硬盤構(gòu)造的基本原理

1、目前流行的硬盤儲(chǔ)存器都具有非常完善而先進(jìn)的內(nèi)置式程序保障系統(tǒng)，它包括 硬盤微處理器執(zhí)行碼和大量硬盤運(yùn)行所需的各種各樣的數(shù)據(jù)表。硬盤內(nèi)置式程序總的容量大小可以達(dá)到幾個(gè) Mbit。一旦硬盤的這種程序出現(xiàn)被損壞情況，那么， 即使硬盤的整個(gè)機(jī)械裝置和電子器件完好無損， 硬盤還是會(huì)出現(xiàn)部分或完全的工 作故障。本篇文章描述了硬盤程序保障的基本原理，硬盤的結(jié)構(gòu)和地址分配硬盤的空間結(jié)構(gòu)對(duì)一個(gè)硬盤來說，不是所有的空間都用來儲(chǔ)存用戶的數(shù)據(jù)信息。 有相當(dāng)一部 分空間對(duì)用戶來說是看不見的，它包括服務(wù)區(qū)（Service Area）和備用區(qū)（Reserve Area）（詳見圖1）。待川氐約芻ooo磁袪服齊k：約就魁兒服務(wù)

2、區(qū)是用來儲(chǔ)存服務(wù)信息，即硬盤的內(nèi)部程序和一些輔助表格。 備用區(qū)是 用來替換用戶工作區(qū)內(nèi)的故障扇區(qū)和磁道。 這兩個(gè)區(qū)域在硬盤正常工作狀態(tài)下是 訪問不到的。用戶只能訪問到工作區(qū)的數(shù)據(jù)（通常情況下，這個(gè)區(qū)域被稱為硬盤 的邏輯空間），而硬盤的容量標(biāo)簽中標(biāo)注的正是這一部分空間的容量，如HDD160GLBA:320173056o 個(gè)LBA （邏輯塊地址）就等于一個(gè)扇區(qū)，即 512bit。這樣一 來，知道了一個(gè)硬盤的LBA總體數(shù)量，也就知道了硬盤容量的大小。硬盤在正常工作（用戶）狀態(tài)下，對(duì)工作區(qū)（連續(xù)不斷的邏輯扇區(qū)）的訪問 是通過LBA進(jìn)行，即在0到最大LBA之間進(jìn)行。要想接觸到服務(wù)區(qū)， 只有在一種專門的工

3、作狀態(tài)下， 即技術(shù)工作狀態(tài)下才可 能實(shí)現(xiàn)。而要想進(jìn)入這一工作狀態(tài)， 則需要一把“鑰匙”指令， 給出了“鑰匙” 指令之后， 就可以打開一組補(bǔ)充的技術(shù)指令。 借助這些技術(shù)指令就可以進(jìn)行諸如 讀/ 寫服務(wù)區(qū)的扇區(qū)信息、獲取服務(wù)區(qū)模塊和表格配置圖、獲取扇區(qū)分配表、進(jìn) 行 LBA與 PCHS （Physical Cylinder Head Sector）（物理磁柱-磁頭-扇區(qū)）互換、進(jìn)行低級(jí)格式化，以及讀 / 寫硬盤的閃存器等操作。服務(wù)信息服務(wù)信息對(duì)硬盤運(yùn)行來說是必須要有的，它可以分為以下幾類： 微程序的管理模塊（ overlay ）；配置和設(shè)置表；缺陷表； 工作記錄表（ SelfScan, Calib

4、rator 程序的工作結(jié)果）。硬盤微處理器的工作程序?qū)儆谟脖P工作所必需的一組程序。 它包括初始診斷 程序、伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制程序、 磁頭定位程序、 與硬盤控制器及緩沖存儲(chǔ)器的信 息交換程序等。 所有這些合起來稱作硬盤程序。 在有些型號(hào)的硬盤中， 工作程序 被配置在微控制器的內(nèi)部存儲(chǔ)器或外部閃存器中（如2.5"的“TOSHIBA硬盤）。但是，對(duì)大部分型號(hào)的硬盤來說，它的部分工作程序存儲(chǔ)在磁盤的服務(wù)區(qū) 上，而在電路板的緩沖存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)的是初始化程序、定位程序，以及從磁盤 服務(wù)區(qū)向內(nèi)存儲(chǔ)器讀與復(fù)制的工作程序初始加載器。 由于程序是從服務(wù)區(qū)向微處 理器的緩沖存儲(chǔ)器中重新加載， 而這里也是微處

5、理器的工作地點(diǎn)， 所以，它們的 名字叫做“管理程序或 overlay 程序”（詳見圖 2）。圖2在服務(wù)區(qū)內(nèi)，“ overlay ”是以模塊的形式，即程序的終端進(jìn)行配置的，它 包括模塊標(biāo)題、模塊主體，以及用于檢測(cè)該模塊完整性的檢測(cè)綜合區(qū)。當(dāng)“overlay ”加載到緩沖存儲(chǔ)器時(shí)，硬盤微處理器對(duì)每個(gè)被加載的模塊檢測(cè)總數(shù) 進(jìn)行計(jì)算，然后將其與模塊的檢測(cè)總數(shù)比特進(jìn)行比較。如果比較檢測(cè)總數(shù)的結(jié)果不一致，那么，這個(gè)模塊就會(huì)被認(rèn)為已經(jīng)損壞，而且不能被加載到緩沖儲(chǔ)存器中。 這正是大多數(shù)具有“ overlay ”程序硬盤出現(xiàn)工作故障的常見原因。通常，在出 現(xiàn)這種故障時(shí)，硬盤是不能夠完整地運(yùn)行的，也就是說，不是所

6、有的“ overlay ” 程序都能夠被加載到緩沖存儲(chǔ)器之中，并參與硬盤的工作。不同的“overlay ”程序出現(xiàn)損壞，故障會(huì)表現(xiàn)出不同的形式來。例如，硬盤一直會(huì)處在“忙碌”狀 態(tài)，不能夠準(zhǔn)備就緒，或者在硬盤的辨認(rèn)過程中，“BIOS'會(huì)確認(rèn)硬盤的出廠名 稱(Mammoth, N40P, Calypso等)，或者型號(hào)在“ BIOS'中會(huì)被確定出來，但 此時(shí)的容量大小只有0G等。硬盤的配置和設(shè)置表包含有關(guān)于磁盤空間的邏輯和物理信息。這些表格對(duì)于電路板(一個(gè)家族的所有硬盤的電路板都是統(tǒng)一的)來說是必需的，是為了讓電路板獨(dú)立地設(shè)置到這一家族的這一類型號(hào)上， 也就是說使電路板正確地選擇型

7、號(hào) 名稱、最大LBA值，正確地確定物理磁頭的數(shù)量和 Zone分配表。在設(shè)計(jì)某一型號(hào)的硬盤時(shí)，如容量為 160G的雙磁盤硬盤時(shí)，自然而然一個(gè) 磁盤上的容量為80G,而一個(gè)磁盤的一個(gè)表面容量，即四分之一硬盤的容量為 40G所以說，生產(chǎn)商在不需要投入很大研發(fā)費(fèi)用的同時(shí)，可以向市場(chǎng)推出很多型 號(hào)和容量都不同的硬盤。 如在一些容量小的型號(hào)硬盤中， 可以使用一些由于某些 參數(shù)原因而不能夠被所有型號(hào)硬盤所使用的零件。 舉例說明， 在容量最小的一些 硬盤中， 生產(chǎn)商可以使用某一表面具有缺陷的磁盤， 因?yàn)樵谶@個(gè)硬盤中， 該表面 是不使用的。配置表與工作程序一樣， 是以模塊的形式被配置在硬盤的服務(wù)區(qū)內(nèi)， 也包括

8、標(biāo)題、模塊主體（表格）和檢測(cè)總數(shù)區(qū)。在鑒別硬盤時(shí)，配置表以同樣的方式加 載到微處理器的緩沖存儲(chǔ)器之中， 并計(jì)算和檢查檢測(cè)總數(shù)。 配置表和工作程序一 樣，對(duì)硬盤的工作是至關(guān)重要的。通常情況下，一旦配置表發(fā)生損壞，那么硬盤在計(jì)算機(jī)的BIOS中便無法得 到鑒別和確認(rèn)，或者在鑒別過程中，所顯示的硬盤容量、型號(hào)、名稱及批號(hào)會(huì)出 現(xiàn)錯(cuò)誤等。缺陷表。目前的生產(chǎn)技術(shù)還不能夠確保所生產(chǎn)的每一個(gè)磁盤沒有任何缺陷。 由于載體材料的非單一性、 拋光打磨上的缺陷， 以及在制作磁層時(shí)介入雜質(zhì)等因 素，都有可能使硬盤的某些區(qū)域在讀寫過程中產(chǎn)生錯(cuò)誤。帶 ST506/412 接口的老式硬盤， 其缺陷磁道標(biāo)示貼在密封硬盤的外殼上

9、， 而 且每一個(gè)硬盤都有一個(gè)備用容量， 如20mbit的ST225型硬盤實(shí)際上有21.5mbit 的容量，也就是說 1.5mbit 的容量是用來供壞扇區(qū)和壞道使用的。 現(xiàn)在市場(chǎng)上流 行的硬盤也有一個(gè)富余容量， 用來將工作區(qū)中的壞扇區(qū)和壞道與備用區(qū)的正常扇 區(qū)和磁道進(jìn)行替換。 在使用了這樣一種替換機(jī)制以后， 即使在磁盤工作區(qū)的磁表 面上出現(xiàn)大塊區(qū)域的缺陷，硬盤的總體容量也不會(huì)減少。為了進(jìn)行這樣的替換， 硬盤中有一個(gè)專門的缺陷隱藏程序，叫做“ Defect Man ageme nt ” （缺陷管理） 程序。該程序運(yùn)行的主要目的是發(fā)現(xiàn)硬盤中所有磁盤上的缺陷區(qū)域， 然后再將其 放置在一種名曰“缺陷表”

10、的專門表格之中。 之后，再對(duì)邏輯空間向物理空間進(jìn) 行轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)進(jìn)行重新計(jì)算，這樣一來也就隱藏了缺陷。缺陷表是在生產(chǎn)廠家的廠內(nèi)試驗(yàn)過程中填寫的。 廠家發(fā)現(xiàn)的所有“壞”扇區(qū) 序號(hào)均被填寫在該表之中。這種操作被稱為“更新（隱藏）缺陷”（UPDATE DEFECT這樣，當(dāng)硬盤工作時(shí)，如需訪問被隱藏的缺陷扇區(qū)，那么， 硬盤會(huì)變更訪問的地址， 將訪問指向備用區(qū)。 所以，目前由生產(chǎn)廠家推出的最新 型硬盤，在用戶數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)是沒有缺陷扇區(qū)的。大部分型號(hào)的硬盤都有兩個(gè)缺陷表， 即初始缺陷表 （Primary 或 P-List） 和生 長(zhǎng)缺陷表（ Grown 或 G-List ）。初始缺陷表由生產(chǎn)廠家在進(jìn)行工廠內(nèi)部檢

11、測(cè) SELFSCAN （intelligent burn-in）過程中填寫。生長(zhǎng)缺陷表不由廠家填寫，是用來填寫在硬盤使用過程中所發(fā)現(xiàn)的缺陷。 因此，幾乎所有硬盤的用戶指令表 中有一個(gè)叫“ Assign ”的指令，通過該指令就可以將對(duì)壞扇區(qū)的訪問轉(zhuǎn)向備用 區(qū)。這一指令被許多檢測(cè)程序所使用， 其中包括廠家所推薦的修復(fù)硬盤壞扇區(qū)程 序。在“ Western Digital ”（西數(shù)）硬盤中，有一種“ Data Lifeguard ”（數(shù) 據(jù)救生）系統(tǒng)，可以在硬盤沒有訪問時(shí)重新指定壞扇區(qū)。為此，硬盤要對(duì)磁盤的 表面進(jìn)行自我檢測(cè)，并將用戶數(shù)據(jù)挪到備用區(qū)內(nèi)，有缺陷的扇區(qū)被打上“BAD”（壞）標(biāo)志。從隱藏缺

12、陷的類型上講，這種方法與給出“ Assign ”指令一致。“富 士”、“昆騰”、“邁拓”和“ IBM'硬盤可以在“寫”的過程中自動(dòng)隱藏缺陷， 也就是說，數(shù)據(jù)是寫入缺陷扇區(qū)， 但硬盤本身可以將訪問重新指向備用區(qū)， 這時(shí)， 缺陷扇區(qū)被打上“ BAD標(biāo)志，其編號(hào)被填寫到 G-List表中。工作記錄表包含硬盤生產(chǎn)和運(yùn)行過程中的一些輔助信息 （如檢測(cè)結(jié)果、 檢測(cè) 程序運(yùn)行記錄等）。通常情況下，這些表格內(nèi)容并不重要，而且在一般用戶工作 狀態(tài)下，它們的損壞并不會(huì)影響到硬盤的工作。 但是，這些模塊在用戶準(zhǔn)備對(duì)硬 盤進(jìn)行二次使用（刷新），以及執(zhí)行“ SelfScan ”和 “Calibrator ”等操

13、作時(shí)兩種隱藏缺陷的方法當(dāng)使用“重新指定” （Assign）方法時(shí)，硬盤在“ BAD扇區(qū)的辨別區(qū)內(nèi)會(huì)打 上被位移扇面的標(biāo)記， 然后再在該扇區(qū)的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)打上備用扇區(qū)的序號(hào)， 即需要 訪問，進(jìn)行讀寫操作的扇區(qū)序號(hào)。通常，這個(gè)扇區(qū)就是用戶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的工作區(qū)之 后的第一個(gè)扇區(qū)（詳見圖3）。1 1 1 2 | 3 ( 4*1丈1占丨7 1必(I H'II1 i 1 2丨g丨國(guó)567VWzirk Area” N吉1 1Reserve AreaLcgicsl sectorsPhysi cal sectors 物郎喝區(qū)M&tho tiRE&gsigi遊d ggctcifg試祈指定皿區(qū)也圖3

14、.重新指定扇區(qū)法在進(jìn)行讀寫操作和訪問壞扇區(qū)時(shí)，控制器會(huì)發(fā)現(xiàn)上面所說的那個(gè)標(biāo)志和重新 指定的地址，這樣就會(huì)將磁頭定位在備用區(qū)，以便讀寫正常扇區(qū)上的數(shù)據(jù)。缺陷 扇區(qū)在此情況下似乎已經(jīng)消失，但是，硬盤在每次工作時(shí)都會(huì)遇到壞扇區(qū)， 并對(duì) 磁頭進(jìn)行重新定位，使其在備用區(qū)進(jìn)行讀寫操作。每次遇到這種情況，我們就會(huì) 聽見硬盤磁頭發(fā)出“吱吱”的聲音，而且硬盤的運(yùn)行速度也會(huì)有所降低?！?Assign ”操作只能隱藏?cái)?shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的缺陷。如果錯(cuò)誤與鑒別區(qū)和伺服標(biāo)記破壞有 關(guān)，那么，“ Assign ”操作是不能隱藏這種缺陷的。生產(chǎn)廠家隱藏缺陷扇區(qū)的方法被稱為“忽略缺陷扇區(qū)法”。使用這種方法時(shí)，缺陷扇區(qū)被忽略，而下一個(gè)扇區(qū)

15、被冠以缺陷扇區(qū)的序號(hào) （以此類推），這樣， 最后一個(gè)扇區(qū)就被移到了磁盤的備用區(qū)（見圖 4）。1血血配 cif 曲itlm 鴕ctor 2EM忽畤江Logicalsectors11 I :? |丄I 4XI §:血了 I(4 NPhyE calI r>2 1 34 1 51 673 'A1 NH+l11sectorsWfark AreaResetv&Area圖4.使用這種隱藏方法會(huì)破壞低級(jí)格式化的連續(xù)性和完整性。LBA向PCHS轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)該考慮到壞扇區(qū)，并在數(shù)據(jù)訪問時(shí)將其忽略。邏輯磁盤空間與物理格式之 間的關(guān)系借助一種專用的程序-譯碼器實(shí)現(xiàn)，這種專用程序考慮到了磁

16、盤的物理格式、區(qū)域劃分，以及壞扇區(qū)與壞磁道已不再工作等因素。所以，忽略缺陷扇區(qū) 法要求必須對(duì)譯碼器表進(jìn)行重新統(tǒng)計(jì)計(jì)算，而且還會(huì)破壞用戶事先寫入數(shù)據(jù)的完 整性。正因如此，這種隱藏方法只有在硬盤處在一種專門的技術(shù)工作狀態(tài)下才能 使用。硬盤服務(wù)區(qū)的檢測(cè)為了檢查硬盤服務(wù)區(qū)信息的完整性， 需要使用一套專門的程序，以便能夠?qū)?硬盤轉(zhuǎn)入技術(shù)狀態(tài)，一個(gè)模塊接著一個(gè)模塊來訪問到硬盤的服務(wù)區(qū)，檢查硬盤服務(wù)信息的所有結(jié)構(gòu)。例如，為了對(duì)硬盤進(jìn)行檢測(cè)，可以在“Windows系統(tǒng)軟件中使用PC-3000軟件-硬件綜合系統(tǒng)。在檢測(cè)和恢復(fù)硬盤服務(wù)區(qū)信息方面，該系 統(tǒng)具有相當(dāng)發(fā)達(dá)的專用菜單。Tests Current test

17、 Tods Users tests Windows HelpIP* 1Utility statusService information *-HDD1Firn5FormatLogicaE testDefect list匚 learS.M.A.RA.Clear S.M.A.R.T. Log刊 PC-300DT? mmHDD resources backupWork with ROMWork with service areaWork 卅ith databaseSA surFace verificationSA structure testPhys Zon : SA CjpI : 52 26G H

18、ead : 1 Sec： 714ReadingV/riting modulesReading service tracksWriting servi匚& traclcsErse service areaService area formatTranslator regenerationTranslator deactivationEdit HDD IDSecurity subsystem當(dāng)運(yùn)行服務(wù)區(qū)(Service Area)結(jié)構(gòu)檢測(cè)(structure test )程序時(shí)，服務(wù)區(qū)的每一個(gè)模塊都會(huì)依次得到檢查。檢查的項(xiàng)目包括模塊標(biāo)示符、標(biāo)示符的長(zhǎng)度、檢測(cè)總和及其它參數(shù)(見表1)Id:

19、磁柱 : 磁頭: 扇區(qū): 大小:讀 : Hdr :CS : 日期: Vers.:19: -1: 0: 2: 19:Yes : Ok : Ok :24-10-03:0100W :Overlay of microprogram1B: -1: 0: 22: 2:Yes : Ok : Ok :24-10-03:0100W :Overlay of microprogram1A: -1: 0: 25: 4:Yes : Ok :Ok :24-10-03:0200? :42: -2: 0: 0: 2:Yes : Ok :Ok :03-01-04:0202? :Configuration (HDD ID)43:

20、 -2: 0: 3: 360:Yes :(Primary defect)Ok :Ok :24-10-03:0200? :P-List44: -2: 0: 364: 8:Yes :Ok :Ok :05-01-04:0200? :G-List(Grown defect)59: -2: 0: 373: 4:Yes :Ok :Ok :24-10-03:0100? :T-List(Track defect)5A: -2: 0: 378: 1:Yes :Ok :Ok :24-10-03:0100? :20: -2: 0: 380: 144:Yes: Ok: Ok :01-01-04:0701? :Translator(PD List)25: -2: 0: 525: 15:No : : T