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转 硬盘磁头技术  

2010-05-11 22:39:36|  分类: 存储器 |  标签: |举报 |字号 订阅

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        众所周知,磁头在硬盘中的地位是占有着相当的比重的,就如录像机没有磁头不能进行播放一样。

  硬盘同理,失去了磁头的硬盘如同废铜烂铁。故而磁头在硬盘中所担当任务是相当的重,他需要负责硬盘的读取与写入两个方面的工作。

  磁头的先进与否直接影响到了硬盘的使用寿命已经硬盘的性能,一直以来磁头的换代就意味着硬盘的革新。我们可以发现每一次硬盘磁头的技术革命,都将硬盘推向了又一个时代的技术高峰,因为硬盘的单碟容量,性能都与磁头有着非常密切的联系。这么长时间硬盘经历了太多的革命从中先后经历了:亚铁盐类磁头(MONOLITHIC HEAD)、MIG(METAL IN GAP)磁头、薄膜磁头(THIN FILM HEAD)。

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这些磁头的年份较早技术相对落后很多,他们的技术仅仅停留在读写合一的电磁感应式磁头上,问题是硬盘的读取、写入是两种完全不同的状况,因此,这种2IN1的磁头设计时必须兼顾读写,进行全面发展,这样只能是杂而不专。就如同早期的COMBO机器一样,他不管性能,还是寿命肯定不及单独买刻录机,DVD来的强。这样无形中就对硬盘的发展造成了一个瓶颈。

  随后更为先进的磁头出世了,那就是之前历史回顾中所介绍的MR HEAD(磁阻磁头),之后又出现了直到现在仍在使用的GMR(巨磁阻磁头)这两个技术产品则是具有跨时代意义的,终于将分离式的磁头成为可能,实现了读写分离结构,也就是我们现在经常说道的感应写,磁阻读。

  在设计当中就可以针对读和写的不同特性分别进行优化,以求得更出色的硬盘性能。当然因为密度加大,磁盘的磁道相应可以做得更小,自然单碟容量也有了质的飞跃。

       电机就是我们俗称的马达,想必大家小时候玩过四驱车了顾名思义拉。它与自行车,四驱车一样的道理,不同的是前两者是通过做功来推动轮子走。而后者则是来带动盘片的运转。然而电机的性能指标也就是我们所说的硬盘转速。

  电机的发展一直是比较缓慢的,或者说很难有太多的突破。需要直到早期发明的硬盘体积庞大并不全因为是磁头的技术不够。有相当的一部分原因是在于电机的体积做不小,故而电机的发展方向一直是沿着先体积后转速再寿命的规律在前进的。

  因为他并没有如磁头那样大踏步的向前走,所以往往人们都比较对她不是相当的重视,也就没有那么多的文章拿他说事情了。再者电机的发展与电脑行业并没有太大的联系,它属于纯机械的行业。

  所以介绍革新也就没有相当的必要了。然而电机的发展也有一个临界值。如同磁头到了一定的状态相关联的一系列产物都让磁头成了阻碍他们发展的瓶颈。我们先看一下硬盘电机驱动盘片的原理:主轴马达带动盘片高速旋转,产生浮力使磁头如浮云般飘在盘片上方。要将所要存取资料的扇区带到磁头下方,转速越快,等待时间也就越短。

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  这里介绍的是一个简单的流程,但是一个文件并不是只转一次就可以顺利的完成读取或者写入工作的, 这样大量频繁的工作就能体现出电机转速高低所带来的区别。但是随着硬盘转速的提高所带来的副作用也是不能避免的,比如加剧了机械磨损、快速的运转导致温度直线上扬、同时噪声也增大了。这样的瓶颈需要消除,肯定是要从电机入手了。

  首先是西捷公司将一一直运用在精密机械工业上的液态轴承马达(Fluid dynamic bearing motors)引入到硬盘技术中。随后各个厂商纷纷跟进。使用液态轴承好处不言而喻,其一是避免了金属面的直接磨擦,这样有效的降低了温度,以及磨损;

  二是油膜可有效吸收震动,使抗震能力由以住的150G提高至1200G;三是理论上只要有膜没有磨损,寿命则无限长了,理论归理论,理论上雷锋塔不可能倒不也倒了?所以不要过于的沉醉于理论,只要知道它比以前的技术要出色就OK了。

          这是经常忽略的一个技术点,因为现在的硬盘盘片已经定型,至少最近不会再去进行技术革命。我们知道,硬盘的盘片如同光盘一样是计算机数据的载体,不严格的说它就是真正的“硬盘”。不言而喻,现在的计算机发展一直以来都在探索着如何使得盘片又再次飞跃性的进步,从而提高数据的安全系数与平滑性,在这条道路中有的因为第一个去吃明知道没有煮熟的螃蟹而壮烈牺牲,到下一个不知道又会是谁,当然我们还是会祝福他,总之硬盘盘片的发展还有很长的路要走,毕竟它将是继电机之后最必要革新的部件了。

  我们先看看我们的硬盘盘片是怎么一路走过来的。早期的硬盘盘片基本都使用了塑料材质作为基质,然后在塑料基质上涂上磁性材料就可构成硬盘的盘片。之后因为塑料的坚固程度,平滑程度都不能令人满意,铝质材料就应运而生了。

  我们现在所使用的盘片皆为铝制盘片,它拥有较好的坚固程度,和平滑系数,并且有好加工的物理特性,从侧面说它是一个能从价格与质量中找到平衡的盘片材料,然而之前也曾出现过以玻璃为盘基质的品种,这个就是我之前说,吃明知道没有熟螃蟹而倒掉的IBM公司(硬盘部门)当时采用玻璃盘片的硬盘推出的时候好评如潮,大家都以为硬盘盘片要开始进行革命了,可是谁知道过了两年之后迫使消费者发出了句话:革命尚未成功,同志仍需努力。

接口的发展

  我们之前所提到的均为影响硬盘内部传输速度的元件,然而接口则是影响外出传输速度的至关重要的元件。随着CPU,显卡,软件等等一系列的迅猛发展。硬盘的接口已经成了一种瓶颈(不管什么时代,硬盘的发展都是滞后的,因为它不单是半导体这么简单,前面提到了它是机械以及半导体的结合。)如同现在大学生就业这样子迫在眉睫。从我们现在所熟悉的IDE讲起吧,有些太久远的内容就不在这里详谈了。

  90年代,电脑行业开始在中国兴起,同时IDE与EIDE接口也开始了他的历史使命,我们先将它们细细分一下,IDE接口是从1986年开始执行的,他也叫做ATA。而在1993经过改良的ATA-2出来了,也就是EIDE(EIDE Enhanced IDE/Fast ATA),IDE(Integrated Drive Electronics)的本意实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器。

  可能朋友们对我说的IDE、ATA已经有些丈二和尚摸不着头脑了,别着急继续往下面看,我们常说的IDE接口,也叫ATA(Advanced Technology Attachment)接口,现在PC机使用的硬盘大多数都是IDE兼容的,只需用一根电缆将它们与主板或转接卡连接在一起就可以了。

         这确实是一次历史性的革命,准确的说是高明的确立了硬盘的中央集权,这样不光减少了硬盘接口的电缆数目与长度,同时数据传输的可靠性得到了增强,硬盘制造起来变得更容易,因为厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容,对用户而言,硬盘安装起来也更为方便。

  下面来详细介绍一下这两种接口:

  ATA-1(IDE)接口,ATA是最早的IDE标准的正式名称,IDE实际上是指连在硬盘接口的硬盘本身。ATA在主板上有一个插口,支持一个主设备和一个从设备,每个设备的最大容量为504MB,ATA最早支持的PIO-0模式(Programmed I/O-0)只有3.3MB/s,而ATA-1一共规定了3种PIO模式和4种DMA模式(没有得到实际应用),要升级为ATA-2,你需要安装一个EIDE适配卡。

  ATA-2 这是对ATA-1的扩展,它增加了2种PIO和2种DMA模式,把最高传输率提高到了16.7MB/s,同时引进了LBA地址转换方式,突破了老BIOS固有504MB的限制,支持最高可达8.1GB的硬盘。如你的电脑支持ATA-2,则可以在CMOS设置中找到(LBA,LogicalBlock Address)或(CHS,Cylinder,Head,Sector)的设置。

  其两个插口分别可以连接一个主设备和一个从设置,从而可以支持四个设备,两个插口也分为主插口和从插口。通常可将最快的硬盘和CD-ROM放置在主插口上,而将次要一些的设备放在从插口上,这种放置方式对于486及早期的Pentium电脑是必要的,这样可以使主插口连在快速的PCI总线上,而从插口连在较慢的ISA总线上。

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  之后稍稍进行改进的ATA-3(FastATA-2)又出台了,他没有对传输的速度进行具有飞跃的改进,而是加入了我们现在所熟知的S.M.A.R.T功能,全称Self-Monitoring,Analysis and Reporting Technology,自监测、分析和报告技术与简单的密码保护的安全方案。然而上面所说的IDE(ATA)和现在的标准相比还是相去甚远,他们的外部传输速度仅仅达到了最高16M/s的传输速度,当然这已经完全不能满足当时的传输需求了,随即当Intel与Quantum连手提出了。

ATA-4(UltraATA、UltraDMA、UltraDMA/33、UltraDMA/66/100/133)

  这就是我们现在所广泛使用的IDE技术了,最先由ATA33开始,他的外部传输速度一下子翻了以前一倍,达到了33M/s的速度(现在的光驱普遍接口标准)然而硬盘的传输速度的升级并没有就此打住.之后的改良版本到了ATA66 又进行了一次质的飞跃.将外部传输速度提升到了每秒66M的水平。

同时线材也随之改变,为了顺应更高速的传输需求早前的40PIN的线材已经没有办法满足66M/s的需要,所以他在原有40针电缆的基础上增加了40针的地线,目的是使线缆与线缆之间减少电磁干扰,以达到更高质量,稳定的数据传输要求.到了现在ATA的标准进行不断的改良升级,直到现在的ATA133接口.但是到了66M/s以后大家都明显的感觉到ATA技术已经走到了尽头。

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  虽然标准在不断的扩充外部传输速率的带宽,但是速度并没有明显的上扬.这样ATA100,133仅仅成为了一个噱头.成为了一个过渡的技术,难听的说就是一个待宰的羔羊.等待着下一个接替者.


SCSI接口

  它不属于家用机用户的使用范畴,因为高昂的价格(当然采用这个接口的硬盘性能,质量也是超出了家用机很多),但是现在宽带的普及越来越多的人认可了这个接口,他可以更方便,更高效率,进行数据的储存,输出,所以相当的一部分玩家,不管买他的二手盘也好,新盘也好,让他都成为了使用BT,制作FTP等的不二选择。

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  SCSI接口(Small Computer System Interface小型计算机系统接口)是一种与ATA完全不同的接口,它不是专门为硬盘设计的,而是一种总线型的系统接口,每个SCSI总线上可以连接包括SCSI控制卡在内的8个SCSI设备。SCSI的优势在于它支持多种设备,传输速率比ATA接口快得多,独立的总线使得它对CPU的占用率很低,所以它普遍应用于服务器等高端应用。

文章开始已经进行了一定的介绍,它是INTEL在2000年IDF会上提出的.他以改以前IDE接口的风格(并行ATA),而是使用连续串行的方式传送资料,在同一时间点内只会有1位数据传输,此做法能减小接口的针脚数目,用四个针就完成了所有的工作(第1针发出、2针接收、3针供电、4针地线)。

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  这样子的设计不光可以降低电力的消耗,同时间接的就降低了设备的温度.同时采用原生SATA的硬盘以后就少了跳线的烦恼.SATA的定义如同对等网,不管你插接多少个设备,每一个设备都是MASTER。这样的工作方式可以说对磁盘阵列是非常有利的,相信等待SATA-2的标准出台后.采用SATA作为阵列组成方式,将成为一个对于家庭来说十分具有性价比的选择。

http://blog.sina.com.cn/s/blog_44959fe401000cs0.html

 

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