2005-10-11 01:26
阿镭
笔记本电脑存储器——硬盘、光驱详解
笔记本电脑硬盘详细讲解
目前市场中常见的笔记本硬盘品牌主要有 IBM 、东芝、日立、富士通这四家，随着 IBM 硬盘事业部被日立收购，市场中的 IBM 硬盘也逐渐消失了（不过 IBM 并未停止笔记本硬盘新技术的研发）。
当今笔记本硬盘市场 85% 以上的份额被日立（收购 IBM 后）、东芝和富士通这三家公司所拥有。目前另外两家老牌硬盘厂商，希捷和西部数据也在积极开发 2.5 英寸的硬盘，以切入笔记本硬盘市场，作为用户当然也希望有越来越多的厂家投入到笔记本硬盘的研发中，突破硬盘在笔记本电脑中性能的瓶颈，推动笔记本电脑进一步发展。
下面我们就笔记本电脑硬盘的工作原理及技术参数作一个介绍。
1 ．笔记本电脑硬盘的工作原理
硬盘利用特定磁粒子的极性记录数据。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，然后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。
另外，硬盘中还有一个存储缓冲区，是为协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设。由于硬盘的结构比软盘复杂，所以其格式化也比软盘复杂，分为低级格式化、硬盘分区、高级格式化及建立文件系统。
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完成初始化，此时磁头置于盘片中心位置。初始化后，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，处于等待命令的启动状态。
当接口电路接收到电脑系统传来的命令信号后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正确定位盘片数据信息，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命令操作。结束硬盘操作的断电状态在反力矩弹簧的作用下将浮动磁头驻留到盘面中心。
2 ．笔记本电脑硬盘结构
由于受到笔记本电脑尺寸的限制，笔记本电脑硬盘也不能做得很大。第一代产品面世之时，笔记本电脑硬盘的 17mm 的厚度几乎没有什么机型可以装配，还有过高的发热量和噪声等。在第二代产品中，硬盘厂商将这个厚度降到了 12.5mm 。
12.5mm 可以使 4200r/min 硬盘顺利地装入普通笔记本电脑，但是对笔记本电脑不断向超轻薄方向发展的趋势，它却难有作为。
在过去的两年中，笔记本硬盘 12.5mm 产品已经逐渐被 9.5mm 产品所替代。这样就为轻薄笔记本电脑的发展奠定了基础。但这还只是厚度的改变，其外形并没有发生改变，它们仍然都是 2.5 英寸的硬盘。也就是说，它们的盘片大小都是一样的。
就在 2.5 英寸 9.5mm 的硬盘正在大行其道时， 1.8 英寸的硬盘悄然走入了人们的视野。 2002 年初，东芝推出了两款具有划时代意义的 1.8 英寸内置硬盘产品， MK1003GAL 和 MK2003GAH ，如图 1-30 所示。
MK1003GAL 容量为 10GB ，一个盘片，仅有 5mm 厚。随后其他厂家也生产出了自己 1.8 英寸产品。可以说，目前 1.8 英寸笔记本硬盘技术已经成熟。它对超轻薄笔记本电脑的发 展提供了必要的条件。
3 ．笔记本电脑硬盘接口
硬盘接口一直是人们关心的技术，随着笔记本电脑其他配件（如 CPU 、内存、显示等子系统）性能的大步迈进，硬盘的接口传输率越来越体现出它在整个电脑系统的瓶颈效应，硬盘接口问题越来越受到人们的关注。
硬盘接口有电源接口与数据接口，其中电源插口与主机电源相连，为硬盘提供电力。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间传输交换的纽带，根据连接方式的差异分为 IDE （ Integrated Drive Electronics ）与 EIDE 接口等。
现在的笔记本硬盘采用的都是 IDE 接口技术，实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，我们常说的 IDE 接口，也叫 ATA （ Advanced Technology Attachment ）接口。
把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得相对简单，厂商不需要再担心自己生产的硬盘控制器的兼容性，对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。
随着技术的不断更新， IDE 接口不断推出各种新的技术指标 ATA-1 ～ ATA-4 直到最新的 Serial ATA 接口（即串行 ATA ）， ATA-4 （包含 Ultra ATA 、 Ultra DMA 、 Ultra DMA/33 、 Ultra DMA/66 四种技术标准）接口这个新标准将 PIO-4 下的最大数据传输率提高了一倍，达到 33Mb/s ，或更高的 66Mb/s 。
它还在总线占用上引入了新的技术，使用 PC 的 DMA 通道减少了 CPU 的处理负荷。要使用 Ultra-ATA ，需要一个空闲的 PCI 扩展槽，其中的 Ultra ATA/66 （即 Ultra DMA/66 ）是目前主流笔记本硬盘采用的接口类型，其支持最大外部数据传输率为 66.7Mb/s 。
新的 Serial — ATA （即串行 ATA ）是 Intel 公司采用的接口类型，就如其名所示，它以连续串行的方式传送资料，在同一时间点内只会有 1 位数据传输，此做法能减小接口的针脚数目，用四个针就完成了所有的工作（第 1 针发出、第 2 针接收、第 3 针供电、第 4 针地线）。这样的做法能降低电力消耗，减小发热量。
最新的硬盘接口类型 ATA-100 就是 Serial ATA 的初始规格，它支持的最大外部数据传输率达 100Mb/s 。
4 ．笔记本电脑硬盘磁头
硬盘技术的更新换代，其中一个非常重要的技术就是磁头技术。磁头是硬盘技术中最重要和最关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合。
采用磁头和盘非接触式结构，加电后磁头好像在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有 0.1 m m ～ 0.3 m m ，可以获得极高的数据传输率。现在转速 5400r/min 的硬盘飞高都低于 0.3 m m ，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储能力。
现在的硬盘单碟容量一般都在 10GB 以上，最高的单碟容量已经达到了 20GB ，以后硬盘的单碟容量还将继续增大，对于单碟容量，与它直接联系的技术就是磁头技术，磁头技术越先进，硬盘的单碟容量就可以做得越高。
由于笔记本硬盘密度太小，就连转轴中心附近也写进了数据，所以它就要在盘片的附近安装一个装置，用来放置磁头。所以笔记本硬盘在读盘的时候会产生“咯嗒、咯嗒”的声音，其实是它在“靠岸”。
这种设计也带来了一些好处，在硬盘不工作的时候，由于磁头远离盘片，就不会出现因震动而划伤盘片的现象。
最早的磁头是应用铁磁性物质，它不论在磁头的感应敏感程度还是在精密度上都不理想，因此早期的硬盘单碟容量均非常低。
1979 年发明了薄膜磁头，使进一步缩小硬盘体积、增大容量、提高读写速度成为可能。接着，在 20 世纪 80 年代末期， IBM 公司对硬盘发展做出了一个非常重要的贡献，即研发了 MR 磁阻磁头技术。
磁阻磁头是基于磁致电阻效应工作的，其核心是一片金属材料，电阻随磁场的变化而变化。磁阻元件连接着一个对电阻变化十分敏感的放大器，可以测出微小的电阻变化。所以，后来的 MR 技术可以通过提高记录密度来记录更多的数据，增加单碟片容量即硬盘的最高容量，提高数据传输率。
PRML 读取技术能使盘片存储更多的信息，即增加了盘片的容量，同时可以有效地提高数据的读取和传输速率。 GMR 是 IBM 公司在 MR 技术基础上研发成功的新一代磁头技术，它是最新的磁头技术，现在生产的硬盘全都应用了 GMR 磁头技术。
GMR 巨磁阻磁头与 MR 磁头一样，其原理是利用特殊材料的电阻阻值随磁场变化读取盘片上的数据，但是 GMR 磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，因而比 MR 磁头更为敏感，相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化，实现更高的存储密度。
现有的 MR 磁头能够达到盘片密度为 3Gb ～ 5Gb 每平方英寸（ Gb 每平方英寸），而 GMR 磁头每平方英寸可以达到 10Gb ～ 40Gb 以上。
目前 GMR 磁头已经处于成熟推广期，在今后的数年内，它将会逐步取代 MR 磁头，成为最流行的磁头技术。 GMR 比 MR 具有更高的信号变化灵敏度，从而使硬盘的单碟容量做得更大，目前最新的磁头技术为 第四代 GMR 磁头技术。
此外，磁头的驱动机构由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。高精度的轻型磁头驱动机构，能够正确驱动和定位磁头，并在很短的时间内精确定位系统命令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。
5 ．笔记本电脑硬盘电机
在硬盘中，与磁头技术一样重要的另一项技术就是电机技术，它直接影响着硬盘转速的大小及传输速率的大小。
FDB （ Fluid Dynamic Bearing ，流体动态轴承电机）技术是在 1996 年第一次推出的，目前已经到了第三代，流体动态轴承电机使用的是黏膜液油轴承，以油膜代替滚珠。这样可以避免金属面的直接磨擦，将噪声及温度降至最低；同时油膜可有效吸收震动，使抗震能力得到提高，可减少磨损，提高寿命。
FDB 有效地减少了震动，降低了噪音，增强了对震动的抵抗能力，延长了硬盘的使用寿命。
目前笔记本硬盘的速度最快为 7200r/min ，而主流转速为 4200r/min 。目前主轴转速较快的硬盘是希捷公司推出的 Cheetah X15 （捷豹 X15 系列），它的主轴电机转速高达 15000r/min 。现在主流的 IDE 硬盘转速为 7200r/min ，而主流的 SCSI 硬盘转速则为 10000r/min 。
可见，笔记本硬盘受其先天影响速度不可能太快。电机技术发展了，直接带动的就是硬盘主轴转速的提高，而转速决定着硬盘的寻道时间。当然，在提高硬盘主轴转速的同时，需要考虑的是硬盘的发热量及振动问题，还有硬盘的工作噪声问题。
所以，电机技术直接决定着硬盘的快慢、工作温度及工作噪声等。
6 ．笔记本电脑硬盘材料
（ 1 ）盘片材料。
一般而言，早期硬盘的盘片都是使用塑料材料作为盘片基质，然后再在塑料基质上涂上磁性材料构成的。
随后推出采用铝质材料作为硬盘盘片基质，目前市场上的 IDE 硬盘几乎都是使用铝硬盘盘片基质，而采用玻璃材料作为盘片基质则是最新的硬盘盘片技术。玻璃材料能使硬盘具有平滑性及更高的坚固性，此外玻璃材料在硬盘高转速时具有更高的稳定性。
IBM 公司是采用玻璃材料作为硬盘盘片基质的先锋，富士通笔记本硬盘也有相应的玻璃材料产品。
（ 2 ）笔记本电脑硬盘外壳。
笔记本硬盘外壳只是一层很薄的铁片，很容易弯曲变型，而台式电脑硬盘则采用很厚的金属材质，不易变型。之所以采用很薄的材质制作硬盘，是为了使笔记本硬盘做得更轻，所以，在笔记本使用过程中不要用力按或者在表面放重物，这样会使磁头过于接近盘片而导致盘片划伤。
7 ．笔记本电脑硬盘其他组件
（ 1 ）前置控制电路。
前置放大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，由于磁头读取的信号微弱，因此，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高操作命令的准确性。
（ 2 ）控制电路板。
控制电路板大多采用贴片式元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制及接口电路等。
在电路板上还有一块高效的单片机 ROM 芯片，其固化的软件可以完成硬盘的初始化，加电和启动主轴电机，初始寻道定位以及故障检测等。在电路板上还安装有容量不等的高速缓存芯片 。
（ 3 ）固定盖板。
即硬盘的面板，标注产品的型号、产地和设置数据等，和底板结合成为一个密封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行。固定盖板和盘体侧面还设有安装孔，以方便安装。
（ 4 ）硬盘缓存。
硬盘缓存的作用类似于 CPU 中的一、二级高速缓存，主要用来缓解速度差和实现数据预存取等，硬盘的数据缓存也随着硬盘的不断发展而不断增大，早期硬盘的数据缓存只有 128KB 甚至更小，而那时 2MB 的数据只能在高端的 SCSI 硬盘上看到。
当接口技术已经发展到一个相对成熟的阶段时，缓存的大小与速度是直接关系到硬盘传输速度的重要因素。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磁信号转化为电信号后，通过缓存一次次地填充与清空，再填充，再清空，一步步按照 PCI 总线的周期送出。可见，缓存的作用是相当重要的。
目前主流硬盘的缓存主要为 2MB ～ 8MB 。其类型一般是 DDR SDRAM 或 SDRAM ，目前一般以 DDR SDRAM 为主。
笔记本电脑光驱详解
笔记本电脑的光驱在结构和体积上与台式 PC 的光驱有着很大的区别。它比台式 PC 机的光驱要轻薄很多，笔记本电脑的光驱没有音量调节钮和耳机插孔，笔记本电脑光驱可以自动弹出光盘，不能自动闭合，与台式 PC 光驱的功能和原理是相同的。
笔记本电脑的光驱也是由主体支架、光盘托架、激光头组件、电路控制板组成的。其中，激光头组件特别重要。激光头组件是由主轴电机、伺服电机、激光头、寻迹伺服电路、聚焦伺服电路、机械运动部件等结构构成的。
激光头由一组透镜和激光二极管组成。当光驱在读盘时，激光二极管输入的电信号经过转换，变成激光束，再由平面棱镜反射到光盘上。光盘是以凹凸不平的小坑代表“ 0 ”和“ 1 ”来记录数据的。
DVD 与 CD 光盘的区别
激光头接受激光束时所反射的光也有强弱之分，这时反射回来的光再经过平面棱镜的折射，由激光二极管变成电信号，再经过控制电路的电平转换，变成只含“ 0 ”、“ 1 ”信号的数字信号，计算机就能够读出光盘中的内容了。
激光头折射
一个光驱性能的好坏 主要由 两个方面 来衡量 ，即纠错性能和稳定性。导致这两个性能好坏的技术是由寻迹和聚焦来实现的。
光盘从它的表面上看是一个正圆，其实光盘是以连续的螺旋形轨道来存放数据的，为了使激光头能够准确地寻道就产生了寻迹技术。在光盘高速旋转的时候使激光头能够始终对准螺旋形轨道的轨迹。
当激光束与光盘轨迹正好重合的时候，这时的偏差就是“ 0 ”。但这种完全吻合的情况只是一种理想状态，在高速旋转的光盘中读取偏差为“ 0 ”是不可实现的，在寻迹时总会有些偏差，这时激光头就开始自动调整位置去寻找光盘轨迹。如果寻迹范围不够大的话，光盘上的数据就不可能被读出。这就是我们通常所说的纠错性能不好。
聚焦是激光束能够精确射在光盘轨道上并得到最强信号的过程。当激光束从光盘上返回的时候，需要经过四个光电二极管。每个激光二极管所发出的信号需要经过叠加，形成聚焦误差信号。只有这个误差信号输出为零时，聚焦才准确。
如果聚焦不准确，显然就不能顺利地读取光盘。激光头组件上的物镜（就是我们打开笔记 本电脑光驱时在光盘盘片下面对着的那个小圆的玻璃片）是很重要的，它的清洁程度很大程度上 也 影响着聚焦 精度，影响着读盘的质量。当光驱的激光头老化时， 激光强度就会下降，也会对激光头的聚焦产生很大的影响。
目前应用于笔记本电脑上的光驱有， CD-ROM 、 DVD-ROM 、 CD-RW 、 DVD+CD-RW 、 DVD+DVD-RW ，最为主流的是 DVD-ROM 和 DVD+CD-RW 。