《数据恢复技术》第二讲Word文档格式.docx

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目前存储方式基本上可以分为磁存储、电存储和光存储等几种。

U盘及各种存储卡属于电存储方式，VCD、DVD盘等属于光存储方式，而应用最广的还是磁存储—硬盘，而磁带存储也被广泛使用。

各种存储方式除了介质上的物理特性不同外，逻辑层面上任然是基于文件系统结构的。

故以后主要介绍硬盘的存储结构及其恢复思路。

1、硬盘的发展历史

1956年9月，IBM向世人展示了IBM350RAMAC（RandomAccessMethodofAccountingandControl）磁盘存储系统，成功地实现了随机存储，于是全世界第一台商用硬盘系统诞生了。

它的总容量只有5MB，却使用了50个直径为24英寸的磁盘片。

这些盘片表面都涂有一昙磁性物质，被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。

虽然这还不是今天硬盘的原型，但它为硬盘的发展打下了坚实的基础。

此款RAMAC在那时主要用在飞机预约、自动银行、医学诊断及太空领域内。

1968年IBM提出了“温彻斯特/Winchester”技术，并于1973年制造出第一台采用该技术的硬盘。

这种技术的精髓是让镀磁盘片经密封、固定并高速旋转，而磁头沿盘片径向移动，悬浮在高速转动的盘片上方，不与盘片直接接触，读取数据。

这也是现代绝大多数硬盘的原型。

时至今日，个人电脑中的硬盘容量虽然已经高达几十GB甚至上百GB，但仍然没有脱离这种“温彻斯特”模式……

IBM公司于1980年在IBM一XT计算机上使用的10MB硬盘，如图2一27、图2一28所示，可以看出，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。

技术的前进，总是将电脑系统朝人们喜欢的方面发展，而体积更小、速度更快、容量更反、使用更安全就是广大用户对硬盘的最大期望。

出于这样的目的，硬盘工程师们为其做出了许多努力，例如研究读写更灵敏的磁头、更先进的接口类型、存储密度更高的磁盘盘片及更有效的数据保护技术等。

这些技术上的突破使得硬盘不仅越来越先进，而且也更加稳定，这些也就是现在的硬盘与图2一27、图2-28中所示硬盘的最大区别。

1979年，IBM再次发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度打下了基础。

图2-27IBM10MB硬盘的内部结构图2-28IBM10MB硬盘的外部结构

20世纪80年代末期，IBM对硬盘的发展又做出了一项重大贡献，发明了MR（MagnetoResistive）磁阻磁头，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度能够比以往的20MB每英寸提高了数十倍。

1991年IBM生产的3.5英寸硬盘使用了MR磁头，使硬盘的容量首次达到了IGB，从此硬盘容量开始进入GB数量级。

1999年9月7日，Maxtor宣布了首块单碟容量高达10.2GB的ATA硬盘，从而把硬盘的容量引入到一个新的里程碑。

2000年2月23日，希捷发布了转速高达l5000RPM的CheetahX15（“捷豹”）系列硬盘，其平均寻道时间只有3.9ms，这可算是当时最快的硬盘了，同时它也是到目前为止转速最高为硬盘；

其性能相当于阅读一整部Shakespeare只花0．15s。

此系列产品的内部数据传输速率高达48MB/s，数据缓存为4一16MB，支持Ultra160/mSCSI及FibreChannel（光纤通道）,这将硬盘外部数据传输速率提高到了160--200MB/s。

总的来说，希捷的此款CheetahX15系列将硬盘的性能提高到了一个新的里程碑。

2000年3月16日，硬盘领域又有新突破，第一款“玻璃硬盘”问世，这就是IBM推出的Deskstar75GXP及Deskstar40GV，此两款硬盘均使用玻璃取代传统的铝作为盘片材料，这能为硬盘带来更大的平滑性及更高的坚固性，另外玻璃材料在高转速时具有更高的稳定性。

此外DeskstarSGXP系列产品的最高容量达75GB，而Deskstar40GV的数据存储密度则高达143亿数据位每平方英寸，再次刷新了数据存储密度世界纪录。

目前，已有固态硬盘上市。

2、硬盘的内外部结构、及控制电路

平时我们了解硬盘，多是从产品外观、产品特征及磁盘性能等方面去认识，而硬盘的内部到底是什么呢？

相信许多用户都不是很清楚，因为了解硬盘内部结构的机会实在太少了。

我们经常听说磁头、盘片、接口等，但它们都长怎么样我们却不是很清楚？

还有所谓的玻璃盘片，主轴电机等又是什么呢？

带着这些问题，接下来将对硬盘进行深入地了解。

总得来说，硬盘主要包括：

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。

所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。

而所有盘片之间是绝对平行的，在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小。

所有的磁头连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动作，而盘片以每分钟数千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。

硬盘是精密设备，尘埃是其大敌，所以必须完全密封。

以下是西部数据（WesternDigital）公司的一块硬盘，产品型号为WD200BB，如图3、4所示。

从型号上可以判断，它是一款容量为20GB的7200RPM高速硬盘，产品序列号为WMA9L1203351，产地为马来西亚，出厂日期是2001年8月15日。

以此块硬盘为例进行深入解剖及说明。

图3：

待拆的西数WD200BB硬盘图4：

硬盘的具体产品信息

A、外部结构

图3所示的WD200BB硬盘是3.5英寸的普通IDE硬盘，它是属于比较常见的产品，也是用户最经常接触的。

除此，硬盘还有许多种类，例如老式的普通IDE硬盘是5.25英寸，高度有半高型和全高型。

除此，还有体积小巧玲珑的笔记本电脑，块头巨大的高端SCSI硬盘及非常特殊的微型硬盘。

在硬盘的正面都贴有硬盘的标签，标签上一般都标注着与硬盘相关的信息，例如产品型号、产地、出厂日期、产品序列号等，图4所示的就是WD200BB的产品标签。

在硬盘的一端有电源接口插座、主从设置跳线器和数据线接口插座，而硬盘的背面则是控制电路板。

从图5中可以清楚地看出各部件的位置。

总得来说，硬盘外部结构可以分成如下几个部份：

图5：

硬盘背面及各部件名称

（1）、接口。

接口包括电源接口插座和数据接口插座两部份，其中电源插座就是与主机电源相连接，为硬盘正常工作提供电力保证。

数据接口插座则是硬盘数据与主板控制芯片之间进行数据传输交换的通道，使用时是用一根数据电缆将其与主板IDE接口或与其它控制适配器的接口相连接，经常听说的40针、80芯的接口电缆也就是指数据电缆，数据接口可以分成IDE接口、SCSI接口和SATA接口三大派系。

（2）、控制电路板。

大多数的控制电路板都采用贴片式焊接，它包括主轴调速电路、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ROM芯片，里面固化的程序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数据缓存芯片，在此块硬盘内结合有2MB的高速缓存。

（3）、固定面板。

就是硬盘正面的面板，它与底板结合成一个密封的整体，保证了硬盘盘片和机构的稳定运行。

在面板上最显眼的莫过于产品标签，上面印着产品型号、产品序列号、产品、生产日期等信息，这在上面已提到了。

除此，还有一个透气孔，它的作用就是使硬盘内部气压与大气气压保持一致。

图6：

硬盘面板介绍

B、内部结构

硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其它附件组成，其中磁头盘片组件是构成硬盘的核心，它封装在硬盘的净化腔体内，包括有浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路这几个部份。

将硬盘面板揭开后，内部结构即可一目了然，图7、8所示。

图7：

揭开硬盘面板

图8：

细看西数硬盘内部结构

（1）、磁头组件。

这个组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份组成。

磁头是硬盘技术中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，加后电在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0.1～0.3um，这样可以获得很好的数据传输率。

现在转速为7200RPM的硬盘飞高一般都低于0.3um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输率的可靠性。

至于硬盘的工作原理，它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。

从图9中我们也可以看出，西数WD200BB硬盘采用单碟双磁头设计，但该磁头组件却能支持四个磁头，注意其中有两个磁头传动手臂没有安装磁头。

图9：

西数硬盘磁头及附属组件

（2）、磁头驱动机构。

盘硬的寻道是靠移动磁头，而移动磁头则需要该机构驱动才能实现。

磁头驱动机构由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成，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，并能在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道。

其中电磁线圈电机包含着一块永久磁铁，这是磁头驱动机构对传动手臂起作用的关键，如图10所示，磁铁的吸引力足起吸住并吊起拆硬盘使用的螺丝刀。

防震动装置在老硬盘中没有，它的作用是当硬盘受动强裂震动时，对磁头及盘片起到一定的保护使用，以避免磁头将盘片刮伤等情况的发生。

这也是为什么旧硬盘的防震能力比现在新硬秀盘差多的缘故。

图10：

永久磁铁足以吸住并吊起螺丝刀

（3）、磁盘片。

盘片是硬盘存储数据的载体，现在硬盘盘片大多采用金属薄膜材料，这种金属薄膜较软盘的不连续颗粒载体具有更高的存储密度、高剩磁及高矫顽力等优点。

另外，IBM还有一种被称为“玻璃盘片”的材料作为盘片基质，玻璃盘片比普通盘片在运行时具有更好的稳定性。

从图11中可以发现，硬盘盘片是完全平整的，简直可以当镜子使用。

图11：

磁盘片是不是很像"

镜子"

（4）、主轴组件。

主轴组件包括主轴部件如轴承和驱动电机等。

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。

例如希捷公司的酷鱼ATAIV就是采用此电机技术，这样有利于降低硬盘工作噪音。

图2一21标出了这个高度与头发、烟尘和手指印的大小比较关系，从这里就可以直观地“看”出这个高度到底有多“高”了。

图12：

西数硬盘主轴组件及磁头高度对比

（5）、前置控制电路。

前置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。

C、控制电路

硬盘的控制电路位于硬盘背面，将背面电路板的安装螺丝拧下，翻开控制电路板即可见到控制电路。

具体如图13、14所示。

图13：

拆下硬盘控制电路后

图14：

西数硬盘控制电路近照

硬盘控制电路总得来说可以分为如下几个部份：

主控制芯片、数据传输芯片、高速数据缓存芯片等，其中主控制芯片负责硬盘数据读写指令等工作，如图14可知，WD200BB的主控制芯片为WD70C23-GP，这是一块中国台湾产的芯片。

数据传输芯片则是将硬盘磁头前置控制电路读取出数据经过校正及变换后，经过数据接口传输到主机系统，至于高速数据缓存芯片是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设的，该款西数WD200BB的缓存容量大小为2MB，据最新消息，西部数据公司推出的WD1000BB-SE（特殊版本）结合有8MB的高速缓存，这是全球首款整合如此高缓存的高速IDE硬盘。

缓存对磁盘性能所带来的作用是无须置疑的，在读取零碎文件数据时，大缓存能带来非常大的优势，这也是为什么在高端SCSI硬盘中早就有结合16MB甚至32MB缓存的产品。

每个盘片的每个面都有一个读写磁头，磁盘盘面区域的划分如图2一23所示。

与磁头接触的表面靠近主轴，即线速度最小的地方，是一个特殊的区域，它不存放任何数据，称为启停区或着陆区（LandingZone），启停区外就是数据区。

在最外圈，离主轴最远的地方是“0”磁道，而硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。

二、硬盘的接口

随着硬盘技术的发展，其接口模式也一起经历了风风雨雨，其简要历程如下。

现在的硬盘接口综合起来说可以分成如下几种：

ST-506/412、IDE（ATA）、SCSI、FibreChalnnel（光纤）、IEEE1394（火线）、SerialATA（串行ATA）及USB等等。

就在几年前，最为普遍的就是IDE，它是个人计算机使用的价格相对比较便宜、而且性能也不差的硬盘接口，所以在PC中得到了非常广泛的应用。

目前已经被淘汰。

对于SCSI，在服务器上最常看到它的踪迹，因为它具有很好的并行处理能力，同时也具有相对比较高的磁盘性能，因此非常适合服务器的需要，当然它的价格也不菲；

光纤的特点是带宽较宽，但价格也极其昂贵；

至于IEEE1394与USB相对而言是新一点的接口类型，不过正因为是比较新的接口技术，所以在某些方面做得比IDE和SCSI要好，如同时挂接更多设备的数量等；

而SerialATA是Intel制定的用以取代IDE接口的下一代硬盘接口标准，是近几年才推广出来的，它是IDE接口的终结取代者。

硬盘的接口是连接硬盘驱动器和计算机的专用部件，他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。

可以说硬盘及其接口是计算机的一个十分重要的性能部件。

A、IDE与EIDE接口

IDE（IntegratedDriveElecttonics）的本意实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器。

我们常说的IDE接口，也叫ATA（AdvancedTechnologyAttachment）接口。

过去，PC机使用的硬盘大多数都是IDE兼容的，只需用一根电缆（40或80芯）将它们与主板或接口卡连起来就可以了。

把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为厂商不再需要担心自己的硬盘是否与其他厂商生产的控制器兼容，对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。

IDE，也叫ATA。

该接口发展至今，细分可以分成ATA-1（IDE）、ATA-2（EIDEEnhancedIDE/FastATA）、ATA-3（FastATA-2）、ATA-4（UltraATA/33、UltraATA/66）、ATA-5（UltraATA/100）及ATA-6（UltraATA/133）。

ATA-1、ATA-2、ATA-3由于技术上的更新，早己淘汰。

至于UltraATA/33，可能还有部分用户使用的就是这种接口的产品，这个标准将PIO-4以下的最大数据传输速率提高到了33MB/s，因此UltraATA/33支持的最大外部数据传输速率为33.3MB/s。

UltraATA/66是已经退位的硬盘接口，它在UltraATA/33的基础上再次将突发数据传输通率增倍，因经在理论上它能支持的最高传输速率为66.7MB/s,ATA/66与ATA/33及以前的接口有一个很大的不同就是ATA/66的接口电缆为80Pin的，这比原来的接口增加了40Pin的地线，目的是为了减小信号在高速传输下的电磁串扰。

至于ATA/100，与ATA/66相比在技术上并没有太大的区别，它只是将传输带宽提高到了100MB/s，使用的接口电缆也与ATA/66一样。

迈拓（Maxtor）自从收购昆腾以后实力大增，奠定了它在硬盘界老大的地位。

迈拓也仗着这个资本推出了ATA/133的传输规范，这个传输规范和Intel的SerialATA（串行ATA）传输规范一开始就摆出了两虎相争的态势。

为了更好地推行ATA/133的传输规范，迈拓在2001年6月26日推出了BigDrives技术，在2001年7月31日推出了FastDrives技术，两者从容量和性能上为IDE硬盘阵营增添了不小的实力。

FastDrives用一个通俗的说法来表达，它就是ATA/133，工作在33.3MHz的频率下，利用DDR双沿触发技术达到133MB/s的接口速率。

同样，既然ATA/100使用的传输模式为UDMA一5，那么ATA/l33使用的传输模式就为UDMA一6。

这一新型界面仍然使用与ATA/100相同的80针连接器，40插头电缆，能够向下轰容，包括：

UltraATA/133、UltraATA/66和UltraATA/100。

B、硬盘传输模式

存取硬盘资料是通过主板上的芯片组实现的，它们大都支持多种模式以便使不同规格的硬盘工作正常。

那么硬盘在各个工作模式下是怎样读取资料的呢？

他们主要以PIO模式和DMA模式工作，这两种模式就是目前硬盘与主机进行数据交换的方式。

PIO模式是一种通过CPU执行I/O端口指令来进行数据的读写的数据交换模式；

而DMA则是不经过CPU而直接从内存了存取数据的数据交换模式。

a.PIO传输模式

PIO的英文全称为“ProgrammingInput/OutputModel”，即“程序输入/输出”模式。

这种模式使用PCI/O端口指令来传送所有的命令、状态和数据。

由于驱动器中有多个缓冲区，对硬盘的读写一般采用I/O串操作指令，这种指令只需一次取指令就可以重复多次地完成I/O操作，因此，达到高的数据传输率是可能的。

由CPU通过I/O发出命令，经由芯片组再通过IDE控制器到硬盘中读取资料，当CPU得到数据后，会将它经由芯片组写到内存里，这样就完成了一次读取的动作。

一般来说，Mode（模式）的数值越大越快，但是并不能让你随便调整。

如果一个标志为Mode1的硬盘运行在Mode4的方式下，资料的传输就会极不稳定，PIO模式下的传输速率见表2-4。

b.DMA传输模式

DMA的英文全称为“DirectMemoryAccess”，即“内存直接存取”模式。

它表示数据不经过CPU，而直接在硬盘和内存之间传送。

在多任务操作系统内，如OS/2、Linux、WindowsNT等，当磁盘传输数据时，CPU可腾出时间来做其它事情，使服务器的数据性能大大提高。

而在DOS/Windows3.X环境里，CPU不得不等待数据传输完毕，所以在这种情况下，DMA方式的意义并不大。

　　DMA方式有两种类型：

第三方DMA（third－partyDMA）和第一方DMA（first－partyDMA）（或称总线主控DMA，BusmasteringDMA）。

第三方DMA通过系统主板上的DMA控制器的仲裁来获得总线和传输数据。

而第一方DMA，则完全由接口卡上的逻辑电路来完成，当然这样就增加了总线主控接口的复杂性和成本。

现在，所有较新的芯片组均支持总线主控DMA。

与快取内存结合在一起，不但增加数据的存取及传输性能，更因减少对磁盘的存取而增加磁盘的寿命。

Single-WordDMA

即单字DMA传输，在每次DMA请求下只传输16位的字，这种模式已经很少使用，在ATA-3标准内，己取消了对这种模式的支持。

Multi-WordDMA

多字DMA传输是只要DMA请求信号保持有效，就持续不断地传输16位的字。

该模式是由IDE控制器发出使用PCI接口的要求，当得到芯片组同意后，IDE控制器将从硬盘读取到的资料经由系统芯片组直接写入到内存，完成读取资料的动作，不受CPU的干涉。

采用DMA传输模式的硬盘可以占用更少的系统资源。

UltraDMA/33（以下简称UDMA/33）的硬盘己经达到了33MB/s的传输速率，UltraDMA/66（以下简称UDMA/66）的硬盘理论上可以达到66MB/s的传输速率，占用的系统资源比UDMA/33的硬盘更少。

但是UDMA/66的硬盘并不一定就比UDMA/33的硬盘速度快一倍，这主要是受到硬盘内部传输速率的限制。

当硬盘在写资料时，数据首先在接口与缓存之间传输，这称为外部数据传输，UDMA/66就是硬盘的外部数据传输速率，接着数据再由缓存传输到磁头，这就是硬盘的内部数据传输。

所以硬盘只是外部数据传输速率达到66MB/s、而内部数据传输速率达不到的话，内部与外部传输之间就造成了瓶颈，UDMA/66传输模式就无法充分发挥其优势，DMA模式下的传输速率见表2-5。

C、SCSI接口

　　SCSI的英文全称为“SmallComputerSystemInterface”（小型计算机系统接口）。

它是一种与IDE（ATA）完全不同的接口，它不是专门为硬盘设计的，而是一种总线型的系统接口。

每个SCSI总线上可以连接包括SCSI控制卡在内的8个SCSI设备。

SCSI的优势在于它支持多种设备，独立的总线使得它对CPU的占用率很低，传输速率比ATA接口快得多，但同时价格也很高，所以也决定了其普及程度远不如IDE，只能在高档的电脑设备中出现，如服务器及工作站等。

　　最早的SCSI是于1979年由美国的Shugart公司（Seagate希捷公司的前身）制订的，原是为小型机的研制出的一种接口技术，但随着电脑技术的发展，现在它被完全移植到了普通微机上。

与PC机常用的IDE接口技术一样，SCSI接口技术也得到了不断发展。

　　在90年代初，推出了SCSI－2标准，类似于SCSI-1，但是可以支持同时连接7个装置，传输速率也达到了10-20MB/s。

　　1995年推出了SCSI－3标准版本，俗称“UltraSCSI”，它采用8位的通道宽度，传输速率为20MB/s，其允许接口电缆的最大长度为1.5米。

　　1997年推出了Ultra2SCSI（Fast－40）标准版本，其数据通道宽度仍为8位，但其采用了LVD（LowVoltageDifferential，低电平微分）传输模式，传输速率为40MB/s，允许接口电缆的最长为12米，大大增加了设备的灵活性，支持同时挂接15个装置。

随后其推出了WIDEULTRA2SCSI接口标准，它采用16位数据通道带宽，最高传输速率可达80MB/S，允许接口电缆的最长为12米，同样支持同时挂接15个装置，大大增加了设备的灵活性。

　　1998年，更高数据传输率的Ultra160/mSCSI（Wide下的Fast－80）规格正式公布，其最高数据传输率为160MB/s，昆腾推出的Atlas10K和A