认识IDE硬盘(上)(转）

一、IDE简介
集成驱动电子设备（IDE）是描述具有集成磁盘控制器的一类硬盘，它们通过40脚电缆连接到电脑的AT附加装置（ATA）总线。IDE标准由ANSI采纳，已成为当今最普遍的硬盘标准。不过，不只是硬盘，它也允许连接其它的驱动器，如CD－ROM、磁带机、可移动磁盘（SyQuest 、Jazz 、 Zip）以及 LS－120磁盘。IDE的性能足以应付大多数的存储应用，而且更换便利，花费低廉。
如今，ATA已经发展为由增强型IDE和快速ATA组成的ATA－2标准，特点是增加了更快的PIO模式、兼容PLUG＆PLAY。随着发展的趋势，具有更高可靠性、增加PIO模式4、增加了安全性和电源管理、自监控特性的ATA－3也已出台。其它的发展有：ATA包装界面（ATAPI）用来容纳CD－ROM、磁带机（使用控制SCSI驱动器的同样命令），同时提高了性能和稳定性；另外，Ultra－ATA增加了一个具有33MB/S的高速传输模式DMA/33。
IDE能在系统的BIOS级上被识别，是安装和配置最为简单的驱动器。在主板或单独的I/O卡上的IDE，每个插口最多能插两个IDE驱动器，并通过跳线被系统认定为主盘或从盘。一个IDE驱动器需要5伏、12伏的电源插座，一般被安装到单独的磁盘插架。IDE硬盘的参数在CMOS中可以自动设置，如果是手工设置，要填入柱面数、磁头数、扇区数。
一般来说，现在的主板都有逻辑块寻址（LBA）的功能，它是超越DOS的1024个柱面限制的硬件级解决方法，这样一来系统就能识别大于504MB的硬盘。其实，这样的主板能从硬盘的固件（firmware）中得到正确的硬盘参数以提供相应的LBA参数。现代的主板一般提供两个IDE插座，分别包括一个主通道、一个从通道。扩充的插卡还能提供第三个通道。每个IDE的通道需要自己的中断IRQ，主通道缺省是14，从通道缺省是15。
最后要说明的是，和硬盘安装在同一IDE插座的CD－ROM会降低硬盘的性能，很多的CD－ROM不兼容Windows下的32位磁盘存储标准，因此，如果硬盘和CD－ROM连在一起，32位磁盘存储特色就不能被硬盘使用。而且，CD－ROM工作的PIO模式比硬盘低，所以，最好不要把硬盘和CD－ROM连在一起。
    二、IDE硬盘的物理结构
硬盘使用一种盘状物来存储数据，这些浅盘以轴为中心叠合在一起，由马达推动而旋转。浅盘的表面是磁介质，通过读/写磁头的作用，数据以同心圆的方式被存储。一层浅盘有一个磁头，而磁头由包括伺服系统的激励臂定位在浅盘的上面。
所有的读写磁头排列在一起，这样它们可以一起在浅盘上移动。信息从浅盘的最外边开始记录，当最外的磁道写满后，磁头向内移动开始往下一个空磁道写信息。浅盘每分钟旋转至少3600转。只要不是电脑关机或硬盘不上电，它就一直旋转。这种快速的旋转在浅盘上产生一薄层气垫，能使读写磁头浮动在其上。因为磁头不接触浅盘而是“漂浮”在上面10微米处，任何在浅盘上的微小的尘粒（一个香烟灰微粒是100微米）都会损坏磁头，继而毁坏浅盘上的磁介质。因此，保持硬盘空气塞的完整和在干净的环境中使用硬盘很重要。
移动正在工作中的硬盘可能会导致磁头毁坏，因此上电时不要移动电脑。当今的硬盘在不上电时磁头被激励臂从浅盘上移走，从而保护硬盘。而很多使用步进电机的老式硬盘就没有这个功能，磁头的移走只能靠执行软件来使浅盘减速直至停止，磁头放在磁盘最后一个柱面的加载区来实现，但这只能保护硬盘的介质而不是磁头，在移动电脑时仍然要小心。
数据存储在类似同心圆的磁道上，磁道的顺序是从外层到内层，每个圆形轨迹由512Byte的扇区组成。而在所有浅盘表面的相同的磁道称为柱面。
每个浅盘的表面都有一个相应的读写磁头，比如，两个浅盘的硬盘有四个盘面和四个磁头。因此，硬盘的容量等于：磁头数柱面数扇区数512 Byte。二进制数据组成的信息以磁通量的形式存储在磁介质上，使用硬盘时，读写磁头再将它们转换为非常弱的电信号。经过预放大器增强信号，再由数字信号处理器转换为数字信号。所有这些电气部件，包括激励臂电气控制、旋转马达电气控制、高速缓存电气控制，被集成在硬盘里的印刷电路板上。
硬盘浅盘表面的磁道和扇区是经过低级格式化后形成的，它们为进一步存储数据做好了准备。所有商业上的硬盘在出厂前已经低级格式化，那时就确定了每道扇区数，浅盘就像切饼子一样被分成扇区。因为浅盘的最外道的周长比内道长，它就浪费了一些空间。在内道的扇区数限制了外道的扇区数。现代的驱动器使用多重区域记录技术（ Multiple Zone Recording ）以存储更多的数据。这种技术使用的扇区长度规定为读写磁头能处理的最大值，数据被记录到浅盘中统一长度的扇区中。因此，在外道里就能有更多的扇区，而且因为同样旋转一周，外道经过磁头的扇区数要比内道多，这些扇区的读写速度也得到了提高。
现在的发展趋势是，随着磁介质和读写磁头技术的提高，扇区的数据密度越来越高，这样不用增大驱动器的体积就能提高它的容量。
    三、如何选择IDE硬盘
选购IDE硬盘时，需要考虑的因素有：容量大小、性能、使用寿命、兼容性和价格。
    1.容量大小
如今的硬盘一般以GB来计容量，注意厂家使用的GB是十进制（即1 000 000 000 bytes)，而不是二进制（即1 073 741 824 bytes)。这样你就理解操作系统报告的硬盘容量为什么比说明书少了。硬盘的大小取决于你能承受的最大价格，要装Win95/98系统应该大于0.8GB。
    2.性能
硬盘的性能是由存取时间（access time）和传输率（transfer rate）决定的。
存取时间是从数据请求开始到数据可用为止的时间间隔，它由两部分组成（单位都是毫秒）：(1)寻道时间：是读写磁头定位到数据位置所需的时间；(2)数据存活时间：是旋转到包含所需数据扇区所需的时间，最大时为浅盘旋转一周的时间，因此，它与硬盘的旋转速率成比例。生产厂家定义的存取时间是超过1/3柱面寻道所用的时间加上浅盘旋转1/2圈所用的时间。很明显，最大的寻道时间为磁头从最外道到最内道再旋转一周使用的时间。当今的IDE硬盘寻道时间平均为8～12毫秒，这个值越小，性能越好。
传输率指IDE硬盘的旋转速度，由硬盘类型及其PIO模式决定，每个PIO模式都有其理论上的最大值，但实际上并不能达到。下面是各种模式的最大值（单位是MB/s）：
     PIO模式 传输速度
     0 3.3
     1 5.2
     2 8.3
     3 11.1
     4 16.6
     DMA/33 33.3
同时，旋转速度的增大也缩短了磁道上数据到读写磁头的时间（意味着减少了数据存活时间），因此，旋转速度较快的硬盘性能也较好。通过在硬盘上增加高速缓存也提高了它的性能，高速缓存存储它预计系统下一步需要的数据。当一个读信号产生时，高速缓存首先被检查，如果它那里有所需数据，数据立即被传送到系统，这样避免了读写磁盘的过程。
    3.使用寿命
使用寿命由硬盘的质量决定。一般，生产厂家使用平均出错时间（MTBF，单位是小时）来衡量硬盘从有正常功能到出错的平均时间。现代的硬盘一般是200000 到 500000个小时 ，也就是大约20年。然而，这个厂家提供的理论值很少能达到，只要厂家能提供3年质保就不错了。
    4.兼容性
有些硬盘不能同其它的硬盘安装在一个系统中；有些硬盘老是“想”做启动盘（即使被放在第二个IDE插口上）；老的IDE驱动器与IDE标准并不是完全兼容，总是与同一IDE插口的IDE硬盘有冲突（如老式的conner硬盘）。所以有些用户用同一牌子的硬盘来组装机器，以避免不兼容的问题，同时也提高了硬盘的实际使用性能。
    5.价格
价格是购买硬盘的一个重要因素，很多用户在购买之前要么定了硬盘的容量，要么定了能承受的最大价格。对第一种情况，他可能需要一个8GB的硬盘，只要买个名牌的就行；第二种呢，他只能找在那个价位上容量最大的、质量最好的硬盘。(待续)

2、 IDE标准详解
平常所说的IDE接口，也称之为ATA接口。ATA的英文拼写为“Advanced Technology Attachment”，含义是“高级技术附加装置”。ATA接口最早是在1986年由康柏、西部数据等几家公司共同开发的，在九十年代初开始应用于台式机系统。它使用一个40芯电缆与主板进行连接，最初的设计只能支持两个硬盘，最大容量也被限制在504 MB之内。

ATA接口从诞生至今，共推出了7个不同的版本，分别是：ATA-1（IDE）、ATA-2（EIDE  Enhanced IDE/Fast ATA）、ATA-3（FastATA-2）、ATA-4（ATA33）、ATA-5（ATA66）、ATA-6（ATA100）、ATA-7（ATA 133）。

ATA-1
ATA-1在主板上有一个插口，支持一个主设备和一个从设备，每个设备的最大容量为504MB，支持的PIO-0模式传输速率只有3.3MB/s。ATA-1支持PIO模式包括有PIO－0和PIO-1、PIO-2模式，另外还支持四种DMA模式（没有得到实际应用）。ATA-1接口的硬盘大小为5英寸，而不是现在主流的3.5英寸。

ATA-2
ATA-2是对ATA-1的扩展，习惯上也称为EIDE（Enhanced IDE）或Fast ATA。它在ATA的基础上增加了2种PIO和2种DMA模式（PIO-3），不仅将硬盘的最高传输率提高到16.6MB/S，还同时引进LBA地址转换方式，突破了固有的504MB的限制，可以支持最高达8.1GB的硬盘。在支持ATA－2的电脑的BIOS设置中，一般可以见到LBA（Logical Block Address），和CHS（Cylinder，Head，Sector）的设置，同时在EIDE接口的主板一般有两个EIDE插口，它们也可以分别连接一个主设备和一个从设备，这样一块主板就可以支持四个EIDE设备，这两个EDIE接口一般称为IDE1和IDE2。

ATA-3
ATA-3没有引入更高速度的传输模式，在传输速度上并没有任何的提升，最高速度仍旧为16.6MB/s。只在电源管理方案方面进行了修改，引入了了简单的密码保护的安全方案。但引入了一个划时代的技术，那就是S.M.A.R.T（Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology，自监测、分析和报告技术）。这项及时会对包括磁头、盘片、电机、电路等硬盘部件进行监测，通过检测电路和主机上的监测软件对被监测对象进行检测，把其运行状况和历史记录同预设的安全值进行分析、比较，当超出了安全值的范围，会自动向用户发出警告，进而对硬盘潜在故障做出有效预测，提高了数据存储的安全性。

ATA-4
从ATA-4接口标准开始正式支持Ultra DMA数据传输模式，因此也习惯称ATA-4为Ultra DMA 33或ATA33。首次在ATA接口中采用了Double Data Rate（双倍数据传输）技术，让接口在一个时钟周期内传输数据两次，时钟上升和下降期各有一次数据传输，这样数据传输率一下从16MB/s提升至33MB/s。Ultra DMA 33还引入了一个新技术－冗余校验计术（CRC），该技术的设计方针是系统与硬盘在进行传输的过程中，随数据发送循环的冗余校验码，对方在收取的时候也对该校难码进行检验，只有在完全核对正确的情况下才接收并处理得到的数据，这对于高速传输数据的安全性有着极有力的保障。

ATA-5
ATA-5也就是“Ultra DMA 66”，也叫ATA66，是建立在Ultra DMA 33硬盘接口的基础上，同样采用了UDMA技术。Ultra DMA 66让主机接收/发送数据速率达到66.6 MB/s，是U-DMA/33的两倍。保留了上代Ultra DMA 33的核心技术冗余校验计术（CRC）。在工作频率提成的同时，电磁干扰问题开始在ATA接口中，为保障数据传输的准确性，防止电磁干扰，Ultra DMA 66接口开始使用40针脚80芯的电缆，40针脚是为了兼容以往的ATA插槽，减小成本的增加。80芯中新增的都是地线，与原有的数据线一一对应，这种设计可以降低相邻信号线之间的电磁干扰。

ATA-6
ATA100接口和数据线与ATA66一样，也是使用40针80芯的数据传输电缆，并且ATA100接口完全向下兼容，支持ATA33、ATA66接口的设备完全可以继续在ATA100接口中使用。ATA100规范可以轻松应付目前ATA33和ATA66接口所棘手的难题。ATA100可以让硬盘的外部传输率达到100MB/s，它提高了硬盘数据的完整性与数据传输率，对桌面系统的磁盘子系统性能有较大的提升作用，而CRC技术更有效提高高速传输中数据的完整性和可靠性。

ATA-7
ATA-7是ATA接口的最后一个版本，也叫ATA133。只有迈拓公司推出一系列采用ATA133标准的硬盘，这是第一种在接口速度上超过100MB/s的IDE硬盘。迈拓是目前惟一一家推出这种接口标准硬盘的制造商，而其他IDE硬盘厂商则停止了对IDE接口的开发，转而生产Serial ATA接口标准的硬盘。ATA133接口支持133 MB/s数据传输速度，在ATA接口发展到ATA100的时候，这种并行接口的电缆属性、连接器和信号协议都表现出了很大的技术瓶颈，而在技术上突破这些瓶颈存在相当大的难度。新型的硬盘接口标准的产生也就在所难免。

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参考：

http://bbs.hstide.com/TopicOther.asp?t=5&BoardID=42&id=493

http://www.ipp.ac.cn/dnywl/13.htm