計(jì)算機(jī)硬盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)與故障淺析

【摘 要】完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是由各種各樣的硬件拼裝而成，每一種硬件都有各自不同功能，總體可以劃分為運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出設(shè)備五大功能部件。而硬盤的地位可以說是關(guān)系重大，因?yàn)椴徽撚?jì)算機(jī)的大腦中央控制器或是內(nèi)存儲(chǔ)器的速度再怎樣快，它們的絕大多數(shù)指令和數(shù)據(jù)都來自硬盤。因此硬盤的性能直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量以及影響軟件的運(yùn)行速度。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械硬盤磁頭磁盤磁道壞道

引言

計(jì)算機(jī)用戶發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)使用的時(shí)間一長(zhǎng)，開機(jī)時(shí)間就會(huì)變慢；同一張系統(tǒng)安裝光盤在相同的光驅(qū)、CPU和主板的計(jì)算機(jī)中安裝的時(shí)間不同；在計(jì)算機(jī)工作過程中電腦長(zhǎng)期沒有安置穩(wěn)、程序運(yùn)行過程中電腦突然斷電、長(zhǎng)時(shí)間掛機(jī)下載數(shù)據(jù)以及長(zhǎng)時(shí)間高速讀取數(shù)據(jù)會(huì)引起計(jì)算機(jī)中有異響、藍(lán)屏或者死機(jī)等現(xiàn)象。到底是什么出了問題、為什么有這些問題以及如何避免，今天我們就要從硬盤的結(jié)構(gòu)和原理探究問題。

一、區(qū)分不同類型的硬盤，針對(duì)性分析問題

1.1 硬盤的作用。硬盤是計(jì)算機(jī)中主要的存儲(chǔ)設(shè)備之一，它就像是計(jì)算機(jī)中的倉(cāng)庫(kù)，我們儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里面所有的數(shù)據(jù)、文件都會(huì)以“二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式”存儲(chǔ)在硬盤當(dāng)中，當(dāng)然真實(shí)的“0”和“1”這兩個(gè)數(shù)據(jù)是無法直接存儲(chǔ)在硬盤上。分析故障前我們首先要先了解一下不同硬盤。

1.2 硬盤的分類。首先不同類型的硬盤有不同的工作原理，我們將硬盤可以劃分為SSD盤（固態(tài)硬盤）、HDD傳統(tǒng)硬盤（機(jī)械硬盤）以及混合硬盤。我們常用的個(gè)人電腦一般配備的是HDD傳統(tǒng)硬盤，因此重點(diǎn)是講解HDD硬盤。

二、掌握機(jī)械硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為分析故障思路作鋪墊

2.1 機(jī)械硬盤內(nèi)部構(gòu)造。機(jī)械硬盤是一個(gè)密封的腔體，內(nèi)部主要由磁盤盤片、磁頭、磁頭臂、磁頭停泊區(qū)、永磁鐵、音圈馬達(dá)、主軸、軸承、電機(jī)以及空氣過濾片等構(gòu)成。而硬盤的外部主要由控制電路板和接口等部件組成。在硬盤的控制電路板上主要有硬盤的BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）芯片，硬盤CACHE（緩存）和主控制芯片等單元組成。硬盤接口上主要有電源接口以及數(shù)據(jù)接口，在老式的硬盤接口上還自帶主、從跳線。

2.2 分析機(jī)械硬盤讀寫過程。所有的磁盤盤片都固定在一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的主軸上，早期硬盤的容量不大以及人們對(duì)讀寫速度要求不高，只需要一個(gè)磁頭去讀寫一張磁盤盤片便可。后期隨著人們對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求越來越高，所要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量越來越大，對(duì)讀寫速度也有了一定需求，因此我們通過在同一盤片上增加多個(gè)磁頭同時(shí)的讀或?qū)憗頌橛脖P提速，而多盤片的硬盤不僅可以擴(kuò)充單個(gè)硬盤的容量，還可以提高讀寫速度，現(xiàn)在一張磁盤盤片可以達(dá)到500G存儲(chǔ)容量，但多盤片之間必須是絕對(duì)平行的，在每個(gè)盤片的存儲(chǔ)面上都有一個(gè)磁頭，磁頭與盤片之間的距離比頭發(fā)絲的直徑還小。所有的磁頭連在一個(gè)磁頭控制器上，由磁頭控制器負(fù)責(zé)各個(gè)磁頭的運(yùn)動(dòng)。磁頭可沿盤片的半徑斜切方向運(yùn)動(dòng)，多磁頭的硬盤工作時(shí)所有的磁頭任何時(shí)候都向同一方向運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)磁盤盤片旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁頭若固定不動(dòng)會(huì)在磁盤表面劃出一個(gè)圓形軌跡，這些圓形軌跡就叫做磁道。這些磁道用肉眼是根本看不到的，因?yàn)樗鼈儍H是盤面上以特殊方式磁化了的一些磁化區(qū)，磁盤上的信息便是沿著這樣的軌道存放的。磁盤盤片以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)到上萬轉(zhuǎn)的速度在高速旋轉(zhuǎn)，最終由磁頭迅速切換正負(fù)極改變盤片上磁道的磁化方式來表示數(shù)據(jù)0和1。

三、根據(jù)機(jī)械硬盤工作原理分析故障

[問題一] 計(jì)算機(jī)是如何將數(shù)據(jù)（二進(jìn)制）寫入硬盤，使用時(shí)有無環(huán)境要求？

[案例1] 英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》銷毀存儲(chǔ)斯諾登文件硬盤長(zhǎng)達(dá)三小時(shí)，期間通過破壞其物理結(jié)構(gòu)并放在消磁器中消磁。

計(jì)算機(jī)硬盤是電腦的存儲(chǔ)設(shè)備之一，但我們是無法將數(shù)值0或1直接寫入硬盤中，分析以上知識(shí)點(diǎn)我們得知在硬盤中有兩個(gè)比較重要的部件磁頭和磁盤盤片，我們可以通過磁頭迅速切換正負(fù)極磁化磁道方式來寫入”0”和”1”。

而硬盤對(duì)于工作環(huán)境也是有一定要求的，一定要避免強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境。例如以上案例中為銷毀數(shù)據(jù)不僅破壞硬盤物理結(jié)構(gòu)，并通過消磁器消磁。其實(shí)這是一種重復(fù)的勞動(dòng)，因?yàn)槲覀冎灰獙⒂脖P放在強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁盤就會(huì)被消磁也就是說存儲(chǔ)的所有數(shù)據(jù)將會(huì)被清空，并無法恢復(fù)。

[問題二] 工作中的電腦突然斷電，或遇到震動(dòng)會(huì)受到損壞嗎？

[案例2] 由于電壓不穩(wěn)，臺(tái)式機(jī)電腦在工作過程中經(jīng)常突然斷電，開機(jī)后硬盤就會(huì)出現(xiàn)異響；筆記本電腦在工作時(shí)隨意搬動(dòng)，時(shí)間一長(zhǎng)硬盤內(nèi)部出現(xiàn)咯、咯。異響，程序運(yùn)行速度明顯變慢。

常識(shí)中一只小鳥撞上靜止的飛機(jī)無疑是以卵擊石，但如果撞上的是高速飛行的飛機(jī)那飛機(jī)必然受損。根據(jù)以上的論述我們得知硬盤在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)是靠磁頭讀寫高速轉(zhuǎn)動(dòng)的盤片，而它們之間的距離非常的小，因此如果計(jì)算機(jī)安置不穩(wěn)造成工作中震動(dòng)或者在計(jì)算機(jī)工作時(shí)突然斷電，磁頭就會(huì)“砸”向我們的高速旋轉(zhuǎn)的盤片，“劃傷”我們的盤片造成不可修復(fù)的物理壞道，而判斷物理壞道的辦法之一就是聽硬盤工作時(shí)是否有異響；如遇物理壞道修復(fù)的方法可以低級(jí)格式化硬盤或通過MHDD相關(guān)軟件對(duì)硬盤的壞道進(jìn)行跳過即可，如果壞道較多建議更換硬盤以保證數(shù)據(jù)安全。

[問題三] 電腦長(zhǎng)期滿負(fù)責(zé)使用是否會(huì)對(duì)硬盤造成損壞？系統(tǒng)使用時(shí)間長(zhǎng)了開機(jī)時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)？

[案例3] 某游戲工作室電腦長(zhǎng)期不關(guān)機(jī)，幾乎每年都需要更換一塊新的硬盤；某同學(xué)喜歡下載教學(xué)資源，電腦長(zhǎng)期使用加速下載軟件，時(shí)間一長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)電腦運(yùn)行速度明顯下降；一年前新安裝的操作系統(tǒng)，平時(shí)硬盤維護(hù)也很不錯(cuò)，可是開機(jī)時(shí)間越來越長(zhǎng)。

長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷使用硬盤會(huì)加快硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)老化，影響讀取速度；而系統(tǒng)使用時(shí)間過長(zhǎng)、軟件使用平頻繁造成的讀取速度變慢，有一定的原因是系統(tǒng)或軟件使用后殘留的數(shù)據(jù)無法及時(shí)清理造成邏輯壞道影響正常數(shù)據(jù)讀寫，但這種情況是可以通過磁盤碎片整理或格式化進(jìn)行修復(fù)（深度修復(fù)可以使用低級(jí)格式化軟件例如lformat或分區(qū)軟件DM，PQ對(duì)硬盤進(jìn)行操作）。

四、總結(jié)

硬盤的容量、轉(zhuǎn)速、內(nèi)/外部傳輸率以及緩存都是計(jì)算機(jī)硬盤重要的指標(biāo)。在計(jì)算機(jī)硬盤使用過程中我們應(yīng)該注意工作環(huán)境、工作負(fù)荷、及時(shí)清理以及避免震動(dòng)等問題來延長(zhǎng)硬盤的使用壽命，同時(shí)這樣也能保證我們數(shù)據(jù)的安全，現(xiàn)在對(duì)于計(jì)算機(jī)用戶來說數(shù)據(jù)才是計(jì)算機(jī)中最重要的資源，重要的數(shù)據(jù)丟失對(duì)于一個(gè)公司的損失來說是不可估量的，因此保護(hù)好硬盤就是保證數(shù)據(jù)的安全！

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