ATA硬盘接口技术.doc
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1、ATA硬盘技术编者按:随着电脑配件日新月异地发展,硬盘除了容量增大以外,采用的新技术也越来越多。总的来看,硬盘使用的技术包括降噪技术、硬盘磁头技术、盘片技术、接口技术、数据保护技术、震动保护系统和各类检测技术等等。在这些技术中,一些技术是在原有技术的基础上优化更新推出的,也有一些新技术是完全新创的。下面我们先来看看IDE硬盘的降噪技术。主流IDE硬盘降噪技术 硬盘的噪音也许在夜深人静时最明显,对家人的影响也是很大的。虽然噪音的大小并不是直接衡量硬盘性能优劣的标准,但纵观硬盘的发展历史,可以发现硬盘的噪音实际上是和硬盘的转速成正比的:转速每提高一个档次,噪音等级就会相应提高。在5400rpm硬盘
2、“横行”的时候,噪音问题还不那么突出,随着7200rpm硬盘成为主流,噪音问题的解决迫在眉睫。我们还是先来了解一下硬盘噪音是怎么产生的。通常硬盘内部有两个马达,一个是驱动硬盘旋转的主轴马达。早期的主轴马达采用的是滚珠轴承,随着硬盘转速的不断提高,带来了磨损加剧、温度升高、噪声增大等一系列问题,主轴马达的噪音曾是硬盘噪音的主要来源。但目前很多厂家开始使用液态轴承马达,它使用的是黏膜液油轴承,以油膜代替滚珠,这样做可以避免金属之间的直接摩擦,使噪声及发热量大大降低,同时油膜也可有效吸收震动,使硬盘的抗震能力得到提高,此外还能减少磨损,提高硬盘的寿命。另外一个是寻道马达。寻道马达采用的是步进电机,其
3、工作噪音的波形接近方波,因此声音听起来节奏分明,穿透力也强过主轴马达。我们平时听到硬盘发出的“哒,哒”声,就是由它发出的。由于技术和成本上的原因,该马达还没有采用液态轴承,因此目前来看,寻道马达所发出的噪音是硬盘噪音的主要来源。面对硬盘噪音,各个硬盘厂商都使出了浑身解数,有的从采用新型硬盘主轴马达入手,有的则以改进硬盘的封装结构为切入点,有的则利用软件调节硬盘的寻道速度,从而达到降低噪音的目的。1.希捷(Seagate) 曾几何时,希捷公司的IDE硬盘几乎成了大噪音硬盘的代名词,不过这一切都随着酷鱼四代硬盘的推出而烟消云散,声音屏蔽技术(SBT)的应用使希捷硬盘摇身一变成为了目前最为“安静”的
4、IDE硬盘,声音屏蔽技术包括如下几项:(图) SoftSonic液态轴承(Fluid Dynamic Bearing)技术: SoftSonic电机是希捷硬盘的声音屏蔽技术(SBT)的核心,也是一项获得各类电脑用户赏识的技术突破。在采用业内标准进行测试时,酷鱼四代单盘模型在旋转时所发出的噪声仅为20分贝,寻道时的噪声仅为24分贝。事实上,1996年希捷生产了世界上第一台FDB电机,而目前FDB电机已经发展到了第四代产品,可见如今FDB电机的技术相当成熟。 SeaShield盖板及隔音泡沫: SeaShield盖板即硬盘电路一面的金属挡板,该挡板与隔音泡沫都起到了进一步减少噪音外泄的可能性。 转
5、动整流技术:通过控制主轴电机的工作电流波形,使电机的启停更平滑流畅。 安静寻道(SilentSeek)技术:主要有速度限制、加速度限制和及时寻道方式,由于这些技术比较复杂,在这里就不做详细介绍了。 2. 迈拓(Maxtor) 迈拓除了应用自己的降噪技术以外,还沿用了昆腾公司的包括QDT静音技术在内的多项技术,强大技术的融合使迈拓的硬盘具有了更高的技术含量和竞争力。(图) Maxtor Silent Store技术:其实这并不是一项新技术,迈拓很早以前就提出了这个降噪方案,当时称为“Acoustic Management”。该技术的原理就是在硬盘的BIOS芯片内加入控制程序,人为降低磁头动力臂的
6、反应速度,即降低寻道速度,从而降低噪音。由于这项技术会使硬盘的性能稍有降低,加上几年前还是5400rpm硬盘占主流的时代,噪音问题并不十分突出,因此直到现在7200rpm硬盘成为主流时才得到应用。对于应用了Silent Store技术的迈拓硬盘,用户可以到迈拓的官方网站上下载最新的控制程序Maxtors AMSET utility。将下载的程序解压到软盘上,再用该软盘启动电脑,运行Amset 程序。Amset.exe有四个参数,分别是/quiet、/fast、/check和/off,/quiet模式允许以性能的降低为代价使硬盘噪音下降;/fast模式则允许以性能的稍许降低换取噪音的下降,当然降
7、噪效果不如/quiet模式;/check则是可以检查硬盘当前的静音模式,/off即把降噪功能选项完全关闭,硬盘以最佳性能运行。 安静驱动器技术(QuietDriveTechnology):该项技术曾是昆腾公司引以为豪的硬盘静音技术,不过随着昆腾公司被迈拓并购,这项优秀的技术自然也被迈拓所拥有,该项技术可将硬盘的噪音控制在30分贝以下。 3.IBM 作为目前所有台式硬盘遵循的温彻斯特盘结构的提出者,IBM公司在硬盘领域中一直处于一个很重要的地位,不过自从腾龙二代开始,硬盘返修率较高的问题就给IBM蒙上了一层阴影,如今IBM又将硬盘事业部出售给了日立公司,但无论如何,IBM硬盘的技术含量还是不容置
8、疑的。 IBM Drive Noise Suppression System降噪技术:该技术应用于IBM的台式机硬盘时主要体现在三种部件上:可在一定程度上降低运行噪音的陶瓷轴承马达(Ceramic spindle Motor)、改良的音圈马达(Voice Coil Motor),以及减少噪音向外传播的三层冲压式顶盖(Tri-laminate Top Cover)。这些先进技术的应用,使IBM腾龙四代硬盘的工作噪音只有31分贝(3碟片)到30分贝(2 碟片及以下)。 液体动力轴承(Fluid Dynamic Bearing)技术:该项技术被应用在IBM于10月1日发布的Deskstar 180G
9、XP系列硬盘上,与希捷公司的SoftSonic液态轴承技术相同,可以大幅度降低硬盘噪音。 自动声音管理(Automatic Acoustic Management):这项技术则与迈拓公司的Silent Store技术大同小异,都是通过降低硬盘的寻道速度来降低噪音。不过与迈拓的声音管理工具相比,IBM所提供的工具IBM Feature Tool不但界面华丽,而且功能强大。它是一个包括声音管理工具的工具包,利用其中的声音管理工具,可以让硬盘在两种工作模式下来回切换,一种是低噪音的安静模式(Quiet Seek Mode),一种是高性能的正常模式(Normal Seek Mode),通过硬盘性能的少
10、许下降换来噪音的大幅度降低。 4.三星(Samsung) 三星公司大家应该比较熟悉,但对于三星硬盘,有的用户可能不是很清楚。到1999年底,三星硬盘生产能力就达到了每月120万个,不过那时主要是以OEM的形式供货给市场,所以在DIY市场上鲜有三星硬盘的产品出现。不过早在那时,三星硬盘就具备了高性能、低噪声、低工作温度的特点,在业界享有很好的口碑。目前三星公司的硬盘已经大举进入中国市场,主要分为5400rpm的V系列及7200rpm的P系列,这两个系列的硬盘都采用了三星独有的硬盘降噪技术,静音效果相当显著。 噪音卫士(Noise Guard):主要包括三个方面,首先是在顶盖上加装隔音片进一步阻止
11、内部振动的噪音扩散,其次是改进顶盖设计与结构,降低主轴马达产生的噪音,最后是改进主轴马达设计,降低高速运转时产生的振动。 安静寻道(Silent Seek):这种技术的原理是通过专用DSP(数字信号处理器)来优化修整音圈马达的驱动波形,平滑磁头臂寻道时的加速度,在降低音圈马达寻道时发出噪音的同时,尽量保证寻道速度不受影响。 通过以上两项技术的应用,三星硬盘的噪音已被控制在30分贝以内。 现在硬盘容量的递增速度似乎比用户需求的递增速度还快,看看现在动辄上百GB的硬盘就知道了。这些超大容量的硬盘与昔日只有几GB的硬盘相比,简直可以称得上是巨无霸,那么是什么促进了硬盘容量的剧增呢?总的来说,它跟硬盘
12、磁头技术和盘片技术密不可分。 硬盘磁头技术顾名思义,它是针对硬盘读写磁头方面的技术,好的磁头最明显的优点就是具有高的读写灵敏度,因此能大幅度提升硬盘的单碟容量,单碟容量上去了,硬盘的总容量自然会提高。目前市面上的硬盘几乎都在使用GMR磁头,而早些时候,硬盘磁头有薄膜感应(TFI)磁头、各向异性磁阻(AMR)磁头和MR磁阻磁头。硬盘数据读写磁头的结构如图3。 1.MRMR(Magneto Resistive Head,磁阻式磁头)技术的原理是基于磁阻效应工作的,其核心是一小片金属材料,其电阻随磁场变化而变化。虽然其电阻变化率不足2%,但因为磁阻组件连着一个非常灵敏的放大器,所以可测出该电阻微小的
13、变化。不过MR磁头已经慢慢被GMR磁头取代。2.GMR存储业界一直无休止地探索如何提高面密度和降低每兆字节的成本,得到的成果就是面密度每年提高50%左右。在这个过程中,巨磁阻(GMR)磁头起了重要作用。应用于较新IDE硬盘上的GMR磁头,能使磁盘面密度超过15GB/平方英寸,这是原来读/写磁头技术所能达到的面密度的3倍以上。 面密度是每英寸磁道上的位数乘以每英寸的磁道数,为了提高面密度,在过去10年中,磁头技术经历了3个重要的发展阶段。它们是: 薄膜感应(TFI)磁头 各向异性磁阻(AMR)磁头 GMR磁头 在1990年至1995年间,硬盘大多采用TFI读/写技术。TFI磁头实际上是绕线的磁芯
14、,磁盘在绕线的磁芯下通过时会在磁头上产生感应电压。TFI读磁头之所以会达到它的能力极限,是因为在提高磁头灵敏度的同时,它的写能力却减弱了。 上世纪90年代中期,希捷等公司推出了使用AMR磁头的硬盘。AMR磁头使用TFI技术来完成写操作,但用薄条的磁性材料来作为读元件。在有磁场存在的情况下,薄条材料的电阻会随磁场变化而变化,进而产生很强的信号。AMR磁头进一步提高了面密度,而且减少了元器件数量。由于AMR薄膜的电阻变化量有一定的限度,所以AMR磁头的灵敏度也存在极限。这导致了GMR磁头的推出,而GMR磁头是IBM公司在MR磁头技术的基础上更新推出的。 GMR磁头继承了TFI磁头和AMR磁头中采用
15、的读/写技术。但它的磁头对于磁盘上的磁性变化具有更高的灵敏度。GMR传感器的灵敏度比AMR磁头的大3倍,所以能够提高硬盘的面密度。GMR磁头的工作原理是依赖于自旋的电子散射。GMR读磁头薄膜结构为: 自由层:这是第一个磁层,它探测磁盘上的数据位产生的磁场,其磁化强度与磁盘的旋转无关。 夹层:这是第二个磁层,其磁化方向由第三层即反铁磁层固定。 反铁磁层:这是第三个磁层。它具有反铁磁性,用来固定第二层的磁化方向。这种结构使自由层的磁化角度(自旋)的变化转变成电阻值的变化和电压输出的变化,所以称之为自旋阀。为了可靠稳定地工作,这些1.5nm厚的薄层必须有很高的质量,只能有极少的物理与磁性缺陷,否则就
16、难以承受严酷的硬盘工作温度条件。 3.CPP-GMR CPP-GMR磁头,中文全称为垂直平面电流模式的大型抗磁化磁头,它是富士通公司开发出的一种新型读写磁头技术。使用这一技术的硬盘驱动器的记录密度可高达每平方英寸300GB。硬盘记录密度的增加将提高笔记本电脑硬盘和台式机硬盘的存储容量,而价格只是略有上升。 与现有的GMR磁头相比,这一新型磁头对信号更为敏感,而且读写数据的速度是现有GMR磁头的3倍。富士通公司预计,在两年内可以商业化生产这种基于CPP-GMR磁头的硬盘驱动器,不但可以用于PC和笔记本电脑中,还可以用于基于驱动器的消费电子产品中,如游戏控制台和个人视频录像机等。4.OAWOAW全
17、称是Optically Assisted Winchester,即光学辅助温氏技术。该技术是希捷正在开发的一种新型磁头技术,它把传统的磁读写头和低强度激光束结合在一起,激光束通过光纤进入磁头,再通过一个微电机驱动的镜面反射到磁盘表面,从而实现磁头的精确定位。希捷公司认为OAW技术能够在1英寸的范围内写入多达105000个磁道,硬盘单碟容量可达36GB以上,但该技术要进入实用阶段还需二三年的时间。不过,现在硬盘的单碟容量已经达到了80GB,因此OAW这项技术的市场前景不容乐观。不过,由于OAW采用独特的数据读写方式,所以,有可能对传统硬盘的数据存储模式产生一定程度的影响。硬盘盘片技术 硬盘盘片技
18、术是与硬盘磁头技术相辅相成的,采用硬盘盘片技术的好处是硬盘的单碟容量可以做得更大。当然,如果没有足够灵敏的读写磁头,硬盘盘片的存储密度也不可能做得足够大。在硬盘盘片技术中,业内人士一直担心随着磁盘存储密度的增加,如果没有新技术出现,数据存储的持久性将会变得很差,即所谓的超常磁性效应(SPE,Super Paramagnetic Effect),该问题将导致现有盘片技术所能达到的最大数据存储密度只能为40GB。不过一年前IBM公司公布了AFC存储介质技术后,容量限制问题迎刃而解。1.AFC存储介质技术AFC即反铁磁性耦合介质技术,它是由IBM公司于2001年推出的。它的工作原理就是在磁层内增加一
19、层由23个金属钌单元构成的超薄层Pixie Dust。Pixie Dust直译成中文名即为“精灵之尘”。图4是传统磁性介质技术,图5是AFC存储介质技术。据IBM公司表示,使用AFC这一新技术后,到2003年硬盘的每平方英寸的数据存储量将高达100GB,这有助于实现硬盘向微型化和存储简单化方面发展,同时还能够减小硬盘的耗电量,提高存储器的磁盘性能。2.盘片材料技术一般而言,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,即可构成硬盘的盘片。但这种硬盘盘片存在诸多问题,由于这种盘片对发热量有严格的要求,而硬盘盘片在高速旋转时会产生大量的热量,这就使得早期的硬盘转速一般
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