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第1章 基础知识
1.1 数据恢复技术的发展和研究现状
1.2 数据恢复技术的层次与体系
1#xff0e;网络层
2#xff0e;网络存储层 DAS NAS
3#xff0e;磁盘阵列层
4#xff0e;磁盘层
5#xff0e;文件系统层
6#xff0e;文件层
7#xff0e;覆盖恢复…目录
第1章 基础知识
1.1 数据恢复技术的发展和研究现状
1.2 数据恢复技术的层次与体系
1网络层
2网络存储层
· DAS
· NAS
3磁盘阵列层
4磁盘层
5文件系统层
6文件层
7覆盖恢复
1.3 也谈覆盖恢复
1.4 硬盘硬件的组成
1.5 基本故障的可维修性
1.5.1 各部位的常见故障
1供电
2接口
3缓存
4Flash ROM
5磁头芯片
6前置放大器
7数字信号处理器
8电机驱动芯片
9盘片
10主轴电机
11磁头
12音圈电机
13磁头停放卡
1.5.2 基本判断方法
1.5.3 电路板的检测
1故障检测
2维修方法
1.5.4 IDE/SATA接口
1.5.5 基本故障的可维修性
1.6 电路板的修理
1.6.1 典型硬盘芯片的电阻值
1.6.2 电路板的兼容性
1.7 硬盘缺陷
1.8 硬盘初始化过程与固件维修基础知识
1.9 ATA Command基础 第1篇 数据恢复与硬盘修理基础
本篇包括第1章主要介绍数据恢复的发展现状、硬盘维修的基本知识以及一些基本工具的使用。
第1章 基础知识
1.1 数据恢复技术的发展和研究现状
目前国内的数据恢复服务市场处于一个极不规范的状态。虽然大部分数据恢复服务提供商是有职业道德的能够为客户提供相对可靠的服务但也有个别商家的行为极为恶劣——尤其是那些吹嘘自己是“行业领导者”的商家除了炮制一系列所谓的“成功案例”外拿不出任何真正的技术甚至连操作过程都不敢让客户看到。他们不仅对用户数据极不负责任拿着用户重要的血汗数据去“练手”而且更为恶劣的是对那些无法只靠运气来恢复的数据他们竟采用异常无耻的手段进行破坏造成用户数据彻底丢失甚至厚颜无耻地说“我们恢复不出来谁也恢复不了”而用户往往都是第一次接触数据恢复行业哪里有选择的余地只能听其摆布。所以笔者曾经说“现在用户寻找恢复数据服务提供商就像是一场赌博。”当前国际上对数据恢复技术的基本分类如图1-1所示。 图1-1 数据恢复技术的基本分类
· 软恢复
软恢复指的是恢复存储系统或操作系统或文件系统层的数据。这种丢失是多方面的如系统软/硬件故障、死机等原因造成的数据丢失以及病毒破坏、黑客攻击、木马破坏、误操作、阵列数据丢失等造成的数据丢失。对于一般的文件系统来说这方面的研究工作起步较早国内外研究得都比较深。软恢复的主要难点是文件碎片的恢复处理、文档修复和复杂密码的恢复。
· 硬恢复
硬恢复指的是恢复由于硬件故障而丢失的数据如硬盘电路板损坏、盘体损坏、磁道损坏、磁盘片损坏、硬盘内部系统区严重损坏等。这些情况几乎都会导致系统不认盘或认盘困难恢复起来难度较大。如果内部盘片数据区严重划伤会造成数据彻底丢失。另外如果硬盘内部系统即人们常说的“固件系统”出现问题也会导致类似不认盘或不能正常读取的现象而且由于恢复硬盘固件数据通常需要使用专用工具因此也常常把它归入硬恢复领域。稍有常识的用户在出现这种情况如移动硬盘跌落后不会尝试对硬盘反复加电也就不会人为地造成更大面积的划伤因此这种情况下一般还是能够恢复大部分数据的。从目前的实践来看对这类问题有两种处理方法一种方法是直接找专业的数据恢复服务提供商这时的故障硬盘称为“一手盘”其中的数据几乎都能恢复另一种方法是抱着侥幸心理自己找熟人尝试修复或者找所谓的“计算机专家”来处理甚至去找“牛皮公司”那种上来就说“没问题我们什么都可以做”的数据恢复公司——天底下哪有100%的事情更何况数据恢复本身只是一种补救措施。这种最终才转到专业数据恢复公司的盘我们称之为“二手盘”。对二手盘之前不恰当的操作会对数据造成严重的二次破坏因此恢复难度与成本会急剧上升。
· 大型数据库系统恢复
大型数据库系统中往往存储着一些非常重要的数据其组成复杂一般都有较完善的保护措施所以通常不会出现小问题但只要出现问题基本上都是较难处理的问题恢复的难度较大。典型的大型数据库系统主要有SQL Server、Informix、Sybase、Oracle和IBM UDB/DB2等。
· 异型系统恢复
异型系统的数据恢复指的是不常用的、比较少见的操作系统下的数据恢复如MAC、OS2、嵌入式系统、手持系统、实时系统、智能仪器仪表使用的系统等。它们与数据库系统的恢复和文档碎片的修复是作者所在团队目前致力解决的问题研究成熟时将尽快公开结果。
· 覆盖恢复
数据被覆盖后再要恢复的话难度非常大与其他4类数据恢复有着质的区别目前可能只有硬盘厂商及少数国家的特殊部门才能做到。覆盖恢复的应用一般都与国家安全有关。在各种恢复手段中水平相差最大的就是覆盖恢复。据说美国军方可以成功恢复被覆盖了69次的数据俄罗斯可以成功恢复被覆盖了34次的数据IBM耗资6亿美元的研究成果是可以成功恢复被覆盖了12次的数据。由于这些都涉及国家核心机密具体的细节和可靠性都尚不可知。目前市场上所说的恢复被GHOST覆盖的数据也只是恢复硬盘中没有写入新数据的地方并不是恢复已经写入新数据的地方是一种非常简单的逻辑恢复。我国也正在进行覆盖恢复的深层技术研究。 1.2 数据恢复技术的层次与体系
从另一个角度来看数据恢复技术的研究对象是存储系统而存储系统是有体系、有层次的因此数据恢复技术的研究也是有体系、有层次的如图1-2所示。 图1-2 存储系统的层次关系
1网络层
通过网络技术可以实现远程备份。对数据恢复技术的学科体系来说网络层的应用主要是远程同步与备份技术以及通过高速网络实现数据备份。本层没有特别的恢复技术只是在操作中应注意检查备份的有效性并在出现问题时避免让损坏的数据破坏正常的数据。
2网络存储层
网络存储层是一种基于独立系统的存储体系是在传统的直接附加存储DAS基础上发展起来的智能存储系统。网络存储层一般都有自己的操作系统因此可为各种平台应用提供统一的、兼容的数据服务主要有存储区域网络SAN和网络附加存储NAS两种形式。
· DAS
DAS是“Direct Attached Storage”的缩写译为“直接附加存储”。DAS将外置存储设备通过连接电缆直接连接到一台服务器上如图1-3所示。 图1-3 直接附加存储DAS
采用DAS方案的服务器的结构如同PC的架构外部数据存储设备采用SCSI技术或光纤通道Fibre Channel, FC技术直接挂接在内部总线上数据存储是整个服务器结构的一部分这种情况下常常是数据和操作系统都未分离。
DAS直连方式能够解决单台服务器的存储空间扩展与高性能传输需求。当前单台外置存储系统的容量已经发展到亿万字节TB级随着大容量硬盘的推出单台外置存储系统的容量还会上升。此外DAS还可以构成基于磁盘阵列的双机高可用系统以满足数据存储对高可用性的要求。
在这种存储系统体制下如果因操作系统出现故障而导致存储系统不能读取数据则往往只与操作系统直接相关。如果操作系统正常而存储子系统不正常可以通过对存储子系统的操作来恢复其可用性。
· NAS
NAS是“Network Attached Storage”的缩写通常译为“网络附加存储”其结构如图1-4所示。 图1-4 网络附加存储NAS
NAS作为网络附加存储设备采用了信息技术中流行的嵌入式技术使其具有无人值守、高度智能、性能稳定、功能专一等特点。NAS设备内置优化的独立存储操作系统可以有效地释放系统总线资源全力支持I/O存储。同时NAS设备大都集成本地备份软件可以不经过服务器而直接将NAS设备中的重要数据进行本地备份。而且NAS设备提供硬盘RAID、冗余电源和风扇以及冗余控制器可以保证NAS的稳定运行。
NAS设备主要用于实现不同操作系统下的文件共享与传统的服务器或DAS存储设备相比NAS设备的安装、调试、使用和管理非常简单。使用NAS设备可以节省一定的管理与维护费用。
NAS设备提供RJ-45接口和单独的IP地址可以直接将其挂接在主干网的交换机或其他局域网的集线器Hub上通过简单的设置如设置机器的IP地址等用户就可以在网络上“即插即用”地使用NAS设备而且进行网络数据在线扩容时也无须停顿从而保证了数据的流畅存储。
可见NAS是一个独立的存储子系统出现问题后需要直接对其进行恢复操作。问题可能出在其自身系统上也可能出在存储设备上。
· SAN
SAN是英文“Storage Area Network”的缩写通常译为“存储区域网络”其结构如图1-5所示。 图1-5 存储区域网络SAN
SAN采用了FC技术。FC是ANSIAmerican National Standards Institute美国国家标准学会为网络和通道I/O接口建立的一个标准集成它支持多种高级协议最大特性是将网络和设备的通信协议与物理传输介质隔离这样多种协议可在同一个物理连接上同时传送。宽带网络使用单I/O接口的结构特点使系统的架设成本和复杂程度大大降低。FC支持多种拓扑结构主要有点到点结构、仲裁环结构和交换式网络结构。
SAN是企业级存储解决方案。目前企业级存储解决方案所遇到的两个问题分别是数据与应用系统紧密结合所产生的结构性限制以及小型计算机系统接口Small Computer System Interface, SCSI标准的限制。在SAN中存储设备通过专用交换机连接到一群计算机上。该网络提供了多主机连接允许任何服务器连接到任何存储阵列让多主机访问存储器像主机间的互相访问一样方便。这样不管数据存储在哪里服务器都可直接存取所需的数据。
SAN和NAS最大的区别在于NAS有文件系统和管理系统但SAN却没有这样的系统功能其功能仅仅停留在文件管理的下一层即数据管理。SAN却没有这样的系统功能其功能仅仅停留在文件管理的下一层即数据管理。SAN和NAS并不冲突它们可以共存于一个系统网络中但NAS能够通过一个公共接口实现空间管理和资源共享而SAN只是为服务器存储数据提供了一个专门的快速后方通道。随着NAS和SAN应用的发展其数据恢复需求也越来越大。
3磁盘阵列层
第二层的存储网络几乎都使用磁盘阵列作为基本的存储设备。在这个层次上主要需要解决阵列散架、阵列卡损坏、磁盘掉线等故障。显然要想成功恢复RAID数据只对单个磁盘进行操作是没有太大意义的。根据不同的RAID类型对可以保证数据完整性的最小数量的磁盘进行操作并重建RAID才能成功恢复RAID数据。
目前RAID主要通过两种方式实现一种方式是硬RAID由专门的控制器也就是常说的RAID卡有些RAID卡只有数据接口没有RAID管理功能效果与软RAID一样来完成另一种方式是软RAID由软件方法来实现。
在过去RAID一直是高端服务器才会使用的设备通常与高档SCSI硬盘配合使用。SCSI RAID稳定性高、速度快但SCSI硬盘和SCSI接口的RAID卡价格都很高。后来随着技术的发展和产品成本的不断下降IDE硬盘和SATA硬盘的性能也有了很大提升加之RAID芯片的普及使RAID技术也应用到了IDE硬盘和SATA硬盘上有些主板还直接集成了RAID控制芯片RAID也因此逐步在个人用户之中得到普及。
RAID的类型主要有RAID 0、RAID 1、RAID 2、RAID 3 RAID 4、RAID 5、RAID 6、RAID 7以及一些组合方式如RAID 10等。常用的RAID类型主要有RAID 0、RAID 1和RAID 5。
4磁盘层
无论上层采用什么方式归根到底存储系统都离不开基础存储设备——磁盘尤其是硬盘。因此硬盘这一级别是整个存储体系的基础。
硬盘是集磁、电、机械装置于一体的精密的智能化设备在整个数据恢复技术体系中有着重要的地位和作用。同理存储安全在整个信息安全体系中也有着重要的地位和作用。
磁盘级恢复通常指磁盘数据不能正常访问时的操作和处理以硬盘为例通常包括3个层次。第一个层次是硬盘数据的逻辑问题。这种问题比较容易解决一般对上归入RAID级对下归入文件系统级。第二个层次是硬盘访问的问题即硬盘是否能够正常读写。显然在这种情况下必须首先解决硬盘的正常访问问题才能进一步恢复数据。这种问题通常由两种情况导致一种情况是硬盘内部管理系统出现问题可以通过专业的修复工具进行修复另一种情况是硬件出现问题如电机损坏、磁头损坏等需要在专门的环境下修理。第三个层次是数据被覆盖必须从存储机理上加以解决。
正逐步走向普通用户的SSDSolid State Disk或Solid State Drive固态硬盘是使用闪存颗粒作为存储部件的新一代存储产品。既然称为“固态硬盘”可见其数据管理沿用了传统硬盘的技术和方式。
5文件系统层
当文件系统出现问题而导致数据不可得时可以通过技术手段重建文件系统。如果只是分区表损坏那么只要重建分区表系统就能完全恢复到正常状态所有的文件都可以正常访问系统可以直接启动常见的误分区、误格式化、病毒破坏、误删除等都属于本层的操作。本层与操作系统是紧密联系在一起的不同的操作系统不同的文件系统其恢复手段与恢复效果都不一样。
6文件层
文件层包含了多种情况。很多时候文件系统损坏得比较严重恢复的效果不是很理想。特别是除文本文件外基本上各种类型的文档都有自己特定的格式如果有损坏就不能正常打开这就需要我们对这些文件格式有所了解。例如一个受损的Word文档用Word程序是无法正常打开并显示其内容的但它可能只是文件头部分损坏里面大量的文字信息并没有丢失。在这种情况下就可以通过技术手段将文字信息提取出来或者修复文件头让Word程序能够正常读取该文件。再如一段视频资料如果部分损坏将不能直接播放但经过处理就可以播放没有损坏的部分完全有可能重新获得需要的视频资料。还有就是判断文档的出处、加密与解密、信息隐藏等都是文件层的工作。目前全世界大约有3万多种文件格式在计算机中使用所以文件层是差别最大、应用最复杂、需要解决问题最多的一层如果将系统本身的一些文件格式也计算在内这一层的应用就更为复杂了如NTFS文件系统的日志文件、数据库系统的各种文件、加密文件等中都隐藏着大量的秘密。
7覆盖恢复
在以前写有数据的地方写入新的数据原有的数据就被覆盖了详见第1.3节。
1.3 也谈覆盖恢复
如果深入磁盘内部查看磁盘内部信息以及磁盘中的原始磁信息就会发现还有更多的信息是我们在操作系统下不可控或者说不可达的如图1-6所示。 图1-6 硬盘内部
用户数据经过ECC编码和通道编码再经过前置放大电路转换成相应的电信号由控制磁头写入存储介质形成相应的磁信号如图1-7所示。 图1-7 数据编码
而写入磁介质中的数据位也就是磁信息是一些非常小的磁迹如图1-8所示。 图1-8 磁盘上的磁迹
所谓的“覆盖”与“非覆盖”则如图1-9所示。在一段存储空间上原来存储了数据图1-9上面的部分当不再需要这些数据时这些空间就可以分配给新的数据使用。这时如果有新的数据写入这些空间图1-9下面的部分前后有两段空间写入了新数据。通过硬盘接口读取这两部分时当然只能读取新写入的数据与原来的数据没有任何关系其中的原始数据就会被覆盖而在未写入新数据的部分仍然可以读取原来的数据因为其中的原始数据没有被覆盖。 图1-9 覆盖与未覆盖
显然通过正常的硬盘接口只能读取最后写入的数据而无法读取覆盖之前的数据这才符合常理。如果既能读取新写入的数据又能读取原有的数据数据又怎么能被保存在硬盘中呢由此可见我们从硬盘接口读取的用户数据与最底层的磁信息有着复杂的对应关系并且各个硬盘厂商采用的编码方式也不统一。那种宣称自己有一套软件可以解决覆盖恢复问题的“高人”也未免太幼稚、太“可爱”了。详细的内部机制留待后续。
1.4 硬盘硬件的组成
从功能结构上看硬盘主要分为两大部分。一部分以机械部件为主将磁头与盘片安装在一起称为头盘组件Head-and-Disk Assembly, HDA也就是盘体与电路板相对应。盘体里面是一个无尘空间最大的基体是一个铝制的基座基座上安装着主轴电机、盘片、磁头电机、前置放大器/转接器、磁头、定位夹具等部件如图1-10所示。 图1-10 硬盘内部的主要部分
磁头与前置放大器/转接器直接固定在磁头臂上构成磁头组件如图1-11所示。 图1-11 磁头组件
两款实际硬盘的前置放大器/转接器分别如图1-12和图1-13所示。 图1-12 希捷酷鱼系列硬盘的针脚式前置放大器/转接器 图1-13 日立ATMR系列2.5英寸硬盘的前置放大器/转接器
硬盘电路板一般采用六层板。电路板上主要有以下4大类芯片。
[1] 系统控制芯片包括读/写通道、磁盘控制和使用精简指令集的微处理器。
[2] 包含磁盘固件的Flash ROM芯片。
[3] 主轴电机和音圈电机的控制驱动芯片。
[4] 高速缓存。
由于盘体要在无尘环境中才能打开而超净空间的造价及维护成本较高因此导致了硬盘的可修性很低。相对来说电路板的维修受到的限制要小得多配备热风焊台、电烙铁、万用表、示波器可选等就可以解决一般的问题。一个实际的硬盘电路板如图1-14所示。 图1-14 IBM DTLA-307030硬盘的电路板
硬盘电路的原理如图1-15所示。其中的微处理器指的是硬盘本身的微处理器与计算机的CPU没有关系。微处理器是电路板上的主控芯片是整个硬盘的灵魂就像CPU之于计算机。硬盘的微处理器其实也是CPU的一种它是一种数字处理芯片统管并控制硬盘的正常工作包括加电自检、进入正常工作状态、与计算机进行通信、传输数据、控制完成数字数据与磁信号的转换并读写数据等。 图1-15 硬盘电路原理
微处理器使用RISCReduced Instruction Set Computer精简指令集计算机体系结构。只要加电或复位微处理器就开始执行ROMRead-Only Memory只读内存中的程序进行自检初始化内存工作区和磁盘控制器并设置好所有与内部数据总线相连的可编程部件。完成这些工作后如果没有侦测到错误警告系统就会启动主轴电机进行内部测试检查RAMRandom Access Memory随机存取存储器然后通过端口向微处理器输入信号分析脉冲频率并等待主轴电机达到规定的旋转速率。一旦主轴电机达到规定的旋转速率控制器就会控制定位电路和磁盘控制器将磁头移到磁盘服务区并将磁盘服务区上的固件信息读入内存进行处理。如果读取成功微控制器将转换到就绪状态等待主机指令。
磁盘读/写通道包括安装在HDA内部的前置放大器/转接器、读/写电路以及同步时钟等部分。
驱动器的前置放大器有数个通道每个通道都与各自的磁头相连。这些通道的开、关由微处理器控制。前置放大器中还包括状态记录和错误传感器可在短路或磁头出现错误时发出错误信号。
读/写通道在写状态下接收由磁盘控制器发送的数据和时钟信号对数据进行编码然后进行预补偿将数据传送至前置放大器并写入硬盘中。在读状态下信号从前置放大器/转接器传送至自动控制电路在进行一系列处理并解码后数据将被传送至外部接口。
磁盘控制器是硬盘中最复杂的部件负责控制磁盘与主机的数据交换速率。磁盘控制器有4个端口分别与主机、微处理器、缓存和磁盘的数据交换通道相连由微处理器控制。
主轴电机控制器控制三相主轴电机。主轴电机由微处理器控制控制模式共有3种分别是启动模式、加速模式和稳定旋转模式。音圈电机控制器负责控制将磁头定位到相应的磁道。
但是实际的硬盘电路中不会有这么多的独立芯片尤其是现在芯片的集成度越来越高硬盘厂商在设计电路时都会尽量选取集成度较高的ICIntegrated Circuit集成电路芯片既减小了硬盘体积又提高了可靠性。伺服/电机速度控制器组合就是一种集成芯片昆腾QuantumCX/LCT系列硬盘采用的AN8428/TDA5247、旧款西部数据Western Digital简称WD硬盘采用的L6256、希捷U8/U10硬盘采用的23400278-002等都是这样的芯片。在很多设计中除了上面提及的IC内部的电源部分还会根据需要设计一些独立电源IC如磁头电路用8V稳压IC微处理器用3.3V/2.5V稳压IC等。硬盘接口控制器、微处理器、数字信号处理器也常常被集成在一块主芯片中如迈拓硬盘就采用了TITexas Instruments美国德州仪器公司的数字信号处理器并将这3个部分集成在一起只有旧型号的西部数据硬盘的电路和图1-15较为接近其微处理器采用80C196NU芯片数字信号处理器及接口控制器采用WD69C24芯片。
有些型号的硬盘将ROM集成在微处理器或数字信号处理器中。在这种方式下ROM中只有一些基本的固件程序而主要程序则存储在磁盘服务区中。如果采用独立ROM芯片则数字信号处理器大多采用TI的M29F102BB、WINBOND的W49L102、ATMEL的AT49F1024等电可擦写芯片。这样设计的好处是硬盘厂商在发现问题时可以让用户使用像刷写主板BIOS一样的方法来更新硬盘的ROM。
IBM AVER系列硬盘电路板的正、反面如图1-16和图1-17所示。 图1-16 IBM AVER系列硬盘电路板正面 图1-17 IBM AVER系列硬盘电路板背面
1.5 基本故障的可维修性
本节将介绍硬盘各部位的常见故障及判断检测方法并分析这些故障的可维修性。
1.5.1 各部位的常见故障
硬盘各部位的常见故障如下。
1供电
硬盘供电取自主机4个接线柱的电压分别是红色为5V黑色为地线两条黄色为12V。通过线性电源变换电路可以提供硬盘正常工作所需的各种电压。该供电电路如果出现问题会直接导致硬盘不能工作故障现象往往表现为无法通电、硬盘检测不到、盘片不转、磁头不寻道等。供电电路中经常出现问题的部位有插座的接线柱、滤波电容、二极管、三极管、场效应管、电感、保险电阻等。
2接口
接口是硬盘与计算机之间传输数据的通路接口电路出现故障可能导致硬盘检测不到、乱码、参数误认等现象。接口电路经常出现的故障有接口芯片或与之匹配的晶振损坏、接口插针折断或虚焊、脏污、接口排阻损坏等。部分硬盘的接口塑料损坏会导致厂商不予保修。
3缓存
缓存用于加快硬盘数据的传输速度。如果缓存出现问题可能导致硬盘无法被识别或者虽能认盘但无法进入操作系统等故障的发生。
4Flash ROM
Flash ROM用于保存硬盘的工作程序。硬盘的所有工作流程都与Flash ROM程序相关通、断电瞬间可能导致Flash ROM芯片损坏、程序丢失或紊乱。Flash ROM不正常会导致硬盘不能被识别。
5磁头芯片
磁头芯片贴装在磁头组件上用于放大磁头信号、进行磁头逻辑分配、处理音圈电机反馈信号等。该芯片出现问题可能导致磁头不能正确寻道、数据不能被写入盘片、硬盘不能被识别、硬盘异响等故障的发生。
6前置放大器
前置放大器用于加工和整理磁头芯片传来的数据信号。如果该芯片出现问题可能导致不能正确识别硬盘。
7数字信号处理器
数字信号处理器用于处理前置放大器传送过来的数据信号并对该信号进行解码或者接收计算机传来的数据信号并对该信号进行编码。
8电机驱动芯片
电机驱动芯片用于驱动硬盘主轴电机和音圈电机。目前由于硬盘转速太高常常导致电机驱动芯片发热量太大从而造成损坏。据不完全统计大约有70%的硬盘电路故障是由该芯片的损坏引起的。
9盘片
盘片用于存储数据发生轻微划伤时有可能通过软件按一定的算法解码纠错但发生严重划伤时数据不可恢复。
10主轴电机
主轴电机用于带动盘片高速旋转。目前的硬盘大多使用液态轴承马达精度极高剧烈碰撞后可能会使间隙变大从而导致数据读取困难、硬盘出现异响或根本检测不到硬盘。出现该故障后需用专用设备才能读取数据。另外电机转速必须达到额定转速因为达到额定转速后硬盘内部的磁头闭锁机构才会释放磁头。例如昆腾硬盘主轴驱动损坏会导致盘片转速不稳定从而导致磁头反复定位也会导致磁头敲盘而发出响声当然也就不能完成硬盘初始化且无法识别硬盘了。
11磁头
磁头用于读取或写入数据。硬盘受到剧烈碰撞时易导致磁头损坏从而使硬盘无法被识别。碰伤盘片同样会导致数据不可读取。
12音圈电机
音圈电机即闭环控制电机用于把磁头准确定位在磁道上。该电机较少损坏。
13磁头停放卡
以前只有笔记本硬盘和3.5英寸的IBM、日立硬盘有磁头停放卡用于使磁头停留在启停区所以这种硬盘容易出现磁头不能从盘片回到磁头停放卡上的故障导致主轴电机不转通常叫卡头。
1.5.2 基本判断方法
系统在启动时会进行一些基本测试并根据测试结果给出错误提示这些错误提示可以帮助我们了解故障的所在。常见故障提示信息的含义如下。
Data error数据错误从软盘或硬盘上读取的数据存在不可修复的错误磁盘上有坏扇区和坏的文件分配表。
Hard disk configuration error硬盘配置错误硬盘配置不正确跳线不对硬盘参数设置不正确等。
Hard disk failure硬盘失效硬盘配置不正确跳线不对硬盘物理故障等。
No boot device available无引导设备系统找不到作为引导设备的软盘或硬盘。
Non system disk or disk error非系统盘或者磁盘错误作为引导盘的磁盘不是系统盘不含有系统引导文件和核心文件或者磁盘本身故障。
Sector not found扇区未找到不能定位给定扇区。
Seek error寻道错误不能定位给定扇区、磁道或磁头。
Reset failed硬盘复位失败硬盘或硬盘接口电路故障。
Fatal error bad hard disk硬盘致命错误硬盘或硬盘接口故障。
No hard disk installed没有安装硬盘没有安装硬盘但是CMOS参数中设置了硬盘硬盘没有接好或存在故障。
有时系统会返回相应的硬盘故障代码。常见的硬盘故障代码如表1-1所示。
表1-1 硬盘故障代码 1.5.3 电路板的检测
下面介绍一些常见的硬盘电路板故障和简单的维修方法。
1故障检测 电路板的检测通常先采用直接目视法和闻嗅法查看有没有明显的烧焦痕迹和断路可使用台式放大镜或普通放大镜进行查看。如果有烧焦部分有时即使看不出来也可能直接闻到烧焦的味道由此即可判断电路板的状况。在这些方法不能奏效的情况下还可以使用仪器设备进行测试。 加电自测时如果出现错误提示一般就可以说明硬盘确实有故障但也可能是硬盘数据线质量不好或者接触不良而导致的问题。此时可先检查信号电缆线查看插头与主板插槽是否插好有无插错或接触不良还可尝试更换一些电缆插头进行测试。实际工作中常会遇到这种情况有些仅仅是电源线接头接触不好造成的硬盘工作不稳定。如果采用以上方法还不能解决故障应进一步检测5V、12V电源是否正常以此来判断是否存在外电路故障。 另外还可以在加电情况下用万用表测量部件或元件的各管脚对地电压值并将其与逻辑图给出的或其他参考点的电压值进行比较。若电压值与正常参考值相差较大可判断是该部件或元件有故障若电压正常则说明该部分完好可转入对其他部件或元件的测试。硬盘步进电机额定电压为12V。由于硬盘启动时电流较大当电源稳压不良时电压从12V下降到10.5V会导致转速不稳或启动困难。硬盘驱动器插头、插座都有自己的标准电压高电平为2.53.0V。若高电平输出电压小于2.5V低电平输出电压大于0.6V即说明存在故障。逻辑电平的测量可用示波器或逻辑笔进行。 除了测电压还可以用万用表电阻档测量部件或元件的内阻根据阻值的大小或通断情况来分析电路中的故障。一般元器件或部件的输入引脚和输出引脚对地或对电源都有一定的内阻用普通万用表测量通常表现为正向电阻小、反向电阻大。一般正向阻值在几十欧姆记作Ω至100欧姆左右而反向电阻多为数百欧姆或更大但正向电阻决不会等于0或接近0反向电阻也不会为无穷大否则就应怀疑管脚是否有短路或开路的情况。当断定硬盘子系统的故障点是在某一板卡或几块芯片上时就可用电阻法进行查找。关机停电后可测量元器件或板卡的通断、开路/短路、阻值等并以此来判断故障点。硬盘步进电机绕组的直流电阻标称值一般在24欧姆左右如果测量值为10欧姆左右表示局部短路如果测量值为0或小于10欧姆则表示绕组短路或烧毁。硬盘驱动器的数据线常用通断法进行测量而其电源线则既可拔下单独测量也可在加电状态下测量其对地阻值如果阻止为无穷大表示断路如果阻值小于10欧姆应怀疑局部短路需进一步检查。 目前硬盘电路板上的元器件基本为贴片式元器件西部数据、迈拓Maxtor、IBM、日立等硬盘的PCB控制电路板上的电阻、电容、二极管、三极管等都有统一的标识如电容标注为“C”、电阻标注为“R”、二极管标注为“[插图] ”、三极管标注为“Q”等。电阻上都标有数字和字母如接口处的排阻上标注的“510”、“220”等分别表示其阻值为51×100、22×100即最后一位表示10的m次方计算方法为用去掉最后一位数后的数字乘以10的m次方再如“1002”表示其阻值为100×102, “1102”表示其阻值为110×102。 用万用表电阻档进行测量时要取下电阻的一个脚因为如果被测电阻在电路板上和其他电阻并联测得的阻值就会变小从而使测量结果不够准确。 电容通常不会损坏测量起来也不方便而且一般的电容损坏也不会造成太大的影响。 二极管损坏的情况比较多尤其是希捷和迈拓硬盘其电源接口处的二极管容易损坏表现大多为短路阻值为0。二极管正向导通是有阻值的锗管大约为1KΩ硅管约为57KΩ其反向阻值一般大于100KΩ。 维修硬盘的控制电路板时二极管短路的情况较多即阻值为0表现为接通电源后主机电源会进行短路保护。 硬盘电路板上的三极管很少一般也不易损坏测量方法同二极管。三极管就是两个二极管而已。
2维修方法
电路板的维修方法大体可以分以下几步。
第1步 用直接目视法进行观察。
第2步 测量电源接口处的5V、12V脚对地阻值如果短路一般为12V脚处的二极管或电容对地短路。此时应找到损坏的二极管或电容更换损坏的元器件直到5V、12V脚对地不短路为止。
第3步 加电听硬盘主轴电机是否正常转动磁头是否有初始化的声音要接上数据线尤其是有些品牌的串口硬盘不接数据线磁头不会转动。
第4步 如果加电后硬盘主轴电机不转也无电流声要用万用表测量电源接口处标有“F”或者“L”的电阻保险电阻如果断路电阻值很大应进行更换。
当使用以上方法仍找不出故障点时最直接的方法就是更换电路板根据兼容规则用同型号硬盘的控制电路板进行更换更多时候还需要同时更换ROM芯片只有很少一部分硬盘的控制电路板可以通用。
根据经验控制电路板故障点主要出现在以下方面。 电源接口处的保险电阻烧坏断路尤其是2.5英寸和1.8英寸的笔记本硬盘移动硬盘表现为加电时硬盘主轴电机不转、无电流声。 电源接口处的稳压二极管烧坏短路尤其是3.5英寸的希捷、迈拓硬盘希捷硬盘居多表现为加电时主机电源短路保护。 电源接口处的滤波器和稳压器烧坏短路尤其是3.5英寸的西部数据、迈拓硬盘表现为加电时主机电源短路保护。 数据接口处的排阻损坏或者开路主要出现在IDE硬盘上表现为硬盘型号被识别成乱码。 磁头读写控制芯片损坏或者其外围电阻损坏以2.5英寸硬盘居多表现为主轴电机正常转动而磁头不动接上数据线时。 主控芯片损坏、管脚开路。如果主控芯片损坏一般在加电时芯片会发烫硬盘主轴电机不转测量芯片周围的电容时电容管脚对地短路。当芯片管脚开路时硬盘加电后会正常初始化但硬盘不能被识别或被识别为乱码。 电机驱动控制芯片损坏烧坏或者不稳定。一般加电时芯片会发烫或者已经烧焦。芯片烧坏后硬盘加电时主轴电机不转不稳定时硬盘加电主轴电机能够起转但转速不够或发出异响像磁头损坏后的声音但是仔细听时其异响没有规律。磁头损坏时磁头会有规律地敲盘或者硬盘冷却时能正常使用发热后出现异响。 Flash ROM损坏或者数据丢失表现为硬盘加电时主轴电机不转。数据丢失后硬盘可以初始化但初始化不完全硬盘无异响但不能被识别也不会出现乱码。由于硬盘的Flash ROM数据一般不通用早期的硬盘大部分通用所以修理起来难度很大对硬盘固件的知识研究比较深的工程师才有可能修复此类故障。 前置放大器损坏表现为磁盘加电时发出异响或者主轴电机正常转动而磁头不转动接上数据线时。由于前置放大器位于盘腔内部更换时需要开盘而且现在的硬盘前置放大器采用BGA封装更换难度大所以一般采用更换磁头的方法来解决。早期更换磁头的数据恢复成功率可达到100%但随着数据密度的增加成功率有一定幅度的下降。
维修硬盘时需要特别注意以下几点 拿到故障硬盘时在加电检测之前要用“直接目视法”查看控制电路板有无烧伤。 检测电源接口处的5V、12V脚对地阻值。如果阻值为0应找出损坏元件直到阻值正常为止。 更换控制电路板时一般要更换Flash ROM。由于Flash ROM很“脆弱”温度高时会被烧坏所以更换时要注意温度不能太高而且只能对其管脚均匀加热不能对芯片中心加热。当然更换所有的集成IC时最好都这样做只是由于Flash ROM的唯一性所以需要特别注意因为损坏Flash ROM可能导致数据彻底丢失。 早期生产的SCSI硬盘如果更换控制电路板后可正常识别但无法正常读写数据需要更换Flash ROM。 对1.8英寸的东芝硬盘特别是孔式接口硬盘在维修时要注意转接头的方向。一旦错将5V电源直接接到主控芯片上主控芯片马上会被烧坏。由于Flash ROM也集成在主控芯片里所以烧坏后硬盘几乎不能修复数据也将无法提取。 2.5英寸以下的硬盘只需要5V供电。3.5英寸及以上硬盘的12V供电主要给主轴电机供电5V供电主要给其他控制电路供电。 更换控制电路板时最好能使用同型号硬盘的电路板。如果找不到同型号硬盘的电路板可以使用板号一样的硬盘控制电路板例如日立的HTS541680J9SA00硬盘可以HTS541660J9SA00硬盘的控制电路板进行更换其板号为220-0A28613-01但主控芯片型号必须一样其主控芯片型号为0A28644而且需要同时更换Flash ROM。 更换缓存时也要使用同品牌、同型号硬盘的缓存否则硬盘能被正常识别但会出现全盘坏扇区。当然缓存损坏的情况极少。
硬盘的电路非常复杂集成度越来越高每一代的硬盘的常见故障点都不一样需要在维修时归纳总结不过其中也不是没有规律只要见得多了修得多了就能很快找出故障点。
在修理硬盘时有时也会用到电流测试法。这是因为局部短路时短路元件会升温、发热并可能引起保险丝熔断。这时可将万用表串入故障线路检查电流是否超过正常值。硬盘电源12V的工作电流一般为1.1A左右。当硬盘负载电流过大时会使硬盘启动时好时坏。如果电机短路或负载过大轻则导致保险丝熔断重则导致电源控制芯片烧坏、开关调整管损坏。
如果条件许可可将测试信号送至故障部位进行测试例如用逻辑笔或示波器按逻辑图进行检测。如果被检测部分出现波形延迟过大、相位不对、波形畸变等现象则说明故障点就在当前部分应仔细进行进一步的检查。
维修时最简单有效的方法就是直接采用替换法确定故障部件。硬盘电路板具有一定的通用性可根据其通用性标签使用无故障的电路板进行替换以验证电路板是否损坏。在使用这种方法时要把需要恢复数据的硬盘电路板替换到不需要恢复数据的盘体上进行检测尽量避免对需要恢复数据的硬盘造成不必要的意外损坏。
1.5.4 IDE/SATA接口
IDE接口标准中各针脚信号的定义如表1-2所示。“方向”是相对硬盘而言的“I”表示进入硬盘“O”表示从硬盘出来“I/O”表示双向名称后带有“-”表示低电平有效。
表1-2 IDE接口40针线针脚定义 表注1— CSEL一条排线上有两个存储设备时可通过该信号确定某存储设备为设备0主设备或设备1从设备。
2— PDIAG-/CBLID-一条排线上有两个存储设备时设备1通知设备0设备1已检测通过也用于确定是否有80芯的排线连接到接口上。
主机对IDE硬盘的控制是通过硬盘控制器上的两组寄存器实现的其中一组为命令寄存器组另一组为控制/诊断寄存器如表1-3所示。
表1-3 寄存器组 特征寄存器中的内容作为命令的一个参数其作用随命令而变化。扇区数寄存器用于指示该次命令所需传输数据的扇区数。扇区号寄存器、柱面数寄存器低、高、驱动器/磁头寄存器合称介质地址寄存器用于指示该次命令所需传输数据首扇区的地址寻址方式可以用柱面/磁头/扇区Cylinder/Head/Sector, CHS方式或逻辑块地址Logical Block Addressing, LBA方式在驱动器/磁头寄存器中指定。
命令寄存器用于存储执行的命令代码。当向命令寄存器写入命令时相关的参数必须先行写入。写入命令后硬盘立即开始执行命令。状态寄存器保存硬盘执行命令后的结果供主机读取其主要位有BSY驱动器忙、DRDY驱动器准备好、DF驱动器故障、DRQ数据请求、ERR命令执行出错。辅助状态寄存器与状态寄存器的内容完全相同但读取该寄存器时不会清除中断请求。错误寄存器中包含了命令执行出错时硬盘的诊断信息。
数据寄存器是在PIOProgramming Input/Output传输模式下主机和硬盘控制器的缓冲区之间进行数据交换的寄存器是数据端口在DMADirect Memory Access直接存储器访问传输模式下专用的数据传输通道。
后来出现的80针线硬盘对40针线硬盘是兼容的增加的40条线是在原有40芯排线的每条线芯之间都增加了1条线并将这40条新线与原有40芯排线之中的7条地线相连把构成串扰Crosstalk现象的电磁波滤走在高速电子信号传输系统中当大量带着高频信号的电线互相靠近的时候信号线上发出的电磁波便会互相干扰这就是Crosstalk现象以提高数据传输的稳定性。
笔记本的2.5英寸硬盘是44针的140针与3.5英寸硬盘针脚的定义相同后4针是电源针脚按照与前面40针相同的顺序数下来依次为5V、5V、Ground、空。
SATA的全称是“Serial Advanced Technology Attachment”串行高级技术连接是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盘接口规范。在IDF Fall 2001大会上Seagate发布了Serial ATA 1.0标准正式宣告了SATA规范的确立。SATA规范将硬盘外部传输速率的理论值提高到150MB/s比PATA标准的ATA/100高出50%比ATA/133也高出约13%而SATA接口2X和4X标准的传输速率更是达到300MB/s和600MB/s。
SATA硬盘数据接口为7针如图1-18所示电源接口为15针。笔记本硬盘接口与台式机硬盘接口一样只是没有提供12V的额定电压如图1-19所示。 图1-18 SATA串行数据接口定义 图1-19 SATA电源接口定义
1.5.5 基本故障的可维修性
下面简单分析硬盘基本故障的可维修性。
1引导出错不能正常启动
这种情况下有时候可能只是操作系统或文件系统出错清除MBR、重新分区就可以修好如若不行归入以下第3点。
2出现坏道
硬盘出现坏道时可正常分区可格式化但SCANDISK扫描会发现“B”标记也就是通常所说的有了“坏道”并且常常出现系统变慢、长时间无响应等现象。无论是物理坏道还是逻辑坏道“B”标记数量少的话基本上都可以修好使用MHDD、THDD等工具软件就可以解决。
3不能正常分区或分区后无法格式化
这种情况需要使用专业维修软件修理。视不同品牌、不同型号的硬盘修复成功率有所不同。
4通电后主轴电机不转
这种情况一般是电路板发生了故障换掉电路板IC或整个电路板需要根据电路板兼容性标签选择可替换的电路板均可修复起转后视不同情况进行处理。当然极个别情况下也有可能是主轴电机出现问题只是这种问题出现的概率很低有时可能只是主轴电机被卡住。
5自检声正常BIOS不认盘
这种情况可能由多种原因造成。如果是电路板的问题则修复电路板如果是硬盘进入内部保护模式则需用专业软件切换。富士通硬盘出现这种问题的情况较多修复成功率也较高。如果是其他问题需进一步进行处理。
6通电后磁头敲击不止或敲击延续一段时间后停止
这种情况多由磁头损坏引起可以通过更换磁头来恢复数据根据磁头兼容性规则但各个品牌硬盘恢复的成功率差别很大需要谨慎选择。如果不需要挽救数据就没有必要更换磁头因为市场上没有单独的磁头出售。
7遗忘密码
大部分硬盘可以设置密码保护如不慎忘记密码将极难解开。不过办法还是有的——大部分型号的硬盘都可以用专业软件或设备去除密码保护如PC3000、硬盘维修指令等。
8受损严重坏扇区过多
如果硬盘受到严重破坏坏扇区太多有些型号的硬盘坏扇区不允许超过3 000个有些不允许超过8 000个有些却允许超过10 000个解决方法是切除有问题的磁头用降低容量并更改型号的方式把原硬盘当做低一级的硬盘使用也就是通过专业软件将集中出现问题的盘片存储区域除去不用。在后面的章节中将针对各品牌的硬盘详细介绍其操作过程。
1.6 电路板的修理
当硬盘出现硬件类型的故障时应本着先易后难的原则首先考虑电路板的问题。
1.6.1 典型硬盘芯片的电阻值
硬盘电路板损坏部分情况下可通过维修来解决部分情况下可通过更换能够相互替换的电路板来解决。
在第1.5节中已经介绍过硬盘电机驱动芯片是硬盘电路部分最易损坏的芯片。早期的硬盘如昆腾硬盘有高达70%的硬盘电路故障都是由该芯片的损坏引起的。现在生产的硬盘电机驱动芯片由于工艺的改进以及外围保护电路的增加一般已经很少损坏。
电机驱动芯片是否损坏可以通过芯片周围引脚的对地阻值来大致判断。表1-4列出了常见硬盘电机驱动芯片各引脚的对地反向阻值可用于确认电机驱动芯片是否损坏。表1-4中的数据均采用9205型数字万用表红表笔接地、黑表笔指向被测引脚测得。对只有2面引脚的芯片从第一个引脚开始按逆时针方向用2列数字来表示引脚其中第一列表示的是第一面的阻值第二列表示的是第二面的阻值。对4面都有引脚的芯片从第一个引脚开始按逆时针方向用4列数字来表示引脚其中第一列表示的是第一面的阻值第二列表示的是第二面的阻值以此类推。
表1-4 Conner CT210硬盘电机驱动芯片各引脚对地反向阻值 表1-5 IBM系列硬盘电机驱动芯片各引脚对地反向阻值 续表 续表 表1-6 Maxtor系列硬盘电机驱动芯片各引脚对地反向阻值 续表 表1-7 Seagate系列硬盘电机驱动芯片各引脚对地反向阻值 续表 表1-8 Quantum系列硬盘电机驱动芯片各引脚对地反向阻值 续表 表1-9 Western Digital系列硬盘电机驱动芯片各引脚对地反向阻值 续表 表1-10 Samsung系列硬盘电机驱动芯片各引脚对地反向阻值 电路板的修理都是基于基本的电路维修原理没有什么特别的知识因此这里只是简单介绍一些。
1.6.2 电路板的兼容性
各个厂商生产的硬盘既有属系又有型号这些硬盘的电路板有些可以通用有些不能通用因此了解其兼容性是更换电路板的基础。各品牌硬盘电路板的兼容性问题将在各系列硬盘中进行介绍。
1.7 硬盘缺陷
在老式硬盘中采用的都是比较古老的CHS结构体系。这是因为当时硬盘的容量非常小自然就直接采用了与软盘类似的结构。这种结构的硬盘盘片的每一条磁道都具有相同的扇区数由此产生了所谓“3D参数”Disk Geometry即磁头数Heads、柱面数Cylinders、扇区数Sectors及相应的3D寻址方式。其中磁头数表示硬盘总共有多少个磁头也就是使用了多少个盘面最大值为255用8个二进制位存储柱面数表示硬盘每一面盘片上有多少条磁道最大值为1 023用10个二进制位存储扇区数表示每一条磁道上有多少个扇区最大值为63用6个二进制位存储扇区容量一般是512字节。
所以磁盘最大容量为
255×1023×63×512/10485768024MB1MB1048576Byte
或按硬盘厂商常用的单位计算最大容量为
255×1023×63×512/10000008414MB1MB1000000Byte
由于在老式硬盘的CHS结构体系中每个磁道的扇区数相等外道的记录密度远低于内道因此会浪费很多磁盘空间。为了进一步提高硬盘容量现在硬盘厂商都改用近似等密度结构的方式生产硬盘。也就是说每个扇区的磁道长度近似相等外道的扇区比内道多。这两种方式的对比如图1-20所示。 图1-20 扇区划分的两种方式
采用这种结构后硬盘不再具有实际的3D参数寻址方式也改为线性寻址即以扇区为单位寻址。为与使用3D寻址的软件如使用BIOS Int 13H接口的软件兼容厂商通常会在硬盘控制器内部安装一个地址翻译器负责将新的线性参数翻译成老式的3D参数。这也是现在硬盘的3D参数可以有多种选择的原因。
在逻辑0扇区之前还有物理0扇区。从物理0扇区到逻辑0扇区是硬盘的系统服务区Service Area, SA可用来存储硬盘的各种信息、参数及一些控制程序有些硬盘的Firmware固件也存放在系统服务区。这样虽然可以进一步简化生产流程加快生产速度降低生产成本但是从另一方面看却又大大增加了硬盘出现致命性损坏的几率并且缩短了硬盘的使用寿命。例如十几年前生产的200MB容量的硬盘和8年前生产的1.xGB容量的硬盘到现在还能非常好地工作别说是坏道运行时几乎连噪音都没有但是后来出现的4.3GB、6.4GB、10GB、20GB容量的硬盘使用年限就短一些现在的高密度硬盘其寿命就更难说了。
新式硬盘也不是简单地采用等密度结构生产的硬盘而是对硬盘盘面进行区域划分且每个区域的参数都不一样。这些参数可通过专用工具如PC3000查看。例如IBM的桌面之星40GV和75GXP硬盘将盘面划分为15个区域各个区域的参数如表1-11所示。
表1-11 IBM桌面之星40GV和75GXP盘面划分 这么复杂的系统在使用一段时间后难免会出现各种各样的故障。一般来说硬盘的损坏按大类可以分为硬损坏和软损坏。硬损坏包括磁头组件损坏、控制电路损坏、综合性损坏和扇区物理性损坏4种软损坏包括磁道伺服信息出错、系统服务区出错和扇区逻辑错误等。
磁道伺服信息出错是指因为某个物理磁道的伺服信息受损或失效导致部分物理磁道无法被访问。伺服信息可以散布在磁道中也可以集中在柱面内如图1-21所示。 图1-21 伺服信息的分布方式
系统服务区出错是指硬盘的系统服务区在通电自检时读不出某些模块或者模块信息校验不正常导致硬盘无法进入就绪状态。
扇区逻辑错误会导致扇区失效具体如下。
UNC校验错误ECC错误和CRC错误。
IDNF错误扇区标志错误。
AMNF错误地址标记错误或磁道地址没有被发现。
BBK错误坏块标记错误。
一般来说硬盘的软损坏是可以修复的很多硬盘厂商发布的硬盘管理和维护软件都具备修复硬盘软损坏的能力。像扇区逻辑错误这样的问题即使是一般的低级格式化软件也是完全可以胜任的。不过在所有的软损坏当中系统服务区出错属于比较难以修复的种类因为即使是同一家厂商生产的同一种型号的硬盘系统服务区也不一定相同而且硬盘厂商一般不会公开自己产品的系统服务区的内容和读取的指令代码。目前只有IBM和日立硬盘的系统服务区有公开的修复程序。日立的DFT和IBM的DDD-SI软件对系统服务区出错的修复成功率还是很高的。这两款软件都是由硬盘厂商发布的有非常强大的功能效果和可靠性比第三方软件要好当然它们只分别对IBM和日立的产品有效。
其实即使是刚刚出厂的全新硬盘其盘片上也不可能没有瑕疵。由于磁盘盘片非常精密对生产环境和移动都有非常高的要求即使是一粒灰尘、一次很轻微的碰撞都可能导致几个到几百个坏扇区的产生。所以一般的120GB容量的全新硬盘其盘片上有几千个坏扇区也是很正常的只不过硬盘厂商会使用专门的设备去扫描盘片把那些坏扇区和磁介质不稳定的扇区都记录下来做成一个硬盘缺陷列表通常称为P-List并将它写进系统保留区然后通过控制程序将这些扇区屏蔽使硬盘的控制程序在读取硬盘数据的时候不会再去读取这些区域。这样由于在控制层就已经屏蔽了有问题的扇区所以用户无论使用哪种格式化和分区软件都不会看到这部分扇区硬盘看起来就像真的完全没有坏道一样。同时硬盘里面还有另外一种封闭区域称为保留容量。这是完全没有问题的区域只是因为某种原因被封闭起来了。例如一块硬盘的容量是60GB而盘片单片容量为40GB那么由两片盘片构成的硬盘就必须封闭20GB的容量盘片的生产线都是一定的厂商为了降低成本一般只生产一种容量的盘片所以要通过封闭不同容量的区域来获得不同的实际硬盘容量。
弄清楚硬盘的生产原理就很容易理解厂商是如何维修硬盘的了。对于控制电路、磁头等部件的故障用最简单的替换法换上新的零件就可以了。对于IC芯片可以通过重写信息内容或者替换IC芯片等方式修理。对于磁盘盘片的问题情况会比较复杂。首先厂商会用专门的仪器或设备对盘片表面按照实际的物理地址重新进行全面扫描找出所有坏的、不稳定的扇区形成一个新的硬盘缺陷列表然后将该列表写进硬盘系统服务区以替换原来的硬盘缺陷列表再调用内部低级格式化程序对硬盘进行内部低级格式化。硬盘修复软件会根据新的系统服务区信息重新对所有的磁道和扇区进行编号、清零并重写磁道伺服信息和扇区信息减少扇区的容量则从保留扇区中提取。经过这样的处理返修的硬盘就又可以像新的硬盘一样使用了。
目前软件修复硬盘扇区的物理性损坏一般有两种主要方式分别是反向磁化和修改硬盘缺陷列表。
反向磁化是最先被应用的一种修复硬盘扇区物理性损坏的方式。一般的硬盘的磁头只能负责读取和写入信号而读取、写入数据信号所需的电平信号与磁盘表面的磁介质本身是不一样的。而反向磁化就是通过用软件指令迫使磁头产生与磁介质本身相应的高低电平信号通过多次的往复运动给损坏或者失去磁性的扇区加磁使这些扇区的磁介质重新获得磁能力HDD Regenerator是最先采用这种方式的软件。反向磁化最大的缺点是速度慢对一个磁介质不稳定或失去磁能力的扇区进行磁化磁头很可能要往复成百上千次。如果硬盘上只有几十个或几百个坏扇区这种方法或许还可行但是现今硬盘的容量动辄数百千兆字节GB甚至数万亿字节TB有上万个坏扇区是很平常的事情如果再用这种方法去修理则会大大加快硬盘报废的速度。另外这些扇区的磁介质本身就不稳定即使再次被磁化在一段时间内可以使用但仍随时有重新失去磁能力的危险硬盘其实并不稳定。同时这种方法不能修复物理划伤之类的硬损坏。
对这种硬盘在需要恢复数据时一般通过扇区克隆或者镜像工具如PC3000、MTL、COPR等将硬盘分区或整个磁盘克隆到正常硬盘上或者做成镜像文件然后使用手工方式或者软件常用工具如Runtime、Winhex、R-Studio、UFS Explorer、File Scavenger等提取数据。
修改硬盘缺陷列表的方式就是对反向磁化的改进这种方法和上面所介绍的硬盘厂商的维修方法非常相似。由第三方服务商根据厂商公开的技术资料结合分析和逆向工程逐步破解厂商的部分指令代码甚至固件编制出程序软件实现读取、修改和重写硬盘系统服务区信息的功能。这样第三方服务商就可以像硬盘厂商一样对磁盘盘面按照物理地址进行扫描重新构造缺陷扇区列表并将该列表写进系统服务区来替换原有的列表。经过这样的软件方法维修的硬盘从理论上说与硬盘厂商维修的硬盘是没有差别的。PC3000、MHDD、HRT、效率源等就属于这种工具。
1.8 硬盘初始化过程与固件维修基础知识
硬盘电路板上放置了支持硬盘工作的各种电路包括接口、DSP处理器、ROM、内存硬盘DSP处理器使用的内部内存作用与主机内存类似、信号处理电路和电机驱动电路等。DSP处理器用于控制信号和数据的转换、进行编/解码等操作。ROM中存储了硬盘初始化操作所需的部分程序。ROM可能分为两部分一部分是集成在DSP内的ROM这是一定要有的除了集成在DSP内的ROM还有扩展ROM表现为PCB上独立的ROM芯片可能是EPROM、Flash ROM等。如果有扩展ROM则DSP首先从扩展ROM启动。信号处理电路负责对信号进行编/解码和变换。电机驱动电路负责精确控制盘片的转速和进行磁头定位。
正常情况下硬盘在接通电源之后都要进行初始化过程这个过程也称为自检。自检时硬盘都会发出一阵自检声这些声音的长短和规律视不同品牌而异但同型号的正常硬盘的自检声是一样的。
自检声是由硬盘内部的磁头寻道及归位动作发出的。为什么硬盘刚通电就需要执行这些动作呢简单地说是因为硬盘正在读取记录在盘片中的初始化参数这些参数就是硬盘的“固件”。由于现在固件的概念用得比较滥这里姑且约定DSP使用的微代码称为程序或微程序硬盘服务区有时也称为系统服务区指的是硬盘上从物理0扇区至逻辑0扇区之间的区域也就是我们常说的“负磁道”的位置而固件是没有严格定义的一个词汇有时候指硬盘内部所有的系统软件和参数有时候仅指系统服务区内的参数与表格本书也不加以区分请读者根据上下文自行判断。以上各部分的位置关系如图1-22所示。 图1-22 微程序、固件等的位置关系
硬盘有一系列基本参数包括品牌、型号、容量、柱面数、磁头数、每磁道扇区数、系列号、缓存大小、转速、适配数据、区域分配表、S.M.A.R.T值等这些参数就是固件。其中的一部分会标注在硬盘标签上有些则只能通过专用软件才能检测出来。这些参数仅仅是初始化参数的一小部分盘片中记录的初始化参数有数十甚至数百个。重要的是没有这些参数硬盘就不能正常工作。
硬盘的DSP处理器在通电后首先运行ROM中的程序如果有扩展ROM就从扩展ROM启动如果没有扩展ROM就从内部ROM启动一部分硬盘还会检查各部件的完整性。然后主轴电机起转当转速达到预定转速时磁头开始移动并定位到盘片的服务区读取存储在硬盘服务区中的微程序和固件。固件在硬盘上的物理位置并不是一定的完全由硬盘的设计决定。参数以模块的形式表现出来可能每个参数占用一个模块也可能几个参数共同占用一个模块。模块的大小也不一样有些模块只有1字节有些则达到几十千字节KB。参数不是连续存储的而是各有各的固定位置。同时也不是所有固件都一定要写在盘片上。一部分硬盘会先将ROM中的系列号与盘片上的系列号进行比较如果不一致硬盘会终止初始化工作。如果固件的关键扇区或文件损坏硬盘就可能出现敲盘、不能被BIOS识别或识别错误等故障。
当所有必需的固件被正常读出后磁头会定位到硬盘的0柱面、0磁头、1扇区也就是我们常说的“0道”。一般来说硬盘的0磁头靠近盘片电机也就是硬盘的底部而0道靠近盘片的边缘。硬盘向主机报告就绪后我们才能对硬盘进行操作。
如果某一项重要参数找不到或出错启动程序将无法完成正常启动过程硬盘会进入保护模式DSP程序结束无法进入正常的工作状态。在保护模式下用户可能看不到硬盘的型号与容量等参数或者无法进行任何读写操作。近来有些系列的硬盘就是因为固件出错而出现类似的问题如富士通的MPG系列自检声正常却不认盘迈拓的美钻系列认不出正确型号及自检后停转西部数据的BB、EB系列能正常认盘却拒绝进行读写操作等。
对一块硬盘来说并不是所有的空间都用于存储用户的数据信息有相当一部分空间对用户来说是不可见的包括系统服务区和备用区Reserve Area也称为保留区。而用户数据、文件系统等都存储在用户数据区。系统服务区用于存储服务信息即硬盘的内部程序和一些辅助表格以保证硬盘能够正常工作。备用区用于替换用户工作区内的故障扇区和磁道。这两个区域在日常使用时是无法访问的需要在特定模式下通过专用指令进行访问。用户访问的工作区称为硬盘的逻辑空间硬盘的容量标签中标注的就是这一部分空间的容量。这一部分空间的容量也是操作系统管理的容量。
而要访问系统服务区就必须使用相应的指令系统并在某种条件下进行。一旦进入这个指令系统我们就可以借助这些技术指令进行很多操作如读/写系统服务区的扇区信息、获取系统服务区的模块和表格配置图、获取扇区分配表、进行LBA与PCHSPhysical Cylinder Head Sector物理柱面、磁头、扇区互换、进行低级格式化、读/写硬盘ROM等这些都是在通常模式下无法进行的操作。
硬盘是一个复杂的智能系统要完成复杂的工作需要很多条件。一个DSP处理系统的工作原理如图1-23所示。 图1-23 DSP处理系统的工作原理
DSP是“Digital Singal Processing”的缩写使用RISC常采用指令和数据分开的哈佛结构并采用多线程操作方式一般用在实时控制系统中硬盘就是其典型应用之一。DSP的运行需要程序和参数的支持而程序和参数就存储在ROM和系统服务区中它们对硬盘的运行来说是必需的。系统服务区的内容可以分为以下几类。
微程序模块overlay重载或覆盖意思是可根据需要加载到内存中运行。
配置和设置表。
缺陷表P-List、G-List。
工作记录表如自测SelfScan、校验Calibrator程序的工作结果等。
DSP程序也是分开存储的其地址空间分为ROM空间和RAM空间而ROM通常又分为内部ROM和扩展ROM。内部ROM是在硬盘生产过程中写入的固定指令。这部分指令的作用是对DSP进行有限初始化搜索有效的外部扩展ROM。如果外部扩展ROM存在则将控制权交给扩展ROM中的程序或者在检测到安全模式时接受从IDE接口传输的指令并将控制权交给扩展ROM中的程序这也是我们能够借助工具操作固件的基础。
外部ROM多采用25P102等串行Flash ROM存储硬盘操作系统的初始化部分。这部分指令的作用是设置DSP的各项参数从存储介质盘片中加载指令、数据及各种指针、表格并执行相应的自检和自校准程序完成后就将相应的寄存器置于就绪Ready状态等待主机指令。
ROM用于存储指令RAM用于存储数据。由于RAM在断电后内容会丢失所以RAM中的内容应存储在硬盘服务区中。事实上ROM虽然在断电后不会丢失内容但一些意外情况如温度过高、电源瞬间变化等也会导致ROM信息丢失或错乱因此很多硬盘在服务区中会保留ROM的备份并且其大部分内容也是以overlay的方式存储在磁盘盘片上的ROM中只有基本的部分。ROM和RAM在盘片的负磁道上采用UBAUtil Block Addressing用于访问服务区的地址编址方式分区域存储并映射00007FFF的DSP地址空间。例如迈拓硬盘固件区主要分为数据区、代码区、缺陷表区、自校区、交换区和保留区各区域的地址和长度在不同的硬盘中是不一样的其6E系列的地址空间如下。
数据区UBA 000004B7。
代码区UBA 04B815F7。
缺陷表区UBA 15F82D67。
自校区UBA 2D683A4B。
以上每个区域中又有若干子区域其中最重要的就是ULIST扇区负责固件模块地址的转换工作。
硬盘微处理器的工作程序包括初始诊断程序、伺服电机旋转控制程序、磁头定位程序、硬盘控制器及缓冲存储器的信息交换程序等这些程序合称硬盘程序或硬盘系统。在有些型号的硬盘中工作程序存储在微处理器的内部ROM或外部闪存中但是对大部分型号的硬盘来说一部分工作程序存储在磁盘的服务区内而在电路板的ROM中只存储了初始化程序、定位程序以及从磁盘服务区向内存读取和复制其他程序的工作程序。由于程序是从服务区向微处理器的内存中加载的而内存又是微处理器的工作地点因此这些程序只在需要时才会运行而不需要时就会被其他程序覆盖所以也可以其称为管理程序或overlay程序。
在服务区内overlay是以模块的形式存储的包括模块头部、模块主体以及用于检测该模块完整性的校验区。当overlay加载到内存中时硬盘微处理器计算其校验值并将其与模块的检测值进行比较。如果与校验值不一致就认为该模块已损坏不能加载到内存中。这也是大多数具有overlay程序的硬盘发生故障的常见原因。通常在出现这种故障时硬盘是不能够完整地运行的也就是说不是所有的overlay程序都能加载到内存之中并参与硬盘的工作。不同的overlay程序出现损坏会表现出不同形式的故障。例如硬盘一直处在忙碌Busy状态不能就绪或者在硬盘的识别过程中BIOS会将硬盘认成出厂名称或者虽然能认出硬盘型号但容量不对再或者识别出来的硬盘容量没有问题却不能正常读写硬盘用户区的数据等。
硬盘的配置和设置表包含磁盘空间的逻辑和物理信息。这些表格对于电路板一个属系的所有型号的硬盘电路板都是统一的来说是必需的其目的是让电路板独立地设置到这一属系的具体型号上也就是说使电路板正确地选择型号名称、最大LBA值并正确地指定物理磁头的数量和Zone分配表。
配置表与工作程序一样也是以模块的形式存储在硬盘的服务区内同样包括模块头部、模块主体表格和校验值。在鉴别硬盘时配置表以与工作程序相同的方式加载到微处理器的内存之中并计算其校验值。配置表和工作程序一样对硬盘的工作是至关重要的。通常情况下一旦配置表发生损坏那么硬盘在计算机的BIOS中便无法得到识别和确认或者在识别过程中显示的硬盘容量、型号、名称及系列号等会出现错误。
目前的技术还不能确保每一片磁盘都没有任何缺陷。载体材料的非单一性、抛光和打磨上的缺陷以及制作磁层时杂质的介入等因素都有可能使硬盘的某些区域在读写过程中产生错误。硬盘都有一部分富余容量用于替换工作区中的坏扇区和坏道。在使用了这样一种替换机制后即使磁盘表面出现了一定数量的缺陷磁道硬盘的总体容量也不会减少。为了进行这样的替换硬盘中设置了一个专门的缺陷隐藏程序叫做“Defect Management”缺陷管理。设计该程序的主要目的是发现硬盘中的缺陷区域并将其放置在一种名为“缺陷表”的专门表格之中之后再对逻辑空间向物理空间转换的系统重新进行计算从而达到隐藏缺陷的目的。
缺陷表是在硬盘厂商的内部试验过程中填写的厂商发现的所有“坏”扇区序号均在该表之中这种操作被称为更新隐藏缺陷Update Defect。这样当硬盘工作时就不会访问被隐藏的缺陷扇区因为它们已经被备用区替换了。所以新硬盘的用户数据区内是看不到缺陷扇区的。
大部分型号的硬盘都有两个缺陷表分别称为初始缺陷表Primary或P-List和生长缺陷表Grown或G-List。初始缺陷表由生产厂商在进行工厂内部检测SelfScan的过程中生成。生长缺陷表则不同它用于记录在硬盘使用过程中所发现的缺陷扇区信息。因此几乎所有硬盘的用户指令表中都有一个叫做“Assign”的指令通过该指令就可以将对坏扇区的访问转向备用区。这一指令被许多检测程序所使用其中自然也包括厂商推荐的用于修复硬盘坏扇区的程序。在西部数据硬盘中有一个Data Lifeguard数据救生系统可用于重新指定坏扇区。Data Lifeguard系统可将有缺陷的扇区打上“BAD”坏标志并将用户数据挪到备用区内以后就由备用扇区代替原来的坏扇区。从隐藏缺陷的类型上讲这种方法与执行Assign指令一致。富士通、昆腾、迈拓和IBM硬盘可以在“写”的过程中自动隐藏缺陷扇区也就是说在将数据写入有缺陷的扇区时硬盘会自动给缺陷扇区打上“BAD”标志并将访问指向备用区中用以替换这个坏扇区的扇区其编号同时被填写到G-List中。
工作记录表包含硬盘生产和运行过程中的一些辅助信息如检测结果、检测程序运行记录等。在通常情况下这些表格中的内容并不重要而且在用户的一般工作状态下它们的损坏不会影响硬盘的工作。但是在用户准备对硬盘进行二次使用刷新以及执行SelfScan和Calibrator等操作时就需要使用这些模块了。
一般来说可以使用两种方法来隐藏有缺陷的扇区一种是上面介绍的重新指定扇区法Assign另一种是忽略缺陷扇区法。重新指定扇区法的示意图如图1-24所示。 图1-24 重新指定扇区法
硬盘厂商隐藏缺陷扇区的方法称为忽略缺陷扇区法。使用这种方法时缺陷扇区会被忽略而下一个扇区将被冠以缺陷扇区的序号以此类推。这样原先用户区的最后一个扇区将被移到磁盘的备用区如图1-25所示。 图1-25 忽略缺陷扇区法
这种隐藏方法会破坏低级格式化的连续性和完整性。LBA向PCHS的转换系统应该考虑坏扇区并在访问数据时将其忽略。逻辑磁盘空间与物理格式之间的关系可借助一种专用的程序——译码器——来实现。这种专用程序考虑了磁盘的物理格式、区域划分以及坏扇区与坏磁道已不再工作等因素。所以忽略缺陷扇区法要求必须对译码表重新进行计算而且会破坏用户事先写入数据的完整性。正因如此这种隐藏方法只在硬盘处于一种专门的工作状态时才能使用。
ROM里的程序就是DSP运行的代码它可以通过反编译进行分析。服务区的内容可以用ROM中的程序读取到内存中运行。DSP内部本身也有ROM和RAM不过容量都很小如果程序无法存储就需要对其进行扩展扩展后在电路板上就可以看到独立的ROM芯片。有些型号的硬盘只在ROM中保留基本代码而将真正的引导程序放在硬盘服务区上。由于服务区没有ROM可靠所以这些硬盘更容易出现问题。
硬盘在正常启动时会与BIOS进行通信如果启动失败硬盘中的引导程序就会结束。而处理固件需要通过ROM中的程序来执行因为只有它才能访问硬盘所以在处理硬盘固件时常常需要进行DSP复位。
PC3000能读出硬盘内部的固件信息以分析每个固件所处的模块是否正常并且能修正这些参数将其重新写回盘片中的指定位置这样就可以把一些因为固件参数错乱而无法正常使用的硬盘恢复到正常状态。另外服务区也不一定位于盘片的边缘品牌不同其位置也不同而且每个盘片上都有备用服务区。
1.9 ATA Command基础
要处理硬盘固件就必须与硬盘内部的程序系统进行通信自然也少不了与硬盘接口打交道因此这里再简单介绍一下硬盘接口的相关知识。
在计算机存储系统中硬盘的地位举足轻重相应的其接口技术的发展也经历了一代又一代的演变。在过去几十年的发展历程中衍生出如ATA、SCSI、SATA、SASSerial Attached SCSI串行连接SCSI等多个体系且每一个体系又都包含多项子标准并由此构成了一个庞大的接口技术家族。而每次接口技术的变革都为硬盘的新一轮发展打下了基础使硬盘性能的提升成为可能。正是由于接口的重要作用业界普遍以接口类型作为硬盘换代的主要标志。下面先回顾一下硬盘接口的历史沿革从最早的ST-506/412接口到后来的IDE、EIDE和同时代的SCSI接口再到目前流行的SATA和SAS接口。由此我们可以了解这些技术的产生背景、特征以及随之而来的存储业界的变迁。
1硬盘接口的初始时代
1956年9月IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统—— IBM 350RAMACRandom Access Method of Accounting and Control硬盘时代从此开始。不过早期的硬盘主要用在飞机预约、自动银行、医学诊断及航空航天等专业领域未涉及民用市场。直到20世纪80年代初PC诞生之后这种情况才逐渐得到改善。而业界也广泛认为硬盘接口技术应该从PC时代开始因此希捷公司提出的ST-506/412可以说是当今硬盘接口的始祖。
1981年8月IBM推出了型号为5150的第一台PC。这台PC采用DOS 1.0操作系统但不支持任何硬盘直到后来改用DOS 2.0操作系统之后才引入了子目录技术并增加了对大容量存储设备的支持。看到其中蕴含的商机一些公司就研发出了专供IBM PC使用的外置硬盘。这套外置硬盘系统包含1个硬盘、1块控制卡和1个独立电源硬盘在与控制卡相连的同时借助一条电缆与插在PC扩展槽中的适配器相连。
IBM很快就意识到硬盘对于PC的巨大价值在1983年推出的PC/XT机型中直接内置了一块容量为10MB的硬盘。同时IBM还将独立的控制卡功能集成到硬盘的接口控制卡上硬盘控制器的概念由此产生。在连接方面IBM也首度引入希捷公司提出的ST-506/412硬盘接口。这种接口将硬盘的编解码器放置在PC的硬盘适配卡上并使用一根34芯的控制电缆Control Cable和一根20芯的数据电缆Data Cable将硬盘与计算机连接起来。由于使用较为方便IBM遂将该技术大规模引入PC/XT的硬盘系统而ST-506/412也就顺理成章地成为PC硬盘接口的事实标准。IBM后来推出的PC/AT机型也采用了同样的技术方案。
由于那个时代的硬盘尚处于发展初期容量低性能也很差因此作为第一代硬盘接口的ST-506/412其速度并不重要。然而PC的出现给硬盘厂商打了一支强心针。面对这个潜力巨大的市场所有硬盘厂商都投入空前的精力开发新技术在很短的时间内硬盘的存储容量和读写性能就获得了快速提升占据统治地位的ST-506/412接口很快遭遇瓶颈。有鉴于此迈拓公司在1983年开发出一种名为ESDIEnhanced Small Drive Interface增强型小型设备接口的新型接口技术如图1-26所示。ESDI虽然也使用两根电缆来连接硬盘但它对电缆的定义作了改变——最关键的是它将编解码器直接放在硬盘的本体而非计算机的适配卡上从而有效提高了硬盘的读写效率和工作稳定性其传输速率也达到10Mb/s是ST-506/412接口的24倍。 图1-26 IBM DNES 309270 90X6806硬盘ESDI接口
在那个年代ESDI接口所拥有的10Mb/s的传输速率绝对是一个可观的高指标它的出现理所当然地终结了ST-506/412接口的主导地位ESDI也就成为新的标准被众多OEM厂商用于IBM兼容机中。ST-506/412接口则逐渐被淘汰出局到1987年前后它便基本从市场上消失。以今天的眼光来看这两种接口都非常原始但它们的存在对规范硬盘接口标准起到了非常重要的作用使PC硬盘的硬件兼容性得到了充分的保证同时也为后续标准的提出打下了良好的基础。
ESDI接口一直使用到20世纪90年初。虽然迈拓公司一直积极发展其新版本但ESDI接口成本高、设计较为复杂的问题一直难以克服。在IDE接口出现之后ESDI接口也很快退出市场IDE成为新的技术标准。今天我们使用的SATA硬盘在本质上仍然隶属于IDE体系。
2ATA-1 —— IDE硬盘出现
IDE接口最初是在1986年由CDCControl Data Corporation控制数据公司1989年10月其硬盘驱动器生产部门被希捷公司并购、康柏和西部数据3家厂商共同开发的全称为“Integrated Drive Electronics”意思是将控制器与硬盘集成在一起的新型硬盘驱动器。这种硬盘的专用接口也被外界直接冠以“IDE”之名但它真正的名称应该是“ATA接口”Advanced Technology Attachment,ATA。
IDE硬盘出现后计算机的存储系统变得更为简单不再需要额外的控制器只需使用一根专门的40针线缆将硬盘与PC主板的对应接口或硬盘适配卡直接连接即可。由于硬盘与控制器的整合首先硬盘厂商不必再考虑自己生产的硬盘与其他厂商生产的控制器能否完全兼容只要硬盘自身不发生故障就能够在任何计算机系统中稳定地运行大大减轻了硬盘厂商的负担硬盘的兼容性与可靠性有了保证其次整合结构也有效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明显的提升。加之IDE硬盘成本明显低于ESDI硬盘非常适合应用于PC系统中所以该技术被提出后很快开始流行而IDE硬盘附带的ATA接口也自然而然成为新的硬盘接口标准。
1990年ATA-1标准被提交给ANSI美国国家标准局进行标准化。虽然在这时ATA-1已然成为事实标准但ANSI内部的认证工作仍然花费了较长的时间原因很可能是ATA-1是世界上第一个关于硬盘接口的标准所以ANSI工作组对此非常慎重。但非常离谱的是这项工作居然拖到1994年才完成ATA-1标准才得以正式颁布此时距离ATA-1的实际使用已经过去了四五年。
ATA-1标准有3项技术亮点分别是支持双硬盘、引入PIO传输模式、支持DMA传输模式。在硬盘连接方面ATA-1允许两块硬盘分享一个通道两者分别定义为Master和Slave也就是我们熟知的“主/从盘”的概念。在传输方面ATA-1主要采用PIO传输中的0、1、2模式三者支持的速度分别为3.3MB/s、5.2MB/s和8.3MB/s。另外它还支持单字Single WordDMA 0、DMA 1、DMA 2和多字Multi WordDMA 0共4种DMA传输模式。但是DMA模式在ATA-1标准中并没有得到实质性的应用。
ATA-1标准出现之后自然是考虑接替它的ATA-2标准。但对ATA-2西部数据和希捷出现了严重的分歧。西部数据公司于1994年提出EIDEEnhanced IDE增强型IDE的概念它实际上包含ATA-2和ATA PIATA Packet Interface两项标准。其中ATA-2为ATA-1的升级而ATA PI则供CD-ROM、磁带机等存储设备使用。而希捷公司提出的Fast-ATA概念只针对硬盘未考虑光存储设备的需求。但由于Fast-ATA的定义比EIDE更为清晰从而获得了另一硬盘大厂昆腾的支持在一定程度上具有更大的影响力。可另一方面CD-ROM在当时发展迅速西部数据公司提出的ATA PI标准也得到了广泛的应用导致业界经常将Fast-ATA和EIDE两种技术混为一谈。需要明确的是二者都是企业标准而非ANSI认可的国际标准ANSI认可的ATA-2标准直到1996年才发布该标准很好地将Fast-ATA和EIDE两项技术的特长融合在一起。
相比ATA-1标准ATA-2标准在许多方面都有长足的进步。首先ATA-2标准提供PIO 3、PIO 4和多字DMA 1、DMA 2模式最高数据传输率可达16.6MB/s相当于ATA-1接口的2倍其次ATA-2标准引入了区块传输机制有效提升了数据传输速率第三ATA-2标准支持LBA技术使计算机的可管理硬盘空间突破了ATA-1接口528MB的容量限制达到当时被视为“超级海量”的8.4GB。
尽管技术提升明显但业界并没有在ATA-2标准上停留太长时间。1997年ATA-3标准由ANSI正式发布。与上一次升级不同ATA-3并没有增加更高速率的工作模式所允许的最高传输率仍维持在16.6MB/s的水准。ATA-3标准的主要侧重点在于提升数据传输的可靠性其一引入S.M.A.R.TSelf-Monitoring Analysis and Reporting Technology让硬盘具备自主检测、分析和报告功能这被广泛认为是一项划时代的改进其二ATA-3标准增加了一个简单的密码保护机制在一定程度上提升了计算机系统的安全性第三针对传统40针排线容易造成传输错误的问题ATA-3标准采取了一些改良措施。经过一番优化之后ATA-3具备了很高的实用价值在很短的时间内就完全取代了ATA-2成为IDE硬盘的主导接口标准。
随后出现的ATA/ATA PI-4标准开创了Ultra DMA时代。20世纪90年代中后期PC高速普及硬盘领域的技术发展非常活跃接口技术自然首当其冲。ATA-3标准同样没有使用太长的时间因为Intel和昆腾早在1996年便联手制定了更先进的Ultra DMA/33标准并于1998年获得ANSI认证成为ATA/ATA PI-4正式标准ATA接口由此迎来新一轮的重大技术变革。此时ANSI标准的名称从纯粹的“ATA”演变为“ATA/ATA PI”原因就在于CD-ROM驱动器已成为PC的标准配置将ATA PI接口标准化恰逢其时。ATA/ATA PI-4标准拥有大量的技术改进。第一支持Ultra DMA 0、DMA 1、DMA 2模式。Ultra DMA可以将时钟脉冲的上升沿和下降沿都用于数据传输即1个时钟周期内可完成2次数据传输由此将硬盘的接口速率提升到了33MB/s。也正因如此ATA/ATA PI-4标准也被业界称为Ultra ATA/33、Ultra DMA/33或ATA-33。第二引入80针结构的高性能数据线其中40针为原有的数据线新增的40针为接地线可有效增强线路的抗干扰性。在ATA/ATA PI-4标准中80针排线只是一个可选项主板和硬盘厂商都倾向于使用廉价的40针排线这种情况直到ATA/ATA PI-5标准出现之后才彻底改观。第三引入CRC循环冗余校验码机制优化了数据操作指令。这些细节方面的改进同样明显提升了ATA/ATA PI-4接口的传输品质。
在此之后Intel与昆腾在1998年2月又拿出Ultra DMA/33的升级版本Ultra DMA/66。ANSI也在2000年通过对该版本的认证颁布了对应的ATA/ATA PI-5标准。为实现66MB/s的翻倍效能Ultra DMA/66标准对信号的时钟边沿特性进行了改进令上升沿信号和下降沿信号各被识别为1个时钟周期传输频率比Ultra DMA/33标准提高了1倍。由于效能大幅提升数据线的信号干扰问题也越来越严重所以Ultra DMA/66标准要求强制使用80针结构的高性能数据线在一定程度上缓解了这个问题。此外它也继承了CRC技术有效保障了数据在高速传输过程中的完整性。
Ultra DMA/66标准同样在很短的时间里就占据了主导地位Ultra DMA/33标准退居二线。但很快业界发现Ultra DMA/66接口的速度仍然不够快。当时正处于硬盘技术的快速发展期硬盘内部传输速率快速提升Ultra DMA/66接口大有成为瓶颈的可能因此Intel和昆腾又着手于2000年6月推出了Ultra DMA/100标准。此时硬盘市场竞争的激烈程度超乎想象IBM、迈拓和希捷在该标准公布前就推出相关产品VIA、SiS等芯片组厂商更是迫不及待掌控标准主导权的昆腾反而落后。Ultra DMA/100标准构建在Ultra DMA/66标准的基础之上但它将LBA模式扩展到28位从而使支持的硬盘容量达到137GB。除此之外Ultra DMA/100标准还引入了噪音管理和多媒体数据流命令这两项革新。前者允许用户在BIOS中设定硬盘的工作状态分别是高性能或低噪音。因为当时的硬盘普遍存在工作噪音较高的问题噪音管理技术就显得十分有用。而新增的多媒体数据流命令主要针对音/视频压缩而设立这些应用都要求硬盘写入动作连续进行。尽管这项技术在Ultra DMA/100时代并没有得到实质性的推行但后来多数硬盘厂商都采纳了这项技术。2002年ANSI通过Ultra DMA/100认证并颁布了相应的ATA/ATA PI-6标准但此时Ultra DMA/100接口早已遍地开花甚至连Ultra DMA/133接口都已广为使用。
到此为止ATA标准族的发展宣告终止。Intel公司认为基于并行原理的ATA接口失去了继续发展的价值。因为随着传输性能的提升信号干扰越来越严重数据在传输过程中频频出错传输率每提升一小步都极为困难。为彻底解决这个问题Intel在2000年春季的开发者论坛上率先提出串行ATA的概念希望以高频率串行传输的方式实现硬盘接口的性能飞跃。随后Intel宣布组建串行ATA工作小组成员包括IBM、希捷、迈拓、昆腾2000年10月被迈拓收购、Dell等厂商其中担负核心开发任务的是希捷公司。然而工作小组中的迈拓公司别有想法在收购昆腾之后便掌握了Ultra DMA系列标准的主导权。但进入串行时代后标准的主导权落到了希捷手中迈拓因此失去了制定硬盘接口标准的权力。显然迈拓公司不甘于此。加之根据串行工作小组的开发计划串行ATA至少要等到2003年才能进入实用阶段两代标准过渡间隔时间太长迈拓便萌生进一步升级Ultra DMA标准的想法。2001年7月迈拓推出Ultra DMA/133接口规范将硬盘接口的数据传输速率提高到133MB/s理论性能十分接近串行ATA 1.0。遗憾的是这套标准只是Ultra DMA/100标准的高频率版本两者的技术特性如出一辙。虽然这样做可以实现“无缝兼容”但并行总线的缺陷也因此暴露无遗——高频率让Ultra DMA/133接口在传输数据的过程中信号干扰更为严重数据出错率甚高。加上当时硬盘的内部传输速率远未突破100MB/s, Ultra DMA/133接口的性能优势并没有在实践中获得丝毫体现。也正因如此ANSI没有接纳Ultra DMA/133作为新一代硬盘接口标准它仅是迈拓公司的自有规范其余几个硬盘大厂也都没有对该标准提供支持。不过芯片组厂商和控制器厂商对此态度十分积极VIA、SiS、ALi、Promise、Highpoint、Adaptec纷纷响应号召开发兼容Ultra DMA/133接口的芯片组或磁盘控制器Ultra DMA/133接口因此也获得了一定程度的应用。到此为止并行ATA接口体系画上了句号PC迎来了崭新的串行ATA时代。
3串行ATA
在ATA-7协议发布之前ATA协议等同于PATA协议。从ATA-7协议开始到后来发布的ATA-8协议ATA协议中加入了SATA这一新的实现形式。现在的ATA协议是由PATA协议和SATA协议共同构成的—— ATA-8协议的第一卷给出了ATA协议的基本内容第二卷给出了PATA协议的实现规范第三卷给出了SATA协议的实现规范。在ATA-7之前的ATA协议中第一卷和第二卷的内容是合并在一起的而且没有第三卷的内容。
随着ATA-8协议的正式发布经过两年的反复修订作为ATA-8协议一部分的《ATA体系结构模型》也浮出水面。在这一文档中明确区分了ATA体系结构模型、ATA实现标准和ATA具体实现的概念。这一文档给出了现有ATA协议实现方式中应共同遵循的抽象结构并指明各种实现方式只要兼容这一标准可以采用各种形式。如此一来只要提出新的实现标准ATA协议就可以实现新的兼容形式。ATA体系结构模型如图1-27所示。 图1-27 ATA体系结构模型
在这一体系结构模型中提出了ATA协议的分层模型和ATA协议的“客户端-服务器”模型。设备作为“服务器”具有和主机同等的地位和层次结构如图1-28和图1-29所示。ATA协议在主机端和设备端都获得了巨大的发展空间。 图1-28 ATA层次模型 图1-29 ATA传输实现
纵观ATA协议的发展历史通过从ATA协议中抽象出ATA体系结构模型AAM,PATA和ATA终于分清了形式和内容的关系—— PATA和SATA一样都是ATA协议的特例是ATA协议具体的实现方式并各自遵循特定的实现标准。
以ATA-8为例该命令集包括ATA协议的实现指明了主机系统访问存储设备的命令集。该命令集为系统制造商、系统集成商、软件供应商和智能存储设备制造商提供了一个通用命令集。ATA文档之间的关系如图1-30所示。 图1-30 ATA文档关系
ATA设备指的是仅实现了通用特征集但没有实现包特征集的设备。ATA8-ACS设备指的是按ATA8-ACS标准实现的设备。而ATA PI设备指的是实现了包特征集却没有实现通用特征集的设备。设备对部分通用特征集和包特征集的支持情况如表1-12所示。
表1-12 设备对部分特征集的支持情况 命令可以通过两种方式进行传送。对实现通用特征集的设备通过向设备传送一个命令块来实现所有命令和命令参数的传送。对实现包特征集的设备使用设备重置和包命令集来控制类似通用特征集的子集。一般的主板都集成了两个IDE控制器分别是主控制器和次控制器并使用不同的端口地址主控制器为1F0H1F7H、3F6H3F7H次控制器为170H177H、376H377H。每个I/O地址对应IDE控制器的一个寄存器。主控制器的I/O地址所对应的寄存器如下。
1F0读、写数据寄存器。
1F1读错误寄存器。
1F1写特征寄存器。
1F2读、写扇区数寄存器。
1F3读、写:LBA低字节寄存器。
1F4读、写:LBA中间字节寄存器。
1F5读、写:LBA高字节寄存器。
1F6读、写驱动器/磁头寄存器。
1F7读状态寄存器。
1F7写命令寄存器。
3F6读备用状态寄存器。
3F6写设备控制寄存器。
3F7读驱动器地址寄存器。
状态寄存器是一个8位寄存器从左到右各位的意义分别如下。
BSYBusy忙。
DRDYDevice Ready设备就绪。
DFDevice Fault设备故障。
DSCSeek Complete寻道完成。
DRQData Transfer Requested数据传输请求。
CORRData Corrected按ECC算法校正从硬盘中读取的数据。
IDXIndex Mark索引标志。
ERRError错误。
错误寄存器也是一个8位寄存器从左到右各位的意义分别如下。
BBKBad Block坏块。
UNCUncorrectable Data Error读扇区时出现无法校正的ECC错误。
MCMedia Changed介质变化。
IDNFID Mark Not Found没找到要访问的扇区或CRC错误。
MCRMedia Change Requested介质变化请求。
ABRTCommand Aborted命令失败。
TK0NFTrack 0 Not Found重校准时没有发现0磁道。 AMNFAddress Mark Not Found没找到要访问的扇区。
