394接口属于外置接口，它同样需要主板芯片组的支持，并在主板上设有IEEE1394接口插座。

IEEE1394接口理论上数据传输率可达400MB/s以上，但硬盘内部数据传输率较低，距离理论值相差甚远。

目前符合IEEE1394接口的硬盘大多为带有IEEE1394转接卡的EIDE接口硬盘，性能反而比使用EIDE接口要差。

IEEE1394硬盘的最大优点是移动性，支持即插即用、热插拔等操作。

6．USB接口

USB接口与IEEE1394接口类似，也属于外置接口。

目前USB2.0接口标准数据传输速率可达480MB/s，速度已相当可观。

USB接口的硬盘实际上也是带有USB转接卡的EIDE硬盘，其实际性能远远低于USB2.0接口提供的速率。

从长远看，USB接口硬盘和IEEE1394接口硬盘将成为可移动存储器的发展方向。

7．RAID技术

RAID（RedundantArrayofInexpensiveDisks，廉价冗余磁盘阵列）技术简称为磁盘阵列，是将多个磁盘按照某种逻辑方式组织起来，作为逻辑上的一个磁盘来使用。

一般情况下，组成的逻辑磁盘的容量要略小于各个磁盘容量的总和。

RAID技术的具体实现需要通过硬件和软件的支持，从WindowsNT/2000及以后的操作系统都提供了支持RAID功能。

RAID技术的优点是数据传输速率高，数据安全性强，可以提供容错功能和更大的存储空间。

RAID技术目前已经从服务器向普通微机下移，现在有很多主板芯片组以及主板BIOS均支持RAID0、RAID1、RAID5和RAID10四种磁盘阵列模式，并安装了RAID接口。

6.2软盘驱动器

软盘驱动器简称软驱，微机上使用的软盘片一般都是3.5英寸1.44MB规格。

软盘驱动器是对软盘片进行读写的装置，是集机、电、光、磁为一体的精密设备。

从外部结构来看，它由壳体、面板、数据信号接口和电源接口等部分组成。

面板在软驱的前面，上面有插入软盘的活动门、退盘按钮和工作指示灯。

软驱的后面是一个4芯的电源插座和一个34芯D型数据接口插座。

软驱的外观如图6-3所示。

软盘驱动器从功能结构上来看，主要由主轴驱动系统、磁头定位系统、状态检测系统和读写系统几部分组成。

软驱工作时，盘片夹紧机构把软盘压紧在主轴上，主轴电机拖动软盘旋转，使盘片与主轴电机做同步旋转运动。

同时磁头定位机构将磁头迅速、准确地送到需要读写的磁道上，在读写电路的作用下进行读写操作。

十几年来，3.5英寸1.44MB软驱一直是微机必备的外部存储设备，但面对日益庞大的多媒体文件，容量小、速度慢的软驱显示出很大的局限性，同时软盘也存在着极易损坏的致命弱点，越来越不适应微机发展的需要。

相对于硬盘来说，软驱的技术发展非常缓慢，多年来始终没有重大突破。

几年前大容量的软盘和软驱就已经出现，刚出现时曾经一度很引人关注，但由于技术和成本等原因，加上其它存储技术的竞争，大容量软盘和软驱不但没有流行起来，反而渐渐被人们淡忘。

随着存储技术的不断发展，传统的3.5英寸1.44MB软驱和软盘已逐渐被即插即用的移动存储器（U盘和移动硬盘）所取代。

图6-3软盘驱动器

6.3光盘驱动器

由于多媒体技术的兴起，人们需要交流的软件容量越来越大，使用类似软盘的可移动存储介质显然不能满足要求。

在这种情况下，光盘存储介质作为一种新型的微机信息存储介质应运而生，光盘驱动器作为微机的外部存储设备也得到了相应的发展。

现在光盘驱动器已成为微机不可缺少的重要设备。

光盘驱动器简称光驱，按读写方式分为只读光驱和可读写光驱两种类型。

只读光驱按所使用盘片的不同又可分为CD-ROM和DVD-ROM两种类型；

而可读写光驱又称为刻录机，可分为CD-R/RW和DVDR/RW。

6.3.1CD-ROM光驱

CD-ROM（CompactDisc-ReadOnlyMemory）是一种只读光盘驱动器，它是利用激光原理，把微机的数字信号调制到极细的激光束里，再把这种信号记录在用特殊材料制成的盘片上。

这种记录与写盘的操作是在专用的机器和设备上完成的。

CD-ROM光盘的存储容量为650MB，其存储的信息可保存60～100年。

CD-ROM光驱的外观如图6-4所示。

1．光盘存储技术

（1）光盘的物理结构

光盘为圆盘，盘片厚度为1.2mm，盘片外沿直径为120mm，中间隔有一个直径为15mm的圆孔。

光盘的衬底是用聚碳酸酯材料压制出的，表示信息的凹坑压在透明衬底上，中间层是铝（或其它合金）制成的一种很薄的反衬金属层，目的是提高盘片对激光的反射率，顶层是涂漆的保护层，可以在上面印刷光盘的`标签等信息。

光盘上数据的存储方式与硬盘不同，它没有簇的概念，是按轨道的方式存储数据的。

硬盘的磁道是一组同心圆，而光盘的光道是一条从中心开始的渐开线。

如果把这条线展开的话，它是一根完整的线，总长约5km左右。

光道宽度为0.6μm，光道间距为1.6μm。

在CD-ROM光盘上，信息是以数字形式存入的，以“Pin”（凹面）和“Land”（平面）的形式编码存储在光道上，凹坑深度约为0.12μm，光道上排列着这些被激光刻出的凹坑。

（2）光盘的逻辑结构

在ISO9660标准下，单张CD-ROM光盘被定义为一个“卷”。

如果一个应用程序或大文件不能被一张光盘装下，它可以扩充到任意多张光盘上去。

包含了整个文件系统的光盘集合称为“卷集”。

一条光道分为三个区：

导入区、信息区和导出区，用户的信息存放信息区中。

如同磁盘的磁道被划分为扇区一样，光盘的光道也被划分为扇区，每扇区的大小为2N+11字节。

一般N取0，因此每扇区为2048个字节。

理论上N可以取任何整数，这是给标准留出余地，以便于以后修改物理格式标准。

（3）光盘的数据记录方式

CD-ROM空白光盘在强调制激光束照射下，使介质表面的微小区域温度升高，聚碳酸酯材料受热挥发从而产生凹坑。

凹坑与非凹坑跳变边沿表示1，凹坑与非凹坑平坦部分均表示0。

光盘在播放时，弱激光束聚焦在光道上，光被反射，平滑的地方反射的光要比凹陷边沿反射的光强得多，因此容易区别0和1。

激光把信息以凹凸形式记录下来，制成原版光盘，利用原版光盘制成模具，就可以通过压制来大量复制商品光盘。

2．CD-ROM光驱的基本组成与工作原理

CD-ROM光驱一般由激光头组件、机械传动组件、数字信号处理系统及接口、面板控制系统等几部分组成。

（1）激光头组件

激光头组件是光驱的心脏，也是最精密的部分。

它主要负责数据的读取工作，主要包括激光发生器（又称激光二极管）、半反光棱镜、物镜、透镜以及发光二极管等。

当激光头读取盘片上的数据时，从激光发生器发出的激光透过半反光棱镜汇聚在物镜上，物镜将激光聚焦成为极其细小的光点并射到光盘上。

此时，光盘背面的金属反射层就会将发射过来的光线反射回去，透过物镜再发射到半反光棱镜上。

由于棱镜是半反光结构，因此不会让光束穿透它并回到激光发生器上，而是经过反射穿过透镜到达发光二极管。

由于反射光的强度不同，就形成了0和1排列的数据。

（2）机械传动组件

机械传动组件主要由主轴旋转机构、托盘控制机构、平衡机构等组成。

主轴旋转机构的核心部件是电机，它的作用是带动光盘在光驱中按照一定规律高速旋转。

（3）数字信号处理系统及接口

数字信号处理系统和输出接口的作用是将激光头组件所读取的0和1信号根据具体的输出接口转换成可以输出的连续数据流，并通过输出接口传送给主机。

光驱中一般还有音频解码单元，主要用于还原CD模拟音频信号。

光驱有独立的CD播放能力，从耳机插口或模拟音频信号输出接口输出的信号可以直接经过功率放大器推动扬声器。

由于播放CD不是光驱的主要功能，所以一般光驱的CD音频解码单元比较简单，音质也较差。

（4）面板控制系统

面板控制系统的主要作用是控制光盘托盘的进出，通过面板指示灯动态指示光驱的运行状态，通过面板上的播放键与音量旋钮（或键）对光盘播放进行控制。

3．CD-ROM光驱的性能指标

（1）平均数据传输率

平均数据传输率是CD-ROM光驱连续读取大量数据的速度，它是CD-ROM光驱的一项最基本的技术指标。

第一代标准中规定，每秒读取75个扇区，一个扇区为2048字节，每秒钟读取数据的容量为75×

2048＝153600B/s＝150KB/s，当时国际电子工业联合会将此传输率定为单速。

以后生产的光驱在数据传输速率上和单速标准是成倍率的关系。

为此，陆续推出了倍速、四倍速和八倍速等，光驱的速度越来越高，目前已经超过50倍速。

（2）平均查找时间

又称为平均读取时间，是衡量CD-ROM光驱优劣的另一个重要指标，是指光驱接到读盘命令后，移动光头到指定位置并把第一个数据块读入高速缓存这个过程所花费的时间。

早期单速、倍速光驱的平均查找时间一般在300ms以上，经过多年的发展，目前主流光驱的平均查找时间已降到100ms以下。

（3）高速缓存

高速缓存是CD-ROM光驱内的存储区，从光盘上读出的数据先存放在高速缓存中，然后再以很高的速度传送到主机。

这样可以有效地减少读盘的次数，提高数据传输率，同时也减少了CPU的占用时间。

微机要求光驱最少要有128KB的高速缓存，现在的光驱一般都有2MB以上的高速缓存。

（4）容错性

容错性就是所谓的纠错能力，是指CD-ROM光驱正确读取光盘数据的能力。

由于设计原因，有的光盘驱动器只能对质量非常高的光盘进行读取操作，遇有轻微缺陷或划伤的光盘就无法读出数据，甚至造成死机。

因此挑选容错性较好的光盘驱动器是明智的选择。

（5）数据读取方式

CD-ROM光驱有下列3种数据读取的方式：

恒定线速度CLV（ConstantLinearVelocity）

CLV是16倍速以下光驱采取的数据读取方式，特点是为了保证速度一致，无论是读取光盘内圈还是外圈上的数据，都使其读过的弧线等长，即以恒定的线速度读取。

由于光盘采用连续螺旋轨道来存放数据，为了保持线速度的恒定，必须在读取内圈上的数据时增加转速，而在读取外圈上的数据时适当放慢转速。

它的优点是读取内外圈上数据的速度差异相当小，基本都可以达到光驱所标称的数据传输率。

恒定角速度CAV（ConstantAngularVelocity）

CAV是16倍速以上光驱采取的数据读取方式，特点是无论读取外