硬盤故障原因及數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)探析

[摘 要] 硬盤是計算機(jī)最主要的存儲載體，硬盤硬件故障或固件損壞都可能導(dǎo)致硬盤無法正常工作影響數(shù)據(jù)正常讀取，本文探討了硬盤物理故障或固件損壞原因及數(shù)據(jù)恢復(fù)的方法。

[關(guān)鍵詞] 硬盤物理故障固件損壞數(shù)據(jù)恢復(fù)方法

0.引言

數(shù)據(jù)恢復(fù)是指由于各種原因?qū)е聰?shù)據(jù)丟失時把保留在介質(zhì)上的數(shù)據(jù)重新恢復(fù)的過程，即使數(shù)據(jù)被刪除或硬盤出現(xiàn)故障，只要在介質(zhì)沒有嚴(yán)重受損的情況下,數(shù)據(jù)就有可能被完好無損地恢復(fù)。硬盤以其容量大、體積小、速度快、價格便宜等優(yōu)點，是計算機(jī)最主要的數(shù)據(jù)存儲載體，硬盤故障造成數(shù)據(jù)丟失時，損失是災(zāi)難性的。硬盤固件故障和物理故障都可導(dǎo)致硬 盤無法正常運行，存儲的數(shù)據(jù)也無法正常讀取而丟失。

1.硬盤存儲結(jié)構(gòu)

1.1硬盤的物理結(jié)構(gòu)

計算機(jī)硬盤是一個集機(jī)、電、磁一體化的高精密系統(tǒng)，它由控制電路板、磁頭、盤片、主軸電機(jī)及其它附件組成。硬盤的控制電路板包含主軸調(diào)速電路、磁頭驅(qū)動與伺服定位電路、讀寫電路、控制與接口電路。磁頭組件是硬盤中最精密的部位之一，它由讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸三部分組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)讀寫。磁盤片是硬盤存儲數(shù)據(jù)的載體。主軸組件包括主軸部件如軸承和驅(qū)動電機(jī)等。

硬盤內(nèi)部是一個無塵空間，下面是鋁制的基座，基座上安裝著主軸電機(jī)、盤片、磁頭電機(jī)、磁頭芯片、磁頭、定位夾具等，磁頭、磁頭芯片、音圈電機(jī)一般安裝在一起構(gòu)成磁頭組件。

1.2硬盤的固件

每個硬盤內(nèi)部都有一個系統(tǒng)保留區(qū)，稱為固件（Firmware），固件相當(dāng)于硬盤的BIOS和操作系統(tǒng)，固件里包括了硬盤正常運行所需的引導(dǎo)命令、控制語句和執(zhí)行語句，包括驅(qū)動、控制、解碼、傳送、檢測等執(zhí)行指令模塊及型號容量技術(shù)參數(shù)信息，這些稱為廠家信息。有些硬盤固件保存在電路板芯片中，有的則是部分保存在電路板的芯片中部分保存在硬盤的負(fù)磁道中，負(fù)磁道就是零磁道前面的磁道。

2.硬盤物理故障分析

(1)硬盤電路板故障

電路板固定在盤體的外面，常見的外部故障有以下幾類：

1）供電的故障

硬盤的供電來自主機(jī)的開關(guān)電源，硬盤的供電電路如果出現(xiàn)問題，會直接導(dǎo)致硬盤不能工作。故障現(xiàn)象往往表現(xiàn)為不通電、硬盤檢測不到、盤片不轉(zhuǎn)、磁頭尋道不正常等。

2）接口故障

接口是硬盤與計算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的通路，接口電路如出現(xiàn)故障可能會導(dǎo)致硬盤檢測不到、亂碼、參數(shù)誤認(rèn)等現(xiàn)象。

3）緩存故障

緩存用于加快硬盤數(shù)據(jù)傳輸速度，如出現(xiàn)問題可能會導(dǎo)致硬盤不識別、亂碼、進(jìn)入操作系統(tǒng)后異常死機(jī)等現(xiàn)象。

4）BIOS和主控芯片故障

BIOS用于保存如硬盤容量、接口信息等參數(shù)，硬盤所有的工作流程都與BIOS程序相關(guān)，通斷電瞬間可能會導(dǎo)致BIOS程序丟失或紊亂。

5）電機(jī)驅(qū)動芯片故障

硬盤由于轉(zhuǎn)速太高導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動芯片發(fā)熱量太大而損壞，電機(jī)驅(qū)動芯片故障導(dǎo)致硬盤電機(jī)不能轉(zhuǎn)動。

(2) 硬盤內(nèi)部組件故障

硬盤的內(nèi)部故障比較復(fù)雜，大致可以分為以下三種情況：

1）磁頭故障

磁頭用于讀取或?qū)懭胗脖P數(shù)據(jù)，受到劇烈碰撞時易損壞。磁頭故障包括磁頭磨損、磁頭接觸面臟、磁頭擺臂變形、磁鐵移位等。一般表現(xiàn)為通電后，磁頭動作發(fā)出的聲音明顯不正常、硬盤無法被系統(tǒng)BIOS檢測到（同時等待時間很長）、無法區(qū)分或格式化、格式化后發(fā)現(xiàn)從前到后都分布有大量的壞簇等。

2）主軸電機(jī)故障

主軸電機(jī)用于帶動盤片高速旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在的硬盤大多使用液態(tài)軸承馬達(dá)，精度極高，劇烈碰撞后可能會使間隙變大，讀取數(shù)據(jù)變得困難、電機(jī)異響或根本檢測不到硬盤。

3）盤片故障

盤片用于存儲硬盤數(shù)據(jù)，盤片故障主要指盤片被劃傷，或者盤片上出現(xiàn)壞扇區(qū)，一般情況下硬盤的每個扇區(qū)可以記錄512B的數(shù)據(jù)，如果其中任何一個字節(jié)不正常，該扇區(qū)就屬于缺陷扇區(qū)。每個扇區(qū)除了記錄512B的數(shù)據(jù)外，另外還記錄其他一些相關(guān)的信息，如標(biāo)志信息、校驗碼、地址信息等，其中任何一部分信息不正常都導(dǎo)致該扇區(qū)成為壞扇區(qū)。盤片被輕微劃傷時可通過軟件按一定的算法解碼糾錯，嚴(yán)重劃傷時，數(shù)據(jù)不可恢復(fù)。

2.2 硬盤固件故障

硬盤的固件參數(shù)一般存放在普通用戶訪問不到的位置，有些是在物理零磁道以前，也就是常說的“負(fù)磁道”的位置，固件參數(shù)以模塊的形式表現(xiàn)出來，可能每個參數(shù)占用一個模塊，也可能幾個參數(shù)占用同一個模塊，模塊大小不一樣，有些模塊才一個字節(jié)，有些達(dá)到幾十KB，這些參數(shù)并不是連續(xù)存放的，而是各有各的固件位置。

硬盤在通電自檢時，要調(diào)用固件中大部分程序和參數(shù)，如果計算機(jī)能讀出固件的程序和參數(shù)模塊，而且校驗正常的話，硬盤就進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。硬盤每次啟動時都會調(diào)用固件模塊中的模塊，長期的讀取或硬盤發(fā)生一些輕微碰撞都會導(dǎo)致硬盤固件損傷，導(dǎo)致某些固件模塊無法正常讀取或校驗不正常，則該硬盤就無法進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，計算機(jī)BIOS無法檢測到硬盤或檢測到硬盤卻無法對它進(jìn)行讀／寫操作。

3.硬盤故障數(shù)據(jù)恢復(fù)方法

3.1硬盤電路板故障的數(shù)據(jù)恢復(fù)

當(dāng)硬盤電路板出現(xiàn)故障時，使用一個同型號相兼容的電路板來替換故障的電路板,這樣故障硬盤能夠正常工作了，這時只需將數(shù)據(jù)從故障硬盤中復(fù)制出來即可。

3.2 硬盤內(nèi)部故障的數(shù)據(jù)恢復(fù)

硬盤內(nèi)部故障，在數(shù)據(jù)恢復(fù)時我們可以把它們歸為４類：磁頭組件故障、主軸組件故障、壞扇區(qū)和系統(tǒng)信息出錯。硬盤出現(xiàn)這４類故障時，分別采用如下的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)：

1）磁頭組件故障情況下的數(shù)據(jù)恢復(fù)

對于磁頭組件故障，解決辦法是更換一套同品版同型號無故障的磁頭組件，然后用這套磁頭組件將盤片上的數(shù)據(jù)讀取出來，更換硬盤磁頭組件需要對硬盤實施開盤操作，開盤工作必須在專業(yè)的100級潔凈間中進(jìn)行。

2）主軸組件故障情況下的數(shù)據(jù)恢復(fù)

硬盤的主軸組件主要是電機(jī)軸承和馬達(dá)，當(dāng)硬盤的軸承卡住時，同樣也需要在潔凈間里進(jìn)行開盤操作，但我們并不需要將卡住的軸承換掉，可直接將故障硬盤的盤片換到一個沒有故障的同型號硬盤中，這樣數(shù)據(jù)恢復(fù)的成功率較高。

3）硬盤出現(xiàn)壞扇區(qū)情況下的數(shù)據(jù)恢復(fù)

硬盤壞扇區(qū)產(chǎn)生有多種可能的原因，修復(fù)的方法有如下幾種:

（1）通過重寫校驗碼、標(biāo)志信息糾正壞扇區(qū)

現(xiàn)在硬盤廠家都公開提供有一些基本的硬盤維護(hù)工具，如各種版本的DM、POWERMAX、DLGDIAG等，其中都包括有這樣的功能項：Zero fill（零填充）或Low level format（低級格式化）。進(jìn)行這兩項功能的操作都會對硬盤的數(shù)據(jù)進(jìn)行清零，并重寫每個扇區(qū)的校驗碼和標(biāo)志信息。如果不是磁盤表面介質(zhì)損傷的話，大部分的壞扇區(qū)可以糾正為正常狀態(tài)，但是硬盤中的數(shù)據(jù)將丟失，所以如果需要保留硬盤中的數(shù)據(jù)，就不能采用這種方法。

（2）調(diào)用自動修復(fù)機(jī)制替換壞扇區(qū)

為了降低硬盤返修的概率，硬盤廠商在硬盤內(nèi)部設(shè)計了一個自動修復(fù)機(jī)制，在對硬盤的讀/寫過程中，如果發(fā)現(xiàn)一個壞扇區(qū)，則由內(nèi)部管理程序自動分配一個備用扇區(qū)來替換該扇區(qū)，并將該扇區(qū)物理位置及其替換情況記錄在G表（Growing-list,增長缺陷表）中,對用戶的使用沒有太大的影響。也有一些硬盤自動修復(fù)機(jī)制的激發(fā)條件要嚴(yán)格一些，需要運行某些軟件來檢測判斷壞扇區(qū)，并發(fā)出相應(yīng)指令激發(fā)自動修復(fù)功能，比如常用的DM中的Zero fill，Norton中的Wipeinfo和校正工具，這些工具可以在檢測到壞扇區(qū)時激發(fā)硬盤自動修復(fù)機(jī)制，將用戶使用過程中產(chǎn)生的壞道寫硬盤的G表，當(dāng)然G表（G-list）的記錄不會無限制，所以硬盤的G表都會限定在一定數(shù)量范圍內(nèi)，如Maxtor的美鉆二代的限度是636條，WD硬盤的BB系列的限度是508條，超過限度，自動修復(fù)機(jī)制就不能再起作用，所以硬盤壞道過多就會造成計算機(jī)無法正常讀寫硬盤的數(shù)據(jù)。

（3）用專業(yè)軟件將壞扇區(qū)記錄在P表（P-list）中

這種方法需要對硬盤進(jìn)行內(nèi)部低級格式化。用戶在使用硬盤時，是不能按物理地址模式來訪問硬盤的，而是按邏輯地址模式來訪問。硬盤在通電自檢時，系統(tǒng)會從系統(tǒng)保留區(qū)讀取一些特定參數(shù)存在緩沖區(qū)里，用做物理地址與邏輯地址之間轉(zhuǎn)換的依據(jù)。有些專業(yè)軟件可以將檢測到的壞扇區(qū)的邏輯地址轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的物理地址，直接記錄在P表（永久缺陷表）中。

4.硬盤固件故障數(shù)據(jù)恢復(fù)的方法

硬盤固件是控制硬盤正常工作的非常重要的程序，一旦出錯硬盤就無法工作。

如果硬盤故障是由于硬盤系統(tǒng)信息出錯造成的，那么就需要用特殊的工具檢測，查找出錯的信息，并進(jìn)行修復(fù)或替換。一般的工具無法訪問硬盤的系統(tǒng)信息，只能用那些專門針對硬盤系統(tǒng)信息而開發(fā)的工具，比如MHDD、PC-3000，才能做到訪問并修改硬盤的系統(tǒng)信息。

PC-3000由俄羅斯著名的硬盤實驗室ACELaboratory研究開發(fā)，它是一款專業(yè)修復(fù)硬盤的綜合工具，特別擅長修復(fù)硬盤固件故障。PC-3000由硬件和軟件兩大部分組成：硬件部分由專用于控制硬盤的控制卡和接口線纜組成，軟件分為ISA、PCI和UDMA版本，最新的UMDA版本集成了原來PCI和ISA版的全部功能，全面支持UDMA66模式，并具有硬盤電源保護(hù)功能，包括若干個針對不同品牌、不同系列的硬盤而開發(fā)的程序模塊。

PC-3000能讀出硬盤內(nèi)部的固件信息，分析每個固件所處的模塊是否處于正常狀態(tài)并且可以修正這些參數(shù)，重新寫回盤片中指定的位置，這樣，PC-3000就可以把一些因為固件參數(shù)錯亂而無法正常使用的硬盤“修復(fù)”到正常狀態(tài)，硬盤就可以正常的運行，從而恢復(fù)出其中的數(shù)據(jù)。

作者簡介：

何歡:（1973-），男，碩士，講師，研究方面為網(wǎng)絡(luò)與信息安全技術(shù)、信息管理、數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)。