第二节 磁场和磁感线

硬盘原理初探

    有关于硬盘原理的介绍并不像CPU、显卡以及声卡那样随处可见，但从各配件的重要性来看硬盘在计算机中的地位并不逊色于CPU、显卡以及声卡；对于从事信息工作的人来说，他的信息比他的计算机还重要，而他的信息就保存在硬盘里，所以从某种特定的角度来说，硬盘比其它任何一各配件都要重要.也正是由于以上的原因，近年来硬盘在速度、容量和稳定性等方面都有了长足的发展，但是无论其如何变化，它的基本原理是不变的，正所谓“万变不离其宗”.了解它的原理，对如何选择硬盘有很大的帮助.
美国、日本、韩国是世界上生产硬盘的主要厂商.美国的主要品牌有昆腾（Quantum）、希捷（Seagate）、迈拓(Maxtor)、IBM、西部数据（Western Digital）；日本有NEC、富士通（Fujitsu）；韩国的三星.三国之中美国一直是硬盘技术的领导者，日、韩二国产品的性能价格比要优于美国.Seagate，Quantum，Maxtor等是打入中国硬盘界的老手， Fujitsu，IBM，Samsung等是后来者.硬盘由磁头、磁盘、电路板和接口等部件所组成，虽然不复杂，但描述硬盘的术语以及有关于硬盘的各种技术和规定却是很多，如转速、接口技术、S.M.A.R.T技术、SPS和MaxSafe等等，下面就近年来硬盘变化较大的部件、术语和技术进行介绍.

磁头:
    不用说大家也都知道，硬盘存取数据主要是靠磁头.磁头的发展先后经历了“亚铁盐类磁头（MONOLITHIC HEAD）”、“MIG（METAL IN GAP）磁头”、“薄膜磁头（THIN FILM HEAD）”.以上这些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要同时兼顾到读/写两种特性，从而造成了硬盘设计上的局限.现在流行的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.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，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，从而提高了盘片密度，这也是MR磁头被广泛应用的最主要原因.目前市场上的新型大容量硬盘大都采用了MR磁头.另外，Quantum等几家公司已开发出一种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），它可使硬盘容量提高十倍以上，它的大量运用，必将带动硬盘业兴起一场变革.

单碟容量 :
    单碟容量是指单张盘片的容量，单碟容量越大，实现大容量硬盘也就越容易，寻找数据所需的时间也相对少一点.如今，PRML（PARTIAL RESPONSE MAXIMUM LIKELIHOOD）——局部响应最大相似性读磁道技术不仅使单碟容量大大增加，还加快了数据传输率，采取这一技术的硬盘性能都有较大提高.当这项技术应用于硬盘信号读取时，就能避免因磁道过窄造成的信号干扰，因而可以大幅度地提高盘片的密度.与此同时，由于磁盘密度的增大，磁头在相同时间内可以读取到更多的信号，这就意味着读取速度得以提高.而最大相似（Maximum likelihood）原理则是通过多点采样，把磁头读取到的信号与标准信号进行对比，以得出最匹配的信号再传送出去，从而大大地提高了数据读取的准确性.这是传统的“脉冲峰值检测”读取通道（analog peak detection read channels）无法做到的.PRML技术的普遍采用，使硬盘的容量、速度、可靠性都有了不同程度的提高.
MR磁头与PRML技术的采用，为提高盘片的密度提供了可能性，但关键的，还在于盘片制造工艺上的改进与新型磁盘材料的应用上.现时的盘片大都采用金属薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软磁盘的不连续颗粒媒体具有更高的记录密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力.

转速 :
    主轴马达带动盘片高速旋转，产生浮力使磁头飘浮在盘片上方.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.换句话说，转速在很大程度上决定了硬盘的速度.硬盘容量不断增大的同时，硬盘转速也在不断提高.目前，7200转的硬盘已成为市场的主流， Seagate、IBM也推出了10000rpm的硬盘，其他硬盘厂商也有此转速的硬盘推出.转速提高无疑是件好事，但同时也带来了磨损加剧、温度升高、噪声增大等一系列负面影响.为此，一直应用在精密机械工业上的液态轴承马达（Fluid dynamic bearing motors）被引入到硬盘技术中.与传统的滚珠轴承马达不同，液态轴承马达使用的是黏膜液油轴承，以油膜代替滚珠.这样做的好处有三：一是避免了金属面的直接磨擦，噪声及温度被减至最低；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；三是理论上无磨损，寿命无限长.目前，液态轴承马达已走出实验室，Seagate的 Medalist Pro 9140是第一台使用液态轴承马达的硬盘驱动器.

接口技术 :
    随着硬盘速度与CPU速度的不断提高，硬盘外部数据传输的瓶颈现象日益严重，其情形就如千军万马过独木桥.从1986年的ATA到1993的ATA-2这七年时间里，外部数据传输率仅是从3.3MB/s增至16.6MB/s，故此，当Intel与Quantum提出可将外部数据传输速度倍增至33MB/s的Ultra ATA接口技术时，瞬即得到各大硬盘厂商的响应，如今Ultra ATA硬盘已是遍地开花，虽然33MB/s还只是理论上的速度.至于SCSI接口，目前16位的Ultra SCSI II理论上的数据传输率已达80MB/s，但SCSI接口卡加上SCSI硬盘的高昂价格并不是每个用户都负担得起.
严格上说，Ultra ATA也好， Ultra SCSI也好，都算不上是一种突破，只是在“挖掘潜力”而已，IDE与SCSI本身的局限性依然存在.为此，当1995年IEEE 1394接口标准发表时，便预示着传统的硬盘接口已成未日黄花.IEEE 1394并不是硬盘专用接口，实际上IEEE 1394的最大优势也正在于它是一个统一的标准设备接口，现在是硬盘去配合接口而不是接口去迁就硬盘的时候了.统一接口的好处是显而易见：家庭用户可以方便地联接和管理周边设备，不必再为那些五花八门、互不兼容的插头和电缆而感到头疼；而厂家也可以在标准化的设计中进一步降低设计和制造成本.当然，IEEE 1394的好处不止于此，它可以方便地连接63个不同的设备，支持即插即用和热插拔.至于我们最关心的传输速度，IEEE 1394可以提供100Mbps、400Mbps、1.2Gbps三档高速同步数据传输率，这可是IDE与SCSI望尘莫及的.可惜的是，IEEE 1394发表已有三年时间了，至今还只是一纸书面协议.虽然Windows 98已宣布支持IEEE 1394，但真正的IEEE 1394接口产品还不知何时才能问世.但不管怎样，技术进步的车轮是谁也无法阻挡的，新一代的硬盘接口最终还是会统一到IEEE 1394中去.

S.M.A.R.T技术 :
    现在的硬盘容量越做越大，我们在硬盘里存放的数据也越来越多.那么，这么大量的数据存放在这样一个铁盒子里究竟有多安全呢？虽然，目前的大多数硬盘的无故障运行时间（MTBF）已达300，000小时以上，但这仍不够，一次故障便足以造成灾难性的后果.因为对于不少用户，特别是商业用户而言，数据才是PC系统中最昂贵的部分，他们需要的是能提前对故障进行预测.正是这种需求与信任危机，推动着各厂商努力寻求一种硬盘安全监测机制，于是S.M.A.R.T.技术应运而生.S.M.A.R.T.技术的全称是Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology，即“自监测、分析及报告技术”.在ATA-3标准中，S.M.A.R.T.技术被正式确立.S.M.A.R.T.监测的对象包括磁头、磁盘、马达、电路等，由硬盘的监测电路和主机上的监测软件对被监测对象的运行情况与历史记录及预设的安全值进行分析、比较，当出现安全值范围以外的情况时，会自动向用户发出警告，而更先进的技术还可以提醒网络管理员的注意，自动降低硬盘的运行速度，把重要数据文件转存到其它安全扇区，甚至把文件备份到其它硬盘或存储设备.通过S.M.A.R.T.技术，确实可以对硬盘潜在故障进行有效预测，提高数据的安全性.但我们也应该看到，S.M.A.R.T.技术并不是万能的，它只能对浅发性的故障进行监测，而对于一些突发性的故障，如盘片突然断裂等，硬盘再怎么smart也无能为力了.因此不管怎样，备份仍然是必须的.
    现代的科技使硬盘更新的速度越来越快，现如今个人购买20GB或30GB容量的硬盘也已是平常的事情了，10000转/秒的也逐渐的贫民化了.不过什么样的硬盘最适合你？相信通过上面的介绍，你会有一个新的认识.