机械硬盘基础知识

第一章 整体设计观念 9 第一章 整体設計觀念 第一章 整体设计观念

10 1.1 概 論 想成就一件事情，整体觀是非常重要的，因此，在進入硬碟机設計及各獨立章節前，我們特別安排此章，主要目的，即在幫助讀者，在研究此書進能隨時掌握此書之重點。

觀念一： 整体設計之最高准則為，這時 進入市場(Time to the Market),价 格(Cost),功能(Performance ),品質(Quality) 觀念二： 一切設計的開始進行，一 定是基于於市場的評估，已被充份肯 定，而設計之精神，又一定是無時無刻，環繞在，如何將資料籍者磁頭有 效無誤地寫入磁碟中。

1-2 基本理論 從上節概論中，讀者應該很清楚，全書之精神，其實就在研究如何將資料 ，從電腦主机存入硬碟机中，現在，我們即將從硬体(肉眼看得見的)与軟体(肉眼看不見的)之理論，展開一連串的定義与研究。首先，我們先介紹主要之 硬体結构，并簡單扼要地說明其功能，至於，詳細之功能將在以后各章 節中說明。

重點如下：  硬 碟机之硬体結构  碟碟机之軟 体結构  碟片瑕疵之處理

A.硬碟机之硬体結构

電路板部分(俗稱PCBA，PCB Assembly) 1. 介面 控制器(Interface Controller) : (1)將電腦中之資料接收，再經同讀寫通道IC.(Read /Write Channel)寫入磁 碟中。 (2)將磁碟中之資料，藉由讀定通道IC讀出，再將之傳回電腦主机。 2. 讀寫通道 IC (Read /Write Channel Chip): 負責 接收Controller 過來的命令，將資料寫入磁碟中或將磁碟中之資料 讀出。 3. 特制基体電路(Application Specific Integrated Circuit ,簡稱ASIC)： 處理或辨別特殊訊號，如 磁軌訊號(Gray Code )、磁區訊號(Sector ID)等 ，然后再將這些資料，傳中央處理單位(CPU)使 用。 4. 中央處理單位(CentralProcessingUnit,簡稱CPU):硬碟机之頭腦，負責指揮整体碟机。 5. 主軸馬達(Spindle Motor )及音圈馬達(Voice Coil Motor ,簡稱VCM)之 啟動器(Driver ): 負責將磁頭送到适當的磁區(Sector)

机构部分(俗稱HAD ，Head Disk Assembly) 1.主軸馬達(Spindle Motor ): 負責帶動磁碟的旋轉，使磁頭 以在特定磁 上任意地點，存放資料。 2.音圈馬達(Voice Coil Motor)：負責帶動磁頭的徑向轉動，使磁頭 得 以 任意更換磁軌。 第一章 整体设计观念 11 3.磁頭(Head)：磁頭籍著少許的電流，創造特定的磁場。 4.磁碟(Disk or Media ):磁碟被 磁頭所 產生之磁場磁化，而在磁碟表面上 產生了很多的小磁場，這就是我們所謂的電腦資料。 5.底板及蓋子(Base plate & Top Cover):這就是硬 碟机的外設，設計時，要 特別注意，受外力時不變形，不共振。 6.制動臂(Actuator Arm):籍著音圈馬達的控制，制動臂將磁頭送到特定的 磁軌去。 7.气密墊圈(Gasket):用以防止面不干淨的气体，進入HAD 內。 8.重复循環過濾网(Recirculating Filter ): 用以保持HAD 內部之清洁。

1.軟性 電路系統(俗 稱FPC system ,Flexible printed Circuit system)

目的是將磁頭訊號傳出，除此，它所以被 設計成“軟性＂主要因為 減少磁頭運動之阻力。 主要目的是，將磁頭記號傳出，除此，它所以被設計成“軟性＂主要因為 減少磁頭運動時之阻力。 2.前置放大器(PRE-Amplifier): 磁頭由法拉第效應(Faraday effcct ) 將磁片上之資料讀出，一 般訊號不 夠 大，所以，通常需要一個前置放大器，將訊號放大，供讀寫通道 (Read Write Channel)來使 用。 B. 硬 碟机之軟体結构

了解硬 碟机之硬 体結构后，馬上就想要思考下一個問題了，人們到底是如何將電腦資料籍著這些存入碟机？應籍的科學原理又是什么呢？

以下是將要討論之重點： 1. 寫与讀之原理。

2. 磁碟上之郵政系統。 3. 例題說明。

一、寫与讀之原理 什么是寫？在經驗世界里，當然需要筆和紙，而在硬 碟机中則需要磁頭和 磁碟，其中磁頭就如同筆，磁碟就如同紙，磁頭的材料是一种特殊的合金 (Premalloy),磁碟的材料則是一种特殊的氧化氟(Super Gamma Ferric Oxide), 當磁頭通電時，便會將磁碟中之材料磁化，而因些創造出無數小磁場，這 些小磁場便是所謂的“電腦資料＂。 (請參考圖一)

圖一 圖一之說明： 1.當C點(或D點)通入電流時，則A點(或B點)的磁通(Flux)便欲跳往B點 (或A點) 2. 當A點的磁通欲跳往B 點時，由於磁頭飛時非常低，磁通頓然發覺， 它被 磁碟的材料吸引了，於是產生了磁漏，無意中便把磁碟給 磁化 第一章 整体设计观念 12 了，這就是是為什么在磁碟上創造了好多小磁場的原因。 3. 至於磁碟上之小磁場方向性，則全由電流之通入點(C點或D點)來決 定。 什么是讀呢？在經驗世界 里，當然需要眼睛了，而在硬碟机中，則是 利用磁頭本身的“感應電流＂，將磁碟上的電腦資料讀回，然而“感 應電流＂又是如何產生的呢？在此我想籍著圖二來說明一個類很重要 發現明，法拉第效應(Faraday Effect)

Media Movement  圖二 圖二之說明： 1. 當“寫＂的動作結束后，在磁碟上便產生了很多的小磁場，而這些小 磁場又會產生很多的磁力線，磁力線的寫法，乃由北极通往南极(如圖 二)。 2.當“讀＂的動作開始時，(當然此是磁頭是不許通電的)，磁頭便 會利 用法拉第效應，在其中穿越磁力線時產生感應電流，請讀者同時參考 圖一与圖二。

3.此种現象亦可由另一咱方式來理解，假設讀者在一個具有磁場的房間跳銅線，天花板是北极，地板是南极，那么磁力線便會由天花板指向地板，且布滿整個房間，當讀者開始跳极時，此銅 線便 會產生“感應電流＂。

如果還是不了解，沒關 系，等 一下還有例題解釋。 二、磁碟上之郵政系統 為什么叫作郵政系統呢？其實硬碟机在儲存電腦資料時，它的作業系統和我們的郵局很類似，茲對照如下： 1. 介面控制器(Interface controller ) 2. 每一個碟面(Each disk surface ) 即每一個城市。 3. 軌碼(Gray code )即街道名。 4. 磁區識別碼(Sector ID)即門牌號碼。 5. 磁頭(Head )即郵差。 6. 電腦資料(Data)即郵件。 7. 制動臂(Actuator arm )即郵差之交通工具。

以上觀念是非常重要的，接下來我們要研究的重點是： 1.軌碼(Gray code )和磁區識別碼(Sector ID)在碟片上是如何安排？ 2.制動臂之定軌。(所謂定軌,即“穩定停留在磁軌上之意) 為什么以上兩點非常重要呢？試想，如果郵差找不著軌碼及磁區識別碼，他怎么送郵件(Data)？其次，如果制動臂無法，安穩地停在磁軌上，那么郵差 連軌碼都 看不到了。

S N N S S N N S S N N S 第一章 整体设计观念 13 1.軌碼和磁區識別碼在碟 片上是如何安排？ 首先，讀者必需要先了解，每一個碟面上皆有很多很多的磁軌及磁區， 而硬 碟机之記憶容量便 是由這兩個參數算出來的，譬如說吧，一個硬碟机其磁軌數為3000軌，磁區數為60磁/軌，磁碟數為2 磁碟(即4個碟面)，則其記憶容量為368.64 Mbyte,計算式如下： 記憶容量 =3000(軌) X 60磁區 /軌 X 512 Byte / 磁 區 X 4 ( 碟面 ) = 368,640,000 Byte = 368.64 Mbyte 現在，請讀者注意了，每一個磁軌皆擁有很多的磁區，而磁區又是DOS 里存放資料之基本單位(注：DOS ， Diskette Operating ,System ,即電腦里專門處理記憶裝置事務之作業系統)，所以，磁區之基本架构是非常重要的，請參考圖三： Data Gap Gray cod Servo burst Sector ID Data GAP 一 部 曲 二 部 曲 三 部 曲 圖三 圖三之說明 1.這是埋入 式伺 服(Embedded Servo) 之基本磁區結构。 2.每一個磁區皆包括五大部分，寫讀間隙(GAP)，軌碼(Gray Code),伺服感 應訊號(Servo Burst), 磁區識別碼(Sector ID),及電腦資料(DATA)。 3.硬碟机之主要目的就是存DATA，所 以DATA 部分之長度約占整個磁區的80%至85%。 (4)各個部分 之功能如下： Gap ：磁頭在寫完Data 之后，准備讀Gray code 之前，有一 段不穩定 狀態(一般均為5 # sec to 10 # sec ) ，所以設計者必需預留此區， 以免讀錯誤號。 Gray code ：軌碼，目的是讓硬 碟机隨時了解自己是否在正确的軌上。 Servo Burst ：這是伺服控制的感 應訊號，磁頭便 是利用此訊號作定軌的動作。 Sector ID ：即所謂的門牌號碼，當Gray code 与Sector ID 被确讓后，就是 Head 准備丟Data 的時候了。 Data ： 即電腦資料，別忘了，我們整個設計的目標，就是將它有效 無誤的存入此處。 接著我們要介紹個圖三中所謂的磁區的三部曲，為何叫作三部曲呢？原因是這五 部分，是在不同時間，被磁頭寫進去的，這一個觀念，在硬 碟机制造中，也算 是非常重要的一個觀念，試想，碟片上本來是空無一物，磁頭連走都不會走，它又是如何地去寫這此訊號呢？ 第一部曲：利用伺服碼寫入机(Servo Writer )將Gap code 及Servo burst 寫 它得籍著伺服碼寫入机上之雷射定們系統，來推動臂使其定 位所以這一部曲是相當花時間的，所有資料(Gap ,Gray code and servo burst )必需一軌一 軌慢慢的寫。 第二部 曲：是將sector ID 寫入，有人亦稱為Low level format , 此時磁頭已具備能力，可以自己定軌了，所以不必利用任何机器在碟机 送出厂時，碟机本身可完成 此動作 。