1.3.4　从维修角度认识硬盘

1.从维修角度认识硬盘在系统中的作用

目前笔记本电脑所使用的硬盘主要分为机械硬盘和固态硬盘两种。机械硬盘是采用磁性碟片进行存储的硬盘类型，固态硬盘是采用闪存颗粒进行存储的硬盘类型。

机械硬盘是一种被广泛采用的硬盘类型，其技术完善、价格较低，缺点是速度相对较慢。固态硬盘是市场上新应用的硬盘类型，在速度、功耗等方面具有比机械硬盘更优异的性能，但是由于其价格高、容量低等原因，目前只在超级本和一些高端笔记本上采用。

就目前硬盘的应用来说，固态硬盘主要是作为笔记本电脑的系统启动盘以提高笔记本电脑的整体性能，而数据存储方面还是主要采用机械硬盘。这是因为机械硬盘容量大、价格低、技术完善的特点，对于数据存储更有优势。如图1-60所示为笔记本电脑的机械硬盘。图1-61所示为常见固态硬盘。

笔记本电脑的硬盘属于外存的一种类型，其主要作用是用于程序和数据的存储。硬盘如果发生故障，将造成系统程序无法运行或者存储数据丢失等问题。

2.硬盘结构及工作原理

机械硬盘（Hard Disk Drive，HDD）又称为温彻斯特式硬盘，是笔记本电脑上普遍采用的硬盘类型。笔记本电脑的机械硬盘相较于台式电脑所采用的机械硬盘，具有体积小、重量轻、功耗低和防震效果好等特点。主流笔记本电脑机械硬盘都是采用2.5英寸的设计，更小巧的使用1.8英寸的设计。厚度一般为7mm～17.5mm之间，重量在100g左右。硬盘转数是描述机械硬盘性能的重要参数，转速越快硬盘读/写速度也就越快，但是其稳定性会变差，噪声也会增大。笔记本电脑机械硬盘的转数通常为5400rpm或7200rpm，但这里需要注意的是，由于笔记本电脑硬盘普遍采用的是2.5英寸设计，即使转速相同时，盘片外圈的线速度也无法和3.5英寸设计的台式电脑机械硬盘相比。

机械硬盘主要由控制电路板和机械部件组成。

控制电路板主要由接口、DSP芯片、ROM芯片、缓存芯片、盘片电机驱动电路和磁头驱动电路等组成。

硬盘的接口分为内部接口和外部接口。

外部接口主要是指用于和主板相连接的电源接口和数据接口。电源接口负责传送硬盘工作所需的电压和电流，数据接口负责传送与接收和主机间的数据信息。图1-62所示为笔记本电脑机械硬盘的外部接口。

内部接口包括电机接口和磁头接口。电机接口提供电机转动所需的电流，磁头接口负责电路板到磁头和音圈电机的信号连接。DSP芯片主要负责数字信号处理。ROM芯片中存储了硬盘初始化操作的程序。缓存芯片是硬盘内部存储和外部接口之间的缓冲器，用于暂时存储盘体和接口交换的数据、缓解硬盘速度相对较慢和实现数据预存取功能。盘片电机驱动电路负责精确控制盘片的转速。磁头驱动电路负责驱动磁头准确定位和对磁头信号进行整形放大等功能。

机械硬盘的机械部分主要由盘片、磁头、盘片电机和音圈电机等部件组成。

机械硬盘的机械部分密封在盘体中，防止灰尘进入而导致磁头与盘片发生故障。盘片是在铝合金或玻璃基底上涂敷磁性材料等多种不同功能的材料层加工而成，其作用是用于数据的存储。

盘片的固件区上记录着硬盘的部分初始化程序和管理程序。在硬盘出厂前，会在盘片上写入伺服信息，将硬盘的盘面划分成一个一个的同心圆，这些同心圆称为磁道。磁道是以特殊方式制成的磁化区，盘片上的信息就是沿着磁道存放的。磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段被称为硬盘的扇区。扇区是硬盘存储数据的最小单位。硬盘通常由重叠的一组盘片组成，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，这就是磁盘的柱面。

盘片电机的作用是在盘片电机驱动电路的控制下，驱动盘片做高速旋转。磁头的作用是用于数据的读/写操作，磁头在音圈电机的带动下根据读/写数据的需要做往复运动来定位数据所在的磁道位置。图1-63所示为机械硬盘的机械部分。

机械硬盘的工作原理可简单表述为：当机械硬盘通电之后，控制电路开始运行ROM芯片中的程序，盘片电机带动盘片开始做高速旋转，当转速达到预定转速时，磁头会定位到盘片的固件区读取固件程序，当所有必需的固件程序正常读出后，磁头会定位到硬盘的0柱面、0磁道、1扇区。当数据接口电路接收到主机传来的控制信号后，磁头对磁盘盘片进行读取或写入的操作，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操作过程。机械硬盘是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信号转换成主机可以使用的数据，硬盘写入数据的操作与读取数据的操作相反。

目前主流的笔记本电脑机械硬盘容量通常为1TB、750GB、640GB、500GB或320GB等，缓存容量通常为32MB、16MB或8MB，转速通常为7200rpm或5400rpm，接口类型通常为SATA3.0或SATA2.0。

固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列制成的一种硬盘，目前市场上所见的固态硬盘基本上都是采用闪存（Flash Memory）作为存储介质的固态硬盘。闪存是一种能够在断电情况下继续保持数据信息的存储器类型，主要分为NOR型和NAND型闪存。固态硬盘中用于数据存储的主要是NAND闪存芯片，NOR闪存芯片常用来存储程序代码并作为运行程序代码的场所。

固态硬盘主要由控制单元和存储单元两部分组成。固态硬盘的接口规范、定义、功能、外形、尺寸以及使用方法上与机械硬盘完全相同。与传统的机械硬盘相比，固态硬盘的优点是速度快、功耗低、无噪声、抗震动、发热量小和工作温度范围大等。固态硬盘的缺点是价格高、容量小和寿命相对较短等。

固态硬盘内部构造十分简单，在一块PCB上集成了控制芯片、缓存芯片、固件程序芯片和用于数据存储的闪存芯片。图1-64所示为固态硬盘的正面。在这一面上主要集成了8个用于数据存储的NAND闪存芯片、用于整体控制的主控芯片和存放固件程序的NOR闪存芯片。图1-65所示为固态硬盘的反面。这一面上主要集成了8个用于数据存储的NAND闪存芯片和1个高速缓存芯片。

固态硬盘相较于机械硬盘最大的特点是读/写速度快。虽然目前主流的固态硬盘和机械硬盘都采用SATA3.0规范的接口，但决定硬盘速度的关键在于硬盘内部。机械硬盘读/写时必须采用机械器件并通过相应电路的转换才能实现，而固态硬盘内部没有机械器件，直接从闪存芯片进行读/写操作，质量好的固态硬盘读/写速度可达每秒500MB以上，这要比机械硬盘快很多。

目前市场上，固态硬盘用于存储数据的NAND闪存芯片又分为SLC和MLC两种类型。SLC是单层式储存（Single Level Cell），只需一组高低电压就可以区分出0或者1的信号，所以最大驱动电压很低。SLC的优点是结构简单、寿命较长（理论值10万次读/写）、速度更快，但其单个芯片的容量相对较小。MLC是多层式储存（Multi Level Cell），通过不同级别的电压在一个模块中记录两组位信息，电压驱动较高，MLC的特点是结构相对复杂、寿命短（理论值1万次读/写）、速度相对较慢，但单个芯片的容量相对较大。图1-66所示为固态硬盘用于数据存储的闪存芯片。

固态硬盘通常采用的是SATA 3.0接口，此接口最高理论传输速率可达6Gb/s。图1-67所示为固态硬盘的接口。

固态硬盘上高速缓存芯片的作用是在高速读/写状态下提供缓存功能，辅助主控芯片进行数据处理。图1-68所示为固态硬盘的高速缓存芯片。

固态硬盘的固件程序芯片上存储的固件，是固态硬盘系统中负责最基础、最底层工作的软件，一些固态硬盘的固件是可升级的。图1-69所示为固态硬盘的固件程序芯片。

固态硬盘主控芯片的作用是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷、负责数据中转以及负责闪存芯片和SATA接口的连接，主控芯片内部集成的其他功能模块还可对整个系统进行有效的支持。图1-70所示为固态硬盘的主控芯片。

固态硬盘的尺寸一般为1.8英寸、2.5英寸或3.5英寸，大部分固态硬盘采用的是2.5英寸设计。固态硬盘接口主要采用USB3.0接口、USB2.0接口、SATA3.0接口、SATA2.0接口、eSATA接口、IDE接口、PATA接口和PCI-E接口等。主要类型分为MLC多层单元和SLC单层单元两种。存储容量主要包括512GB、256GB、250GB、240GB、200GB、160GB、128GB、120GB、100GB、80GB、64GB和50GB等。不同厂家采用的主控芯片以及闪存芯片不同，最终导致固态硬盘的读/写速度差别很大。如Intel、三星、美光或闪迪等能够自己生产闪存芯片和控制芯片的厂商，其固态硬盘的性能会比较好。

3.由硬盘问题导致的常见故障

由硬盘问题导致的常见故障很多，如系统运行缓慢、无法进入系统。

由于硬盘问题导致的系统运行缓慢故障，主要有两个方面的原因，一方面是由于硬盘的供电系统出现问题，造成硬盘读/写速度下降所产生的系统运行缓慢，另一方面是由于硬盘存在逻辑坏道，造成系统运行缓慢。

处理硬盘供电故障，应检查硬盘供电电路、硬盘电源接口及电路是否存在故障。机械硬盘的逻辑坏道可通过格式化硬盘并重新分区解决。