硬盘发展简史

  1956年9月，著名的IBM公司的一个工程小组将世界上首个“硬盘”展示给了人

们，但实际上它并不是我们现在所说的完整意义上的硬盘，它仅仅是一个磁盘存储系统，

庞大的占地面积让人吃惊。它的名字叫做IBM 350 RAMAC(Random Access Method of

Accounting and Control)，如图3-1所示。

    我们可以看到图中左边机柜中间的一个圆柱体容器，它就是我们现在硬盘盘片的

雏形。

    时间过去了十几年，在1968年，IBM颠覆了之前自己的设计，重新提出了“温彻

斯特”( Winchester)技术的可行性，这个技术奠定了以后硬盘所发展的方向。“温彻斯

特”技术提出了“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮

在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触”的设计理念，这也是我们现在硬盘所走

的道路。

    温彻斯特( Winchester)技术的发明，无疑是为现在的硬盘发展打下了一个很好的

基础。现在就是上百吉字节的硬盘仍然在使用这种“技术”。5年之后，也就是1973年，

IBM终于推出了使用温彻斯特技术的第一块硬盘，型号为3340，如图3-2所示。它采用

14英寸（1英寸=2.54cm）的规格，由两个分离的盘片构成（一个固定的和一个可移动

的），每张盘片容量为30MB。并且硬盘首次使用了封闭的内部环境，并进一步发展了气

动学磁头技术，将磁头与盘片之间的距离缩短到了1 7微英寸。

    1 979年，IBM再次发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积，增大容量，提高读写

速度提供了可能。同期IBM的两位员工AlanShugart和FinisConner离开IBM后成立了

希捷公司（Shugart Technology公司，也就是后来的Seagate希捷公司），之后便推出了

5.25英寸大小的硬盘驱动器。

    20世纪80年代末期IBM又为电脑行业作了一项巨大的贡献，推出了MR( Magneto

Resistive) HEAD，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度

能够比以往每英寸20MB的容量提高了数十倍。

    到了20世纪90年代初期（1991年），硬盘的发展逐渐加快了脚步，真正的步入了

G时代。20世纪90年代后期，GMR磁头技术问世了。GMR是GiantMagnetoresistive

的缩写，中文名称被叫做巨磁阻磁头，它与MR磁头同样是采用了特殊材料的电阻值随

磁场变化的原理来读取盘片上的数据。但唯一的不同之处在于，巨磁阻磁头使用了磁阻

效应更好的材料和多层薄膜结构，所以增强了读取的敏感度，相同的磁场变化能引起更

大的电阻值变化，从而可以实现更高的存储密度。现有的MR磁头能够达到的盘片密度

为3～SGbit/英寸2（千兆比特每平方英寸），而GMR磁头为10～40Gbit/英寸2。30

    1999年，著名的硬盘公司Maxtor（迈拓）推

出了他的DiamondMax 40产品，也就是钻石九

代，单碟磁盘达到了10GB这样前所未有的容量

，促使了大容量硬盘的诞生。从此硬

盘发展的脚步又开始放快。

    2000年2月23日，希捷又推出了转速高达

15000r/min的Cheetah X15系列硬盘，其平均寻道

时间只有3.9ms，这可算是当时世界上最快的硬盘

了。当时家用硬盘也开始攀比速度，希捷的这次SCSI速度革命除了树立自己在SCSI

行业中形象之外，还有就是要彻底拉开SCSI硬盘与IDE家用硬盘之间的差别，以保证

SCSI硬盘在行业中的地位，确保自己的利润增长点。

    2000年3月1 6日，IBM将自己苦心研究多年的“玻璃盘片”拿出台面，并且推出

了两款采用这个盘片的硬盘，这就是IBM的Deskstar 75GXP及Deskstar 40GV。这两款

硬盘均使用玻璃取代传统的铝作为盘片材料，这能为硬盘带来更大的平滑性及更高的坚

固性。

    此外Deskstar 75GXP系列产品的最高容量达75GB，是当时容量最大的硬盘。

Deskstar 40GV的数据存储密度高达143亿比特／英寸2，再次刷新数据存储密度世界记录。

然而好景不长，时隔两年之后，腾龙系列的硬盘纷纷出现问题，暴露出了玻璃盘片的严

重质量缺陷。

    虽然此时IBM开始悬崖勒马，当腾龙5推出的时候继续采用了铝质盘片，但已经无

法挽救这个品牌给消费者带来的心理阴影。IBM的一失足成千古恨，后来不得不将硬盘

部门转手于日立了。

一  硬盘的结构

    我们平时对硬盘的认识和选购，大都是通过产品的外型、性能指标特征和网站公布的

性能评测报告等方面去了解，但是硬盘的内部结构究竟是怎么样的呢，所谓的磁头、盘片、

主轴电机又是什么样子呢？

    硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其他附

件组成，其中磁头盘片组件是构成硬盘的核心，它封装在硬盘的净化腔体内，包括有浮

动磁头组件、磁头驱动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路这几个部分。将

硬盘面板揭开后，内部结构即可一目了然

    (1)磁头组件

    这个组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读／写磁头、传动手臂、传动轴三部分组

成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在

高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有O.l～0.3Um，这样可以获得很好的数

据传输率。现在转速为7200r/min的硬盘盘片之间的间隙一般都低于0.3Um，以利于读

取较大的高信噪比信号。

    至于硬盘的工作原理，它是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。磁头在读取数据

时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号

变成电脑可以使用的数据；写的操作正好与此相反。西数WD200BB硬盘采用单碟双磁

头设计，但该磁头组件却能支持四个磁头，如图3-5所示。注意，其中有两个磁头传动

手臂没有安装磁头。

    (2)磁头驱动机构

    硬盘的寻道是靠移动磁头，而移动磁头则需要该机构驱动才能实现。磁头驱动机构由

电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成，如图3-5所示。高精度的轻型磁头驱动

机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并能在很短的时间内精确定位指令指定的磁道。

其中电磁线图电机包含着一块永久磁铁，这是磁头驱动机构对传动手臂起作用的关键，磁

铁的吸引力足以吸住并吊起拆硬盘使用的螺丝刀。防震动装置在老硬盘中没有，它的作用

是当硬盘受到强烈震动时，对磁头及盘片起到一定的保护使用，以避免磁头将盘片刮伤。

    (3)磁盘盘片

    盘片是硬盘存储数据的载体，现在硬盘盘片大多采用铝金属薄膜材料，这种金属薄

膜较软盘的不连续颗粒载体具有更高的存储密度、高剩磁及高矫顽力等优点。从图3-6

中可以发现，硬盘盘片是完全平整的，简直像一面镜子。

    (4)主轴组件

    主轴组件包括主轴部件如轴承和驱动电机等，如图3-7所示。随着硬盘容量的扩大和

速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，于是诞生了精密机械工业的液态轴承电机技

术，现在已经被所有主流硬盘厂商所普遍采用了，它有利于降低硬盘工作噪声。

    (5)前置控制电路

    前置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3-8

所示。由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提

高操作指令的准确性。

3.1.3  硬盘的技术参数

    硬盘性能的好坏是由其相关的技术参数决定的，

    (1)硬盘的转速(Spindle Speed)

硬盘的性能参数有如下几个：

    硬盘转速就是指硬盘主轴电机的转动速度，一般以每分钟多少转来表示( r/min)，

硬盘的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。随着硬盘容量的不断增大，硬

盘的转速也在不断提高。然而，转速的提高也带来了磨损加剧、温度升高、噪声增大等

一系列负面影响。

    (2)硬盘的数据传输率DTR

    数据传输率，它又包括了外部数据传输率（External Transfer Rate，又称突发传输速

率）和内部数据传输率(Internal Transfer Rate)两种，我们常常说的ATA100中的100

就代表着这块硬盘的外部数据传输率理论值是lOOMB/s，指的是电脑通过数据总线从硬

盘内部缓存区中所读取数据的最高速率。而内部数据传输率可能并不被大家所熟知，但

它才是一块硬盘性能好坏的重要指标，它指的是磁头至硬盘缓存间的数据传输率。。

    (3)硬盘缓存

    缓存是硬盘与外部总线交换数据的场所。硬盘读数据的过程是将要读取的资料存入缓

存，等缓存中填充满数据或者要读取的数据全部读完后再从缓存中以外部传输率传向硬盘

外的数据总线。可以说它起到了内部和外部数据传输的平衡作用。可见，缓存的作月是相

当重要的。目前主流硬盘的缓存为8～32MB，购买时选择较大缓存的硬盘一般性能会更

好。根据写入方式的不同，有写通式和回写式两种。现在的多数硬盘都是采用的回写式。

    (4)平均寻道时间(Average Seek Time)

    平均寻道时间指的是从硬盘接到相应指令开始到磁头移到指定磁道为止所用的平

均时间。单位为ms（毫秒），这是硬盘一个非常重要的指标，这个指标和平均访问时间

有着密切的联系。

    (5)柱面切换时间（也称磁道切换时间）

    它指的是两个相邻的柱面进行切换所用的时间，具体到磁道上是指磁头从当前磁道

上方移动到相邻的磁道上方所用的时间，单位为ms（毫秒）。

    (6)全程寻道时间(Full Stroke Seek Time)

    指的是磁头从最外圈磁道上方移动到最内圈磁道上方（或者从最内圈磁道上方移动

到最外圈磁道上方）所用的时间，单位为ms（毫秒）。

    (7)平均潜伏期(Average Latency Time)

    它指的是磁头移动到指定磁道后，还需要多少时间指定的（即要读取或者写入的）

扇区才会转到磁头下进行读取或者写入的相关操作，很明显这个时间和盘片的转速有

关，平均潜伏期一般指盘片旋转一周所用时间的一半，单位为ms（毫秒）。这样我们就

可以很轻松地换算出硬盘转速和平均潜伏期的一一对应关系。

    换算公式为：(60/硬盘转速×2)×1000=平均潜伏期

    可以计算出来，5400r/min硬盘的平均潜伏期5.556ms，7200r/min硬盘的平均潜伏

期4.167ms，lOOOOr/min硬盘的平均潜伏期3ms。

    (8)平均访问时间(Average Access Time)

    这项指标在官方技术文档中一般不会出现，它指的是从相应的读或者写指令发出开

始到有指定的扇区转到磁头下等待进行读取或者写入（也有的称为从读／写指令发出到第

一笔数据读／写所用的时间）为止的这段时间。一般情况下，平均访问时间约等于平均寻

道时间和平均潜伏期之和（严格定义中还包括一些指令处理时间，但一般忽略不计），

单位也为毫秒( ms)。它的值我们可以利用Hdtach和Winbench 99v2.0软件测试出来。