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硬盘的内部结构

2020-07-18 21:21:00
admin668
原创
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D心1.4.1硬盘的永久性磁铁
硬盘的永久性磁铁如图1-17所示。
图1-17永久性磁铁实物图
永久性磁铁除了磁性以外,还有磁场力的作用。在硬盘中,就是利用了永久性磁铁的磁场力作用,这个力与音圈电动机产生的磁场力发生相互作用,通过改变音圈电动机上电压的大小、电流的方向,就可以改变音圈电动机上磁场力的大小和方向,就带动磁头摆动,这就是寻道和读/写数据
L心1.4.2硬盘的磁头组件
磁头组件包括磁头、音圈电动机、排线、磁头驱动臂等。
磁头是硬盘中对盘片进行读/写工作的工具,是硬盘中最精密的部件之一。磁头是用线圈缠绕在磁芯上制成的。硬盘在工作时,磁头通过感应旋转的盘片上磁场的变化来读取数据,通过改变盘片上的磁场来写入数据。为避免磁头和盘片的磨损,在工作状态时,磁头悬浮在高速转动的盘片上方,而不与盘片直接接触,只有在电源关闭之后,磁头会自动回到盘片上的固定位置(称为着陆区,此处盘片并不存储数据,是盘片的起始位置)。
磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环,实际上是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,加电后在高速旋转的磁盘表面移动,与盘片之间的间隙只有01~0.3um,这样可以获得很好的数据传输率。现在转速为7200pm的硬盘飞高一般都低于
0.3ym硬盘的寻道是靠移动磁头,而移动磁头则需要音圈电动机的驱动才能实现。磁头驱动机构由音圈电动机、磁头驱动小车、防振动装置构成。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位,并能在很短的时间内精确定位到指令指定的磁道。防振动装置在老硬盘中没有,它的作用是当硬盘受动强烈振动时,对磁头及盘片起到一定的保护使用,以避免磁头将盘片刮伤等情况的发生。这也是为什么旧硬盘的防振能力比现在新硬盘差得多的缘故。在磁头组件上,还有一个磁头芯片,它贴装在磁头组件上,用于放大磁头信号、磁头逻辑分配、处理音圈电动杋反馈信号等。该芯片出现问题可能会岀现磁头不能正确寻道、数据不能写入盘片、不能识别硬盘、异响等故障现象
磁头的前置信号处理器用于加工整理磁头芯片传来的数据信号。该芯片如出现问题可能会出现不能正确识别硬盘的故障现象。
磁头的数字信号处理器用于处理前置信号处理器传过来的数据信号,并对该信号解码或接收计算机传过来的数据信号,并对该信号进行编码。
下面重点回顾一个磁头技术的发展。
早期的磁头采用铁磁性物质,在磁感应敏感度上不是很理想,因此早期的硬盘单碟容量都比较低。单碟容量大则碟片上磁道密度大,但磁头感应程度不够,就无法准确读出数据这就造成早期的硬盘容量都很有限。随着技术的发展,磁头在磁感应敏感度和精密度方面都有了长足的进步。
最初磁头是读、写功能在一起的,这对磁头的制造工艺、技术都要求很高,而硬盘交换数据的过程中,读取数据远远快于写入数据,读、写操作二者的特性也完全不同。这也就导致了研发读、写分离的磁头,二者分别工作、各不干扰。下面介绍一下各种磁头的情况。
1990-1995年,硬盘采用薄膜感应(TEI)磁头读/写技术。TFI磁头实际上是绕线的磁芯。盘片在绕线的磁芯下通过时会在磁头上产生感应电压。TFI读磁头之所以会达到它的能
力极限,是因为在提高磁灵敏度的同时,它的写能力却减弱了。
20世纪90年代中期,希捷公司推出了使用AMR(Anisotropic Magneto Resistive)磁头的硬盘。AMR磁头使用TFI磁头来完成写操作,但用薄条的磁性材料来作为读元件。在有磁场存在的情况下,薄条的电阻会随磁场而变化,进而产生很强的信号。AMR磁头进一步
提高了面密度,而且减少了元器件数量。由于AMR薄膜的电阻变化量有一定的限度,AMR技术最大可以支持3.3GBim2的记录密度,所以AMR磁头的灵敏度也存在极限。这导致了GMR磁头的研发。
巨磁阻(Giant Magneto Resistive,GMR)磁头继承了TFI磁头和AMR磁头中采用的读/写技术。但它的读磁头,对于磁盘上的磁性变化,表现出更高的灵敏度。GMR磁头是由4层导电材料和磁性材料薄膜构成的,一个传感层、一个非导电中介层、一个磁性的栓层和一个交换层。GMR传感器的灵敏度比AMR磁头大3倍,所以能够提高盘片的密度和性能
CPP-GMR磁头,中文全称为垂直平面电流模式的大型抗磁化磁头,它是富士通公司开发出的一种新型读/写磁盘磁头技术。使用这一技术记录密度可高达300bin2。
光学辅助温氏(Optically Assisted Winchester,OAW)技术是 Seagate正在开发的一种新型磁头技术,它把传统的磁读/写头和低强度激光束结合在
起,激光束通过光纤进入磁
头,再通过一个微电动机驱动的镜子反射到磁盘表面,从而实现磁头的精确定位。
少心>心143硬盘的电动机
主轴电动机(其下面是轴承和电动机)用于带动盘片高速旋转。一直以来,硬盘电动机都在使用普通的滚珠轴承。这种轴承电动机应用了数十年之久,滚动元件按照几何学设计以尽量减小振动。这些振动产生的噪声,会导致设备工作不稳定,特别是在高转速的硬盘中,滚珠振动更难以消除。此外,在滚珠电动机中,振动将导致滚珠与滚珠轨道间的撞击,久而久之,这些轨道将永久性变性,会导致硬盘的工作噪声急剧增加,同时也可能导致硬盘电动机主轴振动,从而影响硬盘工作稳定性。因此,自2001年开始,硬盘厂商开始在IDE硬盘上,应用了比较新的液态轴承电动机(Fluid Dynamic Bearing Motors)技术,现在的硬盘大多使用液态轴承电动机。液态轴承电动机技术过去一直被应用于精密机械工业,其技术核心是用黏膜液油轴承、油膜代替滚珠,也就是说,它在转动的时候并未岀现金属接触,理论上就不会有磨损的问题。这使得轴承能够有效吸收外来的振动,保护轴承表面。使其能够承受更大的撞击力、延长了寿命,减小了噪声。液态轴承的优势是,避免了滚珠与轴承金属面的直接摩擦,使设备噪声及其发热量降至最低;油膜可有效地吸收振动,使设备的抗振能力得到提高:减少磨损,提高设备的工作可靠性和使用寿命。
硬盘内的噪声主要来自电动机组件的运动以及盘片的旋转风噪。细分之下,电动机的磁环(Magnet)、轴承柱(SmOr)、轴承(Bearing)以及盘片(Disk)是噪声根源
心D心>1.4.4硬盘的盘片
盘片是硬盘中承载数据存储的介质,硬盘中多个盘片叠加在一起,互相之间由垫圈隔开。硬盘盘片以坚固耐用的材料为盘基,其上附着磁性物质(微小的磁粉颗粒),表面被加工得相当平滑。因为盘片在硬盘内部高速旋转(有5400mpm、7200mpm、10000mm15000pm),所以对盘片的材料硬度和耐磨性要求很高,一般采用合金材料,多数为铝合金。
硬盘盘片随着硬盘的发展而不断进步,早期的硬盘盘片都使用塑料材料作为盘基,然后再在塑料盘基上涂上磁性材料就构成了硬盘的盘片。后来随着硬盘转速和容量的提高又出现
了金属盘基的盘片,金属材料的盘基具有更高的记录密度、更强的硬度,在安全性上也要强于塑料盘基。
IBM等厂商,还推出过以石英玻璃为盘基的“玻璃盘片”,但初期的玻璃盘片在发热等技术方面处理得并不得当,导致部分产品使用中极易出现故障。但是玻璃盘片是一种比铝更为坚固耐用的盘片材质,盘片高速运转时的稳定性和可靠性都有所提高,而且玻璃盘片表面更为平滑,技术上还是领先于金属盘片的。
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