1、硬盘芯片级维修内部资料目 录第 一 章 硬盘的物理结构和原理第 二 章 硬盘的基本参数第 三 章 硬盘逻辑结构简介第 四 章 硬盘的物理安装第 五 章 系统启动过程第 六 章 硬盘的品牌第 七 章 硬盘电路板测试及维修技巧第 八 章 常用维修软件第 九 章 专业维修软件PC3000第 十 章 数据恢复第十一章 典型故障及维修流程 第一章 硬盘的物理结构和原理一、引言 自1956年IBM推出第一台硬盘驱动器IBM RAMAC 350至今已有四十多年了，其间虽没有CPU那种令人眼花缭乱的高速发展与技术飞跃，但我们也确实看到，在这几十年里，硬盘驱动器从控制技术、接口标准、机械结构等方面都进行了一系列
2、改进。正是这一系列技术上的研究与突破，使我们今天终于用上了容量更大、体积更小、速度更快、性能更可靠、价格更便宜的硬盘。 如今，虽然号称新一代驱动器的JAZ、DVD-ROM、DVD-RAM、CD-RW、MO、PD等纷纷登陆大容量驱动器市场，但硬盘以其容量大、体积小、速度快、价格便宜等优点，依然当之无愧地成为桌面电脑最主要的外部存储器，也是我们每一台PC必不可少的配置之一。二、硬盘磁头技术1、磁头磁头是硬盘中最昂贵的部件，也是硬盘技术中最重要和最关键的一环。传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头，但是，硬盘的读、写却是两种截然不同的操作，为此，这种二合一磁头在设计时必须要同时兼顾到读/写两种特性，从
3、而造成了硬盘设计上的局限。而MR磁头（Magnetoresistive heads），即磁阻磁头，采用的是分离式的磁头结构：写入磁头仍采用传统的磁感应磁头（MR磁头不能进行写操作），读取磁头则采用新型的MR磁头，即所谓的感应写、磁阻读。这样，在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化，以得到最好的读/写性能。另外，MR磁头是通过阻值变化而不是电流变化去感应信号幅度，因而对信号变化相当敏感，读取数据的准确性也相应提高。而且由于读取的信号幅度与磁道宽度无关，故磁道可以做得很窄，从而提高了盘片密度，达到200MB/英寸2，而使用传统的磁头只能达到20MB/英寸2，这也是MR磁头被广泛应用的最主要原
4、因。目前，MR磁头已得到广泛应用，而采用多层结构和磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头（Giant Magnetoresistive heads）也逐渐普及。2、磁道当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。这些磁道用肉眼是根本看不到的，因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响，同时也为磁头的读写带来困难。一张1.44MB的3.5英寸软盘，一面有80个磁道，而硬盘上的磁道密度则远远大于此值，通常一面有成千上万个磁道。3
5、、扇区磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息，磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。1.44MB3.5英寸的软盘，每个磁道分为18个扇区。4、柱面硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。所谓硬盘的CHS,即Cylinder（柱面）、Head（磁头）、Sector（扇区），只要知道了硬盘的CHS的数目，即可确定硬盘的容量，硬盘的容量
6、=柱面数磁头数扇区数512B。三、硬盘接口技术硬盘接口是连接硬盘驱动器和计算机的专用部件，它对计算机的性能以及在扩充系统时计算机连接其他设备的能力都有很大影响。硬盘驱动器接口的类型主要有： 1、 ST506/412接口与ESDI接口ST506/412是PC/XT、AT时代的标准接口标准。ST506/412最多可安装4个硬盘驱动器，允许最大硬盘空间为150MB。而ESDI（Enhanced Small Device Interface，增强型小型设备接口）是ST506/412接口的改进版，但与ST506/412接口互不兼容。ESDI支持的硬盘容量上增加到300MB，最大数据传输率为2MB/sec
7、。目前这两种接口均已遭淘汰。2、SCSI接口 SCSI（Small Computer System Interface）即“小型计算机系统接口”是一种系统级的接口，支持硬盘的容量突破了528MB的限制，可以同时挂接7个不同的设备。目前SCSI接口有二个标准：SCSI-2和SCSI-3。SCSI-2又称为Fast SCSI，在8bit总线下能达到10M/s的数据传输率。而SCSI-3包括Ultra SCSI（8bit）、Ultra wide SCSI（含16bit和32bit）和Ultra2 SCSI。其中Ultra2 SCSI在8bit数据宽度下提供40M/s的数据传输率，在16位总线下最高能
8、达到80M/s。SCSI接口的硬盘被广泛应用于网络服务器、工作站和小型计算机系统上，但由于SCSI接口硬盘的价格要比IDE接口硬盘高，而且使用时还必须另外购买SCSI接口卡，因而在家用电脑上仍以IDE接口的硬盘为主流。3、IDE接口 IDE（Integrated Drive Electronics）接口是Compaq公司为解决老式的ST506/412接口速度慢、成本高而开发出硬盘接口标准，亦即ATA（AT Attachment）接口标准。由于IDE接口的硬盘具有价格低廉、稳定性好、标准化程度高等优点，因此得到广泛的应用。ATA接口标准亦已由ATA、ATA-2、ATA-3发展到今天的Ultra
9、ATA。 Ultra ATA（也称为Ultra DMA/33）是由Intel和Quantum公司共同提出的硬盘接口标准，与Fast ATA相比，Ultra ATA有以下几个优点： 外部数据传率由Fast ATA的16.6MB/s提高到33.3MB/s； 采用CRC循环冗余检验，通过两个寄存器的重复测试来提高数据传输的可靠性；由硬盘直接产生选通信号，并且同时将数据传送到总线上，从而减少数据传输的延迟时间。 要发挥Ultra ATA的威力，除了要有一块Ultra ATA接口的硬盘外，还需要有操作系统和芯片组的支持。目前支持Ultra ATA的芯片组包括Intel的430TX、440LX，SiS 5
10、597/5581，VIA的VP2、VP3，ALi的Aladdin IV+，AMD-640以及所有100Mhz的芯片组。虽然，Ultra ATA向下兼容于Fast ATA，两者都是使用40pin的接口，但如果芯片组或操作系统不支持，即使是Ultra ATA硬盘也只能达到16.6MB/s的外部传输率。 4、IEEE 1394接口 IEEE 1394并不是硬盘专用接口，但它却可以方便地连接包括硬盘在内的63个不同设备，并支持即插即用和热插拨。在数据传输率方面，IEEE 1394可以提供100MB/s、400MB/s、1.2GB/s三档高速传输率，是现时所有硬盘望尘莫及的。虽然目前市面上仍未能见到IE
11、EE 1394接口的硬盘，但由于IEEE 1394接口的先进性，它必然会取代SCSI和IDE而成为明日的硬盘接口。目前Windows 98已支持IEEE 1394。四、硬盘数据保护技术硬盘容量越做越大，我们在硬盘里存放的数据也越来越多。那么，这么大量的数据存放在这样一个铁盒子里究竟有多安全呢？虽然，目前的大多数硬盘的无故障运行时间（MTBF）已达300，000小时以上，但这仍不够，一次故障便足以造成灾难性的后果。因为对于不少用户，特别是商业用户而言，数据才是PC系统中最昂贵的部分，他们需要的是能提前对故障进行预测。正是这种需求与信任危机，推动着各厂商努力寻求一种硬盘安全监测机制，于是，一系列的
12、硬盘数据保护技术应运而生。 1、S.M.A.R.T.技术S.M.A.R.T.技术的全称是Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology，即“自监测、分析及报告技术”。在ATA-3标准中，S.M.A.R.T.技术被正式确立。S.M.A.R.T.监测的对象包括磁头、磁盘、马达、电路等，由硬盘的监测电路和主机上的监测软件对被监测对象的运行情况与历史记录及预设的安全值进行分析、比较，当出现安全值范围以外的情况时，会自动向用户发出警告，而更先进的技术还可以提醒网络管理员的注意，自动降低硬盘的运行速度，把重要数据文件转存到其它安全扇区，甚至把文件备份到
13、其它硬盘或存储设备。通过S.M.A.R.T.技术，确实可以对硬盘潜在故障进行有效预测，提高数据的安全性。但我们也应该看到，S.M.A.R.T.技术并不是万能的，它只能对渐发性的故障进行监测，而对于一些突发性的故障，如盘片突然断裂等，硬盘再怎么smart也无能为力了。因此不管怎样，备份仍然是必须的。2、DFT技术DFT（Drive Fitness Test，驱动器健康检测）技术是IBM公司为其PC硬盘开发的数据保护技术，它通过使用DFT程序访问IBM硬盘里的DFT微代码对硬盘进行检测，可以让用户方便快捷地检测硬盘的运转状况。据研究表明，在用户送回返修的硬盘中，大部分的硬盘本身是好的。DFT能够减
14、少这种情形的发生，为用户节省时间和精力，避免因误判造成数据丢失。它在硬盘上分割出一个单独的空间给DFT程序，即使在系统软件不能正常工作的情况下也能调用。DFT微代码可以自动对错误事件进行登记，并将登记数据保存到硬盘上的保留区域中。DFT微代码还可以实时对硬盘进行物理分析，如通过读取伺服位置错误信号来计算出盘片交换、伺服稳定性、重复移动等参数，并给出图形供用户或技术人员参考。这是一个全新的观念，硬盘子系统的控制信号可以被用来分析硬盘本身的机械状况。而DFT软件是一个独立的不依赖操作系统的软件，它可以在用户其他任何软件失效的情况下运行。 第二章 硬盘的基本参数一、容量作为计算机系统的数据存储器，容
15、量是硬盘最主要的参数。硬盘的容量以兆字节（MB）或千兆字节（GB）为单位，1GB=1024MB。但硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1G=1000MB，因此我们在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值要小。对于用户而言，硬盘的容量就象内存一样，永远只会嫌少不会嫌多。Windows操作系统带给我们的除了更为简便的操作外，还带来了文件大小与数量的日益膨胀，一些应用程序动辄就要吃掉上百兆的硬盘空间，而且还有不断增大的趋势。因此，在购买硬盘时适当的超前是明智的。目前的主流硬盘的容量为10G和15G，而20G以上的大容量硬盘亦已开始逐渐普及。其实，硬盘容量越大，单位字节的价格就越便宜。例如火球
16、10G的价格为1000元，每G字节的价格为100元；而火球15G的价格为1160，每G字节还不到80元。硬盘的容量指标还包括硬盘的单碟容量。所谓单碟容量是指硬盘单片盘片的容量，单碟容量越大，单位成本越低，平均访问时间也越短。目前市面上大多数硬盘的单碟容量为6.4G以上，而更高的则已达到了10G。二、转速转速(Rotational speed 或Spindle speed)是指硬盘盘片每分钟转动的圈数，单位为rpm。 目前市场上主流IDE硬盘的转速一般为5200rpm或5400rpm，Seagate的“大灰熊”系列和Maxtor则达到了7200rpm，是IDE硬盘中转速最快的。至于SCSI接口的
17、硬盘，一般都已达到了7200rpm的转速，而更高的则达到了10000rpm。三、平均访问时间平均访问时间(Average Access Time)是指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。 平均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括了硬盘的寻道时间和等待时间，即：平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间。硬盘的平均寻道时间(Average Seek Time)是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间。这个时间当然越小越好，目前硬盘的平均寻道时间通常在8ms到12ms之间，而SCSI硬盘则应小于或等于8ms。硬盘的等待时间，又叫潜伏期(Latency)，
18、是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需的时间的一半，一般应在4ms以下。四、传输速率传输速率(Data Transfer Rate) 硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。内部传输率(Internal Transfer Rate) 也称为持续传输率(Sustained Transfer Rate)，它反映了硬盘缓冲区未用时的性能。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。外部传输率（External Transfer Rate）也称为突发数据传输率（Bur
19、st Data Transfer Rate）或接口传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。目前Fast ATA接口硬盘的最大外部传输率为16.6MB/s，而Ultra ATA接口的硬盘则达到33.3MB/s。 五、缓存与主板上的高速缓存（RAM Cache）一样，硬盘缓存的目的是为了解决系统前后级读写速度不匹配的问题，以提高硬盘的读写速度。目前，大多数IDE硬盘的缓存在128K到256K之间，而Seagate的“大灰熊”系列则使用了512K Cache。第三章 硬盘逻辑结构简介 一. 硬盘逻辑结构简介1. 硬盘参数释疑到目前为止
20、, 人们常说的硬盘参数还是古老的 CHS(Cylinder/Head/Sector)参数. 那么为什么要使用这些参数,它们的意义是什么?它们的取值范围是什么?很久以前, 硬盘的容量还非常小的时候,人们采用与软盘类似的结构生产硬盘. 也就是硬盘盘片的每一条磁道都具有相同的扇区数.由此产生了所谓的3D参数 (Disk Geometry). 既磁头数(Heads), 柱面数(Cylinders),扇区数(Sectors),以及相应的寻址方式.其中:磁头数(Heads)表示硬盘总共有几个磁头,也就是有几面盘片, 最大为 255 (用 8 个二进制位存储);柱面数(Cylinders) 表示硬盘每一面盘
21、片上有几条磁道,最大为 1023(用 10 个二进制位存储);扇区数(Sectors) 表示每一条磁道上有几个扇区, 最大为 63(用 6个二进制位存储).每个扇区一般是 512个字节, 理论上讲这不是必须的,但好象没有取别的值的.所以磁盘最大容量为:255 * 1023 * 63 * 512 / 1048576 = 8024 GB ( 1M =1048576 Bytes )或硬盘厂商常用的单位:255 * 1023 * 63 * 512 / 1000000 = 8414 GB ( 1M =1000000 Bytes )在 CHS 寻址方式中, 磁头, 柱面, 扇区的取值范围分别为 0到 He
22、ads - 1,0 到 Cylinders - 1, 1 到 Sectors (注意是从 1 开始).2. 基本 Int 13H 调用简介BIOS Int 13H 调用是 BIOS提供的磁盘基本输入输出中断调用, 它可以完成磁盘(包括硬盘和软盘)的复位, 读写, 校验, 定位, 诊断,格式化等功能.它使用的就是 CHS 寻址方式, 因此最大识能访问 8 GB 左右的硬盘 (本文中如不作特殊说明, 均以 1M = 1048576 字节为单位).3. 现代硬盘结构简介在老式硬盘中, 由于每个磁道的扇区数相等,所以外道的记录密度要远低于内道, 因此会浪费很多磁盘空间 (与软盘一样). 为了解决这一问
23、题,进一步提高硬盘容量, 人们改用等密度结构生产硬盘. 也就是说,外圈磁道的扇区比内圈磁道多. 采用这种结构后, 硬盘不再具有实际的3D参数,寻址方式也改为线性寻址, 即以扇区为单位进行寻址.为了与使用3D寻址的老软件兼容 (如使用BIOSInt13H接口的软件), 在硬盘控制器内部安装了一个地址翻译器,由它负责将老式3D参数翻译成新的线性参数. 这也是为什么现在硬盘的3D参数可以有多种选择的原因(不同的工作模式, 对应不同的3D参数, 如 LBA, LARGE, NORMAL).4. 扩展 Int 13H 简介虽然现代硬盘都已经采用了线性寻址, 但是由于基本 Int13H 的制约, 使用 B
24、IOS Int 13H 接口的程序, 如 DOS 等还只能访问 8 G以内的硬盘空间.为了打破这一限制, Microsoft 等几家公司制定了扩展 Int 13H 标准(Extended Int13H), 采用线性寻址方式存取硬盘, 所以突破了 8 G的限制,而且还加入了对可拆卸介质 (如活动硬盘) 的支持.二. Boot Sector 结构简介1. Boot Sector 的组成Boot Sector 也就是硬盘的第一个扇区, 它由 MBR (MasterBoot Record),DPT (Disk Partition Table) 和 Boot Record ID三部分组成.MBR 又称作
25、主引导记录占用 Boot Sector 的前 446 个字节( 0 to 0x1BD ),存放系统主引导程序 (它负责从活动分区中装载并运行系统引导程序).DPT 即主分区表占用 64 个字节 (0x1BE to 0x1FD),记录了磁盘的基本分区信息. 主分区表分为四个分区项, 每项 16 字节,分别记录了每个主分区的信息(因此最多可以有四个主分区).Boot Record ID 即引导区标记占用两个字节 (0x1FE and0x1FF), 对于合法引导区, 它等于 0xAA55, 这是判别引导区是否合法的标志.Boot Sector 的具体结构如下图所示:0000 |-| | | | |
26、| Master Boot Record | | | | | | 主引导记录(446字节) | | | | | | |01BD | |01BE |-| | |01CD | 分区信息1(16字节) |01CE |-| | |01DD | 分区信息2(16字节) |01DE |-| | |01ED | 分区信息3(16字节) |01EE |-| | |01FD | 分区信息4(16字节) | |-| | 01FE |01FF | | 55| AA | |-|2. 分区表结构简介分区表由四个分区项构成, 每一项的结构如下:BYTE State: 分区状态, 0 =未激活, 0x80 = 激活 (注意
27、此项)BYTE StartHead: 分区起始磁头号WORD StartSC: 分区起始扇区和柱面号,底字节的低6位为扇区号, 高2位为柱面号的第 9,10 位, 高字节为柱面号的低 8 位BYTE Type : 分区类型, 如0x0B = FAT32, 0x83 = Linux 等, 00 表示此项未用,07 = NTFSBYTE EndHead: 分区结束磁头号WORD EndSC:分区结束扇区和柱面号, 定义同前DWORD Relative:在线性寻址方式下的分区相对扇区地址 (对于基本分区即为绝对地址)DWORD Sectors : 分区大小 (总扇区数)注意: 在 DOS / Win
28、dows 系统下,基本分区必须以柱面为单位划分( Sectors * Heads 个扇区), 如对于 CHS 为 764/255/63 的硬盘,分区的最小尺寸为255 * 63 * 512 / 1048576 = 7.844 MB.3. 扩展分区简介由于主分区表中只能分四个分区, 无法满足需求,因此设计了一种扩展分区格式. 基本上说, 扩展分区的信息是以链表形式存放的,但也有一些特别的地方.首先, 主分区表中要有一个基本扩展分区项,所有扩展分区都隶属于它,也就是说其他所有扩展分区的空间都必须包括在这个基本扩展分区中.对于DOS / Windows 来说, 扩展分区的类型为 0x05. 除基本扩
29、展分区以外的其他所有扩展分区则以链表的形式级联存放, 后一个扩展分区的数据项记录在前一个扩展分区的分区表中,但两个扩展分区的空间并不重叠.扩展分区类似于一个完整的硬盘, 必须进一步分区才能使用.但每个扩展分区中只能存在一个其他分区. 此分区在 DOS/Windows环境中即为逻辑盘.因此每一个扩展分区的分区表(同样存储在扩展分区的第一个扇区中)中最多只能有两个分区数据项(包括下一个扩展分区的数据项).第四章 硬盘的物理安装所谓的硬盘物理安装，指的是将硬盘装进机箱，设置跳线并接好电源线和数据线的过程。电源接口：将主机的电源与此相连，以给硬盘供电。注意“梯形”接线方向，方向错误将无法插入。主从跳线：主板上一般只有两个IDE接口，每
