机械硬盘的电路结构

在硬盘的背面安装着一块电路板，用来实现硬盘电路的控制和信息的传输。硬盘通常有两个接头与电路板连接。其中，一个是为主轴电机供电的三相中心抽头电缆接头，另一个是与前置放大器/转接器及音圈电缆传递信号的电缆接头。

硬盘的电路板上分布了多个高集成度的芯片，结构如图2-8所示。

图2-8　硬盘的电路板结构图

图2-8中虚线内的部分是硬盘盘腔内部的结构，虚线外是电路板的芯片结构，整个电路设计基于四种芯片：

①系统控制芯片，包括读/写信道、磁盘控制器和RISC（精简指令计算机）控制处理器（微处理器）；

②Flash ROM芯片（内含硬盘固件）；

③主轴电动机和音圈控制芯片；

④RAM芯片（用做缓存）。

由于以上各部分的功能存在根本的差别，所以更进一步的集成不太可能实现。

硬盘的微处理器（主控芯片）采用RISC架构，当加电后硬盘的Reset电路向微处理器发出“Reset”信号，使微处理器执行ROM中的自检程序，清空存储器和磁盘控制器及其他连接到内部数据总线的可编程芯片的工作数据区，然后微处理器检查硬盘运转时使用的内部信号，如果没有发现紧急警告，就启动主轴电机。

接下来是硬盘内部测试：检查数据缓冲RAM、磁盘控制器和输入微处理器的信号的状态，之后微处理器开始分析脉冲信号直到主轴电机达到规定的转速。当电机达到规定的转速后，微处理器就开始操作定位电路和磁盘控制器，将磁头移动到固件数据区，并将固件数据载入到RAM中以供进一步操作。最后微处理器切换到准备就绪状态，并等待计算机主机命令。在等待模式下，从计算机主机CPU发来的命令会引起硬盘的所有电子部件的一连串动作以完成指定操作。

硬盘读/写信道由前置放大器/转接器（位于盘腔内）、读电路、写电路和同步时钟等组成。硬盘的前置放大器具有多个通道，每个通道连接到一个磁头。各通道的切换由硬盘微处理器的信号控制。前置放大器中含有写入电流开关和写入出错传感器，当磁头短路或断路时就会发出出错信号。当集成的读/写信道处于写入模式时，它从磁盘控制器接收数据，同时接收写时钟信号，对数据进行编码、预补偿后将数据传送到前置放大器写入磁盘。当读/写信道处于读取模式时，从前置放大器/转接器来的信号传送到自动控制电路，然后通过可编程的滤波器、校正补偿电路和脉冲检测电路将信号转换为数据脉冲，再发送到磁盘控制器进行解码，最后传送到外部接口。

磁盘控制器是硬盘中最复杂的部件，它决定了硬盘和主机之间的数据交换速度。

磁盘控制器拥有四个端口，分别连接到主机、微处理器、缓冲RAM和数据交换信道。磁盘控制器是由微处理器驱动的自动部件，在主机中只有标准的任务文件可以访问磁盘控制器的寄存器。磁盘控制器初始化阶段由微处理器控制：设置数据编码方法，选择纠正错误的方法，定义可变的或固定的扇区划分，等等。

缓冲管理器是磁盘控制器功能的一部分，用于管理缓冲RAM。现代硬盘缓冲RAM的容量一般为16～64MB。缓冲管理器将缓冲RAM分割成独立的缓冲片断，微处理器使用专门的寄存器保存这些缓冲片断的地址以供存取操作。当主机使用其中一个缓冲片断交换数据时，读/写信道可以使用另外的缓冲片断交换数据。这样系统可以实现多通道处理从/向磁盘读/写数据或与主机之间的数据交换。

主轴电机控制器控制三相电机的运转，它由硬盘微处理器控制。主轴电机的运转有三种模式：启动模式、加速模式和稳定模式。先分析一下启动模式，加电后一个Reset信号被发送到微处理器，对主轴电机控制器初始化内部寄存器，硬盘微处理器产生相位切换信号，主轴电机低速旋转产生自感应电动势（EMF），硬盘微处理器检测到自感应电动势（EMF）并根据此信号控制转速。在加速模式下微处理器加快相位切换并测量主轴电机的转速，直到主轴电机达到额定转速。当达到额定转速后主轴电机进入稳定模式，在此模式下，微处理器根据相位信号计算主轴电机的旋转周期并据此调整转速。在磁头从停泊区移走后，硬盘电路使用伺服标记跟踪旋转稳定性。

音圈控制器产生控制电流以移动位置调节器并使磁头定位于指定的磁道上。电流值由微处理器根据磁头位置与相关磁道的数字误差信号（位置误差信号或PES）来计算。电流值以数字形式传送给微处理器，计算后发回的模拟信号被放大后提供给音圈。

以上就是电路板的工作原理，下面看几个实际的硬盘电路板结构图。

一块迈拓3.5英寸硬盘的电路板结构如图2-9所示。

图2-9　迈拓3.5英寸硬盘的电路板结构图

一块三星3.5英寸硬盘的电路板结构如图2-10所示。

图2-10　三星3.5英寸硬盘的电路板结构图

一块希捷3.5英寸硬盘的电路板结构如图2-11所示。

图2-11　希捷3.5英寸硬盘的电路板结构图

一块日立3.5英寸硬盘的电路板结构如图2-12所示。该硬盘的缓存芯片在电路板背面。

图2-12　日立3.5英寸硬盘的电路板结构图