磁碟存儲器

磁碟存儲器（magneticdiskstorage）以磁碟為存儲介質的存儲器。它是利用磁記錄技術在塗有磁記錄介質的鏇轉圓盤上進行數據存儲的輔助存儲器。具有存儲容量大、數據傳輸率高、存儲數據可長期保存等特點。在計算機系統中，常用於存放作業系統、程式和數據，是主存儲器的擴充。發展趨勢是提高存儲容量，提高數據傳輸率，減少存取時間，並力求輕、薄、短、小。磁碟存儲器通常由磁碟、磁碟驅動器（或稱磁碟機）和磁碟控制器構成。

結構及原理

磁碟存儲器

磁碟存儲器利用磁記錄技術在鏇轉的圓盤介質上進行數據存儲的輔助存儲器。這是一種套用廣泛的直接存取存儲器。其容量較主存儲器大千百倍，在各種規模的計算機系統中，常用作存放作業系統、程式和數據，是對主存儲器的擴充。磁碟存儲器存入的數據可長期保存，與其他輔助存儲器比較，磁碟存儲器具有較大的存儲容量和較快的數據傳輸速率。典型的磁碟驅動器包括碟片主軸鏇轉機構與驅動電機、頭臂與頭臂支架、頭臂驅動電機、淨化盤腔與空氣淨化機構、寫入讀出電路、伺服定位電路和控制邏輯電路等。

磁碟以恆定轉速鏇轉。懸掛在頭臂上具有浮動面的頭塊（浮動磁頭），靠載入彈簧的力量壓向盤面，碟片表面帶動的氣流將頭塊浮起。頭塊與碟片間保持穩定的微小間隙。經濾塵器過濾的空氣不斷送入盤腔，保持碟片和頭塊處於高度淨化的環境內，以防頭塊與盤面劃傷。根據控制器送來的磁軌地址（即圓柱面地址）和尋道命令，定位電路驅動直線電機將頭臂移至目標磁軌上。伺服磁頭讀出伺服磁軌信號並反饋到定位電路，使頭臂跟隨伺服磁軌穩定在目標磁軌上。讀寫與選頭電路根據控制器送來的磁頭地址接通應選的磁頭，將控制器送來的數據以串列方式逐位記錄在目標磁軌上；或反之，從選定的磁軌讀出數據並送往控制器。頭臂裝在梳形架小車上，在尋道時所有頭臂一同移動。所有數據面上相同直徑的同心圓磁軌總稱圓柱面，即頭臂定位一次所能存取的全部磁軌。每個磁軌都按固定的格式記錄。在標誌磁軌起始位置的索引之後，記錄該道的地址（圓柱面號和頭號）、磁軌的狀況和其他參考信息。在每一記錄段的尾部附記有該段的糾錯碼，對連續少數幾位的永久缺陷所造成的錯誤靠糾錯碼糾正，對有多位永久缺陷的磁軌須用備分磁軌代替。寫讀操作是以記錄段為單位進行的。記錄段的長度有固定段長和可變段長兩種。

物理特性

單片和多片活動示意圖

磁碟兩面塗有可磁化介質的平面圓片，數據按閉契約心圓軌道記錄在磁性介質上，這種同心圓軌道稱磁軌。磁碟的主要技術參數記錄密度包括位密度、道密度和面密度。位密度指碟片同心圓軌道上單位長度上記錄多少位單元，用位/毫米(bpmm)表示；道密度是指記錄面徑向每單位長度上所能容納的磁軌數，常用道/毫米(tpmm)表示；面密度是指記錄面上單位面積所記錄的位單元，常用位/毫米2表示。磁碟的存儲容量是磁碟上所能記錄二進制數碼的總量，常用千位元組(KB)或兆位元組(MB)來表示。存取時間包括磁頭從一道移到另一道所需的時間、磁頭移動後的穩時間、碟片鏇轉等待時間、磁頭載入時間常用毫秒(ms)表示。誤碼率指在向設備寫入一批數據並回讀後，所檢出的錯誤位數與這一批數據總位數的比值。

分類

磁碟存儲器

磁碟是兩面塗著可磁化介質的平面圓片，數據按閉契約心圓軌道記錄在磁性介質上，這種同心圓軌道稱磁軌。因盤基不同，磁碟可分為硬碟和軟碟兩類。硬碟盤基用非磁性輕金屬材料製成；軟碟盤基用撓性塑膠製成。按照碟片的安裝方式,磁碟有固定和可互換（可裝卸）兩類。可互換的磁碟結構有下列幾種：

單片碟片安裝在塑膠或金屬扁盒內的部件稱盤盒；幾片碟片同軸連裝在一起的部件稱盤組；磁碟與磁頭臂同裝在一密閉容器內的部件稱頭盤組件。小型磁碟驅動器的碟片，直接安裝在驅動器的主軸上，與驅動器結成一個整體。磁碟驅動器是驅動磁碟轉動並在盤面進行寫入讀出動作的裝置。盤組或盤盒裝在驅動器上，以恆速鏇轉。磁頭浮動在碟片表面,在磁碟控制器的控制下,經磁頭的電磁轉換在盤面磁層上按同心圓軌道寫入、讀出數據。磁碟驅動器分頭臂固定型和頭臂移動型兩類；頭臂移動型磁碟驅動器又有磁碟可換型和磁碟固定型兩種。　

溫徹斯特磁碟存儲器簡稱溫盤。因採用溫徹斯特技術而得名。溫徹斯特技術主要包括：①密封的頭盤組件。即將磁頭、盤組和定位機構等密封在一個盤腔內，後來發展到連主軸電機等全部都裝入盤腔，可進行整體更換。②採用小尺寸和小浮力的接觸起停式浮動磁頭。藉以得到超小的頭盤間隙（亞微米級），以提高記錄密度。③採用具有潤滑性能的薄膜磁記錄介質。④採用磁性流體密封技術。可防止塵埃、油、氣侵入盤腔，從而保持盤腔的高度淨化。⑤採用集成度高的前置放大器等。硬碟驅動器均採用了溫徹斯特技術。它與可換式磁碟比，大幅度提高了記錄密度，提高了磁碟機的可靠性，使其進一步小型化。

磁碟存儲器

軟磁碟存儲器簡稱軟碟，是一種封裝在方形保護套內的、在軟質基片上塗有氧化鐵磁層的記錄介質。軟碟驅動器的磁頭與盤面是在接觸狀態下工作，因而轉速很低，其他工作原理與硬碟相類似。早期軟碟盤徑為8英寸(1英寸＝2.54厘米），後來發展成5.25英寸，又廣泛採用3.5英寸軟碟。驅動器厚度也逐年減小。特別是薄型3.5英寸和5.25英寸軟碟機發展很快，在微機和終端設備中得到了廣泛套用。

固定頭臂磁碟存儲器或稱每道一頭型磁碟存儲器。它不需要頭臂定位機構，而是對應每個盤面安裝儘可能多的頭臂。為了減少平均等待時間，碟片的轉速一般較高，例如每分鐘6000轉。固定頭臂磁碟與磁鼓的性能特點相同，由於磁頭的造價昂貴，套用範圍很小。

磁碟驅動器

磁碟驅動器示意圖

磁碟驅動器驅動磁碟轉動並在盤面上通過磁頭進行寫入讀出動作的裝置。磁碟裝在驅動器上，以恆速鏇轉。磁頭浮動在碟片表面。在磁碟控制器的控制下，經磁頭的電磁轉換在盤面磁層上進行讀寫數據操作。

硬磁碟驅動器分頭臂固定型和頭臂移動型兩類。頭臂移動型硬磁碟驅動器又可分為可互換式與固定式兩類。新型固定式磁碟由於採用了溫徹斯特技術，因此又稱溫徹斯特磁碟驅動器，簡稱溫式磁碟機。

磁碟機每秒向計算機傳輸的最多數據位數稱為數據傳輸率，用千位元組／秒（KB／s）或兆位元組／秒（MB／s）表示。

磁碟控制器

軟磁碟結構示意圖

磁碟控制器即磁碟驅動器適配器。是計算機與磁碟驅動器的接口設備。它接收並解釋計算機來的命令，向磁碟驅動器發出各種控制信號。檢測磁碟驅動器狀態，按照規定的磁碟數據格式，把數據寫入磁碟和從磁碟讀出數據。磁碟控制器類型很多，但它的基本組成和工作原理大體上是相同的。它主要由與計算機系統匯流排相連的控制邏輯電路，微處理器，完成讀出數據分離和寫入數據補償的讀寫數據解碼和編碼電路，數據檢錯和糾錯電路，根據計算機發來的命令對數據傳遞、串並轉換以及格式化等進行控制的邏輯電路，存放磁碟基本輸入輸出程式的唯讀存儲器和用以數據交換的緩衝區等部分組成。

技術指標

磁碟存儲器

磁碟存儲器的主要指標包括存儲密度,存儲容量,存取時間及數據傳輸率。

存儲密度

存儲密度分道密度，位密度和面密度。道密度是沿磁碟半徑方向單位長度上的磁軌數，單位為道/英寸.位密度是磁軌單位長度上能記錄的二進制代碼位數，單位為位/英寸.面密度是位密度和道密度的乘積，單位為位/平方英寸。

存儲容量

一個磁碟存儲器所能存儲的位元組總數，稱為磁碟存儲器的存儲容量.存儲容量有格式化容量和非格式化容量之分，格式化容量是指按照某種特定的記錄格式所能存儲信息的總量,也就是用戶可以真正使用的容量。非格式化容量是磁記錄表面可以利用的磁化單元總數。將磁碟存儲器用於某計算機系統中，必須首先進行格式化操作,然後才能供用戶記錄信息。格式化容量一般是非格式化容量的60%―70%。3.5英寸的硬碟機容量可達4.29GB。

磁碟存儲器

平均存取時間

存取時間是指從發出讀寫命令後，磁頭從某一起始位置移動至新的記錄位置,到開始從碟片表面讀出或寫入信息所需要的時間.這段時間由兩個數值所決定：一個是將磁頭定位至所要求的磁軌上所需的時間,稱為定位時間或找道時間；另一個是找道完成後至磁軌上需要訪問的信息到達磁頭下的時間，稱為等待時間,這兩個時間都是隨機變化的，因此往往使用平均值來表示。平均存取時間等於平均找道時間與平均等待時間之和。平均找道時間是最大找道時間與最小找道時間的平均值。平均找道時間為10―20ms，平均等待時間和磁碟轉速有關，它用磁碟鏇轉一周所需時間的一半來表示，固定頭盤轉速高達6000轉/分,故平均等待時間為5ms。

數據傳輸率

磁碟存儲器在單位時間內向主機傳送數據的位元組數,叫數據傳輸率，傳輸率與存儲設備和主機接口邏輯有關。從主機接口邏輯考慮，應有足夠快的傳送速度向設備接收/傳送信息。從存儲設備考慮，假設磁碟鏇轉速度為每秒n轉，每條磁軌容量為N個位元組，則數據傳輸率Dr=nN(位元組/秒)。也可以寫成Dr=D・v(位元組/秒)，其中D為位密度，v為磁碟鏇轉的線速度，磁碟存儲器的數據傳輸率可達幾十兆位元組/秒。

發展簡史

軟碟驅動器

世界第一台硬碟存儲器是由IBM公司在1956年發明的，其型號為：IBM350RAMA（RandomAccessMethodofAccountingandControl）。這套系統的總容量只有5MB，共使用了50個直徑為24英寸的磁碟。

1968年，IBM公司提出“溫徹斯特/Winchester”技術，其要點是將高速鏇轉的磁碟、磁頭及其尋道機構等全部密封在一個無塵的封閉體中，形成一個頭盤組合件（HDA），與外界環境隔絕，避免了灰塵的污染，並採用小型化輕浮力的磁頭浮動塊，碟片表面塗潤滑劑，實行接觸起停，這是現代絕大多數硬碟的原型。

1979年，IBM發明了薄膜磁頭，進一步減輕了磁頭重量，使更快的存取速度、更高的存儲密度成為可能。

微硬碟

20世紀80年代末期，IBM公司又對磁碟技術作出一項重大貢獻，發明了MR（MagnetoResistive)磁阻磁頭，這種磁頭在讀取數據時對信號變化相當敏感，使得碟片的存儲密比以往提高了數十倍。1991年，IBM生產的3.5英寸硬碟使用了MR磁頭,度，使硬碟的容量首次達到了1GB，從此，硬碟容量開始進入了GB數量級。IBM還發明了PRML（PartialResponseMaximumLikelihood）的信號讀取技術，使信號檢測的靈敏度大幅度提高，從而可以大幅度提高記錄密度。

21世紀初，硬碟的面密度已經達到每平方英寸100Gb以上，是容量、性價比最大的一種存儲設備。因而，在計算機的外存儲設備中，還沒有一種其他的存儲設備能夠對其統治地位產生挑戰。硬碟不僅用於各種計算機和伺服器中，在磁碟陣列和各種網路存儲系統中，它也是基本的存儲單元。

值得注意的是，隨著微硬碟的出現和快速發展為移動存儲提供了一種較為理想的存儲介質。在快閃記憶體晶片難以承擔的大容量移動存儲領域，微硬碟可大顯身手。尺寸為1英寸的硬碟，存儲容量已達8GB，20GB容量的1英寸硬碟不久也會面世。