《計(jì)算機(jī)維修技術(shù) 第3版》第06章 外存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與故障維修2013

1、計(jì)算機(jī)維修技術(shù) 第3版第6章 外存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與故障維修易建勛 編著清華大學(xué)出版社2013年8月,本課件隨教材免費(fèi)贈(zèng)送給讀者，讀者可自由播放、復(fù)制、分發(fā)本課件，也可對(duì)課件內(nèi)容進(jìn)行修改。課件中部分圖片來(lái)自因特網(wǎng)公開的技術(shù)資料，這些圖片的版權(quán)屬于原作者。感謝在因特網(wǎng)上提供技術(shù)資料的企業(yè)和個(gè)人。本課件不得用于任何商業(yè)用途。課件版權(quán)屬于作者和清華大學(xué)出版社，其他任何單位和個(gè)人都不得對(duì)本課件進(jìn)行銷售或修改后銷售。作者：易

2、建勛2013年8月,作者聲明,第6章 外存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與故障維修,6.1 閃存結(jié)構(gòu)與故障維修6.1.1 閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能6.1.3 固態(tài)硬盤基本結(jié)構(gòu)6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能6.1.5 閃存常見故障分析6.2 硬盤結(jié)構(gòu)與工作原理6.2.1 硬盤基本組成6.2.2 硬盤工作原理6.2.3 硬盤啟動(dòng)過(guò)程6.2.4 硬盤邏輯結(jié)構(gòu)6.2.5 硬盤設(shè)計(jì)技術(shù),6.3 硬盤性

3、能與故障維修6.3.1 RAID磁盤陣列技術(shù)6.3.2 硬盤常用接口類型6.3.3 硬盤主要技術(shù)性能6.3.4 硬盤常見故障分析6.3.5 硬盤故障維修案例6.4 光盤結(jié)構(gòu)與故障維修6.4.1 只讀光盤基本結(jié)構(gòu)6.4.2 讀寫光盤基本結(jié)構(gòu)6.4.3 光盤基本邏輯結(jié)構(gòu)6.4.4 光驅(qū)基本工作原理6.4.5 光驅(qū)故障維修案例,6.1 閃存結(jié)構(gòu)與故障維修,6.1.1 閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理,1. 閃存

4、的基本類型,6.1.1 閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理,閃存從EEPROM技術(shù)發(fā)展而來(lái)。優(yōu)點(diǎn)： 快速存儲(chǔ)，永久存儲(chǔ)，可利用現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝。缺點(diǎn)： 讀寫速度較DRAM慢，擦寫次數(shù)有極限。讀寫特性：閃存以區(qū)塊為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)擦除和寫入;區(qū)塊大小為8KB~128KB。閃存不能以字節(jié)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的隨機(jī)寫入，因此閃存目前不可能作為內(nèi)存使用。,6.1.1 閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理,2．閃存存儲(chǔ)單元的類型 （1）NOR（異或型）閃存由Int

5、el和AMD公司主導(dǎo)，用于程序儲(chǔ)存和運(yùn)行。技術(shù)特點(diǎn)：可隨機(jī)讀，但寫操作按“塊”進(jìn)行。寫操作慢，讀操作快。應(yīng)用：BIOS芯片手機(jī)存儲(chǔ)芯片交換機(jī)存儲(chǔ)器等。,6.1.1 閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理,（2）NAND（與非型）閃存技術(shù)特點(diǎn)：讀寫速度比DRAM低很多；小數(shù)據(jù)塊操作速度很慢，大數(shù)據(jù)塊速度很快。存儲(chǔ)容量大，價(jià)格低。應(yīng)用：U盤SD存儲(chǔ)卡，T卡等SSD固態(tài)硬盤等,6.1.1 閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理,3．閃存存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)

6、閃存采用單晶體管設(shè)計(jì)，無(wú)需存儲(chǔ)電容。 閃存結(jié)構(gòu)：SLC（單級(jí)儲(chǔ)存單元）結(jié)構(gòu)： 在1個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)1位數(shù)據(jù)。MLC（多級(jí)儲(chǔ)存單元）結(jié)構(gòu)： 在1個(gè)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)2位數(shù)據(jù)。,6.1.1 閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理,MLC通過(guò)不同級(jí)別的內(nèi)部電壓，在1個(gè)存儲(chǔ)單元中記錄2組位信息（00、01、10、11）。MLC的記錄密度比SLC提高了1倍。MLC電壓變化頻繁，使用壽命遠(yuǎn)低于SLC；SLC芯片可以擦寫10萬(wàn)次，而MLC只有1萬(wàn)次

7、左右；MLC需要更長(zhǎng)的讀寫時(shí)間；SLC比MLC要快3倍以上。,6.1.1 閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理,4．閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理 閃存通過(guò)在浮空柵極上放置電子和清除電子來(lái)表示數(shù)據(jù)浮空柵極中有電子時(shí)為0，無(wú)電子時(shí)為1。,6.1.1 閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理,閃存存儲(chǔ)單元(Cell)顯微結(jié)構(gòu),6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,【補(bǔ)充】NOR閃存讀/寫原理,6.1.1 閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理,數(shù)據(jù)保存原理：在閃存存儲(chǔ)單元中，當(dāng)沒有外部電流改變存儲(chǔ)單元中浮空柵

8、極的電子狀態(tài)時(shí)，浮空柵極就會(huì)一直保持原來(lái)狀態(tài)，這也就保證了數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)閿嚯姸鴣G失。NAND和NOR的差別NAND和NOR閃存都采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為存儲(chǔ)單元，因此它們的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理相同；結(jié)構(gòu)差別：NAND閃存采用“與非”方式構(gòu)成存儲(chǔ)陣列；NOR閃存采用“或非”方式構(gòu)成儲(chǔ)存陣列。,6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,1．NOR閃存電路結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) NOR閃存結(jié)構(gòu)特征：每?jī)蓚€(gè)存儲(chǔ)單元共用一個(gè)列地址線和一條電源線；存儲(chǔ)單元可以高速寫和

9、高速讀，但是寫功耗過(guò)大；存儲(chǔ)陣列接觸孔占用了相當(dāng)多的空間，集成度不高。NOR閃存性能特征：（1）可以快速隨機(jī)讀數(shù)據(jù)。（2）寫入和擦除速度較低。（3）不適用存儲(chǔ)大文件。,6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,NAND和NOR閃存結(jié)構(gòu)的區(qū)別,6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,2．NAND閃存電路結(jié)構(gòu)NAND閃存接口位寬為8位或16位。例：韓國(guó)現(xiàn)代HY27UK08BGFM閃存芯片：總?cè)萘繛?GB，頁(yè)面大小為（2KB+64B），8個(gè)

10、I/O接口，每次可以傳輸（2KB+64B）×8=16.5KB數(shù)據(jù)。NAND閃存采用地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用技術(shù)大容量閃存一般采用32位地址總線。NAND閃存芯片容量越大，尋址時(shí)間越長(zhǎng)。,6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,3．NAND閃存技術(shù)性能（1）頁(yè)（Page）閃存的基本存儲(chǔ)單位是“頁(yè)”；閃存的頁(yè)類似于硬盤中的扇區(qū)；閃存每一頁(yè)的有效容量為512B的倍數(shù)；閃存另外還要加上16B的ECC校驗(yàn)信息；大容量閃存，頁(yè)多，頁(yè)

11、尺寸大，尋址時(shí)間長(zhǎng)；頁(yè)的容量決定了一次可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。,6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,16Gbit閃存芯片的區(qū)塊結(jié)構(gòu),6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,8GB NAND閃存芯片核心,6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,（2）區(qū)塊（Block）閃存的寫操作（也稱為編程）必須在空白存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行；如果目標(biāo)存儲(chǔ)區(qū)已有數(shù)據(jù)，就必須先擦除后寫入；擦除是將存儲(chǔ)位設(shè)置為“1”；擦除操作是閃存的基本操作；區(qū)塊是閃存最小的可擦除實(shí)體；4GB的閃存

12、芯片，共有16384塊，每塊包含64個(gè)頁(yè)，每個(gè)頁(yè)尺寸為（2KB+64B）字節(jié)，塊容量為（2KB+64B）×64頁(yè)=132KB；每個(gè)塊的擦除時(shí)間需要2ms左右；塊容量的大小決定擦除性能。,6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,（3）錯(cuò)誤校驗(yàn)（ECC）閃存內(nèi)有專門的錯(cuò)誤檢測(cè)與校正（ECC）區(qū)域；每頁(yè)有一個(gè)校驗(yàn)區(qū)（512B的區(qū)塊為16B）存儲(chǔ)ECC編碼；如果ECC操作失敗，就把該區(qū)塊標(biāo)記為損壞，不再使用；2Gbit的NAND閃

13、存芯片最多允許有40個(gè)壞塊；閃存裸片容量大，可利用軟件將壞塊替換為好塊。,6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,NAND閃存芯片技術(shù)參數(shù),6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,【補(bǔ)充】NAND閃存性能,6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,【補(bǔ)充】NAND閃存與NOR閃存的性能比較,6.1.2 閃存的結(jié)構(gòu)與性能,【補(bǔ)充】各種非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)比較,6.1.3 固態(tài)硬盤基本結(jié)構(gòu),1．固態(tài)盤（SSD）的技術(shù)特點(diǎn)固態(tài)盤結(jié)構(gòu)由存儲(chǔ)單元和控制單元組

14、成，存儲(chǔ)單元采用閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)，控制單元采用高性能I/O控制芯片。耗電量只有機(jī)械硬盤的5%左右；寫入速度與機(jī)械硬盤相當(dāng)；讀取速度是機(jī)械硬盤的3倍。成本與壽命是SSD普及的最大問題。固態(tài)盤應(yīng)用各種數(shù)碼設(shè)備中的存儲(chǔ)卡，如SD卡，T卡等；采用USB接口的小容量U盤；計(jì)算機(jī)中使用的固態(tài)硬盤。,6.1.3 固態(tài)硬盤基本結(jié)構(gòu),2．U盤存儲(chǔ)技術(shù) U盤是利用閃存、控制芯片和USB接口技術(shù)的一種小型半導(dǎo)體移動(dòng)固態(tài)盤。容量在128M

15、B～32GB之間；數(shù)據(jù)傳輸速度與硬盤基本相當(dāng)；沒有機(jī)械讀寫裝置，避免了跌落等損壞。電路結(jié)構(gòu)：NAND閃存芯片，USB控制芯片，電源芯片，USB接口等。,6.1.3 固態(tài)硬盤基本結(jié)構(gòu),U盤,6.1.3 固態(tài)硬盤基本結(jié)構(gòu),3．固態(tài)硬盤組成固態(tài)硬盤在接口標(biāo)準(zhǔn)、功能及使用方法上，與機(jī)械硬盤完全相同。固態(tài)硬盤抗震性極佳，工作溫度很低。固態(tài)硬盤與U盤的區(qū)別：U盤著眼于移動(dòng)性，采用USB接口；固態(tài)硬盤著眼于取代機(jī)械硬盤，采用SAT

16、A接口。,6.1.3 固態(tài)硬盤基本結(jié)構(gòu),固態(tài)盤的基本組成,6.1.3 固態(tài)硬盤基本結(jié)構(gòu),固態(tài)盤的電路原理,6.1.3 固態(tài)硬盤基本結(jié)構(gòu),固態(tài)盤的電路原理,6.1.3 固態(tài)硬盤基本結(jié)構(gòu),固態(tài)盤的基本組成,,6.1.3 固態(tài)硬盤基本結(jié)構(gòu),4．固態(tài)硬盤技術(shù)性能機(jī)械硬盤平均讀取速度在50～70MB/s之間；固態(tài)硬盤的平均讀取速度在200MB/s以上。固態(tài)硬盤的平均速度和爆發(fā)速度相差不大。機(jī)械硬盤的平均速度則大幅度落后于爆發(fā)速度

17、；固態(tài)硬盤的尋道時(shí)間為0，機(jī)械硬盤無(wú)法比擬。固態(tài)硬盤寫入速度僅為400MB/s左右；機(jī)械硬盤寫入速度達(dá)到了70MB/s。80GB固態(tài)硬盤功耗為2.4W，空閑功耗為0.06W，可抗1000G（伽利略單位）沖擊。固態(tài)硬盤的讀/寫速度，比機(jī)械硬盤快3-5倍。,6.1.3 固態(tài)硬盤基本結(jié)構(gòu),【補(bǔ)充】固態(tài)硬盤(左)與機(jī)械(右)測(cè)試對(duì)比,,6.1.3 固態(tài)硬盤基本結(jié)構(gòu),固態(tài)硬盤與機(jī)械硬盤的連續(xù)讀寫速度測(cè)試對(duì)比,,6.1.3 固態(tài)硬盤

18、基本結(jié)構(gòu),固態(tài)硬盤與機(jī)械硬盤的結(jié)構(gòu)對(duì)比,,6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能,閃存卡是在閃存芯片中加入專用接口電路的一種單片型移動(dòng)固態(tài)盤。,6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能,閃存卡,【補(bǔ)充】混亂的存儲(chǔ)卡市場(chǎng),6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能,1．SD（安全數(shù)碼）卡（1）SD卡技術(shù)規(guī)格SD卡是目前速度最快，應(yīng)用最廣泛的存儲(chǔ)卡；尺寸：32mm×24mm×2.1mm；接口：9針接口；存儲(chǔ)芯片：NAND閃存；應(yīng)用：手機(jī)，

19、數(shù)碼相機(jī)，GPS導(dǎo)航，MP3播放器等領(lǐng)類型：SD卡、Micro SD、mini-SD、SDHC、Micro SDHC等。,6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能,（2）SD卡性能等級(jí)SD卡的存儲(chǔ)容量：128MB～2GB；最大數(shù)據(jù)讀取速度：60MB/s；寫入速度：35MB/s左右；工作電壓：2.7-3.6V；讀/寫電流：27mA左右；數(shù)據(jù)傳輸塊大小：512B。SD 2.0標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SD卡的性能分為幾個(gè)等級(jí)，不同等級(jí)分別滿足不同的應(yīng)用要

20、求。,6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能,SD卡,6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能,2．SDHC （安全數(shù)字高容量）存儲(chǔ)卡（1）應(yīng)用高級(jí)數(shù)碼相機(jī)，高畫質(zhì)數(shù)碼攝像機(jī)等。SD 2.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：容量為2~32GB。（2）文件系統(tǒng)SDHC卡必須采用FAT32文件系統(tǒng)；SD卡使用FAT16文件系統(tǒng)；SDHC卡只支持FAT32文件系統(tǒng)，因此與以前只支持FAT 16的SD設(shè)備存在不兼容現(xiàn)象。（3）兼容性SDHC采用與SD標(biāo)準(zhǔn)不同的尋址方式

21、；只有符合SD 2.0標(biāo)準(zhǔn)的SD設(shè)備才能使用SDHC卡。,6.1.5 閃存常見故障分析,3．Micro SDHC存儲(chǔ)卡（1）技術(shù)特征Micro SDHC卡又稱為TF（Trans FLash）卡；它專門針對(duì)移動(dòng)通信市場(chǎng)設(shè)計(jì)；電氣規(guī)格與SDHC卡相同；尺寸為SD卡的1/4左右，是目前最小的儲(chǔ)存卡；Micro SDHC卡通過(guò)轉(zhuǎn)換器后成為標(biāo)準(zhǔn)SD卡使用。（2）兼容性Micro SDHC卡與mini-SD卡規(guī)格不同，因此采用M

22、icro SD卡的設(shè)備，不能使用mini-SDHC卡；采用mini-SDHC卡的設(shè)備，無(wú)論是Micro SDHC卡還是Micro SD卡，都可以使用。,6.1.5 閃存常見故障分析,Micro SDHC卡（TF）,6.1.5 閃存常見故障分析,4. SDXC存儲(chǔ)卡SDXC是SD存儲(chǔ)卡新一代標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)規(guī)格容量：目前為64GB，理論達(dá)2TB；傳輸速度：50MB/s、104MB/s、300MB/s；最大寫入速度：35MB/s；

23、最大讀取速度：60MB/s。兼容性SDXC存儲(chǔ)卡只能與裝有微軟公司exFAT文件系統(tǒng)的SDXC對(duì)應(yīng)設(shè)備相兼容，它不能用于SD或SDHC對(duì)應(yīng)設(shè)備。,6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能,【補(bǔ)充】SDXC存儲(chǔ)卡標(biāo)注,6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能,各種SD卡技術(shù)規(guī)格,6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能,【補(bǔ)充】SanDisk 32GB SDHC存儲(chǔ)卡測(cè)試,,,6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能,【補(bǔ)充】東芝SDHC 8GB/16GB存儲(chǔ)卡測(cè)試,,

24、,6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能,【補(bǔ)充】存儲(chǔ)卡讀卡器,,,6.1.4 閃存卡技術(shù)與性能,【補(bǔ)充】存儲(chǔ)卡在數(shù)碼攝相機(jī)中的應(yīng)用,,,6.1.5 閃存常見故障分析,（1）存儲(chǔ)卡金手指污染（2）卡槽內(nèi)金屬觸點(diǎn)生銹或者金屬簧片變形。（3）讀卡設(shè)備電壓不穩(wěn)定。（4）存儲(chǔ)卡感染計(jì)算機(jī)病毒。（5）存儲(chǔ)卡非正常格式化。（6）存儲(chǔ)卡損壞。,6.1.5 閃存常見故障分析,【補(bǔ)充】存儲(chǔ)卡讀文件錯(cuò)誤,讀文件出錯(cuò),6.1.5 閃存常見故障分析,

25、【補(bǔ)充】存儲(chǔ)卡讀文件錯(cuò)誤,復(fù)制文件時(shí)出錯(cuò),文件無(wú)法讀取,文件出現(xiàn)亂碼,6.1.5 閃存常見故障分析,【補(bǔ)充】存儲(chǔ)卡讀文件錯(cuò)誤,,,6.1.5 閃存常見故障分析,【補(bǔ)充】存儲(chǔ)卡讀文件錯(cuò)誤,6.2 硬盤結(jié)構(gòu)與工作原理,6.2.1 硬盤基本組成,2．硬盤外部組成SATA接口硬盤主要用于臺(tái)式微機(jī)；SAS接口硬盤主要用于服務(wù)器；USB硬盤主要用作移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備。,6.2.1 硬盤基本組成,（1）硬盤呼吸孔作用是調(diào)節(jié)硬盤內(nèi)部氣壓，保

26、持與大氣氣壓一致，避免氣壓變化使硬盤頂蓋突起或凹陷。,,呼吸孔,,6.2.1 硬盤基本組成,（2）盤片伺服孔硬盤伺服孔用于磁頭定位信號(hào)寫入。,伺服孔,,,6.2.1 硬盤基本組成,3．硬盤基本結(jié)構(gòu)主要部件：盤片組件，磁頭組件，控制電路板，盤體和蓋板等。,6.2.1 硬盤基本組成,硬盤基本組成,盤片組件,磁頭組件,盤體組件,電路組件,6.2.1 硬盤基本組成,4．盤片組件的基本結(jié)構(gòu)（1）盤片基本規(guī)格盤片用鋁合金作為基片，厚

27、度大約1mm左右；盤片數(shù)量在1～5片之間；盤片固定在電機(jī)主軸上，盤片之間保持平行；盤片尺寸大：2.5英寸/3.5英寸。,6.2.1 硬盤基本組成,（2）磁性材料物理特性磁粒子為不規(guī)則的六角形；磁粒子平均尺寸在5～10nm之間；記錄一位（1bit）數(shù)據(jù)大約需要100個(gè)左右磁粒子；磁粒子會(huì)受到相鄰磁粒子反向磁場(chǎng)的影響；磁粒子平均粒徑為10nm，膜層厚度為17nm左右；1TB容量的硬盤中，磁記錄密度為148Gbit/in2

28、左右。,6.2.1 硬盤基本組成,（3）電機(jī)電機(jī)部件：線圈，軸承，永久磁體等。提高硬盤轉(zhuǎn)速優(yōu)點(diǎn)：可以提高硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度；缺點(diǎn)：加劇電機(jī)磨損，溫度升高，噪音增大等。硬盤液態(tài)軸承技術(shù)使用油膜代替滾珠，避免了軸承金屬面的磨擦；將硬盤噪音與溫度減至最低；油膜能吸收震動(dòng)，提高硬盤抗震能力；使用壽命較長(zhǎng)。,6.2.1 硬盤基本組成,5．磁頭組件的基本結(jié)構(gòu)磁頭組件滑塊和磁頭；磁頭傳動(dòng)臂組件（HAS）；前置放大器；

29、磁頭懸架組件（HGA）；音圈電機(jī)（VCM）等。,6.2.1 硬盤基本組成,硬盤磁頭組件,6.2.1 硬盤基本組成,6．控制電路板組件控制電路芯片主控制芯片電機(jī)控制芯片高速數(shù)據(jù)緩存芯片數(shù)據(jù)物理層讀取芯片固件芯片等,6.2.1 硬盤基本組成,硬盤控制電路,【補(bǔ)充】硬盤電路原理,6.2.1 硬盤基本組成,6.2.2 硬盤工作原理,1．硬盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理硬盤盤片由鋁質(zhì)合金和磁性材料組成。硬盤利用磁記錄位的極性來(lái)記錄二

30、進(jìn)制數(shù)據(jù)位。如將南極表示數(shù)字“0”，北極表示為“1”。硬盤利用一個(gè)很小區(qū)域組成一個(gè)同一方向的“磁記錄位”（小于100nm）,6.2.2 硬盤工作原理,記錄數(shù)據(jù)的磁極子,磁極子,6.2.2 硬盤工作原理,2．磁頭飛行間隙的控制盤片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流相當(dāng)強(qiáng)，它使磁頭升起與盤面保持一個(gè)微小的距離。磁頭飛行高度約為10nm左右。,6.2.2 硬盤工作原理,3．硬盤讀操作工作原理早期硬盤采用讀寫合一的電磁感應(yīng)式磁頭。目前采用讀/寫

31、分離的GMR和TMR磁頭。GMR磁頭利用“磁阻效應(yīng)”，即磁頭中導(dǎo)體的電阻值，會(huì)隨盤片上磁場(chǎng)的變化而變化。目前硬盤讀操作采用GMR磁頭，而寫操作仍采用傳統(tǒng)的磁感應(yīng)磁頭。,6.2.2 硬盤工作原理,5．硬盤寫操作工作原理寫操作原理：電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，圍繞導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。當(dāng)電流方向改變時(shí)，磁場(chǎng)的極性也會(huì)改變。,6.2.3 硬盤啟動(dòng)過(guò)程,（1）硬盤電路初始化加電后，復(fù)位電路向主控芯片發(fā)Reset信號(hào)；主控芯片執(zhí)行本芯片中的固件程

32、序；高速緩存和其他數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行初始化；如果沒有警告信號(hào)，開始啟動(dòng)硬盤電機(jī)；進(jìn)行硬盤內(nèi)部測(cè)試；主控芯片檢查電機(jī)是否達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速；電機(jī)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速后，主控芯片向磁頭發(fā)出信號(hào)。,6.2.3 硬盤啟動(dòng)過(guò)程,（2）硬盤固件初始化磁頭收到第一個(gè)啟動(dòng)指令；將磁頭移動(dòng)到盤片的固件數(shù)據(jù)區(qū)；讀取磁盤上存放的固件程序；確定硬盤固件區(qū)，用戶數(shù)據(jù)區(qū)和保留區(qū)的位置；確定硬盤缺陷列表（P-List和G-List）；讀入硬盤內(nèi)部操作指令等；將

33、固件數(shù)據(jù)載入到硬盤高速緩存中；硬盤初始化完成，主控芯片切換到就緒狀態(tài)；等待計(jì)算機(jī)指令。,6.2.3 硬盤啟動(dòng)過(guò)程,（3）主機(jī)操作系統(tǒng)引導(dǎo)計(jì)算機(jī)上電自檢；自檢完成后，INT 13H檢查是否存在硬盤；硬盤是否為第1引導(dǎo)設(shè)備；INT 13H讀取硬盤邏輯0道1扇區(qū)（LBA 1）；讀取硬盤中的主引記錄（MBR）；執(zhí)行主引導(dǎo)記錄和分區(qū)表；讀入和執(zhí)行操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄（OBR）；裝載系統(tǒng)；啟動(dòng)操作系統(tǒng)。,6.2.4 硬盤邏輯結(jié)

34、構(gòu),1．磁道磁頭在磁盤表面運(yùn)行的圓形軌跡稱為磁道。1.5TB硬盤的磁道寬度在100nm以下。兩個(gè)相鄰磁道之間有一個(gè)細(xì)小的間隙（40nm左右）。盤片最外圈為0道，最內(nèi)圈為n道。,6.2.4 硬盤邏輯結(jié)構(gòu),等長(zhǎng)扇區(qū)結(jié)構(gòu),6.2.4 硬盤邏輯結(jié)構(gòu),2. 扇區(qū)每個(gè)扇區(qū)可以存儲(chǔ)512B信息。扇區(qū)分為兩部分，一部分為ID地址段；另一部分是用戶數(shù)據(jù)段。伺服扇區(qū)指磁道和扇區(qū)的定位信息存儲(chǔ)區(qū)域。定位信息一般為格雷碼；格雷碼可以對(duì)

35、某磁道和扇區(qū)進(jìn)行精確定位。,6.2.4 硬盤邏輯結(jié)構(gòu),伺服扇區(qū)結(jié)構(gòu),6.2.4 硬盤邏輯結(jié)構(gòu),3. 柱面每個(gè)盤片具有相同直徑的磁道形成的圓柱稱為柱面。數(shù)據(jù)按柱面進(jìn)行讀/寫，不按磁道進(jìn)行讀/寫。,6.2.4 硬盤邏輯結(jié)構(gòu),4．硬盤容量硬盤以邏輯塊（LBA）為單位進(jìn)行尋址和管理。硬盤容量=LBA×512B。計(jì)算硬盤容量時(shí)，計(jì)算機(jī)按1024進(jìn)制計(jì)算，硬盤廠商采用1000作為遞進(jìn)計(jì)量單位，因此廠商標(biāo)注的硬盤容量與實(shí)際容

36、量會(huì)小一些。BIOS中的柱面、磁頭、扇區(qū)等參數(shù)，并不是硬盤的實(shí)際物理參數(shù)。,6.2.4 硬盤邏輯結(jié)構(gòu),5．硬盤的邏輯空間與物理空間硬盤中部分存儲(chǔ)空間對(duì)用戶是隱藏的；隱藏部分包括固件區(qū)和替代缺陷扇區(qū)的保留區(qū)。固件區(qū)保存若干程序模塊和硬盤參數(shù)。,6.2.5 硬盤設(shè)計(jì)技術(shù),1. 硬盤固件技術(shù) 固件內(nèi)容硬盤初始化程序；伺服信息或伺服字段參數(shù)；硬盤低級(jí)格式化程序；固件微代碼（操作程序）；硬盤配置表；硬盤缺陷表等。,6.2

37、.5 硬盤設(shè)計(jì)技術(shù),2．硬盤缺陷修復(fù)技術(shù)硬盤生產(chǎn)工藝雖然極其精密，但是很難做到100%完美，盤面或多或少存會(huì)在一些缺陷。P-List（基本缺陷列表）硬盤出廠前通過(guò)低級(jí)格式化，自動(dòng)找出所有缺陷磁道和缺陷扇區(qū)，記錄在P-List中，操作系統(tǒng)和用戶不能使用它們。硬盤基本缺陷表記錄有一定數(shù)量的缺陷，少則數(shù)百，多則數(shù)以萬(wàn)計(jì)。,6.2.5 硬盤設(shè)計(jì)技術(shù),G-List（增長(zhǎng)缺陷表）硬盤使用中會(huì)出現(xiàn)一些新的缺陷扇區(qū)；為了減少返修率，廠商

38、在硬盤內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)修復(fù)機(jī)制。修復(fù)原理：硬盤讀寫操作時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)有一個(gè)缺陷扇區(qū)；硬盤會(huì)自動(dòng)分配一個(gè)備用扇區(qū)來(lái)替換該缺陷扇區(qū)；將缺陷扇區(qū)及其替換情況會(huì)記錄在硬盤G-List中；音傳少量的缺陷扇區(qū)對(duì)用戶沒有太大的影響。,6.2.5 硬盤設(shè)計(jì)技術(shù),P-List和G-List表無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)硬盤指令來(lái)獲取以及修改。專業(yè)硬盤修復(fù)工具軟件（如PC-3000）需要裝載不同的固件模塊才能對(duì)它們進(jìn)行操作。,6.2.5 硬盤設(shè)計(jì)技術(shù),PC-3

39、000檢測(cè)到的硬盤缺陷扇區(qū),6.2.5 硬盤設(shè)計(jì)技術(shù),3．硬盤垂直記錄技術(shù)垂直磁記錄技術(shù)將磁場(chǎng)方向改變了90度，磁記錄垂直于盤面的磁場(chǎng)，增加了磁盤整體存儲(chǔ)容量。采用垂直磁記錄技術(shù)，硬盤的基本工作原理和結(jié)構(gòu)都沒有發(fā)生改變，重要的技術(shù)變革在于磁介質(zhì)、磁頭和讀寫電子器件上。,6.2.5 硬盤設(shè)計(jì)技術(shù),硬盤水平和垂直磁記錄技術(shù),水平磁記錄,垂直磁記錄,6.2.5 硬盤設(shè)計(jì)技術(shù),4．硬盤數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)S.M.A.R.T.（自監(jiān)測(cè)、分析及

40、報(bào)告）技術(shù)：硬盤監(jiān)測(cè)電路對(duì)磁頭、盤片、電路等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。檢測(cè)值超出安全范圍時(shí)；硬盤自動(dòng)向用戶發(fā)出警告；自動(dòng)降低硬盤運(yùn)行速度；將重要數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)存到其它安全扇區(qū)。只要硬盤電源開著，每隔8小時(shí)就會(huì)做一次掃描、分析與修復(fù)動(dòng)作，因此它會(huì)影響硬盤性能和壽命。S.M.A.R.T.只能監(jiān)測(cè)漸發(fā)性故障，對(duì)突發(fā)性故障，如磁頭突然斷裂等，這種技術(shù)也無(wú)能為力。,6.2.5 硬盤設(shè)計(jì)技術(shù),【補(bǔ)充】在BIOS中關(guān)閉S.M.A.R.T功能,,6.3

41、硬盤性能與故障維修,6.3 .1 RAID磁盤陣列技術(shù),1．RAID的基本組成改進(jìn)磁盤性能的方法：磁盤高速緩存技術(shù)RAID（廉價(jià)磁盤冗余陣列）技術(shù)小型RAID由2個(gè)硬盤和RAID控制卡組成大型RAID由專用計(jì)算機(jī)和幾十個(gè)磁盤組成RAID級(jí)別大小并不代表技術(shù)的高低,6.3 .1 RAID磁盤陣列技術(shù),小型磁盤陣列,6.3 .1 RAID磁盤陣列技術(shù),小型磁盤陣列,6.3 .1 RAID磁盤陣列技術(shù),3．RAID 0條帶

42、技術(shù)RAID 0采用無(wú)數(shù)據(jù)冗余的條帶化存儲(chǔ)技術(shù)性能提高80%；硬盤利用率95%；無(wú)糾錯(cuò)。,數(shù)據(jù)條帶,6.3 .1 RAID磁盤陣列技術(shù),4．RAID 1鏡像技術(shù)RAID 1采用數(shù)據(jù)鏡像技術(shù)。 無(wú)性能提高；硬盤利用率50%；數(shù)據(jù)備份。,數(shù)據(jù)鏡像,6.3 .1 RAID磁盤陣列技術(shù),5．RAID 5校驗(yàn)技術(shù)RAID 5對(duì)硬盤數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)校驗(yàn)。性能提高70%；硬盤利用率90%；可糾錯(cuò)。,6.3 .1 RAID磁盤陣列技術(shù),【

43、補(bǔ)充】RAID不同級(jí)別下的硬盤容量,6.3 .1 RAID磁盤陣列技術(shù),6.3.2 硬盤常用接口類型,1．SATA接口SATA采用低壓差分信號(hào)傳輸。SATA雙工通信由兩個(gè)單工信道組成，一個(gè)用于發(fā)送信號(hào)（寫數(shù)據(jù)），一個(gè)用于接收信號(hào)（讀數(shù)據(jù)），每個(gè)單工信道需要2根數(shù)據(jù)線，共需要4根數(shù)據(jù)線。SATA數(shù)據(jù)接口信號(hào),6.3.2 硬盤常用接口類型,SATA信號(hào)接口與電源接口線序,6.3.2 硬盤常用接口類型,SATA電源接口信號(hào)SA

44、TA最大線路長(zhǎng)度為1m。電源線采用15針扁平接口，提供+12V、+5V和+3.3V的電壓。,6.3.2 硬盤常用接口類型,【補(bǔ)充】硬盤SATA接口安裝,6.3.2 硬盤常用接口類型,2．eSATA接口eSATA接口采用“一”字形接口。如果采用屏蔽信號(hào)線，eSATA連接長(zhǎng)度達(dá)2m。SATA只能插拔幾十次，eSATA能插拔2000次。,6.3.2 硬盤常用接口類型,3．mATA接口提供與SATA相同的速度和可靠性；通過(guò)mi

45、ni-PCIE界面?zhèn)鬏斝盘?hào)；傳輸速度：1.5Gbit/s、3Gbit/s、6Gbit/s；接口卡尺寸：51mm×31mm（全尺寸）27mm×30mm（半尺寸）,6.3.2 硬盤常用接口類型,mATA接口存儲(chǔ)卡和主板上的mSAT插座,6.3.2 硬盤常用接口類型,4．SAS接口SAS（串行連接SCSI）是SCSI的串行版。SAS和SATA在物理上和電氣上有兼容性。,6.3.2 硬盤常用接口類型,SAS

46、接口,6.3.2 硬盤常用接口類型,【補(bǔ)充】SAS 4端口硬盤的連接,,6.3.2 硬盤常用接口類型,【補(bǔ)充】SAS與SCSI硬盤的連接,,6.3.2 硬盤常用接口類型,SAS與SATA接口的性能對(duì)比,6.3 .3 硬盤主要技術(shù)性能,2．硬盤單碟容量單碟容量是衡量硬盤技術(shù)的一個(gè)主要指標(biāo)。 硬盤單碟容量增加后速度反而加快了。3．硬盤的轉(zhuǎn)速硬盤轉(zhuǎn)速越快，發(fā)熱量和噪聲越大。 4．平均訪問時(shí)間平均訪問時(shí)間=平均尋道時(shí)間+

47、平均等待時(shí)間硬盤平均尋道時(shí)間在8ms左右。硬盤7200rpm時(shí)，平均等待時(shí)間為4.167ms。,6.3 .3 硬盤主要技術(shù)性能,7．最大內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率目前內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速率為80～150MB/s高轉(zhuǎn)速硬盤采用小尺寸盤片控制能耗和噪音。8．外部數(shù)據(jù)傳輸率也稱為接口速率，SATA 2.0接口的最高理論值可達(dá)3.0Gbit/s。,6.3 .3 硬盤主要技術(shù)性能,硬盤主要技術(shù)參數(shù),6.3 .4 硬盤常見故障分析,1．硬盤維修的

48、基本原則（1）軟件維修的局限性利用工具軟件進(jìn)行硬盤維修是一種低成本的維修方法。軟件維修時(shí)，要求硬盤可以上電轉(zhuǎn)動(dòng)。BIOS可以認(rèn)出硬盤型號(hào)和參數(shù)。（2）不要輕易開盤開盤要求有非常純凈的空氣環(huán)境；普通環(huán)境下打開硬盤蓋板后，會(huì)導(dǎo)致硬盤報(bào)廢。,6.3 .4 硬盤常見故障分析,（3）數(shù)據(jù)恢復(fù)的原則發(fā)生數(shù)據(jù)丟失后，不要再向硬盤拷貝或安裝任何文件；硬盤邏輯錯(cuò)誤丟失的文件都可以恢復(fù)；硬盤電路板故障，固件故障引發(fā)的數(shù)據(jù)丟失，絕大部分

49、可以恢復(fù)；硬盤機(jī)械故障引發(fā)的數(shù)據(jù)丟失，需要開盤恢復(fù)數(shù)據(jù)；開盤技術(shù)難度大，成本高，而且數(shù)據(jù)恢復(fù)的可能性小。,6.3 .4 硬盤常見故障分析,2．硬盤常見故障判斷（1）硬盤邏輯損壞硬盤邏輯損壞，理論上高級(jí)格式化就可以修復(fù)。（2）硬盤引導(dǎo)出錯(cuò)不能啟動(dòng)不一定是硬盤損壞，可用軟件修復(fù)主引導(dǎo)記錄。（3）硬盤壞簇軟件掃描發(fā)現(xiàn)壞簇時(shí)，修復(fù)率可達(dá)到80%左右。（4）硬盤不能正常分區(qū)需要用到專業(yè)維修軟件，修復(fù)率達(dá)到50%左右。（5）

50、通電后硬盤電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)一般是電路板故障，更換器件后，修復(fù)率達(dá)到60%左右。,6.3 .4 硬盤常見故障分析,（6）BIOS不能識(shí)別硬盤有多種原因，可能是電路板接口故障；也有可能是硬盤進(jìn)入內(nèi)部保護(hù)模式，需用專業(yè)軟件進(jìn)行維修。（7）硬盤異響多是磁頭損壞，需要開盤修理；如果硬盤中的數(shù)據(jù)不重要，則沒有維修的必要。（8）硬盤噪音較大噪音很大，不能讀寫，一般是機(jī)械故障，沒有維修價(jià)值。（9）硬盤密碼遺忘筆記本硬盤密碼保護(hù)，如不慎忘記

51、，就是廠商也無(wú)法解密。臺(tái)式機(jī)硬盤密碼可用專業(yè)軟件清除。,6.3 .4 硬盤常見故障分析,硬盤常見故障現(xiàn)象,6.3 .4 硬盤常見故障分析,【補(bǔ)充】硬盤健康狀態(tài)檢測(cè),6.3 .4 硬盤常見故障分析,【補(bǔ)充】硬盤維修軟件,6.4 光盤結(jié)構(gòu)與故障維修,6.4.1 只讀光盤基本結(jié)構(gòu),1. 光盤的類型只讀光盤CD-ROM：容量為650MB；DVD-ROM：容量為4.7-17GB；BD-ROM：容量為23-27GB。寫一次光盤

52、CD-R、DVD-R、BD-R。讀寫光盤CD-RW、DVD-RW、BD-RW。,6.4.1 只讀光盤基本結(jié)構(gòu),不同規(guī)格DVD光盤容量,6.4.1 只讀光盤基本結(jié)構(gòu),2. 只讀光盤物理結(jié)構(gòu) 保護(hù)層（透明塑料涂層）反射層（鍍鋁涂層）塑料基板層（數(shù)據(jù)記錄）標(biāo)簽層（光盤屏蔽保護(hù)）等。,6.4.1 只讀光盤基本結(jié)構(gòu),3．光盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理光盤每扇區(qū)為2KB。光盤中每個(gè)溝槽邊緣代表數(shù)據(jù)“1”，其它地方代表數(shù)據(jù)“0”。,6.4.

53、2 讀寫光盤基本結(jié)構(gòu),1．DVD-R光盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理一次性寫光盤也稱為刻錄光盤。 規(guī)格：BD-R、DVD-R、CD-R。原理：刻錄光盤中，有一種有機(jī)染料，它在高溫下會(huì)發(fā)生分子排列變化，可以用來(lái)記錄數(shù)據(jù)。,6.4.2 讀寫光盤基本結(jié)構(gòu),刻錄工作原理：DVD-R光盤在刻錄過(guò)程中，刻錄機(jī)激光頭按數(shù)據(jù)脈沖信號(hào)發(fā)出高能量激光。激光透過(guò)光盤表面的透明層，使有機(jī)染料局部熔化。光照冷卻后，有機(jī)染料的透光性在一些局部遭到了永久性破壞，沒有受到

54、激光照射的局部則呈現(xiàn)良好的透光率，這樣就在DVD-R光盤上形成了永久的數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)。DVD-R需要連續(xù)寫入，但是存儲(chǔ)在DVD-R中的數(shù)據(jù)可以隨機(jī)讀出。,6.4.2 讀寫光盤基本結(jié)構(gòu),2．DVD-RW光盤結(jié)構(gòu)刻錄原理：一些特殊晶體材料在不同溫度下分別呈結(jié)晶態(tài)與非結(jié)晶態(tài)，使用不同功率的激光對(duì)它們照射，就可以使晶體材料發(fā)生相變。,6.4.3 光盤基本邏輯結(jié)構(gòu),2．光盤的扇區(qū)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)選擇Mode 1扇區(qū)模式；Mode 2適合存

55、放圖形、聲音、影音等資料。,6.4.3 光盤基本邏輯結(jié)構(gòu),光盤采用計(jì)時(shí)地址系統(tǒng)。它以分、秒和百分秒時(shí)間值作為地址。,,計(jì)時(shí)尋址,6.4.4 光驅(qū)基本工作原理,光驅(qū)采用向下兼容的設(shè)計(jì)方案。例如，BD-ROM光驅(qū)可以讀出DVD-ROM、CD-ROM、DVD-R、DVD-RW、CD-ROM等光盤。光驅(qū)組成激光頭、光頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、光盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制電路、數(shù)據(jù)處理芯片等電路。,6.4.4 光驅(qū)基本工作原理,CD-ROM基準(zhǔn)傳輸速率：15

56、0KB/s（1x）。例：如50x光驅(qū)的數(shù)據(jù)傳輸速度為7.5MB/s。DVD基準(zhǔn)速率：1.35MB/s（1x）。例：20x光驅(qū)最大數(shù)據(jù)傳輸速度為27MB/s。BD-ROM基準(zhǔn)速率：4.5MB/s（1x）。最大數(shù)據(jù)傳輸速度激光頭在光盤最外圈讀寫數(shù)據(jù)所達(dá)到的最大值；光盤內(nèi)圈數(shù)據(jù)傳輸速度大約為外圈的一半左右。,6.4.4 光驅(qū)基本工作原理,DVD光驅(qū)數(shù)據(jù)傳輸速度,6.4.4 光驅(qū)基本工作原理,光驅(qū)數(shù)據(jù)讀取原理,6.4.4 光