《计算机组装与维护(第二版)》 第5章

第5章 微机辅助存储设备
➢5.1 硬盘 ➢5.2 光盘驱动器 ➢5.3 移动存储盘 ➢小结
5.1 硬 盘
5.1.1 硬盘的物理结构 硬盘是一种主要的电脑存储媒介，其内部由一个或者
多个铝制或者玻璃制的碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁 性材料，如图5-1所示。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永 久性地密封固定在硬盘驱动器中。不过，现在可移动硬盘 越来越普及，种类也越来越多。
5.1.2 硬盘的逻辑结构 1. 硬盘参数 人们常说的硬盘参数是CHS(Cylinder/Head/Sector)参数。
那么为什么要使用这些参数？它们的意义是什么? 它们的 取值范围是什么?
很久以前，硬盘的容量还非常小的时候，人们采用与 软盘类似的结构生产硬盘。也就是硬盘盘片的每一条磁道 都具有相同的扇区数。由此产生了所谓的3D参数(Disk Geometry),即磁头数(Heads)、柱面数(Cylinders)、扇区数 (Sectors)，以及相应的寻址方式。
为了与使用3D寻址的老软件(如使用BIOS Int 13H接口 的软件)兼容，在硬盘控制器内部安装了一个地址翻译器， 由它负责将老式3D参数翻译成新的线性参数。这也是为什 么现在硬盘的3D参数可以有多种选择的原因(不同的工作 模式对应不同的3D参数，如LBA、LARGE、NORMAL)。
4. 扩展Int 13H简介 虽然现代硬盘都已经采用了线性寻址，但是由于基本 Int 13H的制约，使用BIOS Int 13H 接口的程序，如DOS等 还只能访问8 G以内的硬盘空间。为了打破这一限制， Microsoft等几家公司制定了扩展Int 13H标准(Extended Int 13H)，采用线性寻址方式存取硬盘，突破了8 G的限制， 而且还加入了对可拆卸介质(如活动硬盘)的支持。
其中： 磁头数(Heads)表示硬盘总共有几个磁头，也就是有几 面盘片，最大为255(用8个二进制位存储)； 柱面数(Cylinders)表示硬盘每一面盘片上有几条磁道， 最大为1023(用10个二进制位存储)； 扇区数(Sectors)表示每一条磁道上有几个扇区，最大 为63(用6个二进制位存储)。 每个扇区一般是512个字节，理论上讲这不是必需的， 但好像没有取别的值的。
这样，在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化， 以得到最好的读/写性能。另外，MR磁头是通过阻值变化 而不是电流变化去感应信号幅度的，因而对信号变化相当 敏感，读取数据的准确性也相应提高。而且由于读取的信 号幅度与磁道宽度无关，故磁道可以做得很窄，从而使盘 片密度达到200 MB/in2(使用传统的磁头只能达到 20 MB/in2)，这也是MR磁头被广泛应用的最主要原因。目 前，MR磁头已得到广泛应用，而采用多层结构和磁阻效 应更好的材料制作的GMR磁头(Giant Magnetoresistive heads)也逐渐普及。
所以磁盘最大容量为 255 × 1023 × 63 × 512/1 048 576 = 7.837 GB(1 MB = 1 048 576 Byte) 硬盘厂商常用的计算公式为 255 × 1023 × 63 × 512/1 000 000 = 8.414 GB(1 MB = 1 000 000 Byte) 在CHS寻址方式中，磁头、柱面、扇区的取值范围分 别为0到Heads - 1、0到Cylinders-1、1到Sectors(注意是从1 开始的)。
3. 扇区 磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便 是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息。磁 盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。 1.44 MB的3.5英寸的软盘，每个磁道分为18个扇区。
4. 柱面 硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分 为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同 编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。磁盘的柱 面数与一个盘面上的磁道数是相等的。由于每个盘面都有 自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。所谓硬盘的 CHS，即Cylinder(柱面)、Head(磁头)、Sector(扇区)，只要 知道了硬盘的CHS的数目，即可确定硬盘的容量，即 硬盘的容量 = 柱面数 × 磁头数 × 扇区数 × 512 B
图5-1 硬盘内部结构源自1. 磁头 磁头是硬盘中最昂贵的部件，也是硬盘技术中最重要 和最关键的一环。传统的磁头是读、写合一的电磁感应式 磁头，但是硬盘的读、写却是两种截然不同的操作，为此， 这种二合一磁头在设计时必须同时兼顾读、写两种特性， 从而造成了硬盘设计上的局限。而MR磁头 (Magnetoresistive heads)，即磁阻磁头采用的是分离式的磁 头结构：写入磁头仍采用传统的磁感应磁头(MR磁头不能 进行写操作)，读取磁头则采用新型的MR磁头，即所谓的 感应写、磁阻读。
2. 磁道 当磁盘旋转时，磁头在磁盘表面划出的圆形轨迹就叫 做磁道。这些磁道用肉眼是根本看不到的，因为它们仅是 盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息便 是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的， 这是因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响，同时 也为磁头的读写带来困难。一张1.44 MB的3.5英寸软盘， 一面有80个磁道；而硬盘上的磁道密度则远远大于此值， 通常一面有成千上万个磁道。
2. 基本Int 13H调用简介 BIOS Int 13H调用是BIOS提供的磁盘基本输入输出中 断调用，它可以完成磁盘(包括硬盘和软盘)的复位、读/写、 校验、定位、格式化等功能。它使用的就是CHS寻址方式， 因此最大能访问8 GB左右的硬盘(本书中如不作特殊说明， 均以1 MB = 1 048 576 Byte为单位)。
3. 现代硬盘结构简介 在老式硬盘中，由于每个磁道的扇区数相等，所以外 道的记录密度要远低于内道， 因此会浪费很多磁盘空间 (与软盘一样)。为了解决这一问题，进一步提高硬盘容量， 人们改用等密度结构生产硬盘。也就是说，外圈磁道的扇 区比内圈磁道多。采用这种结构后，硬盘不再具有实际的 3D参数，寻址方式也改为线性寻址，即以扇区为单位进行 寻址。