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电脑硬盘数据恢复

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硬盘外观分类和技术演变(一切从磁鼓、磁头缘起)

发布日期:2018-02-23 作者: 点击:

先来回顾一下,早期的磁录装置。图1拍摄于1950年,读/写头位置靠近旋转中的磁性物质,即使电源中断,磁性物质产生的磁极仍能继续保存数据。虽然今日硬盘与图中外型已大相径庭,但运作原理仍属相同。

图中右半边的圆柱体,是在表面涂上磁性物质的磁鼓。磁鼓由坚硬的外壳保护,而外壳则连接许多缆线。图1为外壳盖子打开的状态。这些缆线连接至读/写头,换句话说,每个磁道都有其专用读/写头;不同于当今硬盘的是,其读/写臂无法移动。因此,有多少磁道,就须连接多少读/写头。虽然读/写头之间的空隙未用于记录数据,而显得浪费,但由于不须控制读/写头位置,而让整个运作机制更简化。图中左方的黑色区块为马达。

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1:具有磁鼓和许多读/写头的磁录装置,许多读/写头连接于磁鼓上,磁鼓容量为16 KB

    当时,若要以此技术来增加储存容量,即须加长磁鼓和增加读/写头,或增加磁鼓半径以扩大周长。图2为不同尺寸的设备。图中左后方的机器与图1的磁鼓装置相同。图片前方为最小的磁鼓,但其外型仍大于12公升的瓶子。我们虽无从得知其重量,但能推测单以1人的力量应无法移动最右边的大机器。本图中,机器底部像吸收器的部份具抗震功能。此装置在巨大马达驱动笨重的磁鼓时,避免震动影响到机器以外的地方。

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2:磁鼓型磁录装置。 磁鼓大小显示所含容量,当时有各式容量的磁鼓。

从磁鼓到磁盘

1台硬盘诞生于1956年:IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control)是世界首台外接储存装置!此机器名字的前3个字母(RAM)和当今半导体内存术语的随机存取内存(Random Access MemoryRAM)相同。也就是说,用户可在储存装置随意读取或写入数据。相之下,当时的其它储存装置只能以纸张、磁带或打孔卡,顺序访问数据。两者最大的差异,就在于这台硬盘的随机存取技术。这也许是其命名由来之一吧!此外,此硬盘名字的会计与管理(Accounting and Control)”表示其设计宗旨为协助大企业的会计处理作业。

虽然磁录机制的原理并无差异,但其磁鼓被更换为24寸磁盘。此硬盘共包含50片磁盘,且透过单一马达来驱动旋转。此为今日多盘片硬盘机的原始形式。

此硬盘只使用1对读/写头,以1个装置驱动其上/下移动,来存取盘片。50片磁盘的总容量为5MB,相当于4片软盘的容量(此种软盘片现今已绝迹了)。根据记载,该磁盘转速为1,200rpm,每1寸含20个磁道,而读/写头到磁盘间距为800微寸(micro inches)

有趣的是,这些硬盘机并非完全密封,而不像现代硬盘机采完全密封设计,并使用过滤器来防止硬盘在循环外部气流时,吸入灰尘及其它外界物质。然而,与现代硬盘相同的是,这些硬盘也运用气压来使读/写头悬浮于磁盘上方,只不过当时让读/写头悬浮的方式,是从读/写头对着磁盘发送高压气体。这个原理就像火箭透过喷射气体来升空。

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3IBM 305 RAMAC内建的磁录装置。已具5MB容量的5524寸磁盘来取代磁鼓, 此产品于1956年秋天推出。

1956年,IBM 305 RAMAC开创硬盘历史新页。就从此时开始,人们不断研发技术,为大型计算机扩充外接储存装置容量。并缩小硬盘尺寸。80年代后半段,个人及商用计算机开始搭载小型硬盘。而后,业者仍持续针对执行基本运算的中央处理器,所用外接储存装置来研发硬盘。

上述IBM 305 RAMAC硬盘,为1960年加州冬季奥运会采用。当时IBM 305 RAMAC内建的磁录装置已有许多改良,如增加1个双臂磁头臂,且容量加倍。在60年代初期,人们仍在使用这个巨大、直立的长型机器。

60年代后半段,具可拆式磁盘媒体的硬盘问市。图4中的磁盘组包含4 6片直径14寸的磁盘,固定在马达转轴上。拆卸下来的磁盘被存放于专用的半透明塑料盒容器,像是展示蛋糕用的透明玻璃容器。以此方式拆卸磁盘,让用户得以扩充其储存容量,此为1项重大的技术发展。然而,这种互换性可能引起许多问题,有的产品系列甚至提供训练课程,教育用户在更换媒体发生问题时,如何透过示波器来调整每1个读/写头。

此时的硬盘容量约200~400MB。储存容量随着每一代磁盘组的发展而递增。随着磁录密度改良,所堆栈的磁盘数量亦增加。据说,12片磁盘相迭的重量相当惊人。

我们用伺服电动机(servo technology)技术来进行读/写头定位,且仅在相迭磁盘的特定表面上记录伺服信息。伺服信息不会在磁盘表面写入用户数据,而是不断被读取来定位读/写头。读/写头位置一旦确定,即开始进行数据读写,并可同时决定磁柱上其它读/写头的位置。这项技术称为专属伺服方法(dedicated servo method)。当然,现代的硬盘已不再采用这种缺乏效率的作法。 

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4:具有可拆式磁盘媒体的磁录装置,于60年代下半段推出。,这种可拆式磁盘称为磁盘组

    1968年,IBM颠覆了之前自己的设计,重新提出了温彻斯特Winchester)技术的可行性,这次的提出的技术则奠定了以后硬盘所发展的方向,。温彻斯特技术的精隋在于提出了:密封、固定并高速旋转的镀磁盘片,磁头沿盘片径向移动,磁头悬浮在高速转动的盘片上方,而不与盘片直接接触,这也同样是我们现在硬盘所走的道路。
  温彻斯特技术的主要内容还有:磁头、盘片、主轴等运动部分密封在一个壳体中,形成一个头盘组合件(HDA),与外界环境隔绝,避免了灰尘的污染。磁头浮动块,采用小型化轻浮力的磁头浮动块,盘片表面涂润滑剂,实行接触起停。平常盘片不转时,磁头停靠在盘片上,当盘片转速达一定值时,磁头浮起并保持一定的浮动间隙。
  这样简化了机械结构,缩短了起动时间。而这种设计的磁头与磁盘是一一对应的,磁头读出的就是它本身写入的,信噪比等等都比从前好很多,因此存储密度得到了提高,存储容量同样也随之增加了。温彻斯特(Winchester)”技术的发明,无疑是为现在的硬盘发展打下了一个很好的契机。就是现在的上百G的硬盘仍然在使用这种技术,在5年之后也就是1973IBM终于推出了使用温彻斯特技术的第一块硬盘,型号为3340,它采用14英寸的规格,由两个分离的盘片构成(一个固定的和一个可移动的),每张盘片容量为30MB。并且硬盘首次使用了封闭的内部环境,并进一步发展了气动学磁头技术,将磁头与盘片之间的距离缩短到了17微英寸。

80年代后半期,已经有中小企业的办公室电脑和高运转工作站开始使用硬盘。而磁盘的尺寸变得更加小巧,从14英寸缩小到9英寸、8英寸直到5.25英寸。5.25英寸碟片的出现,使硬盘成为除盒式录音带和软盘以外的存储选择并广泛运用于个人电脑中。1980年,希捷科技推出业内首款5.25英寸硬盘ST-506,容量为5M。这个名字后来也用于表示连接一块硬盘和一台个人电脑的接口标准。硬盘控制器选择读写头,向磁道发送脉冲信号,以带动磁头寻道,这样主机控制器会对寻道结束的信号进行确认。用今天的标准看,这是种非常迟钝的设备,但由于其速度比软盘快、容量比软盘大,它得以被逐步采用。随后,出现了更加先进的ST-412接口标准以及增强型小型设备接口标准(Enhanced Small Device Interface)。硬盘的配置已经尽可能地被简化,而必要的控制操作则由外部控制器来完成。此时,三家公司联合推出了新的接口标准——电子集成驱动器 (Integrated Device Electronics),这就是我们熟悉的IDE接口规范。这三家公司分别是硬盘制造商CDC(现为希捷),西部数据(西部数据当时主要生产控制硬盘的外部控制芯片)以及电脑生产商康柏。目前的ATAAt Attachment)接口正是基于IDE接口的标准,而IDE要远比ATA更为人熟知。

到了90年代初期(1991年),硬盘的发展逐渐加快了脚步,真正的步入了G时代,他的领导者毋庸置疑仍然是IBM公司,这样的业界巨头作出这样的产品(0663-E12)其实一点也不让人觉得奇怪。这款硬盘应用了先进的MR磁头,当然他不光是打破了G的硬盘记录这个简单,同时它还是首个3.5寸的硬盘。由此3.5寸也成为了现代台式计算机的结构标准。

90年代后期,GMR磁头技术问世了。GMR是GiantMagnetoresistive的缩写,中文名称叫做巨磁阻磁头。它MR磁头同样是采用了特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据,但唯一的不同之处在于巨磁阻磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构,所以更增强了读取的敏感度相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化,从而可以实现更高的存储密度现有的MR磁头能够达到的盘片密度为3Gbit-5Gbit/in2(千兆位每平方英寸),而GMR磁头可以达到10Gbit-40Gbit/in2以上。 


    1999年之前硬盘还一直在6.4G左右打转没有新的突破然而就在这年公司推出了钻石九代产品。单碟磁盘容量达到了10G。从此硬盘发展的脚步又开始放快,一直不停歇的到了去年。经历了价格波动,接口波动,电机转速等等基本已经将我们带入了一个民用硬盘暂时的顶峰状态。

  2000年2月23日,某公司推出了转速高达15,000RPM的系列硬盘,其平均寻道时间只有3.9ms,这可算是当时世界上最快的硬盘了

2000316日又到了盘片革命的时间了,IBM将自己苦心研究多年的玻璃盘片上了台面,推出了两款采用这个盘片的硬盘这就是IBMDeskstar 75GXPDeskstar 40GV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。
  因为玻璃材料在高转速时具有更高的稳定性,使得Deskstar 75GXP系列产品的最高容量达75GB,是当时最大容量的硬盘,而Deskstar 40GV的数据存储密度则高达14.3十亿数据位/每平方英寸,这再次涮新数据存储密度世界记录。然而好景不长,这为之后IBM的倒掉埋下了伏笔,时隔两年之后腾龙系列的硬盘纷纷出现问题,暴露出了玻璃盘片的严重质量缺陷。
  虽然此时IBM开始悬崖勒马,开始当腾龙5推出的时候继续采用了铝质盘片。但这些都无法挽救这个品牌给消费者所带来的心理阴影。作了几十年的老大一失足成千古恨阿。至今不得不将硬盘部门转手日立了。

   回顾硬盘的发展IBM一直以来都是作为业界的领头羊形式出现在大家的面前,一直以来我们都认为领头羊一定是出色的,然而我们错了,IBM也错了。我们错在误以为IBM是神,神是不会出错的,然而IBM错在他发布的玻璃盘体上,发布之前并没有进行严格的测试现在看来多少有些草率。
  并且忘掉了商场中是不允许出错的,一旦出错可以挽回的几率就很小,然而为了这个玻璃盘片他错得离谱,错得事关重大,牵扯到了消费者对一个产品的信任问题中。这件事情过去到出现了一个很讽刺的事情。以前我们认为IBM的质量无懈可击,当然价格也都是高的无懈可击,往往要比同行业的产品贵上50~100不等,我们囊中羞涩的时候总是用西捷作为代替品,然而自从日立接手了IBM的硬盘部门之后,大改以前高高在上的作风,意图通过价格来挽回以往失去的客户群体。他的价格现在应该是比任何一个品牌都低了。
    20世纪90年代,3.5英寸和2.5英寸硬盘获得飞速发展,使它们集成在台式机和笔记本电脑上成为必然。这个时期大量的个人电脑也开始投入生产。更为重要的是,读取头成为新技术创新的核心,推动了硬盘容量的大幅度增长。这便是磁阻磁头(Magnetic-Resistive),它的读取头能将磁场的变化转化为电阻,相比使用薄膜线圈进行电磁感应的读取头,这种新磁头能产生更为清晰和强大的信号。想要达到此种磁阻效应,读取头的结构必须非常薄。由于硬盘对静电、高压、高温和湿度非常敏感,因此生产硬盘之前需要对流水线进行彻底的检查。虽然硬盘制造商不是同时采用磁阻磁头,但他们开始将磁阻磁头集成在1GB3.5英寸的硬盘里。随后,出现了一种高敏感的读取头以实现更高的记录密度和更大的存储容量。这就是巨磁阻(Giant Magneto Resistive)磁头。通过改变磁阻磁头的材料并对磁盘组结构进行改进,研发人员成功地实现了更高的输出,这一现象被称为巨磁效应。现在,在磁性物质的磁化领域里产生了一项重大的技术突破——垂直记录技术(Perpendicular Magnetic Recording)。将结构化的机制整合到磁性物质和碟片介质中后,写入头就好像是碟片介质的一部分。垂直记录得以实现的另一个因素是对写入头结构的改进,垂直记录技术的硬盘配置的是常规的巨磁阻和隧道磁阻读磁头,但是电磁线圈没有发生任何变化。

我们从20世纪50年代的巨大磁记录设备,发展到今天流行的3.5英寸和2.5英寸硬盘。硬盘发展追求的主题始终是更大的容量和更小的尺寸。硬盘的容量将不断增加,这是毋庸置疑的。小尺寸硬盘的优势是能减少功耗和节约空间。未来,硬盘将朝着更大容量、更低功耗及更小尺寸的方向发展。然而这一切的基础,就是碟片密度的不断提升,整个硬盘的发展史精确的验证了这一点——随着磁盘密度的不断增加,我们的硬盘尺寸正在越来越小。也许不远的将来,主流的硬盘会从3.5英寸过渡到2.5英寸。而且毫无疑问,我们的硬盘容量会越来越大。但是,超大硬盘时代是否真的来临了呢?对于即将进入TB时代的硬盘,用户的反映是怎样的?




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