计算机组装实训存储器.ppt

第 4 章 存储器,第 4 章 存储器,计算机的工作过程就是在程序的控制下对数据信息进行加工处理的过程。因此，计算机中必须有存放程序和数据的元器件，这个元器件就是人们所说的存储器，它是计算机的重要组成部分。存储器分为内存储器（简称内存）和外存储器（简称外存）。内存储器由半导体芯片组成，依赖于外来供电维持信息的保存状态。外存储器通常是磁性介质（软盘、硬盘、磁带）或光盘，能长期保存信息，并且不依赖于外来供电维持信息的保存状态。,第 4 章 存储器,知识目标：熟悉内存的分类、DDR内存的结构；熟悉硬盘的接口、组成、主要参数；掌握光存储设备的结构，光盘驱动器的分类；了解CD-ROM驱动器、CD-RW驱动器、DVD-ROM驱 动器、Combo驱动器、DVD刻录机等光存储设备的性 能参数、工作原理；掌握光盘的类型、规格，数据的存放格式；,第 4 章 存储器,技能目标：能够根据识别常见内存上的标识；能够根据内存选购原则为不同主板机型选购内存；能够掌握CD-ROM驱动器、CD-RW驱动器、DVD-ROM驱动器、Combo驱动器、DVD刻录机等光存储设备的选购要点；能够选购CD-R盘片；能够使用测试软件对内存、硬盘等进行测试。,4.1 存储器概述,计算机的工作过程就是在程序的控制下对数据信息进行加工处理的过程。因此，计算机中必须有存放程序和数据的元器件，这个元器件就是人们所说的存储器，它是计算机的重要组成部分。4.1.1 计算机存储结构 根据存储器的存储容量、存取速度和存储成本等指标，计算机通常采用多级存储结构，如图4.1所示。,4.1 存储器概述,从图4.1中可以看出，计算机的存储采用三级结构，离CPU最近的采用Cache存储器，第二级采用动态随机存储器，第三级采用外存储器。三级存储结构能有效地解决存储容量、存储成本和存储速度之间的矛盾，三者之间的关系如图4.2所示。从图4.2中可以看出，磁盘、磁带、光盘和闪存的容量大、成本低，但存取速度慢，主要用于外存，又称辅助存储器，常见外存有硬盘、软盘（已经被淘汰）、CD-ROM、磁带和U盘（属于半导体存储器）等，能长期保存信息，并且不依赖于外来供电维持信息的保存状态。,4.1 存储器概述,4.1 存储器概述,Cache存储器属于半导体存储器，存取速度快，但容量相对较小，价格贵。主存采用动态随机存储器，其存取速度比Cache慢，但比外存储器快，俗称内存，内存储器由半导体芯片组成，依赖于外来供电维持信息的保存状态。4.1.2 半导体存储器分类半导体存储器是利用半导体作为存储单元的存储器。半导体存储器分为ROM（Read Only Memory，只读存储器）和RAM（Random Access Momory，随机存取存储器），而RAM又分为DRAM（Dynamic RAM，动态随机存取存储器）和SRAM（Static RAM，静态随机存取存储器）。,4.1 存储器概述,其中SRAM主要用于Cache，DRAM主要用于主存（俗称内存），而ROM用于非频繁存取的场所。,4.2 内存,内存储器是CPU可直接进行访问的存储器。内存作为计算机硬件的必要组成部分之一，其地位越来越重要，内存的容量与性能也已成为衡量微机整体性能的一个决定性因素。微型计算机的内存储器由于采用大规模及超大规模集成电路工艺制造，所以具有密度大、体积小、重量轻、存取速度快等特点。4.2.1 内存的分类按内存在计算机内的用途分为主存储器（Main Memory，简称主存）和辅助存储器（Auxiliary Memory，简称辅存）。平时所说的内存容量是指主存储器的容量。内存实质上是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路。内存在计算机系统中具,4.2 内存,有非常重要的作用，是CPU与硬盘之间数据交换的桥梁，是数据传输过程中的一个寄存纽带。内存的主要功能是存放各种输入、输出数据和中间结果以及与外部存储器交换数据时作缓冲用。1.按内存的工作原理分类内存泛指计算机系统中存放数据和指令的半导体存储单元，包括RAM（Random Access Memory，随机存储器）、ROM（Read Only Memory，只读存储器）、Cache（高速缓冲存储器）等。按内存的工作原理可分为ROM和RAM。这两种基本类型的内存，分别用于不同的用途。,4.2 内存,（1）ROM。ROM是只能读取，不能随意修改或删除内容的一种存储器，其中的内容也不会因为掉电而丢失。ROM主要用来存放固定不变的控制计算机系统的程序和参数表，也用于存放常驻内存的监控程序和部分引导程序。人们通常所说的BIOS（基本输入输出系统）就存放在ROM中。根据ROM中的信息存储方法，可把ROM分为以下几类：普通ROM或称掩膜ROM：这种ROM中的信息是在芯片制造时由生产厂家写入的，其中的内容一经写入就不能再被更改。这种ROM又可分为MOS型和双极型两种。MOS型功耗小，但速度较慢；双极型速度较快但功耗大。,4.2 内存,一次可编程只读存储器PROM（Programming ROM）：PROM出厂时里面没有被写入信息，允许用户采用特定的设备将编好的程序固化在PROM中，和普通ROM一样，PROM中的内容一旦写入也就不能再更改了。多次改写可擦除可编程只读存储器这类ROM有以下三种：可擦编程只读存储器EPROM（Erasable Programmable ROM）：其内容可通过紫外线擦除，因此可多次改写。EPROM芯片上有一个透明窗口，可通过写入器向芯片内写入内容，写入后便用不透明的标签将其贴住。,4.2 内存,如果要擦除EPROM中的内容，可揭掉标签，用紫外线照射EPROM的窗口，EPROM中的内容就会丢失，但操作不方便，因为EPROM擦除时一般要用紫外线连续照射30分钟左右，才能擦除原来的内容。电可擦除可编程只读存储器EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM）：其内容可通过加电擦除，因此也可多次改写，且操作方便，用户可用一般微机重新写入新的内容，但写入电压较低，易被误改写。闪速存储器Flash Memory：其本质也属于EEPROM，但改写电压较高，使用安全可靠，且速度快功耗低，所以586以上微机的主板上均采用Flash,4.2 内存,ROM BIOS，使得BIOS升级非常方便。Flash Memory另一个用途是可用作固态大容量存储器，如各种闪盘等就是使用Flash芯片作存储介质的。目前普遍使用的大容量存储器仍为硬盘。硬盘虽有容量大和价格低的优点，但它是机电设备，有机械磨损，可靠性和耐用性相对较差，抗冲击、抗振动能力弱，功耗大。因此，计算机界一直在研究取代硬盘的介质。随着Flash Memory集成度的不断提高，价格逐渐降低，使其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能。（2）RAM。RAM就是平常所说的内存。在系统运行时，RAM将计算机将所需的指令和数据从外部存储器（如硬盘、软盘、光盘等）调入内存中，CPU再从RAM,4.2 内存,中读取指令或数据进行运算，并将运算结果存入RAM中。RAM的存储单元根据需要可以读出，也可以写入或改写。RAM只能用于暂时存放程序和数据，一旦关闭电源或发生断电，其中的数据就会丢失。现在的RAM多为MOS型半导体电路，根据其制造原理不同，随机存储器RAM又分为静态随机存贮器SRAM（Static RAM）和动态随机存贮器DRAM（Dynamic RAM）两种。现在所说的内存主要是指随机存储器（RAM）。SRAM（Static RAM，静态随机存储器）。SRAM曾经是一种主要的内存，其存储单元的基本结构是一个双稳态电路，由于读、写的转换由写电路控制，所以只,4.2 内存,要写电路不工作，且电路有电，其开关元件的状态就保持不变，不需要电流刷新，因此SRAM称为静态RAM。SRAM的读写速度很快。现在SRAM用在CPU的一级、二级缓存上。另外，SRAM还用在数字移动电话和路由器中。DRAM（Dynamic RAM，动态随机存储器）。DRAM比SRAM速度慢，但比SRAM便宜，在容量上也可以做得更大，体积也更小，所以主存都使用DRAM。另外DRAM还用在显卡、声卡、硬盘等设备中，充当设备缓存。一个DRAM单元由一个晶体管和一个小电容组成，DRAM的晶体管通过小电容的电压来保持断开、接通的,4.2 内存,状态，当小电容有电时，晶体管接通表示1；当小电容没电时，晶体管断开表示0。而电容的放电特性却使充电后小电容上的电荷很快就会丢失，因此需要不断地对其进行充电，也就是所谓“刷新”。所谓的内存具有多少纳秒（ns），就是指它的刷新时间。由于电容的充、放电需要时间，所以DRAM的读写速度远远低于SRAM，但由于它结构简单，一个存储单元所用的晶体管数仅是SRAM的四分之一，实际生产时集成度很高，成本大大低于SRAM，适合作大容量存储器，所以主内存通常采用DRAM，只有高速缓冲存储器（Cache）才使用SRAM。,4.2 内存,另外，DRAM还用于显示卡、声卡、硬盘等设备中，充当设备缓存。根据内存的访问方式DRAM又分为两种：同步内存和异步内存。区分的标准是看它们能不能和系统时钟同步，在SDRAM之前的EDO内存采用的存取方式是通过内存控制电路（在主板的芯片组中，一般在北桥芯片组中）发出行地址选择信号（RAS）和列地址选择信号（CAS）来指定哪一块存储体将被访问。当系统的速度逐渐增加，特别是超过66MHz以后，EDO内存的速度就显得太慢了，CPU总要等待内存的数据，严重影响了性能，内存成了一个很大的瓶颈。因此出现了与系统时钟频率同步的DRAM。,4.2 内存,2.按内存的外观分类目前计算机配备的DRAM主要有两种形式。（1）双列直插内存芯片。双列直插封装（Double Inline Package，DIP）内存芯片是一种含有若干个引脚的半导体芯片。一片芯片的容量一般为64Kbit、256Kbit、1024Kbit或10244Kbit。因为DIP芯片容量小，需要数量相对较多，占了主板很大的空间，不便于内存的扩充，并且拆装也不方便。DIP芯片一般用于286以下的微机，现在微机上只有在显示卡、硬盘等部件上才能见到它们。如图4.3所示。,4.2 内存,（2）内存模块（内存条）。内存模块（Memory Module）也称内存条、内存。内存条是把多片存储器芯片、电容、电阻等元器件焊在一小条印刷电路板上，组装起来合成一个内存模组（RAM Module）而形成的一种条形存储器。它大大节省了主板空间并增强了配置的灵活性，现在的主板多采用内存条结构。,图4.3 DIP内存芯片,4.2 内存,内存条的针脚数称为内存条线数，按线数不同可把内存条分为30线内存条、72线内存条、168线SDRAM内存条、184线DDR内存条、240线DDR2/3内存条。内存条主要有两种接口标准，即早期的SIMM（Single-In Line Memory Module，单边接触内存模组）和现在的DIMM（Dual In-Line Memory Module，双边接触内存模组）。SIMM是486及其较早的PC机中常用的内存接口方式，一般30线、72线。DIMM接口内存的插板两边都有数据接口触片，这种接口模式的内存广泛应用于现在的计算机中，通常为84针，但由于是双边的，所以一共有842=168线，,4.2 内存,而人们把这种内存称为168线内存。目前240线DDR2内存条为主流产品，30线和72线的内存条已不再生产。DDR 3 RDRAM也为240线。3.按内存的技术标准分类根据内存条的不同技术标准（如数据传输率、存取时间、潜伏期、制造技术、操作程序等），DRAM又可以分为不同的类型，主要有以下几种：（1）FPM DRAM内存条。FPM DRAM（Fast Page Mode DRAM，快速翻页动态存储器）在386时代很流行，如图4.4所示。它的刷新频率每秒钟可达几百次，由于FPM使用同一电路来存取数据，所以它每隔3个时钟脉冲周期才传送一次数据，这导致了它的存取速度并,4.2 内存,不快，基本都在60ns以上。另外，在FPM DRAM中，由于存储地址空间是按页排列的，所以当访问某一页面时，切换到另一页面还会占用CPU额外的时钟周期，FPM DRAM内存使用30针脚。,4.2 内存,（2）EDO DRAM内存条。EDO DRAM（Extended Date Out DRAM，扩展数据输出动态存储器）主要流行在486以及早期的奔腾电脑上，如图4.5所示，EDO DRAM内存使用72针 图4.4 FPM RAM 内存脚。EDO-RAM同FP DRAM相似，但它取消了扩展数据输出内存与传输内存两个存储周期之间的时间间隔，每隔两个时钟周期传输一次数据，在把数据发送给CPU的同时去访问下一个页面，大大地缩短了存取时间，故而速度要比普通DRAM快15%30%，速度可达到60ns。,4.2 内存,（3）SDRAM 内存条。SDRAM（Synchronous DRAM，同步动态随机存储器）是PentiumII/III使用的一种内存类型，如图4.6所示。顾名思义，其工作速度与系统总线速度是同步的。SDRAM按标准运行工作频率分为PC66、PC100和PC133三大标准，这里的66、100及133就是指系统总线频率，即PC100内存最适用于系统总线为100MHz的计算机中，而PC133则最适用于系统总线为133MHz的计算机中。,4.2 内存,SDRAM内存访问采用突发（burst）模式，它的原理是SDRAM在原标准动态存储器中加入同步控制逻辑元件，利用一个单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。使用SDRAM不但能提高系统性能，还能简化设计、提供高速的数据传输。在功能上，它类似常规的DRAM，也需不断进行刷新。可以说，SDRAM是一种改善了结构的增强型DRAM。采用并列数据传输方式。（4）DDR SDRAM内存条。DDR是“Double Data Rate SDRAM”（双倍数据速率的SDRAM内存）的缩写，DDR内存条用在Pentium4级别的计算机上，DDR内存使用184针脚，非对称设计，工作电压为1.8V。常见容量有128MB、256MB、512MB、1GB等.,4.2 内存,如图4.7所示为一块KingBox 1GB400内存条。DDR是一种继SDRAM后产生的内存技术，DDR，英文原意为“DoubleDataRate”，即双数据传输模式。之所以称其为“双”，也就意味着有“单”，我们日常,4.2 内存,所使用的SDRAM都是“单数据传输模式”，这种内存的特性是在一个内存时钟周期中，在一个方波上升沿时进行一次操作(读或写)，而DDR则引用了一种新的设计，其在一个内存时钟周期中，在方波上升沿时进行一次操作，在方波的下降沿时也做一次操作，之所以在一个时钟周期中，DDR则可以完成SDRAM两个周期才能完成的任务，所以理论上同速率的DDR内存与SDRAM内存相比，性能要超出一倍，可以简单理解为100MHZ DDR=200MHZ SDRAM。DDR内存在系统时钟的上升沿及下降沿都传输数据。因此，在相同的系统频率下，数据传输速率（也称等效频率）是SDRAM,4.2 内存,的两倍，所以在标识上采用了“数据传输频率时钟频率2”的方法。如DDR的传输频率为200MHz，时钟频率为100MHz。常见DDR SDRAM性能如表4-1所示。表4-2 常见DDR2 SDRAM性能,4.2 内存,（7）DDR3 SDRAM内存条。DDR3 SDRAM内存条用在Intel Core 2级别的P35芯片组的计算机上。DDR3内存条用240个引脚、工作电压为1.5V、起始传输频率为1066MHz.但DDR3针脚隔断槽口与DDR2不同，DDR3内存左右两侧安装卡口与DDR2不同。常见的容量有1MB、2GB、4GB等，如图4.10所示为一条威刚(A-DATA)DDR3 DDR3-1066 1G内存条。,4.2 内存,4.2.2 内存的单位和性能指标1.内存的单位存储器是具有“记忆”功能的电子器件，它用具有两种稳定状态的物理器件来表示二进制数码“0”和“1”，这种器件称为记忆元件或记忆单元。2.内存的性能指标（1）容量。每个时期内存条的容量都分为多种规格，168线SDRAM内存条常见的内存容量有32MB、64MB、128MB、256MB、512MB甚至1GB，单条DDR和DDR2/3内存条常见的内存容量为128MB、256MB、512MB、1GB、2GB和4GB等几种。,4.2 内存,（2）内存电压。内存能稳定工作时的电压叫内存电压。（3）内存速度。内存主频和CPU主频一样，习惯上被用来表示内存的速度，它代表着该内存所能达到的最高工作频率。（4）时钟周期。内存时钟周期代表着内存运行的最大工作频率，一般在内存上标识为“X”。（5）存取时间。代表读取数据所延迟的时间。不同于系统时钟频率，二者之间有着本质的区别。（6）数据宽度和带宽。内存的数据宽度是指内存同时传输数据的位数，以bit为单位。,4.2 内存,（7）内存的“线”数。内存的“线”数是指内存条与主板插接时的接触点数，这些接触点就是“金手指”。（8）SPD（Serial presence Detect）。SPD是1个8针SOIC封装的EEPROM芯片，容量为256字节，型号多为24LC01B，位置一般处在内存条正面的右侧，里面主要保存了该内存条的相关资料，如容量、厂商、工作速度、电压与行、列地址、带宽及是否具备ECC校验等。（9）奇偶校验（Parity）、非奇偶校验（Non-Parity）。根据内存中是否存在奇偶校验位，又可将DRAM分为非奇偶校验内存和奇偶校验内存。,4.2 内存,（10）ECC（Error Checking and Correcting 错误检查和纠正）。ECC也是在原来的数据位上再外加若干位来实现的。4.2.3 DDR SDRAM 内存的物理结构 下面以一品牌为威刚(A-DATA)的DDR3内存条为例讲述DDR3内存条的结构，如图4.11所示。,4.2 内存,1.PCB板。PCB板的电气性能也是决定内存稳定性的关键，各种电子元件以及内存芯片都集中在其中一面，导线则集中在另一面。2.金手指。金手指实际上是在一层铜皮（也叫覆铜板）上通过特殊工艺再覆上一层金，因为金不易被氧化，具有超强的导通性。3.内存芯片。内存上的芯片也称为内存颗粒，是内存的灵魂所在，内存的性能、速度、容量都是由内存芯片决定的。4.内存芯片空位。一般内存每面焊接8片内存芯片，如果多出一个空位没有焊接芯片，则这个空位是预留ECC校验模块的位置。,4.2 内存,4.内存芯片空位。一般内存每面焊接8片内存芯片，如果多出一个空位没有焊接芯片，则这个空位是预留ECC校验模块的位置。5.电容。PCB板上还有一些必不可少的电子元件就是电容和电阻，这是为了提高内存条电气性能，增加内存抗电磁干扰的作用。,图4.13 内存条上的电容,4.2 内存,6.电阻。内存上的电阻采用贴片式电阻，因为在数据传输的过程中要对不同的信号进行阻抗匹配和信号衰减，所以很多地方都要用到电阻。7.内存固定卡缺口。内存条插到主板上后，主板上的内存插槽会有两个夹子牢固地扣住内存，这个缺口便是用于固定内存用的。8.内存针脚缺口。内存针脚上的缺口一是用来防止内存插反，二是用来区分不同的内存，以前的SDRAM内存条是有两个缺口的，而DDR则只有一个缺口，不能混插。9.SPD。SPD（Serial Presence Detect，串行存在检测）是一个8针脚的小芯片，它实际上是一个EEPROM,4.2 内存,容量为256字节，可以写入一点信息，信息中包括芯片厂商、内存厂商、工作频率、容量、电压、行地址列地址数量、是否具备ECC校验、各种主要操作时序（如CL、tRCD、tRP、tRAS）等，以协调计算机系统更好地工作。10.标签。内存条上一般有芯片标签，通常包括厂商名称、单片容量、芯片类型、工作速度、生产日期等内容，其中还可能有电压、容量系数和一些厂商的特殊标识在里面。芯片标签是观察内存条性能参数的重要依据，如图4.14所示。,图4.14 内存条的标签,4.2 内存,4.2.2 内存芯片封装1.TSOP封装。TSOP（Thin Small Outline Package，薄型小尺寸封装）封装是在芯片的周围做出针脚，采用SMT技术（表面安装技术）直接附着在PCB的表面。如图4.13所示。,图4.15 TSOP内存封装技术,4.2 内存,2.BGA封装。BGA(Ball Grid Array Package，球栅阵列封装)封装的最大特点是BGA芯片的边缘没有针脚，而是通过芯片下面的球状引脚与印制板连接。如图4.16所示。,图4.16 FBGA内存封装技术,4.2 内存,4.2.4 常见的DDR SDRAM 内存芯片,图4.17 CSP内存封装技术,4.2 内存,4.2.5 DDR3 SDRAM的主要参数1.CAS和RAS。CAS（Column Address Strobe或Column Address Select）列地址选通脉冲。2.CAS等待时间CL。CAS Latency又称为CAS的延迟时间，意思是CAS信号需要经过多少个时钟周期之后才能读写数据，即纵向地址脉冲的反应时间。3.tRCD。tRCD（Time of RAS to CAS Delay）表示内存RAS传输到CAS的延迟时间。4.tRP。tRP（Time of ROW Precharge）表示内存RAS预充电时间。5.tRAS。tRAS（Time of Row Active Strobe tRAS）表示行地址选通脉冲时间，,4.2 内存,从收到一个请求后到初始化RAS真正开始接收数据的间隔时间，一般为58。6.TCK。即TCLK，系统时钟周期。它可以反映内存所能运行的最大频率，数字越小说明内存芯片所能运行的频率越高。7.tAC。Access Time from CLK，最大CAS延迟时的最大访问时间。PC100规范要求在CL=3时tAC不大于6ns，而PC133规范要求tAC不超过5.4ns。8.Bank。在SDRAM内存模组上，Bank数表示该内存的物理存储体的数量，相当于列的意思。9.Parity Check。奇偶校验，是通过在每1字节上加一个数据位对数据进行检查的一种校验方法，这个附加位,4.2 内存,用来表示该字节中的“1”的数目是奇数还是偶数。10.Bank interleave。常见的DDR3 SDRAM内存标识（1）芯片的容量。（2）芯片的位宽。（3）芯片的逻辑Bank数量。（4）芯片的工作速度。,4.2 内存,4.2.8 内存的选择1.考虑主板类型。2.确定内存的容量。3.内存芯片。4.注重内存的品牌。5.其它注意事项。（1）注意内存条做工。（2）仔细观察电路板。（3）注意售后服务。（4）验证。,4.3 高速缓冲存储器,4.3.1 CPU Cache,4.3 高速缓冲存储器,4.3.2 外部设备CacheCache技术是高速缓存技术，外部设备也采用Cache技术，一般来说，在传输速度有较大差异的设备之间都可采用Cache作为匹配来调节速度差异，如显示器、硬盘、光驱和网络设备中都使用Cache技术来提高设备传输性能。但由于磁盘等外部设备与CPU之间的存取速度要慢得多，所以，磁盘Cache并没有使用SRAM，而是使用SDRAM存储器作为Cache。,4.4 硬盘驱动器,硬盘驱动器，简称硬盘（Hard Disk），是微型计算机中广泛使用的外部存储器，它具有比软盘大得多的容量，速度快，可靠性高，几乎不存在磨损等问题，硬盘的存储介质是若干刚性磁盘片，硬盘由此得名。图4.18 硬盘的外观和内部结构硬盘作为主要的外部存储设备，随着其设计技术的不断更新，不断朝着容量更大、体积更小、速度更快、性能更可靠、价格更便宜的方向发展。目前市场上的硬盘几乎都是3.5英寸产品，其外观如图4.18所示。,4.4 硬盘驱动器,图4.18 硬盘的外观和内部结构,4.4 硬盘驱动器,4.4.1 硬盘驱动器的分类1.按照物理尺寸,（a）35英寸 b）2.5英寸（c）1.8英寸 d）1英寸图4.19 各种尺寸的硬盘,4.4 硬盘驱动器,2.按接口类型分类目前，市面上流行的硬盘，其接口类型大致可分为：PATA（IDE）、SATA和SCSI三种。,图4.20 IDE 40芯电缆接口,4.4 硬盘驱动器,2.按接口类型分类目前，市面上流行的硬盘，其接口类型大致可分为：PATA（IDE）、SATA和SCSI三种。,图4.20 IDE 40芯电缆接口,4.4 硬盘驱动器,图4.21 40芯和80芯硬盘数据线,4.4 硬盘驱动器,图4.22 SATA接口的硬盘,4.4 硬盘驱动器,图4.24 SCSI接口硬盘,4.4 硬盘驱动器,4.4 硬盘驱动器,3.按存储技术分类,图4.25 固态硬盘,4.4 硬盘驱动器,4.4.2 硬盘的结构1.硬盘的外部结构,4.4 硬盘驱动器,4.4.2 硬盘的结构1.硬盘的外部结构,图4.26 硬盘的外部结构,4.4 硬盘驱动器,（1）电源接口。,（a）IDE电源线（b）SATA电源线（c）IDE、SATA转接线图4.27 各种硬盘电源线,4.4 硬盘驱动器,（2）数据接口。,（a）IDE硬盘接口（b）SCSI硬盘接口（c）Serial ATA接口图4.28硬盘数据接口,4.4 硬盘驱动器,（3）控制电路板。,图4.29 硬盘控制电路板,4.4 硬盘驱动器,（4）固定盖板。,图4.30 Servo孔,4.4 硬盘驱动器,2.硬盘的内部结构硬盘的内部结构由固定面板、控制电路板、磁头组件、接口及附件等几大部分组成，而磁头组件（Hard Disk Assembly，HAD）是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内，如图4.31所示，磁头组件包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴驱动机构、前置读写控制电路等。,4.4 硬盘驱动器,图4.31 硬盘内部结构,4.4 硬盘驱动器,（1）盘体。盘体从物理的角度分为磁面（Side）、磁道（Track）、柱面（Cylinder）与扇区（Sector）四个结构。其中，在最靠近中心的部分不记录数据，称为着陆区，是硬盘每次启动或关闭时，磁头起飞和停止的位置。所有盘片上半径相同的磁道构成一个圆筒，称其为柱面。扇区是磁盘存取数据的基本单位，也就是将每个磁道等分后相邻两个半径之间的区域。硬盘盘片多为金属圆片，表面极为平整光滑，并涂有磁性物质。,4.4 硬盘驱动器,（2）读写磁头组件。读写磁头组件由读写磁头、传动手臂、传动轴等三部分组成，如图4.32所示。,图4.32 浮动磁头组成,4.4 硬盘驱动器,（3）磁头驱动机构。磁头驱动机构控制磁头的读写，直接为传动手臂与传动轴传送指令。磁头驱动机构由音圈电机和磁头驱动小车组成。（4）主轴组件。主轴组件包括轴瓦和驱动电机等，如图4.33所示。（5）硬盘控制电路。硬盘控制电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，如图4.34所示。,4.4 硬盘驱动器,图4.33硬盘主轴组件图 图4.34 硬盘控制电路,4.4 硬盘驱动器,4.4.3 硬盘的工作原理硬盘的工作原理很简单，硬盘可以读取和写入并保存数据，写入数据实际上是通过磁头对硬盘片表面的可磁化单元进行磁化，就像录音机的录音过程；不同的是，录音机是将模拟信号顺序地录制在涂有磁介质的磁带上，而硬盘是将二进制的数字信号以环状同心圆轨迹的形式，一圈一圈地记录在涂有磁介质的高速旋转的盘面上。读取数据时，只需把磁头移动到相应的位置读取此处的磁化编码状态即可。,4.4 硬盘驱动器,4.4.3 硬盘的工作原理硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的单片机初始化模块进行初始化工作。此时，磁头置于盘片中心位置。初始化完成后，主轴电机将启动并以高速旋转。装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于盘片表面的00道，如图4.35所示，处于等待指令的启动状态，当接口电路接收到微机系统传来的指令信号，通过前置放大控制电路，驱动音圈电机发出磁信号，根据感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定位，并将接收后的数据信息解码，通过放大控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统完成指令操作，结束硬盘操作的断电状态，在反力矩弹簧的作用下浮动磁头驻留到盘面中心。,4.4 硬盘驱动器,图4.35 硬盘驱动器的工作原理,4.4 硬盘驱动器,4.4.4 硬盘驱动器的性能参数1.容量（Volume）。硬盘的容量以 MB、GB、TB为单位，1 GB=1024 MB。但硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1G=1000 MB，因此，在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值小。2.转速（单位：rpm）。转速（Rotational speed或Spindle speed）是指硬盘盘片每分钟转动的圈数，单位为rpm，有时也用r/min表示，转速是决定硬盘内部数据传输速率的决定性因素之一，同时，也是区别硬盘档次的主要标志。目前，市场上IDE硬盘的主轴转速为54007200 rpm，主流硬盘的转速为7200 rpm，SCSI硬盘的主轴转速可达720010 000 rpm，而SCSI硬盘的最高转速高达15 000 rpm（希捷“捷豹X15”系列硬盘）。,4.4 硬盘驱动器,3.数据传输率（单位：MB/s）硬盘的数据传输率（Data Transfer Rate）是指硬盘读写数据的速度，单位为MB/s。硬盘数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。（1）内部传输率（Internal Transfer Rate）也称为持续传输率（Sustained Tra nsfer Rate），是指磁介质到硬盘缓存间的最大数据传输率。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。例如，WD2000JB硬盘的最大内部数据传输率为71.2MB/s。,4.4 硬盘驱动器,（2）外部传输率（External Transfer Rate）也称为突发数据传输率（Burst Data Transfer Rate）或接口数据传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。目前，主流硬盘普遍采用的是Ultra ATA/100和ATA/133，它的最大外部数据传输率分别为100MB/s和133MB/s。采用SATA接口硬盘，目前最高传输速率可以达到3Gb/s，而在SCSI硬盘中，采用Ultra 160 SCSI接口标准，其数据传输速率可达160 MB/s，采用Fiber Channel（光纤通道），最大外部数据传输速率可达400 MB/s。Ultra 320 SCSI的接口在理论上将最大外部数据传输率提高到了320MB/s由于硬盘的内部数据传输率要小于外部数据传输率，所以，内部数据传输率的高低才是衡量硬盘性能的真正标准，如图4.36所示。,4.4 硬盘驱动器,图4.36 硬盘内/外数据传输率瓶颈,4.4 硬盘驱动器,4.平均访问时间（单位：ms）。平均访问时间（Average Access Time）是指磁头从起始位置到达目标磁道位置且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需要的时间。平均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括了硬盘的寻道时间和等待时间，即平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间。硬盘的平均寻道时间（Average Seek Time）是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需要的时间。这个时间越小越好。目前，硬盘的平均寻道时间通常在812 ms之间，而SCSI硬盘则应小于或等于8 ms。硬盘的等待时间又称为潜伏期（Latency），是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需时间的1/2，一般应在4 ms以下。,4.4 硬盘驱动器,5高速缓存（单位：KB、MB）。与主板上的高速缓存（Cache）一样，缓存是硬盘与外部总线交换数据的场所，当磁头从硬盘盘片上将磁记录转化为电信号时，硬盘会临时将数据保存到数据缓存内，当数据缓存内的暂存数据传输完毕后，硬盘会清空缓存，然后再进行下一次的填充与清空。目前，硬盘的高速缓存一般为2MB32MB，目前，主流ATA硬盘的数据缓存为8MB和16MB。缓存大的硬盘在存取零散文件时具有很大的优势。6.硬盘单碟容量。单碟容量是指硬盘单个盘片的存储容量，由单位记录密度（每平方英寸）决定，通过提高单碟容量，可以缩短寻道时间和等待时间，并极大地降低硬盘的成本。单盘容量越大，单位成本越低，平均访问时间也越短。目前，市面上大多数硬盘的单碟容量为60GB、80GB、100GB、200GB、250GB、334GB，而更高的容量则已达到了500GB。,4.4 硬盘驱动器,7磁头数（Heads）。硬盘的磁头数与硬盘体内的盘片数目有关。由于每个盘片均有2个磁面，每面都应有1个磁头，因此，磁头数一般为盘片数的2倍。每面磁道数与每磁道所含的扇区数与硬盘的种类及容量有关。8.柱面。硬盘通常由重叠的一组盘片（盘片最多为14片，一般均在110片之间）构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘以“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称为硬盘的柱面。硬盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。,4.4 硬盘驱动器,9.每磁道扇区数（Sector）。把硬盘的磁道进一步划分为扇区，每一扇区是512B。格式化后，硬盘的容量由3个参数决定，即硬盘容量磁头数柱面数扇区数512（B）。10.交错因子。交错因子就是每两个连续逻辑扇区之间所间隔的物理扇区数。交错因子是硬盘低级格式化时，需要给定的一个主要参数，取值范围在1:1到5:1之间，具体数值视硬盘类型而定。交错因子对硬盘的存取速度有很大影响。虽然硬盘的物理扇区在磁道上是连续排列的，但进行格式化后的逻辑扇区却是交叉排列的，也就是说，连续的物理扇区对应不连续的逻辑扇区。,4.4 硬盘驱动器,11.MTBF。MTBF即连续无故障工作时间，它指硬盘从开始使用到第一次出现故障的最长时间，单位是小时。该指标关系到硬盘的使用寿命，一般硬盘的MTBF至少在30 000小时或40 000小时。如果硬盘按每天工作10小时计算，其寿命至少也有8年之久。12.NCQ技术。NCQ（Native Command Queuing全速命令排队）技术是一种使硬盘内部优化工作负荷执行顺序，通过对内部队列中的命令进行重新排序实现智能数据管理，改善硬盘因机械部件而受到的各种性能制约。NCQ技术是SATA规范中的重要组成部分，也是SATA规范唯一与硬盘性能相关的技术。,4.4 硬盘驱动器,4.4.5 主流硬盘驱动器的品牌及型号1.希捷硬盘（1）Barracuda 硬盘驱动器系列。Seagate Barracuda（酷鱼）7200.9。Seagate Barracuda（酷鱼）7200.9。希捷 Barracuda 7200.10。希捷 Barracuda 7200.11。希捷 Barracuda 7200.12。（2）内置 3.5 英寸硬盘驱动器。（3）DiamondMax 硬盘驱动器。,4.4 硬盘驱动器,Maxtor DiamondMax 21 硬盘驱动器。Maxtor DiamondMax 22硬盘驱动器。,图4.37 Barracuda 7200.10硬盘,4.4 硬盘驱动器,2.西部数据在台式机市场，从2008年6月开始，西部数据（Western Digital）硬盘采用新的命名分类方式，主要以下三个系列：（1）WD Caviar Blue（容量有750GB、1TB），WD Caviar Blue代表WD花费20多年的时间建立起来的性能及可靠性口碑，这个系列的产品将是传统的主流型号。（2）WD Caviar Black（容量有40GB、80GB、160GB、250GB、320GB、400GB、500GB、640GB、750GB.,4.4 硬盘驱动器,（3）WD Caviar Green（容量有500GB、750GB、1TB）三个新的产品系列，WD Caviar Green代表WD的GreenPo