硬磁盘驱动器和控制器
硬盘的名词解释
硬盘的名词解释硬盘是一种常见的计算机存储设备，用于存储和获取数据。
它是计算机系统中重要的组成部分，被广泛应用于个人电脑、服务器和其他电子设备中。
在本文中，我将详细解释硬盘的概念、工作原理以及不同类型的硬盘。
一、硬盘的概念硬盘，全称为“硬磁盘驱动器”，是一种数据存储设备，使用磁性材料在旋转的盘片上进行数据存储。
它由若干个圆形盘片叠合而成，在盘片上使用磁道和扇区的组合来储存和读取数据。
硬盘一般连接到计算机的主板上，并通过数据线和电源线与计算机进行通信。
二、硬盘的工作原理硬盘的工作原理基于磁储存技术。
硬盘表面覆盖着磁性材料，每个盘片上都有一个或多个磁道，每个磁道又被划分为多个扇区。
磁头是负责读写数据的装置，它位于硬盘机箱内部，并能在盘片的表面上非常接近的磁道进行移动。
当计算机需要读取硬盘上的数据时，首先通过操作系统的请求，硬盘控制器会将磁头定位在所需数据所在的磁道上。
然后，通过磁头上的读取器/写入器，可以读取或写入数据到扇区上，数据以磁信号的形式被记录在磁道上。
读取数据时，磁头会接触到硬盘旋转的盘片，通过感应磁场变化来读取数据。
三、硬盘的类型1. 机械硬盘（HDD）机械硬盘是目前使用最为广泛的硬盘类型。
它由磁盘驱动器和控制电路板组成，通过电动机驱动盘片旋转和臂式驱动器来读取和写入数据。
机械硬盘的优点是存储容量大、成本相对较低，但其读写速度相对较慢，且容易受到磁场干扰。
2. 固态硬盘（SSD）固态硬盘采用闪存芯片来存储数据，相比机械硬盘，它没有任何移动部件，因此具有更快的读写速度和更低的延迟。
SSD的存储单元是基于闪存芯片，使用电子电荷记录和读取数据。
固态硬盘体积小、重量轻、能耗低，但成本较高。
由于其高性能，SSD在高端计算机和服务器上得到广泛应用。
3. 混合硬盘（Hybrid HDD）混合硬盘结合了机械硬盘和固态硬盘的优点。
它在外观上与机械硬盘相似，但内部结构中嵌入了一小块闪存作为缓存。
这样设计的目的是通过将常用数据存储在闪存中，提高读取速度。
计算机组成原理第七章
磁记录原理
磁性材料的物理特性 磁表面存储器的读写原理
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读操作：当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯 读操作：当磁头经过载磁体的磁化元时， 是良好的导磁材料， 是良好的导磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而 形成闭合磁通回路。 形成闭合磁通回路。不同极性的磁化元在铁芯里的方向 是不同的。 是不同的。 写操作：当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时， 写操作：当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯 内就产生一定方向的磁通。 内就产生一定方向的磁通。
磁表面存储
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用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体 存储信息 优点
存储容量大， 存储容量大，位价格低 记录介质可以重复使用 记录信息可以长期保存而不丢失 非破坏性读出， 非破坏性读出，读出时不需要再生信息
– –
缺点
存取速度慢，机械结构复杂， 存取速度慢，机械结构复杂，对工作环境要求高
通常用作辅助大容量存储器使用
磁盘存储器的技术指标
采用定长数据块格式， 【例题1解】：(4)采用定长数据块格式，直接寻址的最小单 例题 解 采用定长数据块格式 位是一个记录块(一个扇区 一个扇区)， 位是一个记录块 一个扇区 ，每个记录块记录固定字节数目 的信息，在定长记录的数据块中， 的信息，在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式 可用如下格式： 可用如下格式：
第七章
外围设备
外围设备 磁记录原理 磁盘驱动器 磁盘控制器 磁盘存储器
教学要求
重点和难点
外围设备的一般功能 磁记录原理 磁盘的组成 磁盘驱动器和控制器 磁盘上的信息分布 磁盘存储器的技术指标
主要内容
外围设备概述 磁盘存储设备 磁盘存储设备的技术发展 磁带存储设备 光盘和磁光盘存储设备
RAID技术简介
RAID技术简介RAID是利用若干台小型硬磁盘驱动器加上控制器按一定的组合条件，而组成的一个大容量、快速响应、高可靠储子系统。
由于可有多台驱动器并行工作，大大提高了存储容量和数据传输率，而且由于采用了纠错技术，提可靠性。
硬盘阵列是视频网络系统中非常重要的一个环节，硬盘阵列的容量、速度、稳定性往往决定整个网络能。
RAID通常是由在硬盘阵列塔中的RAID控制器或电脑中的RAID卡来实现的。
在通常情况下，RAID有如分类：RAID0：由多个硬盘并发协同工作完成数据的读写，数据被均匀分布在各个硬盘上，一般情况下，使用的硬盘读写的速度越快。
RAID0的特点是读写速度快，并且价格便宜；缺点是安全性相对较差，因为在RAID0中的一盘出现故障时，整个阵列的数据将会丢失。
RAID0是最快和最有效的磁盘阵列类型，但没有容错功能。
RAID1：称为磁盘镜像。
原理是在两个硬盘之间建立完全的镜像，即所有数据会被同时存放到两个物理硬盘一个磁盘出故障时，仍可从另一个硬盘中读取数据，因此安全性得到保障。
但系统的成本大大提高，因为系统际有效硬盘空间仅为所有硬盘空间的一半。
RAID 0+1：为RAID0和RAID1的组合，即由两个完全相同配置的RAID0形成镜像关系，既提高了阵列的读度，又保障了阵列数据的安全性，当然，为此付出的代价同样是价格昂贵。
RAID3：是把数据分成多个“块”，按照一定的容错算法，存放在N+1个硬盘上，实际数据占用的有效空间为硬盘的空间总和，而第N+1个硬盘上存储的数据是校验容错信息，当这N+1个硬盘中的其中一个硬盘出现故从其它N个硬盘中的数据也可以恢复原始数据，这样，仅使用这N个硬盘也可以带伤继续工作（如采集和回放素当更换一个新硬盘后，系统可以重新恢复完整的校验容错信息。
由于在一个硬盘阵列中，多于一个硬盘同时出障率的几率很小，所以一般情况下，使用RAID3，安全性是可以得到保障的。
与RAID0相比，RAID3在读写速面相对较慢。
电脑硬盘选择指南HDDSSD和NVMe的优缺点
电脑硬盘选择指南HDDSSD和NVMe的优缺点电脑硬盘选择指南：HDD、SSD和NVMe的优缺点随着科技的进步和电脑存储需求的增加，人们对于硬盘的选择变得越来越重要。
本文将介绍传统硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）以及新一代存储设备NVMe的优缺点，帮助您在购买时做出明智的决策。
一、传统硬盘（HDD）传统硬盘，即硬盘驱动器（Hard Disk Drive，HDD），是目前仍然广泛使用的存储设备之一。
HDD使用旋转磁盘来存储数据，并通过磁头进行读写操作。
以下是HDD的一些优缺点：1. 优点a. 容量大：相对于其他硬盘类型，HDD的容量通常更大，可以满足大量数据存储的需求。
b. 价格低廉：与其他类型相比，HDD的价格相对较低，这使得它成为大多数用户的选择。
2. 缺点a. 速度较慢：相对于SSD和NVMe，HDD的读写速度较慢，这会导致系统的响应速度较慢。
b. 较大体积：HDD的机械结构使得它相对较大和笨重，不适合对电脑尺寸和便携性有要求的用户。
c. 耐用性差：由于机械组件的使用，HDD的耐用性相对较低，并且容易受到物理冲击的影响。
二、固态硬盘（SSD）固态硬盘，即固态驱动器（Solid State Drive，SSD），是一种使用闪存芯片存储数据的硬盘类型。
SSD在市场上的份额不断增长，其优点主要有以下几点：1. 优点a. 速度快：相对于HDD，SSD的读写速度更快，可以大大提高系统的响应速度和启动时间。
b. 体积小：SSD采用了无机械结构的设计，体积较小，适合超薄和轻薄型计算机。
c. 耐用性强：没有机械部件，SSD对震动和冲击的抵抗能力更强，具有更高的耐用性。
d. 低功耗：相对于HDD，SSD功耗更低，可以延长电池续航时间。
2. 缺点a. 价格相对较高：尽管SSD的价格不断下降，但它仍然比HDD昂贵，对于大容量需求的用户来说，成本较高。
b. 容量受限：与HDD相比，SSD目前的最高容量较低，无法满足某些大容量存储需求的用户。
硬盘物理结构及工作原理
硬盘的工作过程
硬盘驱动器加电后，硬盘电路板上的主控芯片中的DSP（数字信号处理器）开始 对硬盘进行初始化；即DSP首先运行ROM中的程序，部分硬盘会检查各部件的完整 性，然后盘片电机起转，当转速达到预定转速时，盘片转速引起一定的气流托起磁头， 磁头开始运动，并定位到盘片的固件区，读取硬盘的固件程序和坏道表（固件区在硬 盘上的物理位置并不是一定的，完全由硬盘的设计决定；同时，并不是所有的固件都 一定要写在盘片上，在硬盘的所有固件中，只有硬盘的密码是一定写在其固件区的）， 在固件被正常读出后，硬盘初始化完成。接着主轴电机将启动并带动磁盘高速旋转， 同时音圈电机启动，带动磁头移动到硬盘的0柱面0磁头1扇区（也就是我们常说的0 道），处于等待指令的启动状态。 接下来，电脑运行一个应用程序时，应用程序通过操作系统的API（Application Programming Interface，应用程序接口）发出调用数据请求到CPU，然后CPU发出指 令，当硬盘接口电路接收到电脑的CPU传来的指令信号后，通过硬盘微处理器向电机 驱动芯片发出控制信号，接着电机驱动芯片将此信号翻译成电压驱动信号，驱动主轴 电机和音圈电机转动，进而带动盘片转动，并将磁头移动到数据所在的扇区；这时根 据感应阻值变化的磁头会读取磁盘上的数据信息。同时将读取的数据信息传送到磁头 信号放大芯片，磁头芯片将信号放大后，再传送到前置信号处理器，前置信号处理器 将接收到的模拟信号解码后再传送到数字信号处理器，数字信号处理器再对数据信号 进行进一步加工，转为数字信号，之后传送到接口电路；接口电路将数据转换成电脑 能识别的接口数据信号后，反馈给电脑系统，完成指令操作。最后硬盘微处理器向磁 头发出归位控制信号，使磁头归位。磁头又处于等待指令的启动状态，如下图所示为 硬盘工作过程图。
硬盘内部结构
1、硬盘的组成硬盘大家一定不会陌生，我们可以把它比喻成是我们电脑储存数据和信息的大仓库。
一般说来，无论哪种硬盘，都是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部份组成。
所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。
而所有盘片之间是绝对平行的，在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小。
所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。
磁头可沿盘片的半径方向动作，而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。
由于硬盘是高精密设备，尘埃是其大敌，所以必须完全密封。
2、硬盘的工作原理硬盘在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区.硬盘的每个盘片的每个面都有一个读写磁头，磁盘盘面区域的划分如图所示。
磁头靠近主轴接触的表面，即线速度最小的地方，是一个特殊的区域，它不存放任何数据，称为启停区或着陆区（Landing Zone），启停区外就是数据区。
在最外圈，离主轴最远的地方是“0”磁道，硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。
那么，磁头是如何找到“0”磁道的位置的呢？在硬盘中还有一个叫“0”磁道检测器的构件，它是用来完成硬盘的初始定位。
“0”磁道是如此的重要，以致很多硬盘仅仅因为“0”磁道损坏就报废，这是非常可惜的。
早期的硬盘在每次关机之前需要运行一个被称为Parking的程序，其作用是让磁头回到启停区。
现代硬盘在设计上已摒弃了这个虽不复杂却很让人不愉快的小缺陷。
硬盘不工作时，磁头停留在启停区，当需要从硬盘读写数据时，磁盘开始旋转。
旋转速度达到额定的高速时，磁头就会因盘片旋转产生的气流而抬起，这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。
盘片旋转产生的气流相当强，足以使磁头托起，并与盘面保持一个微小的距离。
这个距离越小，磁头读写数据的灵敏度就越高，当然对硬盘各部件的要求也越高。
早期设计的磁盘驱动器使磁头保持在盘面上方几微米处飞行。
计算机基础第1章练习题(答案)
一．对于计算机的出生与发展1.一般以为，世界上第一台电子数字计算机出生于 __A____。
2.以下对于世界上第一台电子计算机ENIAC的表达中，错误的选项是__D____。
C.它主要用于军事目的和科学计算，比如弹道计算[分析] ENIAC是第一台电子计算机的英文缩写。
从第二代计算机才开始引入高级程序语言BASIC和ForTran等，所以D是错的。
3.目前，微型计算机中宽泛采纳的电子元器件是__D____。
[分析]略4.初期的计算机体积大、耗电多、速度慢，其主要原由是限制于__D____。
D.元器件 -----初期的计算机元器件是电子管，其体积大、耗电多。
[分析]略二．计算机的分类1.计算机可分为数字计算机、模拟计算机和数模混淆计算机，这类分类是依照__B____。
B.办理数据的方式（或办理数据的种类）[分析]目前学习、办公和生活中使用的计算机属于电子数字计算机，但也有一些场合使用模拟计算机。
电子数字计算机办理的是失散数据（用“1”或“0”表示，即所谓的二进制数），模拟计算机办理的数据是连续（比如声音、温度等物理量）。
假如电子计算机按使用的用途或范围来分类，则能够分为“通用计算机和专用计算机”，我们此刻个人电脑都属于通用计算机。
2.电子计算机按规模和办理能力区分，能够分为__C___。
C.巨型计算机、中小型计算机和微型计算机D.科学与过程计算计算机、工业控制计算机和数据计算机[分析]巨型计算机体积大，速度快、储存容量大，而微型计算机相对而言体积小、办理速度、容量均小，我们工作学习中使用的计算机均属于微型计算机，又称为个人计算机即PC(Personal Computer)机。
3.个人计算机简称PC机，这类计算机属于__A___。
[分析] PC机全称是：Personal Computer。
三．计算机的主要特色1.计算机的主要特色是___C___。
A.运算速度快、储存容量大、性能价钱比低B.运算速度快、性能价钱比低、程序控制C.运算速度快、自动控制、靠谱性高D.性能价钱比低、功能全、体积小[分析]计算机的性能价钱比（即性价比）一般来说是比较高的。
san磁盘阵列的组成
san磁盘阵列的组成SAN（Storage Area Network）磁盘阵列是一种用于存储数据的高性能、高可靠性的存储解决方案。
它通常由多个硬盘驱动器组成，通过专用的网络连接到服务器，提供大容量、高速度的数据存储和访问。
SAN磁盘阵列的主要组成部分包括以下几个方面：1. 硬盘驱动器，SAN磁盘阵列通常由多个硬盘驱动器组成，这些硬盘驱动器可以是传统的机械硬盘或者固态硬盘。
它们提供了实际存储数据的物理介质。
2. RAID 控制器，RAID（Redundant Array of Independent Disks）控制器是SAN磁盘阵列中的重要组成部分，它负责管理硬盘驱动器的数据存储和保护。
RAID控制器可以根据不同的RAID级别（如RAID 0、RAID 1、RAID 5等）来实现数据的分布、备份和恢复，提高数据的可靠性和性能。
3. 存储网络，SAN磁盘阵列使用专门的存储网络连接到服务器，常见的存储网络技术包括光纤通道（Fibre Channel）和以太网技术（如iSCSI）。
存储网络可以提供高带宽、低延迟的数据传输，确保服务器能够快速、可靠地访问存储数据。
4. 存储交换机，存储交换机是连接SAN磁盘阵列和服务器的关键设备，它们负责数据在存储网络中的路由和转发，确保数据能够快速、安全地传输。
5. 存储管理软件，SAN磁盘阵列通常配备了专门的存储管理软件，用于管理和监控存储资源、实现数据备份和恢复、优化存储性能等功能。
总的来说，SAN磁盘阵列的组成包括硬盘驱动器、RAID控制器、存储网络、存储交换机和存储管理软件等多个组件，它们共同工作，为企业提供高性能、高可靠性的数据存储解决方案。
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位置称为“索引”。索引标志在传感器检索下可产生脉冲信号，再通过磁 盘控制器处理，便可定出磁道起始位置。 磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据，因此读／写操作是以扇区为单位 一位一位串行进行的。每一个扇区记录一个记录块。数据在磁盘上的记录 格式如下图所示。 每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标脉冲。扇标脉冲的出现即标志一 个扇区的开始。两个扇标脉冲之间的一段磁道区域即为一个扇区（一记录 块）。每个记录块由头部空白段、序标段、数据段、校验字段及尾部空白 段组成。其中空白段用来留出一定的时间作为磁盘控制器的读写准备时间， 序标被用来作为磁盘控制器的同步定时信号。序标之后即为本扇区所记录 的数据。数据之后是校验字，它用来校验磁盘读出的数据是否正确。
由于控制器与驱动器之间的任务分工没有明确的界限，因而控制器与驱动器之间 的交界面划分有多种方式。如果交界面设在A处，驱动器只完成读写和放大， 因而数据分离以后的控制逻辑构成磁盘控制器，例如 ST506磁盘控制器是插在 PC机总线上的一块电路板，控制器与设备之间就采用了这种形式的接口。如果 交界面设在B处，则在驱动器中包含数据分离器，而磁盘控增强型小型设备接口）属于这种形。第三种 方式是将接口交界面设在C处，磁盘控制器的功能全部转移到设备中，主机与 设备之间采用标准的通用接口。例如SCSI（小型计算机系统接口）、IPI（智能 外设接口）属于这种形式。 目前的发展趋势是采用B，C两种接口形式，增强设备的功能，以使设备相对独 立。
7.4.4 磁盘上信息的分布
盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为记录面 记录面。记录面上一系列 记录面 同心圆称为磁道 磁道。每个盘片表面通常有几十到几百个磁道，每个磁道又分为若干 磁道 个扇区。如下图所示。 磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0磁道，最里面的一个同心 圆叫n磁道，n磁道里面的圆面积并不用来记录信息。扇区的编号有多种方法，可 以连续编号，也可间隔编号。磁盘记录面经这样编址后，就可用n磁道 扇区 磁道m扇区 磁道 扇区的磁 盘地址找到实际磁盘上与之相对应的记录区。除了磁道号和扇区号之外，还有记 录面的面号 面号，以说明本次处理是在哪一个记录面上。例如对活动头磁盘组来说， 面号 磁盘地址是由记录面号(也称磁头号)、磁道号和扇区号三部分组成。 在磁道上，信息是按区存放的，每个区中存放一定数量的字或字节，各个区存放的 字或字节数是相同的。为进行读/写操作，要求定出磁道的起始位置，这个起始
在可移动磁头的磁盘驱动器中，驱动磁头沿盘面径向位置运动以寻找目标磁道 位置的机构叫磁头定位驱动系统，它由驱动部件、传动部件、运载部件（磁头 小车）组成。当磁盘存取数据时，磁头小车的平移运动驱动磁头进入指定磁道 的中心位置，并精确地跟踪该磁道。目前磁头小车的驱动方式主要采用步进电 机和音圈电机两种。步进电机靠脉冲信号驱动，控制简单，整个驱动定位系统 是开环控制，因此定位精度较低，一般用于软磁盘驱动器和道密度不高的硬磁 盘驱动器。音圈电机是线性电机，可以直接驱动磁头作直线运动，整个驱动定 位系统是一个带有速度和位置反馈的闭环控制系统，驱动速度快，定位精度高， 因此用于较先进的磁盘驱动器。 主轴系统的作用是安装盘片，并驱动它们以额定转速稳定旋转。其主要部件是主 轴电机和有关控制电路。 数据转换系统的作用是控制数据的写入和读出，包括磁头、磁头选择电路、读写 电路以及索引、区标电路等。
7.4.3 硬磁盘驱动器和控制器
1.磁盘驱动器 磁盘驱动器 磁盘驱动器
磁盘驱动器是一种精密的电子和机械装置，因此各部件的加工安装有严格的技 磁盘驱动器 术要求。对温盘驱动器，还要求在超净环境下组装。各类磁盘驱动器的具体结构 虽然有差别，但基本结构相同，主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统 定位驱动系统、 定位驱动系统 组成。图7.15是磁盘驱动器结构示意图。
2.磁盘控制器 磁盘控制器 磁盘控制器
磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。由于磁盘存储器是高速外存设备， 磁盘控制器 故与主机之间采用成批交换数据方式。作为主机与驱动器之间的控制器，它需 要有两个方面的接口：一 个是与主机的接口，控制外存与主机总线之间交换数 据；另一个是与设备的接口，根据主机 命令控制设备的操作。前者称为系统级 系统级 接口，后者称为设备级接口 设备级接口。 接口 设备级接口 主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑如图所示： 磁盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进行数据与时钟的分离， 再进行串-并变换、格式变换，最后送入数据缓冲器，经DMA（直接存储器传送） 控制将数据传送到主机总线。