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6.1 硬盘内外部结构和工作原理
硬盘的外壳主要采用不锈钢材质制成。硬盘外壳的作用是保护硬盘内部的元器件。硬盘外壳上面通常会标有硬盘的一些信息，如硬盘的品牌、参数等，如图6-1所示。
图6-1 笔记本电脑硬盘外壳样式
硬盘的电路板在硬盘的反面，上面有很多芯片和分立元件，大多数硬盘的控制电路都采用贴片式焊接。硬盘的电路板中包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、高速缓存、控制与接口电路等，主要负责控制盘片转动、磁头读写、硬盘与CPU的通信等。其中，读写电路的作用就是控制磁头进行读写操作；磁头驱动电路的作用是控制寻道电机，使磁头定位；主轴调速电路是控制主轴电机带动盘体以恒定速率转动的电路。
硬盘的电路板主要由主控制芯片、电机驱动芯片、缓存芯片、硬盘的BIOS芯片（有的集成在主控芯片中）、加速度感应芯片、晶振、电源控制芯片、三极管、场效应管、贴片电阻电容等组成，另外在硬盘内部的磁头组件上还有磁头芯片等，如图6-2所示。
图6-2 硬盘的电路板
主控制芯片也就是硬盘的CPU芯片，在整个底板上它的块头最大，正方形，主要负责数据交换和数据处理。有的主控制芯片内部还内置BIOS模块、数字信号处理器等，如图6-3所示。
图6-3 主控制芯片
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计的，缓存芯片在硬盘中主要负责给数据提供暂存空间，提高硬盘的读写效率。目前主流硬盘的缓存芯片容量有2MB和8MB，最大的达到16MB。缓存容量越大，硬盘性能越好，如图6-4所示。
图6-4 缓存芯片
电机驱动芯片一般是正方形，比主控芯片要小很多，主要负责给硬盘的音圈电机和主轴电机供电。目前，由于硬盘转速太高，容易导致该芯片发热量太大而损坏，据不完全统计，70%左右的硬盘电路路障是由该芯片损坏引起的。
硬盘BIOS芯片有的在电路板中，有的集成在主控制芯片中。其内部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，一般硬盘BIOS芯片的容量为1MB，如图6-5所示。
它用于保存硬盘容量、接口信息等，硬盘所有的工作流程都与BIOS程序相关，通断电瞬间可能会导致BIOS程序丢失或紊乱。BIOS不正常会导致硬盘误认、不能识别等各种各样的故障现象。
加速度感应器用来感应跌落过程中的加速度，以使马达停转、磁头移动到碟片外侧，从而保护硬盘免受冲击和碰撞。一般在笔记本电脑的硬盘中会安置此芯片，如图6-6所示。
图6-5 硬盘BIOS芯片
图6-6 加速感应器芯片
硬盘的内部主要由盘片和主轴组件、浮动磁头组件、磁头驱动机构、前置驱动控制电路等组成，如图6-7所示。
盘片和主轴组件是两个紧密相连的部分，如图6-8所示。硬盘盘片是一个圆形的薄片，一般采用硬质合金制造，表面上被涂上了磁性物质，通过磁头的读写，将数据记录在其中。由于盘片在硬盘中要高速旋转，所以硬盘的盘片表面都十分光滑，而且耐磨度很高，多为铝合金制作，也有玻璃等质材。通常一个硬盘由若干张盘片叠加而成，目前一张盘片的单碟容量已经达到惊人的1TB，而硬盘总容量高达12TB以上。
主轴组件由主轴电机驱动，带动盘片高速旋转。旋转速度越快，磁头在相同时间内相对盘片移动的距离就越多，相应地就能读取到更多的信息。
目前硬盘的主轴都采用了“液态轴承马达”，这种马达使用的是黏膜液油轴承，以油膜代替滚珠，有效避免了由于滚珠摩擦而带来的高温和噪声。同时，这种技术对于硬盘防震也有很大的帮助，油膜能够很好地吸收突如其来的震动。因此，采用该技术的硬盘在运转中能够承受几十至几百G的外力。
图6-7 硬盘的盘体
图6-8 硬盘的盘片和主轴组件
浮动磁头组件由读写磁头、传动手臂和传动轴3部分组成，如图6-9所示。其中，读写磁头是用线圈缠绕在磁芯上制成的，安放在传动手臂的末端。在盘片高速旋转时，传动手臂以传动轴为圆心带动前端的读写磁头在盘片旋转的垂直方向上移动，磁头感应盘片上的磁信号来读取数据，或改变磁性涂料的磁性，以达到写入信息的目的（读写磁头和盘片并不直接接触，两者之间的距离为0.1～0.3μm）。
当硬盘没有工作时，传动手臂和传动轴将读写磁头停放在硬盘盘片的最内圈的起停区内。开始工作时，硬盘中固化在ROM芯片中的程序开始对硬盘进行初始化，工作完成后，主轴开始高速旋转，由传动部件将磁头悬浮在盘片0磁道处待命，当有读写命令时，传动手臂以传动轴为圆心摆动，将读写磁头移到需要读写数据的地方。
图6-9 浮动磁头组件
磁头驱动机构主要由磁头驱动小车、电机和防震机构组成，如图6-10所示。其作用是对磁头进行驱动和高精度的定位，使磁头能迅速、准确地在指定的磁道上进行读写工作。现在的硬盘所使用的磁头驱动机构中已经淘汰了老式的步进电机和力矩电机，用速度更快、安全性更高的音圈电机取而代之，以获得更高的平均无故障时间和更低的寻道时间。
图6-10 磁头驱动机构
前置驱动控制电路是密封在屏蔽腔体内的放大线路，主要作用是控制磁头的感应信号、主轴电机调速、驱动磁头和伺服定位等，如图6-11所示。
图6-11 前置驱动控制电路
每个硬盘都有一块电路板，电路板主要负责与电脑进行通信，并控制管理整个硬盘的工作，可以说是硬盘的控制部门。若个别硬盘电路设计不良，或芯片的质量不好，或用户使用不当等，都有可能使电路板工作不正常。
由于硬盘电路板比较复杂，要想掌握硬盘电路板的维修方法，必须首先了解硬盘电路板的工作过程。
硬盘电路工作过程如下。
一般IDE接口硬盘有两组供电：12V和5V。其中，红色电源线为5V线，黄色电源线为12V线，两个黑色线为地线。而SATA接口硬盘有3组供电：12V、5V和3.3V。其中，红色电源线为5V线，黄色电源线为12V线，橘黄色电源线为3.3V线，两个黑色线为地线。
在开机接通电源后，ATX电源直接给硬盘提供5V和12V的直流电压。5V电压经过稳压器、场效应管、二极管等处理后，给主控芯片提供3.3V、2.5V、1.2V等工作电压。同时，5V和12V电压经过电感、电容等滤波后，直接给电机驱动芯片供电。接着电机驱动芯片将5V和12V电压处理后，通过主控芯片（CPU）的指令供给主轴电机和音圈电机（主轴电机和音圈电机的电压为7~9V）。
硬盘驱动器加电后，硬盘电路板上的主控芯片中的DSP（数字信号处理器）开始对硬盘进行初始化，即DSP首先运行ROM中的程序，部分硬盘会检查各部件的完整性，然后盘片电机起转，当达到预定转速时，磁头开始运动，并定位到盘片的固件区，读取硬盘的固件程序和坏道表，在固件被正常读出后，硬盘初始化完成。
接下来，当硬盘接口电路接收到CPU传来的指令信号后，硬盘主控芯片向电机驱动芯片发出控制信号，电机驱动芯片将此信号翻译成电压驱动信号，驱动主轴电机和音圈电机转动，进而带动盘片转动，并将磁头移动到数据所在的扇区，这时根据感应阻值变化的磁头会读取磁盘上的数据信息。同时将读取的数据信息传送到磁头芯片，磁头芯片将信号放大后，再传送到前置信号处理器，前置信号处理器将接收到的数据信息解码后再传送到数字信号处理器，数字信号处理器再对数据信号进行进一步加工，之后传送到接口电路。接口电路将数据转换成电脑能识别的数据信号后，反馈给电脑系统，完成指令操作。