效率源日立硬盘数据恢复及固件修复程序入门篇第9章2

效率源技术部05 · 发表于 2009-9-10 14:57:00

效率源日立硬盘数据恢复及固件修复程序入门篇

第九章缺陷管理
第二节硬盘的基本逻辑结构
关于硬盘结构的文章已经非常多了，不过真正要说清楚的话，就算专门出一本书也说不完，因此这里就不再从头细细讲述了。只是要讲明白一点，到目前为止，在很多文章、技术资料甚至教科书里面讲述的硬盘结构模式，已经是非常老式的硬盘结构了。对于现在的新硬盘来说，都已经全部不采用这样的结构，而是采用了更为复杂、也更加科学的结构方式。
在老式硬盘中，采用的都是比较古老的CHS（Cylinder/Head/Sector）结构体系。因为很久以前，在硬盘的容量还非常小的时候，人们采用与软盘类似的结构生产硬盘。也就是硬盘盘片的每一条磁道都具有相同的扇区数，由此产生了所谓的3D参数（Disk Geometry），即是磁头数（Heads）、柱面数（Cylinders）、扇区数（Sectors）以及相应的3D寻址方式。
由于在老式硬盘的CHS结构体系中，每个磁道的扇区数相等，所以外道的记录密度要远低于内道，因此会浪费很多磁盘空间（软盘也是一样）。为了进一步提高硬盘容量，现在硬盘厂商都改用等密度结构生产硬盘。这也就是说，每个扇区的磁道长度相等，外圈磁道的扇区比内圈磁道多。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，即以扇区为单位进行寻址。而为了与使用3D寻址的老软件兼容（如使用BIOSInt13H接口的软件），厂商通常在硬盘控制器内部安装了一个地址翻译器，由它负责将老式3D参数翻译成新的线性参数（LBA之类）这也是为什么现在硬盘的3D参数可以有多种选择的原因（不同的工作模式可以对应不同的3D参数，如LBA、LARGE、NORMAL）。而随着磁盘密度的增加、机构的进一步复杂、功能和速度上的提高，如今的硬盘都会在磁盘里面划分出一个容量比较大的，称为"系统保留区"的区域，用于储存硬盘的各种信息、参数和控制程序，有的甚至把硬盘的Fireware也做到了系统保留区里面（原来这些信息都是储存在硬盘控制电路板的芯片上的）。这样虽然可以进一步简化生产的流程，加快生产速度和降低生产成本，但是从另一方面，却又大大增加了硬盘出现致命性损坏的几率和缩短了硬盘的使用寿命。
磁道
　　当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。磁表面存储器是在不同形状(如盘状、带状等)的载体上，涂有磁性材料层，工作时，靠载磁体高速运动，由磁头在磁层上进行读写操作，信息被记录在磁层上，这些信息的轨迹就是磁道。磁盘的磁道是一个个同心圆，磁带的磁道是沿磁带长度方向的直线，这些磁道用肉眼是根本看不到的，因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息便是沿著这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近时磁性会产生相互影响，同时也为磁头的读写带来困难。
扇区　　
硬盘的内部是金属盘片，以盘片中心为圆心，把盘片分成若干个同心圆，那每一个划分圆的"线条"，就称为磁道。将每个磁道等分成若干个弧段（老盘为扇形区域），且每个弧段长度一样（老盘不一样）这就是扇区。每个扇区512字节。
为什么要分扇区？是逻辑化数据的需要，能更好的管理硬盘空间。磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位写入和读取。
硬盘坏扇区
一般的表现情况是：在打开、运行或拷贝某个文件时硬盘出现操作速度变慢，且有可能长时间操作还不成功或表现为长时间一直读某一区域或同时出现硬盘读盘异响，或干脆Windows系统提示"无法读取或写入该文件"；电脑在正常运行中出现死机或"该文件损坏"等问题，电脑启动时硬盘无法引导，用软盘或光盘启动后可看见硬盘盘符但无法对该区进行操作或操作有误或干脆就看不见盘符，都表明硬盘上可能出现了坏扇区。具体表现如开机自检过程中，屏幕提示"Hard disk drive failure""Hard drive controller failure"或类似信息，则可以判断为硬盘驱动器或硬盘控制器硬件故障；读写硬盘时提示"Sector not found"或"General error in reading drive C"等类似错误信息，这些都可表明你的硬盘某部分出现了坏扇区。
硬盘中无法被正常访问或不能被正确读写的扇区都称为坏扇区。一个扇区能存储512Bytes的数据，如果在某个扇区中有任何一个字节不能被正确读写，则这个扇区为坏扇区。
除了存储512字节外，每个扇区还有数十个Bytes信息，包括标识（ID）、校验信息（ECC）、伺服信息和其它信息。这些信息任何一个字节出错都会导致该扇区变"Bad"。例如，在低级格式化的过程中每个扇区都分配有一个编号，写在ID中。如果ID部分出错就会导致这个扇区无法被访问到，则这个扇区属于坏扇区。有一些坏扇区能够通过低级格式化或效率源的清零功能来重写这些信息纠正好。能纠正好的坏扇区可以叫做逻辑坏道或假坏道、软坏道；不能纠正好的坏扇区，说明该坏扇区有物理问题只能通过加G/P表解决。这种坏扇区又叫做物理坏道或真坏道、硬坏道。
S．M．A．R．T
S.M.A.R.T的全称为"Self-Monitoring，Analysis and Reporting Technology"，即"自我监测、分析及报告技术"。支持S.M.A.R.T技术的硬盘可以通过硬盘上的监测指令和主机上的监测软件对磁头、盘片、马达、电路的运行情况、历史记录及预设的安全值进行分析、比较。当出现安全值范围以外的情况时，就会自动向用户发出警告。
该技术由Compaq公司率先开发，IBM、希捷、富士通、昆腾等硬盘厂商参与修正，并融合了Compaq公司的IntelliSafe诊断技术和IBM的PFA检测技术特点。
　　1995年5月，Compaq公司向Small Form Factor(SFF)委员会提交了IntelliSafe的技术标准报告(SFF-8035i)；1996年1月进行1.0版的修正(SFF-8035R2)；1996年6月进行了1.3版的修正(SFF-8055)，并联合IBM等公司向SFF正式申请将IntelliSafe技术加入到ATA-3的行业标准中，正式更名为S.M.A.R.T。
　　作为行业标准，S.M.A.R.T规定了硬盘制造厂商应遵循的标准。满足S.M.A.R.T标准的条件主要包括：在设备制造期间完成S.M.A.R.T需要的各项参数、属性的设定；在特定系统平台下，能够正常使用S.M.A.R.T；通过BIOS检测，能够识别设备是否支持S.M.A.R.T并可显示相关信息，而且能辨别有效和失效的S.M.A.R.T信息；允许用户自由开启和关闭S.M.A.R.T功能；在用户使用过程中，能提供S.M.A.R.T的各项有效信息，确定设备的工作状态，并能发出相应的修正指令或警告。在硬盘以及操作系统都支持S.M.A.R.T.技术并且该技术默认开启的的情况下，在不良状态出现时S.M.A.R.T.技术能够在屏幕上显示英文警告信息："WARNING：IMMEDIATLY BACKUP YOUR DATA AND REPLACE YOUR HARD DISK DRIVE，A FAILURE MAY BE IMMINENT．" (警告：立刻备份你的数据同时更换硬盘驱动器，可能有错误出现。)
G-list (G表)(增长型缺陷扇区替换记录列表)
用户在使用硬盘过程中，有可能会发现一些新的坏扇区。按"三包"规定，只要出现一个坏扇区，商家就应该为用户换或修。现在大容量的硬盘出现一个坏扇区概率实在很大，这样的话硬盘商家就要为售后服务忙碌不已了。于是，硬盘厂商设计了一个自动修复机制，通过SMART功能将备用扇区替换该扇区，并将该扇区及其替换情况记录在G-list中。比如比如LBA 1（CHS 0 0 1）坏掉，会用备用扇区CHS 1 1 1替换掉CHS 0 0 1，而LBA 1依然存在。这样一来，少量的坏扇区对用户的使用没有太大的影响。
　　也有一些硬盘自动修复机制的激发条件要严格一些，需要用某些软件来判断坏扇区,并通过某个端口（据说是50h）调用自动修复机制。比如常用的Lformat, ADM，DM中的Zero fill，Norton中的Wipeinfo和校正工具，西数工具包中的wddiag, IBM的DFT中的Erase等。
当然，G-list的记录不会无限制，所有的硬盘都会限定在一定数量范围内。如IBM AVER系列的限度是1899个记录，美钻二代的限度是636个等等。超过限度，有可能就会出错。（G表加爆掉，影响SMART，所以出现希捷.11系列的典型故障，当然这是.11的设计问题）
P-list（P表）（永久型缺陷扇区屏蔽记录列表）
现在的硬盘密度越来越高，单张盘片上存储的数据量超过500Gbytes. 硬盘厂家在生产盘片过程极其精密，但也极难做到100%的完美，硬盘盘面上或多或少存在一些缺陷。即使是从厂家出来的全新硬盘，它们的盘片也不是一点瑕疵也没有的。由于磁盘的盘片比较精密，对于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，都会产生从几个到数以百计的坏扇区。所以，按照现在硬盘2T的容量，全新的盘片即使有好几千个坏扇区也不是不可能的。只不过硬盘厂商会使用专门的设备去扫描盘片，把那些坏的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（P表），写进系统保留区（固件区），通过控制程序把这些扇区封闭起来，而硬盘的控制程序在读取硬盘的时候是不会读取这些区域的。这样，由于在底层控制的层面就已经把有问题的扇区封闭掉了，所以用户无论用什么格式化和分区软件都不会看到这部分的信息，看起来就像真的完全没有坏扇区一样。
下一章介绍硬盘缺陷产生的原因、处理手段的原理。
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作者：饶进