考点9 硬盘驱动器《计算机组装与维修》内蒙古（对口招生）计算机类 知识点讲解

内蒙古自治区（计算机类）对口招生 《计算机组装与维修》复习讲义 模块 5 外存储器 考点 9 硬盘驱动器 【考纲要求】 1. 理解硬盘驱动器的分类和基本结构； 2. 掌握硬盘驱动器的工作原理和性能指标； 3. 掌握主流硬盘及厂商。 【知识网络】 【知识和技能要点】 一、硬盘的结构 1. 内部结构：在各类外存储器中，硬盘的容量最大，其内部结构也较为复杂。制造时将磁性物质附着在金属盘片上，再把盘片安装到主轴电机上；硬盘开始工作后，主轴电机带动盘片一同旋转，盘片表面悬浮的磁头在控制电路与磁头臂的驱动下移动，从指定位置读取数据，或把数据写入指定位置。其主要部件包括盘片、主轴（下方为轴承与电机）、磁头、磁头臂、音圈马达、永磁铁、空气过滤片以及串行接口等。 2. 外部结构：正面用于记录硬盘的相关信息，背面为一块集成主控芯片的PCB板，后侧设有电源接口与数据接口。正面所贴产品标签包含厂商信息与产品信息，如商标、型号、序列号、生产日期、容量、参数及主从设置方法等。 二、硬盘的分类 1. 按物理尺寸分类：按内部盘片直径大小，硬盘可分为5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸和1英寸等规格，目前个人计算机所使用的是3.5英寸硬盘。 2. 按接口类型分类：硬盘可分为IDE接口、SCSI接口和SATA接口三种。IDE接口硬盘用于早期个人计算机，SCSI接口硬盘主要用于服务器，SATA接口硬盘属于新型硬盘，在个人计算机领域已取代IDE接口硬盘的地位。硬盘在发展过程中，内部构造与工作原理并未改变，发生变化的主要是接口部分。 3. IDE接口硬盘：IDE（Integrated Drive Electronics，电子集成驱动器）接口技术自诞生起持续发展、性能不断提高，并具有价格低廉、兼容性强的特点，因而在同类产品中占据了难以替代的位置。IDE和ST506接口均被淘汰；其后出现的ATA、Ultra ATA、Ultra DMA等接口，都是在早期IDE接口基础上升级而来。ATA是IDE设备的接口标准，也称并行ATA设备，硬盘与光驱均使用ATA接口；IDE接口硬盘和光驱通过40线或80线排线连接主板，以并行方式（一次传送16位数据）传输数据，最高传输速率为133MB/s。 4. SCSI接口硬盘：SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）是一种广泛应用于小型机的高速数据传输接口。应用范围广、任务多、带宽大、CPU占用率低并支持热插拔，但价格偏高，难以普及，因而多用于中高端服务器与高档工作站。 5. SATA接口硬盘（Serial ATA，串行ATA）：又称串口硬盘，目前广泛应用于PC。SATA接口以串行方式连接，并引入嵌入式时钟信号，纠错能力更强，其显著特点是数据传输可靠、结构简单、支持热插拔。SATA接口以连续串行方式传送数据、一次只传送1位数据，减少了针脚数目与连接电缆数量，仅用4支针脚即可完成连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据等全部工作，并降低了系统能耗与复杂性。其数据传输率起点更高、发展潜力更大：SATA 1.0即达150MB/s，已超过并行ATA（ATA 133）的最大传输率133MB/s；SATA 2.0可达300MB/s；SATA 3.0则可实现600MB/s的最高传输速率，SATA 3.0接口硬盘已成为市场主流。 三、硬盘的性能指标 1. 容量：以GB和TB为单位，早期硬盘容量小，以MB为单位。1956年9月，IBM公司推出全球首块硬盘，容量仅有5MB，如今数TB容量的硬盘已普及到个人计算机，常见容量有1TB、2TB、3TB、4TB。容量是硬盘最主要的参数之一，越大越好。由于硬盘厂商标称容量时通常按1GB=1000MB计算，因此在BIOS中或格式化后所显示的容量往往小于厂商标称值。 2. 转速：（Rotational Speed，亦称Spindle Speed）表示硬盘内部盘片每分钟旋转的圈数，单位为rpm，也可写作r/min。它由主轴电机的旋转速度决定，既影响硬盘的内部数据传输速率，也是区分硬盘档次的主要标志。转速越高，寻找文件的速度越快，数据传输率也相应提高。硬盘转速历经2400rpm、3600rpm、4500rpm、5400rpm直至7200rpm，目前主流硬盘转速为7200rpm；更高转速会带来发热量高、抗震性下降等问题，因此少有产品采用。 3. 数据传输率：分为内部传输率与外部传输率。内部传输率也称持续传输率，指磁介质（磁盘）到硬盘缓存之间的最大数据传输率，单位为MB/s，主要取决于硬盘的旋转速度。外部传输率也称突发数据传输率或接口数据传输率，指系统总线与硬盘缓存之间的数据传输率，单位为MB/s，与硬盘接口类型和硬盘缓存大小有关。 4. 平均访问时间：指磁头从初始位置移动到目标磁道，并在该磁道上找到待读/写数据扇区所需的时间，体现硬盘的读/写速度，单位为毫秒（ms），其构成为：平均访问时间＝平均寻道时间＋平均等待时间。平均寻道时间指磁头移至盘面指定磁道所需的时间，越小越好，目前通常为8~12ms；等待时间又称潜伏期，指磁头已处于待访问磁道时，等待目标扇区转到磁头下方所需的时间；平均等待时间为盘片转动一周所需时间的一半，一般应在4ms以下。 5. 缓存：是硬盘控制器上的一块内存芯片，存取速度极快，是硬盘内部存储（盘片）与外界接口之间的缓冲器。磁头把盘片上的磁记录转换为电信号后，硬盘先将数据临时存入数据缓存；待缓存中的暂存数据传输完毕，硬盘清空缓存再进行下一次填充与清空。目前主流硬盘的缓存有32MB、64MB、128MB、256MB等规格。 6. 单碟容量：单碟容量指硬盘单个盘片的存储容量，由单位记录密度（每平方英寸）决定。提高单碟容量可以降低成本、缩短平均访问时间、简化内部结构并提高可靠性。 7. 磁头数与柱面：磁头用于读取或修改盘片上磁性物质的状态，每个磁面配有一个磁头并从最上面开始由0编号；由于每个盘片有正反两个磁面，磁头数一般为盘片数的两倍。硬盘通常由1~5片盘片重叠构成，各盘片磁面被划分为数目相等的磁道，磁道自外向内由0开始编号，相同编号的磁道构成一个圆柱，称为柱面。 8. 每磁道扇区数与交错因子：把磁道沿径向划分成多个扇形存储区域即为扇区，每个扇区可存放512B数据。格式化后硬盘容量由三个参数决定：硬盘容量＝磁头数×柱面数×扇区数×512B。交错因子指相邻两个逻辑扇区之间夹着的物理扇区数量，是低级格式化时需要给定的主要参数，取值范围在1:1~5:1之间，在很大程度上左右着硬盘的数据存取速度。 9. MTBF与NCQ技术：MTBF即连续无故障工作时间，指硬盘自投入使用至首次出现故障所经历的最长时间，单位为小时，关系硬盘的使用寿命，一般至少为30000~40000小时；按每天工作10小时计算，寿命至少为8年。NCQ（Native Command Queuing，全速命令排队）是一种优化硬盘内部工作负荷执行顺序的技术，通过对内部队列中的命令重新排序实现智能数据管理，改善机械部件带来的性能制约，该技术自SATA 2.0接口硬盘开始使用。 四、硬盘的工作原理 1. 数据存放机制：为便于读/写数据，硬盘的盘片上划分出多种存储单元。先在盘片上划出多个同心圆即磁道，自外向里编号，最外侧为0磁道；再沿直径方向划出多个扇形区域即扇区，从1开始编号，每个扇区最多存放512B数据。每个盘片都有正反两个磁面，磁面数为盘片数的两倍，磁面编号同样从0开始，例如0磁面0磁道1扇区。 2. 寻道过程（一）：目前无论IDE接口还是SATA接口硬盘，均采用温彻斯特（Winchester）技术，磁头、磁盘及运动机构密封在硬盘体内。加电后主轴电机高速旋转（7200rpm），磁头在音圈马达、永磁铁与控制电路的共同作用下，从磁头着陆区（磁头启停区）移出并进入磁盘表面，沿盘面做径向运动，即通常所说的寻道。 磁头在强大气流作用下按空气动力学原理悬浮于盘面上方，处于“飞行状态”，其飞行高度仅0.1~0.3μm，不与盘面接触，因而精度高、检测磁道能力强。盘片表面光滑平整并涂有磁性材料，一粒灰尘即足以造成严重损坏，故硬盘内部要求极为洁净；硬盘工作时机箱移动或磕碰产生的震动会使磁头与盘片接触，导致出现大量坏磁道并造成数据丢失。 3. 定位到扇区：要找到数据，须把磁头定位到指定磁面、磁道与扇区。磁道的选取依靠磁头臂的动作实现；扇区的选取是寻道结束后盘片在主轴电机带动下旋转，目标扇区会自动转到磁头下方，控制电路发出读取或写入指令，分别完成读或写操作。 五、主流硬盘及厂商 1. 希捷公司（Seagate）：成立于1979年，总部设在美国加利福尼亚州斯科茨谷市，是全球规模最大的硬盘、磁盘及读/写磁头制造商，在硬盘设计、制造与销售方面长期居于全球领先地位。其代表产品希捷Barracuda 2000GB（7200rpm）采用SATA 3.0接口，数据传输率达6GB/s，平均寻道时间仅9ms，内部为两片装，单碟容量1TB，缓存容量高达64MB。 2. 西部数据公司（Western Digital）：成立于1970年，总部设在美国加利福尼亚州，是全球知名的硬盘厂商，长期致力于为个人计算机用户提供存储解决方案。其代表产品WD Caviar Black 1TB 7200转 64MB SATA3（WD1002FAEX）数据传输率为6GB/s，单碟容量512GB，内部为两片装，缓存容量64MB。 【真题】 2022年真题｜《计算机组装与维护》单选题第14题 目前主流台式机机械硬盘的转速为（ ） A. 3600rpm B. 5400rpm C. 7200rpm D. 9600rpm 【答案】C 【解析】硬盘转速历经2400rpm、3600rpm、4500rpm、5400rpm直至7200rpm，目前主流硬盘的转速为7200rpm；更高转速会带来发热量高、抗震性下降等问题。 2022年真题｜《计算机组装与维护》判断题第4题 SATA接口采用并行传输方式，不支持热插拔。（ ） 【答案】× 【解析】SATA（串行ATA）接口采用串行连接方式，以连续串行方式传送数据、一次只传送1位数据，其显著特点是数据传输可靠、结构简单、支持热插拔。采用并行传输方式的是IDE接口硬盘。 2023年真题｜第62题 下面关于硬盘的论述正确的是（ ） A. IDE接口主要应用于服务器 B. 固态硬盘读写速度高于机械硬盘 C. SATA接口采用并行传输 D. 机械硬盘不支持热插拔 【答案】B 【解析】固态硬盘以闪存芯片存储数据、没有机械部件，读写速度远高于机械硬盘，B项正确。IDE接口硬盘用于早期个人计算机，主要用于服务器的是SCSI接口硬盘，A项错误；SATA接口采用串行传输，C项错误；SATA接口支持热插拔，D项错误。 2023年真题｜第63题 下面哪项与硬盘的数据传输率无关（ ） A. 磁盘容量 B. 磁盘转速 C. 接口类型 D. 缓存大小 【答案】A 【解析】内部传输率主要取决于硬盘的旋转速度，外部传输率与硬盘接口类型和缓存大小有关；磁盘容量指硬盘可存储的数据总量，与数据传输率无直接关系。 2023年真题｜第101题 机械硬盘中磁头数一般为盘片数的2倍。（ ） 【答案】√ 【解析】每个盘片均有正反两个磁面，每个磁面都应有一个磁头，因此磁头数一般为盘片数的两倍。 2024年真题｜第62题 下面关于机械硬盘的描述，错误的是（ ） A. 机械式硬盘内部结构由盘片、主轴、磁臂、磁头和马达构成 B. 机械式硬盘采用磁性介质存储信息 C. 机械式硬盘的常用接口有IDE、SCSI和SATA D. 机械式硬盘属于内部存储器 【答案】D 【解析】硬盘是计算机中容量最大的外存储器，而非内部存储器，D项描述错误。其余三项分别描述了机械硬盘的内部构成、存储介质与常用接口，均正确。 2024年真题｜第63题 与硬盘的外部传输率有关的是（ ） A. 磁盘容量和磁盘接口类型 B. 磁盘接口类型和缓存大小 C. 磁盘容量和缓存大小 D. 磁盘接口类型和盘片转速 【答案】B 【解析】外部传输率也称突发数据传输率或接口数据传输率，指系统总线与硬盘缓存之间的数据传输率，与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。 2024年真题｜第100题 传统的机械硬盘采用的是半导体存储技术。（ ） 【答案】× 【解析】机械硬盘将磁性物质附着在金属盘片上，采用磁性介质存储信息；采用半导体（闪存芯片）存储技术的是固态硬盘。 2025年真题｜第53题 以下硬盘接口类型中的速度最快的是（ ） A. IDE B. SATA C. M.2 NVMe D. SAS 【答案】C 【解析】IDE接口的最大数据传输率为133MB/s，SATA 3.0为600MB/s，均远低于M.2 NVMe接口所支持的传输速度；M.2 NVMe固态硬盘直接使用PCI-E通道，是所列接口中速度最快的。 2025年真题｜第100题 机械硬盘的转速越高，数据读写速度越快。（ ） 【答案】√ 【解析】转速是决定硬盘内部数据传输率的因素之一，转速越高，寻找文件的速度越快，数据传输率也相应提高。 2026年真题｜第101题 SATA接口主要用于连接硬盘、光驱等存储设备。（ ） 【答案】√ 【解析】ATA是IDE设备的接口标准，硬盘与光驱均使用ATA接口；SATA接口在个人计算机领域已取代IDE接口的地位，主要用于连接硬盘、光驱等存储设备。 2026年真题｜第104题 硬盘在使用过程中应尽量避免频繁碎片整理，以免影响寿命。（ ） 【答案】√ 【解析】频繁进行碎片整理会反复读写盘片，增加机械部件的磨损，因此在使用过程中应避免频繁进行碎片整理，以延长硬盘使用寿命。 【练习题】 一、单项选择题 1.世界上第一块硬盘由IBM公司制造于（ ），其容量仅有5MB。 A. 1956年 B. 1966年 C. 1976年 D. 1986年 【答案】A 【解析】1956年9月，IBM公司制造出世界上第一块硬盘，容量只有5MB；如今数TB容量的硬盘已普及到个人计算机。 2.目前市场上用于个人计算机的硬盘尺寸是（ ）。 A. 5.25英寸 B. 3.5英寸 C. 2.5英寸 D. 1.8英寸 【答案】B 【解析】按内部盘片直径大小，硬盘可分为5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸和1英寸等规格，目前个人计算机使用的是3.5英寸硬盘。 3.IDE接口硬盘的最大数据传输率为（ ）。 A. 100MB/s B. 133MB/s C. 150MB/s D. 300MB/s 【答案】B 【解析】IDE接口硬盘和光驱通过40线或80线排线连接主板，以并行方式（一次传送16位数据）传输数据，最大数据传输率为133MB/s。 4.SATA 3.0接口可以实现的最大数据传输率是（ ）。 A. 133MB/s B. 150MB/s C. 600MB/s D. 6GB/s 【答案】C 【解析】SATA 1.0的数据传输率为150MB/s，SATA 2.0为300MB/s，SATA 3.0可实现600MB/s的最大数据传输率。 5.格式化后，硬盘容量的计算公式是（ ）。 A. 磁头数×扇区数×512B B. 柱面数×扇区数×512B C. 磁头数×柱面数×512B D. 磁头数×柱面数×扇区数×512B 【答案】D 【解析】格式化后，硬盘的容量由磁头数、柱面数和扇区数三个参数决定，即硬盘容量＝磁头数×柱面数×扇区数×512B。 6.平均访问时间的构成是（ ）。 A. 平均寻道时间＋平均潜伏时间 B. 平均寻道时间＋平均传输时间 C. 平均寻道时间＋平均等待时间 D. 平均等待时间＋平均传输时间 【答案】C 【解析】平均访问时间体现硬盘的读/写速度，包括寻道时间与等待时间，即平均访问时间＝平均寻道时间＋平均等待时间。 7.硬盘转速的单位是（ ）。 A. rpm B. MB/s C. ms D. GB 【答案】A 【解析】转速指硬盘盘片每分钟转动的圈数，单位为rpm，有时也用r/min表示；MB/s是数据传输率的单位，ms是平均访问时间的单位。 8.MTBF是指（ ）。 A. 平均寻道时间 B. 平均等待时间 C. 单碟容量 D. 连续无故障工作时间 【答案】D 【解析】MTBF即连续无故障工作时间，指硬盘自投入使用至首次出现故障所经历的最长时间，单位为小时，一般至少为30000~40000小时。 9.NCQ技术从（ ）接口硬盘开始使用。 A. SATA 1.0 B. SATA 2.0 C. SATA 3.0 D. IDE 【答案】B 【解析】NCQ（全速命令排队）技术通过对内部队列中的命令重新排序实现智能数据管理，改善机械部件带来的性能制约，该技术自SATA 2.0接口硬盘开始使用。 10.硬盘寻道时，磁头的飞行高度为（ ）。 A. 0.1~0.3mm B. 0.1~0.3cm C. 1~3μm D. 0.1~0.3μm 【答案】D 【解析】磁头在强大气流作用下按空气动力学原理悬浮于盘面上方，处于“飞行状态”，其飞行高度为0.1~0.3μm，不与盘面接触。 11.希捷（Seagate）公司成立于（ ）。 A. 1979年 B. 1970年 C. 1982年 D. 1991年 【答案】A 【解析】希捷公司成立于1979年，总部位于美国加利福尼亚州斯科茨谷市，是全球最大的硬盘、磁盘及读/写磁头制造商。 12.西部数据公司成立于（ ）。 A. 1979年 B. 1976年 C. 1970年 D. 1965年 【答案】C 【解析】西部数据公司成立于1970年，总部设在美国加利福尼亚州，是全球知名的硬盘厂商。 二、判断题 1.硬盘是计算机中容量最大的外存储器。（ ） 【答案】√ 【解析】硬盘属于外存储器，其内部结构较为复杂，是计算机中容量最大的外存储器。 2.每个扇区最多可以存放512B数据。（ ） 【答案】√ 【解析】把磁道沿径向划分成多个扇形存储区域即为扇区，每个扇区最多可以存放512B数据。 3.SATA接口需要8支针脚才能完成所有的工作。（ ） 【答案】× 【解析】SATA接口仅用4支针脚即可完成所有工作，这4支针脚分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据。 4.硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1GB=1024MB。（ ） 【答案】× 【解析】硬盘厂商标称容量时通常取1GB=1000MB，因此在BIOS中或格式化硬盘时看到的容量会小于厂商标称值。 5.交错因子的取值范围为1:1~10:1。（ ） 【答案】× 【解析】交错因子是每两个连续逻辑扇区之间所间隔的物理扇区数，其取值范围为1:1~5:1，具体数值视硬盘类型而定。 6.目前无论IDE接口还是SATA接口硬盘，均采用温彻斯特技术。（ ） 【答案】√ 【解析】现在的硬盘无论采用IDE接口还是SATA接口，都采用温彻斯特（Winchester）技术，磁头、磁盘及运动机构密封在硬盘体内。 7.硬盘的平均等待时间为盘片旋转一周所需时间的1/4。（ ） 【答案】× 【解析】平均等待时间为盘片旋转一周所需时间的1/2，一般应在4ms以下。 8.柱面是指具有相同编号的磁道所形成的圆柱。（ ） 【答案】√ 【解析】硬盘各盘片的磁面被划分为数目相等的磁道，相同编号的磁道构成一个圆柱，称为硬盘的柱面。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究 学科网（北京）股份有限公司 $