2024年6月12日发(作者：娄痴海)
一、 硬盘的发展历史
在发明磁盘系统之前，计算机使用穿孔纸带、磁带等来存储程序与数据，这
些存储方式不仅容量低、速度慢，而且有个大缺陷：它们都是顺序存储，为了读
取后面的数据，必须从头开始读，无法实现随机存取数据。
1956
年
9月
，
IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统
IBM350RAMAC（RandomAccessMethodofAccountingandControl），其磁头可以直
接移动到盘片上的任何一块存储区域，从而成功地实现了随机存储，这套系统的
总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘，盘片表面涂有一层磁性
物质，它们被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。IBM350RAMAC的出现使得
航空售票、银行自动化、医疗诊断和航空航天等领域引入计算机成为了可能。1973
年
，
IBM又发明了Winchester（温氏）硬盘，其特点是工作时磁头悬浮在高速
转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，这便是现代硬盘的原型。
IBM
随后生产
的3340硬盘系统即采用了温氏技术，共有两个
30MB
的子系统
。
“密封、固定
并高速旋转的镀磁盘片、磁头沿盘片径向移动”是“温彻斯特”硬盘技术的精
髓。今天个人电脑中的硬盘容量虽然已经高达几十GB以上，但仍然没有脱离“温
彻斯特”模式。
PC时代之前的硬盘系统都具有体积大、容量小、速度慢和价格昂贵的特点，
这是因为当时计算机的应用范围还太小，技术与市场之间是一种相互制约的关
系，使得包括存储业在内的整个计算机产业的发展都受到了限制。
1979
年
，
IBM
发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可能。
70年代末与80年代初是微型计算机的萌芽时期，包括希捷、昆腾、迈拓在内的
许多著名硬盘厂商都诞生于这一段时间。1979年，IBM的两位员工AlanShugart
和FinisConner决定要开发像5.25英寸软驱那样大小的硬盘驱动器，他们离开
IBM后组建了希捷公司，次年，希捷发布了第一款适合于微型计算机使用的硬盘，
容量为5MB，体积与软驱相仿。希捷当时的产品赢得了苹果和IBM等大客户的青
睐，销量很不错，现在已成为全球存储设备工业的领导者之一。
上图是1982年用在IBM-XT上的一块10M的硬盘，除了外型略大，无
论外观还是内部结构和现在最先进的硬盘并无大的差别。
二、硬盘的结构和原理
从计算机系统的结构来看，存储器分为内存储器和外存储器两大类。内
存储器与CPU直接联系，负责各种软件的运行。外存储器包括软盘、硬盘、光盘、
磁带机等。硬盘和软盘很相似，它们的工作原理大致相同，不同的是软盘与软盘
驱动器是分开的，而硬盘与硬盘驱动器却是装在一起。另外，在使用时，二者速
度差异很大。
硬盘主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，
接口，缓存等几个部分组成。
硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘
片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的
磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片
的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的
指定位置上进行数据的读写操作。硬盘作为精密设备，尘埃是其大敌，必须完全
密封。
（一）硬盘的外部结构。
目前市场上的常见的硬盘为桌面3.5英寸产品，笔记本2.5英寸，其中
3.5英寸又有半高型和全高型之分。 常用的3.5英寸硬盘外形大同小异，在没
有元件的一面贴有产品标签，标签上是一些与硬盘相关的内容。在硬盘的一端有
电源插座、硬盘主、从状态设置跳线器和数据线联接插座。
1.接口 包括电源插口和数据接口两部分，其中电源插口与主机电源相
联，为硬盘工作提供电力保证。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传
输交换的纽带，根据联接方式的差异，分为SATA接口，IDE接口和SCSI接口等。
2.控制电路板 大多采用贴片式元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动与
伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块高效的单片
机ROM芯片，其固化的软件可以进行硬盘的初始化，执行加电和启动主轴电机，
加电初始寻道、定位以及故障检测等。在电路板上还安装有容量不等的高速缓存
芯片。
3.固定盖板 就是硬盘的面板，标注产品的型号、产地、设置数据等，和底
板结合成一个密封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行。固定盖板和盘体侧
面还设有安装孔，以方便安装。
（二） 硬盘的内部结构
硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口及附件等几大部分组成，而盘
头组件(HardDiskAssembly，HDA)是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动
磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴驱动机构、前置读写控制电路等。
揭开外盖后的硬盘，结构一目了然
1.浮动磁头组件 由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是
硬盘技术最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采
用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有
0.1～0.3um，可以获得极高的数据传输率。现在转速5400rpm的硬盘飞高都低于
0.3um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性。
放大了的磁头部分
2.磁头驱动机构 由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还
具有高效的防震动机构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动
和定位，并在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠
性。
3.盘片和主轴组件 盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属
薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软磁盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度，同
时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。主轴组件包括主轴部件如轴瓦和驱动电机
等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商
开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术。
4.前置控制电路 前置放大电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、
磁头驱动和伺服定位等，由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可
减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。
（三）硬盘的工作原理
概括地说，硬盘的工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。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，再利用数据转
换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，写的操作正好与此相反。另外，
硬盘中还有一个存储缓冲区，这是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异
而设的。由于硬盘的结构比软盘复杂得多，所以它的格式化工作也比软盘要复杂，
分为低级格式化，硬盘分区，高级格式化并建立文件管理系统。
硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的单片机初始化模块进行初始化工
作，此时磁头置于盘片中心位置，初始化完成后主轴电机将启动并以高速旋转，
装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于盘片表面的00道，处于等待指令的
启动状态。当接口电路接收到微机系统传来的指令信号，通过前置放大控制电路，
驱动音圈电机发出磁信号，根据感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定
位，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
机系统完成指令操作。结束硬盘操作的断电状态，在反力矩弹簧的作用下浮动磁
头驻留到盘面中心
2024年6月12日发(作者：娄痴海)
一、 硬盘的发展历史
在发明磁盘系统之前，计算机使用穿孔纸带、磁带等来存储程序与数据，这
些存储方式不仅容量低、速度慢，而且有个大缺陷：它们都是顺序存储，为了读
取后面的数据，必须从头开始读，无法实现随机存取数据。
1956
年
9月
，
IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统
IBM350RAMAC（RandomAccessMethodofAccountingandControl），其磁头可以直
接移动到盘片上的任何一块存储区域，从而成功地实现了随机存储，这套系统的
总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘，盘片表面涂有一层磁性
物质，它们被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。IBM350RAMAC的出现使得
航空售票、银行自动化、医疗诊断和航空航天等领域引入计算机成为了可能。1973
年
，
IBM又发明了Winchester（温氏）硬盘，其特点是工作时磁头悬浮在高速
转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，这便是现代硬盘的原型。
IBM
随后生产
的3340硬盘系统即采用了温氏技术，共有两个
30MB
的子系统
。
“密封、固定
并高速旋转的镀磁盘片、磁头沿盘片径向移动”是“温彻斯特”硬盘技术的精
髓。今天个人电脑中的硬盘容量虽然已经高达几十GB以上，但仍然没有脱离“温
彻斯特”模式。
PC时代之前的硬盘系统都具有体积大、容量小、速度慢和价格昂贵的特点，
这是因为当时计算机的应用范围还太小，技术与市场之间是一种相互制约的关
系，使得包括存储业在内的整个计算机产业的发展都受到了限制。
1979
年
，
IBM
发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可能。
70年代末与80年代初是微型计算机的萌芽时期，包括希捷、昆腾、迈拓在内的
许多著名硬盘厂商都诞生于这一段时间。1979年，IBM的两位员工AlanShugart
和FinisConner决定要开发像5.25英寸软驱那样大小的硬盘驱动器，他们离开
IBM后组建了希捷公司，次年，希捷发布了第一款适合于微型计算机使用的硬盘，
容量为5MB，体积与软驱相仿。希捷当时的产品赢得了苹果和IBM等大客户的青
睐，销量很不错，现在已成为全球存储设备工业的领导者之一。
上图是1982年用在IBM-XT上的一块10M的硬盘，除了外型略大，无
论外观还是内部结构和现在最先进的硬盘并无大的差别。
二、硬盘的结构和原理
从计算机系统的结构来看，存储器分为内存储器和外存储器两大类。内
存储器与CPU直接联系，负责各种软件的运行。外存储器包括软盘、硬盘、光盘、
磁带机等。硬盘和软盘很相似，它们的工作原理大致相同，不同的是软盘与软盘
驱动器是分开的，而硬盘与硬盘驱动器却是装在一起。另外，在使用时，二者速
度差异很大。
硬盘主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，
接口，缓存等几个部分组成。
硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘
片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的
磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片
的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的
指定位置上进行数据的读写操作。硬盘作为精密设备，尘埃是其大敌，必须完全
密封。
（一）硬盘的外部结构。
目前市场上的常见的硬盘为桌面3.5英寸产品，笔记本2.5英寸，其中
3.5英寸又有半高型和全高型之分。 常用的3.5英寸硬盘外形大同小异，在没
有元件的一面贴有产品标签，标签上是一些与硬盘相关的内容。在硬盘的一端有
电源插座、硬盘主、从状态设置跳线器和数据线联接插座。
1.接口 包括电源插口和数据接口两部分，其中电源插口与主机电源相
联，为硬盘工作提供电力保证。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传
输交换的纽带，根据联接方式的差异，分为SATA接口，IDE接口和SCSI接口等。
2.控制电路板 大多采用贴片式元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动与
伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块高效的单片
机ROM芯片，其固化的软件可以进行硬盘的初始化，执行加电和启动主轴电机，
加电初始寻道、定位以及故障检测等。在电路板上还安装有容量不等的高速缓存
芯片。
3.固定盖板 就是硬盘的面板，标注产品的型号、产地、设置数据等，和底
板结合成一个密封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行。固定盖板和盘体侧
面还设有安装孔，以方便安装。
（二） 硬盘的内部结构
硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口及附件等几大部分组成，而盘
头组件(HardDiskAssembly，HDA)是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动
磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴驱动机构、前置读写控制电路等。
揭开外盖后的硬盘，结构一目了然
1.浮动磁头组件 由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是
硬盘技术最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采
用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有
0.1～0.3um，可以获得极高的数据传输率。现在转速5400rpm的硬盘飞高都低于
0.3um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性。
放大了的磁头部分
2.磁头驱动机构 由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还
具有高效的防震动机构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动
和定位，并在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠
性。
3.盘片和主轴组件 盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属
薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软磁盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度，同
时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。主轴组件包括主轴部件如轴瓦和驱动电机
等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商
开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术。
4.前置控制电路 前置放大电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、
磁头驱动和伺服定位等，由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可
减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。
（三）硬盘的工作原理
概括地说，硬盘的工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。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，再利用数据转
换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，写的操作正好与此相反。另外，
硬盘中还有一个存储缓冲区，这是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异
而设的。由于硬盘的结构比软盘复杂得多，所以它的格式化工作也比软盘要复杂，
分为低级格式化，硬盘分区，高级格式化并建立文件管理系统。
硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路中的单片机初始化模块进行初始化工
作，此时磁头置于盘片中心位置，初始化完成后主轴电机将启动并以高速旋转，
装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于盘片表面的00道，处于等待指令的
启动状态。当接口电路接收到微机系统传来的指令信号，通过前置放大控制电路，
驱动音圈电机发出磁信号，根据感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定
位，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
机系统完成指令操作。结束硬盘操作的断电状态，在反力矩弹簧的作用下浮动磁
头驻留到盘面中心