筆記本硬盤技術詳解

2020-07-11 15:18:28

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一、筆記本電腦硬盤的工作原理
　　硬盤是利用特定的磁粒子的極性記錄數據。磁頭在讀取數據時，將磁粒子的不同極性轉換成不同的電脈沖信號，然后利用數據轉換器將這些原始信號變成電腦可以使用的數據；寫的操作正好與此相反。另外，硬盤中還有一個存儲緩沖區，是為協調硬盤與主機在數據處理速度上的差異而設。由于硬盤的結構比軟盤復雜，所以其格式化也比軟盤復雜，分為低級格式化，硬盤分區，高級格式化及建立文件系統。
　　硬盤驅動器加電正常工作后，利用控制電路中的單片機初始化模塊完成初始化，此時磁頭置于盤片中心位置。初始化后主軸電機將啟動并以高速旋轉，裝載磁頭的小車機構移動將浮動磁頭置于盤片表面的00道，處于等待命令的啟動狀態。當接口電路接收到電腦系統傳來的命令信號后通過前置放大控制電路驅動音圈電機發出磁信號。根據感應阻值變化的磁頭正確定位盤片數據信息，并將接收后的數據信息解碼通過放大控制電路傳輸到接口電路，反饋給主機系統完成命令操作。結束硬盤操作的斷電狀態在反力矩彈簧的作用下將浮動磁頭駐留到盤面中心。
　　二、筆記本硬盤結構
　?。ㄒ唬┕P記本硬盤的尺寸
　　由于受到筆記本電腦尺寸的限制，筆記本電腦硬盤也不能做的很大。17.5mm對于它已經是極限了。第一代產品面世之時，17mm的厚度幾乎沒有什么機型可以裝配，還有過高的發熱量和噪聲等。在第二代產品中，硬盤廠商將這個厚度降到了12.5mm。 12.5mm可以使4200轉硬盤順利的裝入普通筆記本電腦，但是對筆記本電腦不斷向超輕薄方向發展的趨勢，它卻難有作為。
　　而在過去的兩年中，筆記本硬盤12.5mm產品已經逐漸被9.5mm產品所替代。這樣就為輕溥筆記本電腦的發展奠定了基礎。但，這還只是厚度的改變，其外形并沒有發生改變，它們仍然都是2.5英寸的硬盤。也就是說，它們的盤片大小都是一樣的。
　　就在2.5英寸9.5mm的硬盤時正在大行其道時，1.8英寸的硬盤悄然走入人們了視野。2002年初，東芝推出了兩款具有劃時代意義的1.8英寸的內置硬盤產品：MK1003GAL和MK2003GAH。MK1003GAL容量為10G，一個盤片，僅有5毫米厚。隨后其它廠家也生產出了自己1.8英寸產品?？梢哉f，目前1.8英寸筆記本硬盤技術已經成熟。它對超輕溥筆記本電腦的發展提供了必要的條件。
　?。ǘ┯洷倦娔X硬盤接口
　　硬盤接口一直是人們關心的技術，隨著筆記本電腦其它配件(如CPU、內存、顯示等子系統)性能的大步邁進，硬盤的接口傳輸率越來越體現出它在整個電腦系統的瓶頸效應，硬盤接口越來越受到人們的關注。
　　硬盤接口有電源接口與數據接口，其中電源插口與主機電源相連，為硬盤提供電力：數據接口則是硬盤數據和主板控制器之間傳輸交換的紐帶，根據連接方式的差異，分為IDE（Integrated Drive Electronics）與EIDE接口等。
　　現在的筆記本硬盤采用的都是IDE(Integrated Drive Electronics)接口技術，實際上是指把控制器與盤體集成在一起的硬盤驅動器，我們常說的IDE接口，也叫ATA(Advanced Technology Attachment)接口，現在PC機使用的硬盤大多數都是IDE兼容的，而筆記本更是如此。。把盤體與控制器集成在一起的做法，減少了硬盤接口的電纜數目與長度，數據傳輸的可靠性得到了增強，硬盤制造起來變得相對簡單，廠商不需要再擔心自己生產的硬盤控制器的兼容性，對用戶而言，硬盤安裝起來也更為方便。隨著技術的不斷更新，IDE接口不斷推出各種新的技術指標ATA-1---ATA－4直到最新的Serial ATA接口 (即串行ATA)，
　　ATA-4(包含Ultra ATA、Ultra DMA、UltraDMA/33、UltraDMA/66四種技術標準)接口這個新標準將PIO-4下的最大數據傳輸率提高了一倍，達到33MB/s，或更高的66MB/s。它還在總線占用上引入了新的技術，使用PC的DMA通道減少了CPU的處理負荷。要使用Ultra-ATA，需要一個空閑的PCI擴展槽，其中的Ultra ATA/66（即Ultra DMA/66）是目前主流筆記本硬盤采用的接口類型，其支持最大外部數據傳輸率為66.7MB/s。
　　新的Serial ATA（即串行ATA）是英特爾公司采用的接口類型，就如其名所示，它以連續串行的方式傳送資料，在同一時間點內只會有1位數據傳輸，此做法能減小接口的針腳數目，用四個針就完成了所有的工作（第1針發出、2針接收、3針供電、4針地線）。這樣做法能降低電力消耗，減小發熱量。最新的硬盤接口類型ATA-100就是Serial ATA是初始規格，它支持的最大外部數據傳輸率達100MB/s。
　　三）筆記本電腦硬盤磁頭
　　硬盤技術的更新換代，其中一個非常重要的技術就是磁頭技術，磁頭是硬盤技術中最重要和關鍵的一環，實際上是集成工藝制成的多個磁頭的組合。它采用非接觸式頭和盤結構，加電后在高速旋轉的磁盤表面飛行，飛高間隙只有0.1μm~0.3μm，可以獲得極高的數據傳輸率。現在轉速 5400r／min的硬盤飛高都低于0.3μm，以利于讀取較大的高信噪比信號，提供數據傳輸存儲的?，F在的硬盤單碟容量一般都在10GB以上，最高的單碟容量已經達到了20GB，以后硬盤的單碟容量還將繼續增大，對于單碟容量，它直接聯系的技術就是磁頭技術，磁頭技術越先進，硬盤的單碟容量就可以做得越高。
　　由于筆記本硬盤密度太小，就連轉軸中心附近也寫進了數據，所以它就要在盤片的附近安裝一個裝置，用來放置磁頭。所以筆記本硬盤在讀盤的時候會產生"咯嗒、咯嗒"的聲音，其實是它在"靠岸"。但這種設計也帶來了一些好處，在硬盤不工作的時候，由于磁頭遠離盤片，所以磁頭就不會出現由于震動而劃傷盤片的現象。
　　最早的磁頭是應用鐵磁性物質，它在不論磁頭的感應敏感程度或精密度上都不理想，因此早期的硬盤單碟容量均非常低。單碟低了，硬盤的總容量就受到非常大的限制，因為在一塊硬盤內封裝的盤片數是非常有限的（目前一般的硬盤封裝盤片數為3-5片）。同時早期使用的磁頭在體積上也小，它使得早期的硬盤體積上相對而言比較龐大，這給用戶的使用帶來了非常明顯的不便。
　　1979年，發明了薄膜磁頭，使進一步減小硬盤體積、增大容量、提高讀寫速度成為可能。接著在80年代末期，IBM公司對硬盤發展做出了一個非常重要的貢獻，即研發了MR(Magneto－Resistive Head),磁阻磁頭技術。磁阻磁頭是基于磁致電阻效應工作的，核心是一片金屬材料，其電阻隨磁場的變化而變化。磁阻元件連著一個十分敏感的放大器，可
　　以測出微小的電阻變化。所以，后來的MR技術可以提高記錄密度來記錄數據，增加單碟片容量即硬盤的最高容量，提高數據傳輸率。PRML(Partial Response Maximum Likelihood)讀取技術，它能使盤片存儲更多的信息，即增加容量，同時可以有效地提高數據的讀取和數據傳輸率。
　　90年代，IBM公司將MR磁頭技術應用于3.5英寸和2.5英寸硬盤中，使得普通電腦用戶使用的硬盤容量首次達到了1GB，從此我們使用的硬盤容量開始進入了GB數量級。現在用戶使用的高達幾十GB的容量，都是從那時的MR磁頭技術開始的。而后 GMR（Gaint Magneto Resistive，巨磁阻）磁頭技術出現了。GMR是IBM公司在MR技術的基礎上研發成功的新一代磁頭技術，它是最新的磁頭技術，現在生產的硬盤全都應用了GMR磁頭技術。GMR巨磁阻磁頭與MR磁頭一樣，是利用特殊材料的電阻值隨磁場變化的原理來讀取盤片上的數據，但是GMR磁頭使用了磁阻效應更好的材料和多層薄膜結構，比MR磁頭更為敏感，相同的磁場變化能引起更大的電阻值變化，實現更高的存儲密度，現有的MR磁頭能夠達到的盤片密度為每平方英寸3Gb－5Gb（千兆位每平方英寸），而GMR磁頭每平方英寸可以達到10Gb－40Gb以上。目前GMR磁頭已經處于成熟推廣期，在今后的數年中，它將會逐步取代MR磁頭，成為最流行的磁頭技術。GMR比MR具有更高的信號變化靈敏度，從而使硬盤的單碟容量可以做得更高，目前最新的磁頭技術為第四代GMR磁頭技術。
　　此外，磁頭的驅動機構由音圈電機和磁頭驅動小車組成，新型大容量硬盤還具有高效的防震動機構。高精度的輕型磁頭驅動機構能夠正確驅動和定位磁頭，并在很短的時間內精確定位系統命令指定的磁道，保證數據讀寫的可靠性。
　?。ㄋ模┕P記本電腦硬盤電機
　　在硬盤中，與磁頭技術一樣重要的另一項技術就是電機技術了，它直接影響著硬盤轉速的大小。
　　Fluid Dynamic Bearing (FDB)流體動態軸承電機是在1996年第一次推出，目前已經到了第三代技術，流體動態軸承電機使用的是黏膜液油軸承，以油膜代替滾珠。這樣可以避免金屬面的直接磨擦，將噪聲及溫度降至最低；同時油膜可有效吸收震動，使抗震能力得到提高；它更可減少磨損，提高壽命。這樣，FDB有效地減少了震動，降低了噪音，增強對震動的抵抗能力，延長硬盤的使用壽命。目前最快的筆記本硬盤 7200rpm，而主流的轉速為4200rpm。目前主軸轉速較快的硬盤即希捷公司推出的Cheetah X15（捷豹X15系列），它的主軸電機轉速高達15,000rpm。現在主流的IDE硬盤轉速為7200rpm，而主流的SCSI硬盤轉速則為10,000rpm?？梢姡P記本硬盤受其先天的影響速度不可能太快。電機技術發展了，直接帶動的就是硬盤主軸轉速的提高，而轉速就決定著硬盤的尋道時間。當然，在提高硬盤主軸轉速的同時，需要考慮的是硬盤的發熱量及振動問題，還有就是硬盤的工作噪聲問題。所以電機技術直接決定著硬盤的快慢、工作溫度及工作噪聲等。
?。ㄎ澹┕P記本電腦硬盤材料
　　1．盤片材料
　　一般而言，早期硬盤的盤片都是使用塑料材料作為盤片基質，然后再在塑料基質上涂上磁性材料就可構成硬盤的盤片。
　　采用鋁材料作為硬盤盤片基質隨后推出，目前市場上的IDE硬盤幾乎都是使用鋁硬盤盤片基質。而采用玻璃材料作為盤片基質則是最新的硬盤盤片技術，玻璃材料能使硬盤具有平滑性及更高的堅固性，此外玻璃材料在硬盤高轉速時具有更高的穩定性。IBM公司是采用玻璃材料作為硬盤盤片基質的先鋒，富士通筆記本硬盤也有相應的玻璃材料產品
　　2．筆記本電腦硬盤外殼
　　筆記本硬盤外殼只是一層很薄的鐵片，很用以彎曲變型，而臺機硬盤采用很厚的金屬材質制作而成，不容易變型。之所以采用很薄的材質制作硬盤，是為了讓筆記本硬盤做的更輕而做的考慮，所在硬盤使用過著中不要用力按或者在表面放重物，這樣會使磁頭過于接近盤片而導致盤片劃傷的。
　?。┕P記本電腦硬盤其它組件
　　1．前置控制電路
　　前置放大電路控制磁頭感應的信號、主軸電機調速、磁頭驅動和伺服定位等，由于磁頭讀取的信號微弱，因此將放大電路密封在腔體內可減少外來信號的干擾，提高操作命令的準確性。
　　2．控制電路板
　　大多采用貼片式元件焊接，包括主軸調速電路、磁頭驅動與伺服定位電路、讀寫電路、控制及接口電路等。在電路板上還有一塊高效的單片機ROM芯片，其固化的軟件可以完成硬盤的初始化，加電和啟動主軸電機，初始尋道定位，以及故障檢測等。在電路板上還安裝有容量不等的高速緩存芯片。
　　3．固定蓋板
　　即硬盤的面板，標注產品的型號、產地和設置數據等，和底板結合成為一個密封的整體，保證硬盤盤片和機構的穩定運行。固定蓋板和盤體側面還設有安裝孔，以方便安裝。
　　三、筆記本電腦硬盤的三個重要技術指標
　　1．硬盤轉數
　　硬盤轉數是衡量筆記本電腦硬盤性能即硬盤的讀盤速度的重要參數，同時它對筆記本電腦的性能及速度也有重要影響。目前在硬盤轉速上，桌面系統上是7200RPM已成主角，至少也得是5400RPM。而筆記本硬盤卻沒辦法用高速電機，大部分轉速還在5400RPM以下，這也是長期以來，筆記本硬盤只有4200轉的原因。這主要是由于筆記本電腦硬盤面臨的兩大致命問題--散熱與震動，在沒有更徹底的解決方案之前，廠商們不得已犧牲了性能，降低了硬盤的轉速。
　　當奔騰II和奔騰III已經出現之后，為了提升硬盤的速度，IBM試著向市場推出了第一款5400轉的筆記本硬盤：Travel Star 25GS。這款產品單碟容量5GB，共有5張盤片10個磁頭，緩存512KB，接口為ATA33/66。
　　2001年上半年，第三代的IBM5400轉硬盤Travel Star 48H面世。與前兩代相比，除了單碟容量上升到12GB和接口采用ATA100之外，它還采用了液態軸承（FDB）技術，這使得48H的高熱與噪聲得到了有效的控制。至此，5400轉硬盤才算真正成熟。
　目前5400RPM還一直是大多數筆記本發燒友們追求的目標。不過硬盤生產廠商已經推出了7200轉/秒的筆記本專用硬盤，已經接近了臺式機硬盤的水準，而新技術的采用使它在抗震和節能方面都表現突出。
　　2．硬盤容量
　　硬盤容量即硬盤所能存儲的最大數據量。雖然筆記本電腦硬盤的容量因為單位密度的提升而增加，不過和臺式電腦已經達到200GB、250GB的大容量比起來，筆記本電腦硬盤的容量仍然落后許多。筆記本電腦的硬盤除了對磁盤有體積較小和數量較少的要求之外，包括功耗、耐用程度、抗震性及成本等考慮，都讓筆記本電腦硬盤的容量比臺式電腦硬盤要小很多。
　　在筆記本電腦的存儲設備上，目前的主流產品的硬盤是在20G到40G之間，隨著已經推出的80GB硬盤，筆記本電腦將開始配備更大的儲存空間。
　　3．硬盤緩存
　　硬盤緩存的作用類似于CPU中的一、二級高速緩存，主要用來緩解速度差和實現數據預存取等作用，硬盤的數據緩存也隨著硬盤的不斷發展而不斷增大，早期硬盤的數據緩存只有128KB甚至更小，而那時2MB的數據只能在高端的SCSI硬盤上看到。在接口技術已經發展到一個相對成熟的階段時，緩存的大小與速度是直接關系到硬盤的傳輸速度的重要因素。緩存是硬盤與外部總線交換數據的場所。硬盤的讀數據的過程是將磁信號轉化為電信號后，通過緩存一次次地填充與清空，再填充，再清空，一步步按照PCI總線的周期送出，可見，緩存的作用是相當重要的。目前主流硬盤的緩存主要為2MB-8MB。其類型一般是EDRAM或SDRAM，目前一般以SDRAM為主。
　　根據寫入方式的不同，有寫通式和回寫式兩種。寫通式在讀硬盤數據時，系統先檢查請求指令，看看所要的數據是否在緩存中，如果在的話，就由緩存送出響應的數據，這個過程稱為命中。這樣系統就不必訪問硬盤中的數據，由于SDRAM的速度比磁介質快很多，因此也就加快了數據傳輸的速度?；貙懯骄褪窃趯懭胗脖P數據時也在緩存中找，如果找到，就由緩存中數據寫入盤中，現在的多數硬盤都是采用的回寫式硬盤，這樣就大大提高了性能。
　　四、筆記本電腦硬盤的日常維護
　　由于硬盤在筆記本電腦系統中有著非常重要的地位，因此對其進行日常維護是非常必要的，下面我們就介紹一下具體的維護方法。
　　1．正在讀寫硬盤時不要關掉電源
　　硬盤在讀寫時，其盤片處于高速旋轉狀態中，若此時強行關掉電源，將導致磁頭與盤片猛烈磨擦，從而損壞硬盤。所以，在關機時，一定要注意面板上的硬盤指示燈，確保硬盤完成讀寫之后再關機。
　　2．保持使用環境的清潔衛生
　　工作環境中灰塵過多的話，灰塵就會被吸附到硬盤印制電路板的表面及主軸電機的內部。硬盤在較潮濕的環境中工作，會使絕緣電阻下降。這兩個現象輕則引起電腦工作不穩定，重則使某些電子器件損壞，或某些對灰塵敏感的傳感器不能正常工作。因此要保持工作環境的衛生，減少空氣中的含塵量。此外，用戶也不能自行拆開硬盤蓋，否則空氣中的灰塵進入盤內，磁頭讀／寫操作時劃傷盤片或磁頭的可能性將大大增加，所以硬盤出現故障時決不允許在普通條件下拆開盤體外殼螺釘。
　　3．防止震動
　　硬盤是十分精密的設備，工作時磁頭在盤片表面的浮動高度只有幾微米。不工作時，磁頭與盤片是接觸的。硬盤在進行讀寫操作時，一旦發生較大的震動，就可能造成磁頭與數據區相撞擊，導致盤片數據區損壞或劃盤，甚至丟失硬盤內的文件信息。因此在工作時或關機后，硬盤主軸電機尚未停機之前，嚴禁大幅度移動筆記本電腦，以免硬盤的磁頭與盤片產生撞擊，擦傷盤片表面的磁層。
　　4．防止環境潮濕及磁場的影響
　　在潮濕的季節使用筆記本電腦時，要注意使環境干燥或經常給系統加電，靠其自身發出的熱量將機內水汽蒸發掉。另外，盡可能不要使硬盤靠近強磁場，如音箱、喇叭、電機、電臺等，以免硬盤里所記錄的數據因磁化而受到破壞。
　　5．防止電腦病毒對硬盤的破壞
　　電腦病毒對硬盤中存儲的數據是一個很大的威脅，所以應利用版本較新的抗病毒軟件對硬盤進行定期的病毒檢測，發現病毒，應立即采取辦法清除。盡量避免對硬盤進行格式化，因為硬盤格式化會丟失全部數據并減少硬盤的使用壽命。當從外來軟盤拷貝信息到硬盤時，先要對軟盤進行病毒檢查，防止硬盤由此染上病毒，
　　6．合理的分區
　　硬盤分區的大小似乎與維護磁盤的關系不是很大，但分區的合理與否，其實是與日后的維護、升級操作系統和優化等密切相關的，絕對不可忽視。一開始設置好適當的分區大小，會免去很多不必要的麻煩，并能方便日后的管理。
　　7.整理磁盤碎片
　　對某些用戶而言，磁盤碎片整理似乎是每天必做的事，但如果是將系統的虛擬內存放在一個獨立的分區里的話，則Windows系統所產生的Win386．SWP就會在連續的空白簇內產生，而且每次都是這樣。因此，由虛擬內存產生的磁盤碎片并不存在，這就消除了磁盤碎片的一大產生源泉。而且，由于碎片對音頻、視頻文件播放的影響幾乎可以忽略(播放速度和質量取決于內存緩沖區的設置和CPU的能力)，如果用戶不是大量寫入和刪除文件的話，一般只有C盤因為瀏覽器會產生磁盤碎片(系統默認路徑，如果更改了，應該整理緩沖臨時文件所在的分區)，此時整理好C盤足可。其余的裝歌曲MP3、視頻和游戲的分區，一個月甚至兩個月整理一次就行了。因為系統的速度是取決于裝操作系統的分區的，只要C盤的Windows系統文件保持了連續整齊，其他分區的數據結構對系統速度和穩定性影響很小。當然，如果用戶在其他分區也存放了要經常編輯或刪改的文件，也應該經常整理這些分區。
　　8．盡量不要使用硬盤壓縮技術
　　以前，在硬盤空間較小時，我們總是想方設法地節省硬盤空間，常見的方法是通過Doublespace、Drvspace命令來壓縮硬盤空間，但當壓縮卷文件逐漸增大時，這種方法就有一個很明顯的缺點，那就是硬盤讀寫數據的速度大大減慢了。隨著硬盤技術的飛速發展，磁盤的容量也是節節攀高，所以現在很難出現硬盤空間經常不夠用的情況了，我們也沒有必要再使用硬盤壓縮技術。
　　9．備份硬盤分區表
　　備份硬盤分區表和檢查備份的完好性對于保護硬盤上的數據也是相當重要的，因為 Windows操作系統壞了可以重裝，而如果硬盤分區表壞了，系統就會認不出硬盤，問題也就嚴重多了。我們可以利用KV3000或Ghost等工具將整個Windows系統分區備份成一個文件，并將其單獨存放，在因硬盤分區表出現問題而導致硬盤錯誤時，將其重新寫入C盤即可。
　　再者，新安裝的Windows系統在經過2、3個月的使用后，無論如何進行優化，想保持原來的速度幾乎是不可能的事，而如果我們備份了整個Windows系統分區的話，定期將其寫入C盤就可以了?？傊瑐浞菀粋€分區和整體Windows狀態比單獨地備份幾個注冊表的核心文件能解決的問題多，操作也相對簡單。
　　五、如何給筆記本電腦硬盤合理分區
　　如何對筆記本電腦的硬盤進行分區才能使系統更加穩定，達到比較好的運行速度，在出現故障時也能夠迅速恢復，這是一個比較復雜的問題，也是一個仁者見仁、智者見智的問題。
　　1．分區格式簡介
　　給硬盤設置分區，涉及到分區格式的一點小知識。在Windows95剛推出及之前的PC操作系統里，主要是FAT格式大行其道，Windows NT也支持這種格式，但主要是采用NTFS格式。在Windows950SR／2版本之后，FAT32開始成為硬盤分區的主要格式，它的好處是可劃分的簇更小，能更有效地利用磁盤空間儲存管理多個小文件的數據類型，并支持大分區容量，而且現在除了WindowsNT和太陳舊的Windows95標準版以及DOS7．0以下的系統外，能被微軟公司推出的所有Windows操作系統支持，通用性強。在Windows 2000出現以后， NTFS格式也因為其安全性能良好、管理權限分配方便等特性，開始被大量PC用戶使用。
　　就單機狀態、一般用途而言，不建議初學者把分區劃分為NTFS格式，因為這樣系統出問題不能啟動的時候，用DOS系統盤引導是識別不出這種格式的分區的，用為Windows NT或Windows 2000特別制作的幾張引導盤來啟動系統，又慢又不方便。所以，下面要討論的主要是FAT32分區的劃分方法。
　　2．分區規劃
　　將硬盤分割成幾個分區以及每一個分區占有多大容量，取決于用戶自己的想法。有些人喜歡將整個硬盤規劃為單一分區，有些人則認為分割成多個分區比較利于管理。例如，分割成兩個分區，一個儲存操作系統文件，另一個儲存應用程序文件；或者一個儲存操

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