硬盘电路详解

硬盘（HDD）大家一定不会陌生，我们可以把它比喻成是我们电脑储存数据和信息的大仓库。一般说来，无论哪种硬盘，都是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部份组成。

它在平整的磁性表面存储和检索数字数据，数据通过离磁性表面很近的磁头由电磁流来改变极性的方式被写入到磁盘上，数据可以通过盘片被读取，原理是磁头经过盘片的上方时盘片本身的磁场导致读取线圈中电气信号改变。磁头可沿盘片的半径方向动作，而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。

硬盘作为硬件的物理结构很容易被大家理解，但要让数据可以被准确读出，写入，还要有足够的速度和稳定性满足人们的需求，这就需要电路来控制。

在硬盘的背面安装着一块电路板，用来实现硬盘电路的控制和信息的传输。硬盘通常有两个接头与电路板连接。其中，一个是为主轴电机供电的三相中心抽头电缆接头，另一个是与前置放大器/转接器及音圈电缆传递信号的电缆接头。

硬盘控制电路被刻在电路板上，每个型号的硬盘都有对应的专属硬盘电路板。电路板负责控制电源，确保硬盘运行并有足够的能量来保存数据。电路板也告诉硬盘如何移动主轴和使用什么盘片。

电路板可以控制硬盘电源。硬盘需要一定的电量才能工作，并且电量可能会随着硬盘因保存大量数据而受到影响而波动。同时，电路板应尽量确保硬盘不会获得过多的电量，这可能会造成损害并可能导致硬盘停止工作。

电路板可以控制硬盘转速。当硬盘运行时，有一个主轴旋转存储内存的盘状盘片。如果转速不合适，硬盘可能会丢失或不正确地保存内存。

下图是完整详细的硬盘电路示意框图，它们都被高度集成在电路板上。

硬盘电路由14个部分组成：

Buffer Memory：缓冲区存储器。

Interface Controller：接口控制器。

Micro-processor：微处理器。

PRML：Partial-Response Maximum-Likelihood Read Channel。

Timing ASIC：时间控制专用集成电路。

Servo Demodulator：伺服解调器。

Digital Signal Processor（DSP）：数字信号处理器。

Preamp：预放大器。

Positioning Driver：定位驱动器。

VCM（Voice Coil Motor）：音圈电动机。

Magnetic Media Disk：磁介质盘片。

Spindle Motor：主轴电机。

Spindle Driver：主轴驱动器。

Read/Write Head：读/写磁头。

Buffer Memory：缓冲区存储器：

缓冲区在计算机中有许多应用。例如，CPU（中央处理单元）的速度远高于 HDD，因此 CPU 要使用的数据首先从 HDD 复制到缓冲区，同时 CPU 正在执行其他任务，以便它可用于CPU 以高速使用，即不会浪费 CPU 等待数据的时间。

对于硬盘缓冲区，它实现了计算机其余部分与用于存储的物理硬盘盘片之间的缓冲作用。缓冲管理器将缓冲RAM分割成独立的缓冲片断，微处理器使用专门的寄存器保存这些缓冲片断的地址以供存取操作。当主机使用其中一个缓冲片断交换数据时，读/写信道可以使用另外的缓冲片断交换数据。这样系统可以实现多通道处理从/向磁盘读/写数据或与主机之间的数据交换。

硬盘缓冲区在物理上不同于通常由操作系统保存在计算机主内存中的页面缓存，并且其使用方式也不同：硬盘缓冲区由硬盘驱动器中的微控制器控制，页面缓存由磁盘所连接的计算机控制；硬盘缓冲区通常很小，现代硬盘缓冲RAM的容量一般为16～64MB ，页面缓存通常都是未使用的主内存；页面缓存中的数据被多次重用，但硬盘缓冲区中的数据很少被重用。

Interface Controller：接口控制器：

接口控制器连接缓冲区、主机接口、PRML读取通道和微处理器。硬盘按数据接口不同，大致分为ATA（又称IDE）和SATA以及SCSI和SAS。接口速度不是实际硬盘数据传输的速度，目前普通硬盘的实际数据传输速度一般不超过300MB/s。

Micro-processor：微处理器：

硬盘的微处理器可以处理：运行固件，实现接口协议（例如 SATA 或 SCSI），控制电机，决定缓存哪些数据、标记坏块等事情。

把硬盘想象成一台小计算机；SATA 电缆就像一根网线，可以让它与“主”计算机进行通信。CPU创建消息（如SATA命令包）告诉驱动器它想要什么数据，并通过电缆发送给驱动器；驱动器的处理器查看来自 CPU 的消息，并控制驱动器的电机和磁头以实际读取或写入数据。

硬盘的微处理器（主控芯片）采用RISC架构，当加电后硬盘的Reset电路向微处理器发出“Reset”信号，使微处理器执行ROM中的自检程序，清空存储器和磁盘控制器及其他连接到内部数据总线的可编程芯片的工作数据区，然后微处理器检查硬盘运转时使用的内部信号，如果没有发现紧急警告，就启动主轴电机。

PRML Read Channel：Partial-Response Maximum-Likelihood 读通道：

当存储设备记录密度低时，每次写入磁介质的跃迁都会产生一个相对孤立的电压峰值，采用峰值检测方法恢复写入的信息。如果要增加记录密度，则需要不同的检测原理。这种新的检测方法不应基于电压峰值，而应考虑来自相邻转换的信号干扰的事实。

PRML 是现代磁盘驱动器中最流行的检测方案。这种方法最初是由一群 IBM 研究人员在 70 年代初提出的。

PRML 由两个相对独立的部分组成：部分响应 (PR) 和最大似然 (ML) 检测器。部分响应是指对单个位的部分响应可能发生在一个采样时刻，而其他部分则落在其他采样时刻。 最大似然是指检测器找到最有可能对回读波形负责的位模式。

Digital Signal Processor（DSP）：数字信号处理器。

数字信号处理器 (DSP) 用于硬盘的位置控制。与模拟设计相比，DSP相对成本略有增加，但支持更高的性能和容量。硬盘驱动器从模拟到数字位置控制的转变伴随着 DSP 芯片成本的快速下降，目前大部分硬盘电路中都包含DSP。

Positioning Driver：定位驱动器；Spindle Driver：主轴驱动器：

通常被制成合并芯片：Servo/MSC Controller Combination。其中MSC是Motor Speed Control的缩写，意思是伺服/电机速度控制器组合。

Spindle Motor：主轴电机：

主轴电机控制器控制三相电机的运转，它由硬盘微处理器控制。主轴电机的运转有三种模式：启动模式、加速模式和稳定模式。先分析一下启动模式，加电后一个Reset信号被发送到微处理器，对主轴电机控制器初始化内部寄存器，硬盘微处理器产生相位切换信号，主轴电机低速旋转产生自感应电动势（EMF），硬盘微处理器检测到自感应电动势（EMF）并根据此信号控制转速。在加速模式下微处理器加快相位切换并测量主轴电机的转速，直到主轴电机达到额定转速。当达到额定转速后主轴电机进入稳定模式，在此模式下，微处理器根据相位信号计算主轴电机的旋转周期并据此调整转速。在磁头从停泊区移走后，硬盘电路使用伺服标记跟踪旋转稳定性。

Read/Write Head：读/写磁头。

硬盘读/写信道由前置放大器/转接器（位于盘腔内）、读电路、写电路和同步时钟等组成。硬盘的前置放大器具有多个通道，每个通道连接到一个磁头。各通道的切换由硬盘微处理器的信号控制。前置放大器中含有写入电流开关和写入出错传感器，当磁头短路或断路时就会发出出错信号。当集成的读/写信道处于写入模式时，它从磁盘控制器接收数据，同时接收写时钟信号，对数据进行编码、预补偿后将数据传送到前置放大器写入磁盘。当读/写信道处于读取模式时，从前置放大器/转接器来的信号传送到自动控制电路，然后通过可编程的滤波器、校正补偿电路和脉冲检测电路将信号转换为数据脉冲，再发送到磁盘控制器进行解码，最后传送到外部接口。

所有的电路都被高度集成在电路板上，传统电路板采用印刷蚀刻阻剂的方法来制作，所以叫印刷电路板或印刷线路板。随着技术的不断发展，电子产品不断微小化精细化，目前大部分的线路板都是采用贴附蚀刻阻剂，经过曝光显影后，再来蚀刻做出电路板。

每个硬盘的电路板都有独立的板号，一般会直接印刷在上面。在更换电路板时，要选择相同或者相近的板号，否则很可能出现功率、转速不匹配等问题。