[发明专利]半圆式高储量伸缩换盘面的电脑硬盘

说明书

技术领域

本发明涉及一种半圆式高储量伸缩换盘面的电脑硬盘，属于计算机科学技术领域。

背景技术

电脑硬盘是计算机的最主要的存储设备。硬盘港台称之为硬碟，英文名：Hard Disk Drive简称HDD，全名：温彻斯特式硬盘，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。早期的硬盘存储媒介是可替换的，不过今日典型的硬盘是固定的存储媒介，被封在硬盘里，除了一个过滤孔，用来平衡空气压力。随着发展，可移动硬盘也出现了，而且越来越普及，种类也越来越多。大多数微机上安装的硬盘，由于都采用温切斯特(winchester)技术而被称之为“温切斯特硬盘”，或简称“温盘”。所谓温切斯特磁盘实际上是一种技术，这种技术是由IBM公司位于美国加州坎贝尔市温切斯特大街的研究所研发的，它于1973年首先应用于IBM3340硬磁盘存储器中，因此将这种技术称作温切斯特技术。转速(Rotationl Speed或Spindle speed)，是硬盘内电机主轴的旋转速度，也就是硬盘盘片在一分钟内所能完成的最大转数。转速的快慢是标示硬盘档次的重要参数之一，它是决定硬盘内部传输率的关键因素之一，在很大程度上直接影响到硬盘的速度。硬盘的转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快，相对的硬盘的传输速度也就得到了提高。硬盘转速以每分钟多少转来表示，单位表示为RPM，RPM是Revolutions Per minute的缩写，是转/每分钟。RPM值越大，内部传输率就越快，访问时间就越短，硬盘的整体性能也就越好。硬盘的主轴马达带动盘片高速旋转，产生浮力使磁头飘浮在盘片上方。要将所要存取资料的扇区带到磁头下方，转速越快，则等待时间也就越短。因此转速在很大程度上决定了硬盘的读取速度。家用的普通硬盘的转速一般有5400rpm、7200rpm几种，高转速硬盘是台式机用户的首选，笔记本用户则以4200rpm、5400rpm为主，服务器用户对硬盘性能要求最高，服务器中使用的SCSI硬盘转速基本都采用10000rpm，甚至还有15000rpm的，性能要超出家用产品很多。较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间，但随着硬盘转速的不断提高也带来了温度升高、电机主轴磨损加大、工作噪音增大等负面影响。平均访问时间(Average Access Time)是指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。平均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括了硬盘的寻道时间和等待时间，即：平均访问时间＝平均寻道时间+平均等待时间。硬盘的平均寻道时间(Average Seek Time)是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间。这个时间当然越小越好，硬盘的平均寻道时间通常在8ms到12ms之间，而SCSI硬盘则应小于或等于8ms。硬盘的等待时间，又叫潜伏期(Latency)，是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需的时间的一半，一般应在4ms以下。传输速率(Data Transfer Rate)硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒MB/s。硬盘数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。内部传输率(Internal Transfer Rate)也称为持续传输率(Sustained Transfer Rate)，它反映了硬盘缓冲区未用时的性能。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。外部传输率External Transfer Rate也称为突发数据传输率Burst Data Transfer Rate或接口传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。目前Fast ATA接口硬盘的最大外部传输率为16.6MB/s，而Ultra ATA接口的硬盘则达到33.3MB/s。缓存Cache memory是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度，它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。由于硬盘的内部数据传输速度和外界介面传输速度不同，缓存在其中起到一个缓冲的作用。缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素，能够大幅度地提高硬盘整体性能。当硬盘存取零碎数据时需要不断地在硬盘与内存之间交换数据，有大缓存，则可以将那些零碎数据暂存在缓存中，减小外系统的负荷，也提高了数据的传输速度。磁头驱动分有步进电机驱动和音圈电机驱动两种。步进电机驱动机构的结构紧凑，控制简单，但是整个驱动定位系统是开环控制，步进电机靠脉冲信号驱动，因此定位精度比较低、存取时间较长；音圈电机是线性电机，可直接驱动磁头作直线运动。整个动定位系统是一个带有速度和位置反馈的闭环调节自动控制系统，驱动速度快，而且定位精度高。先进的磁盘驱动器普遍采用音圈电机驱动和伺服盘定位。盘径与容量有5.25英寸的、3.5英寸的、2.5英寸的、1.8英寸及1.3英寸的，最小的为指甲盖大小。从外形尺寸看，有全高、半高和薄型三种。磁头是硬盘中最昂贵的部件，也是硬盘技术中最重要和最关键的一环。传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头，但是，硬盘的读、写却是两种截然不同的操作，为此，这种二合一磁头在设计时必须要同时兼顾到读/写两种特性，从而造成了硬盘设计上的局限。磁阻磁头，采用的是分离式的磁头结构：写入磁头仍采用传统的磁感应磁头MR磁头不能进行写操作，读取磁头则采用新型的MR磁头，即所谓的感应写、读磁阻。这样，在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化，以得到最好的读/写性能。另外，MR磁头是通过阻值变化而不是电流变化去感应信号幅度，因而对信号变化相当敏感，读取数据的准确性也相应提高。而且由于读取的信号幅度与磁道宽度无关，故磁道可以做得很窄，从而提高了盘片密度，达到200MB/英寸2，而使用传统的磁头只能达到20MB/英寸2，这也是MR磁头被广泛应用的最主要原因。MR磁头已得到广泛应用，而采用多层结构和磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头Giant Magnetoresistive heads也逐渐普及。巨磁阻效应可分为基于半导体氧化物的巨磁阻效应以及基于多层金属膜的巨磁阻效应。硬盘中的巨磁阻磁头属于后者，并且它应用了电子的自旋特性。物质的磁性是由它内部电子的运动决定的。电子一方面会围绕原子核旋转，产生“轨道磁矩”，另一方面，电子自身也会旋转，产生“自旋磁矩”。一个原子的磁矩就等于核外所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的总合，其中，自旋磁矩远大于轨道磁矩。微观上，不同元素的核外电子分布的不同就决定了宏观上不同物质的磁性的不同。除此之外，相邻原子的未被填满电子的层上的电子会发生相互作用，原子间互相交换电子，称为“交换作用”。交换作用的不同决定了物质呈铁磁性还是反铁磁性。在交换作用的推动下，一小块区域内的原子的磁矩方向会完全保持平行，这一小块区域也就是所谓的磁畴。不同物质的磁畴结构是千差万别的，不过只有铁磁材料才具有磁畴结构，而且是在不超过一定的温度的情况下。电子的自旋方向有顺时针和逆时针两种，当电流经过磁体时，如果电子的自旋方向和磁体的磁化方向平行，则电子很容易穿过，反之，电子就很容易发生碰撞。前一种情况相当于电阻值低，后一种情况相当于电阻值高，如果两者的方向既不平行也不垂直，则电阻介于两者之间。巨磁阻磁头就是应用了这种特性，相比传统磁头，它对电子的利用要更充分一些。巨磁阻磁头的核心部分是四层膜：自由膜、非磁性膜、引线膜和反铁磁膜。其中，自由膜和引线膜采用的是磁性材料，自由膜属于软磁材料，引线膜使用硬磁材料，它们之间是一层非磁性膜，其采用非磁性金属材料，对自由膜和引线膜进行磁隔离，但不进行电隔离。引线膜的背面是反铁磁膜，铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个偏转场，此偏转场会将引线膜的磁化方向固定。自由膜的作用是对盘片上的磁记录信息作响应，在没有外加磁场的情况下，它的磁化方向与引线膜垂直，此时无论何种自旋方向的电子都很难穿过自由膜和引线膜，相当于电阻值高。当盘片上的磁记录位的磁场方向和自由膜的磁化方向相反时，自由膜的磁化方向发生偏转，与引线膜平行，此时自旋方向平行于它们的电子就很容易穿过这两层，相当于电阻值低。读取数据时，电流持续流经各膜，通过检测电阻的变化就可以得到反映磁记录位的磁场方向和磁通强度的函数。这种利用电子的自旋特性、像阀门一样限制电子移动的结构就被称为自旋阀结构，也是当今主流的磁头结构。磁头作为整个硬盘中技术含量最高的部件，其灵敏度基本上就决定了硬盘的存储密度。纵观磁头技术的发展史，每一次磁头技术的飞跃都来自于新的物理效应的发现和应用，值得一提的是，本文涉及的3种物理效应最初都是由IBM公司将其引入商业硬盘领域的。时至今日，我们已经无法看到IBM公司引领新的硬盘技术的潮流了，不久的将来，我们将会用上使用“隧道磁致电阻”效应的硬盘，而早在93年，比巨磁阻效应更强的“庞大磁致电阻”效应就已经被发现了，其磁阻变化率大于99％。当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。这些磁道用肉眼是根本看不到的，因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响，同时也为磁头的读写带来困难。一张1.44MB的3.5英寸软盘，一面有80个磁道，而硬盘上的磁道密度则远远大于此值，通常一面有成千上万个磁道。磁盘表面涂有做为纪录使用的磁性介质，其在显微镜下呈现出来的便是一个个磁颗粒。微小的磁颗粒极性可以被磁头快速的改变，并且在改变之后可以稳定的保持，系统通过磁通量以及磁阻的变化来分辨二进制中的0或者1。也正是因为所有的操作均是在微观情况下进行，所以如果硬盘在高速运行的同时受到外力的震荡，将会有可能因为磁头拍击磁盘表面而造成不可挽回的数据损失。除此之外，磁颗粒的单轴异向性和体积会明显的磁颗粒的热稳定性，而热稳定性的高低则决定了磁颗粒状态的稳定性，也就是决定了所储存数据的正确性和稳定性。但是，磁颗粒的单轴异向性和体积也不能一味地提高，它们受限于磁头能提供的写入场以及介质信噪比的限制。磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息，磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。1.44MB3.5英寸的软盘，每个磁道分为18个扇区。硬盘通常由重叠的一组盘片构成，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，称之为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。所谓硬盘的CHS，即Cylinder柱面、Head磁头、Sector扇区，只要知道了硬盘的CHS的数目，即可确定硬盘的容量，硬盘的容量＝柱面数磁头数扇区数512B。触屏用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。由于目前硬盘技术已经非常成熟，要想增加硬盘的存储量，就必须对硬盘进行先进技术的改进，这是极为困难的问题。但是，随着计算机技术日新月异的发展，人们对硬盘的需求越来越高，特别是硬盘的存储量，亟需得到大幅度提高。因此如何在现有成熟硬盘技术条件下大幅度提高硬盘的存储量成为急需解决的一大难题，所以利用将光盘设计成半圆形，在电脑硬盘上，装配上多个光盘，并且能够保证在电脑芯片所设计的程序的控制下，电脑能够自如地将光盘切换到所需要的光盘，这样就可以几十倍甚至几百倍地提高硬盘的存储量，发明一种半圆式高储量伸缩换盘面的电脑硬盘是必要的。