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      電腦報數據恢復專題——硬件內容

          數據恢復所涉及的不僅僅是各種軟件,一旦遇到硬件故障,這就完全是硬件級的操作了。當硬盤的內部部件出現問題之后,一般需要對其進行維修或是更換,至少保證在很短的時間內能夠工作,以便順利讀取數據,這也是硬件級數據恢復的指導思想。不過由于硬盤本身的精密度更高,因此要做到這一步可并不容易。

       

      一、全面認識硬盤內部結構與工作原理

      盡管在外部結構方面,各種硬盤之間有著一定的區別,但是其內部結構還是完全相同的,畢竟硬盤的本質工作方式不會改變。打開硬盤外殼之后,我們也就能夠看到神秘的內部世界,其核心部分包括盤體、主軸電機、讀寫磁頭、尋道電機等主要部件(圖01。不過需要提醒大家的是,千萬不要隨意打開硬盤的外殼,這將100%地使整個硬盤報廢,因為硬盤的內部盤面不能沾染上一滴匯成,否則立即報廢。一般硬盤內部結構維修甚至需要在要求極為嚴格的無塵實驗室中進行。

      1.  盤體(圖02

      盤體從物理的角度分為磁面(Side)、磁道(Track)、柱面(Cylinder)與扇區(Sector)等4個結構。磁面也就是組成盤體各盤片的上下兩個盤面,第一個盤片的第一面為0磁面,下一個為1磁面;第二個盤片的第一面為2磁面,以此類推……。磁道也就是在格式化磁盤時盤片上被劃分出來的許多同心圓。最外層的磁道為0道,并向著磁面中心增長。事實上,硬盤的盤體結構與大家熟悉的軟盤非常類似。只不過其盤片是由多個重疊在一起并由墊圈隔開的盤片組成,而且盤片采用金屬圓片(IBM曾經采用玻璃作為材料),表面極為平整光滑,并涂有磁性物質。

       

      2.  讀寫磁頭組件(圖03

      讀寫磁頭組件由讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸三部分組成。在具體工作時,磁頭通過傳動手臂和傳動軸以固定半徑掃描盤片,以此來讀寫數據。磁頭是集成工藝制成的多個磁頭的組合,采用非接觸式結構。硬盤加電后,讀寫磁頭在高速旋轉的磁盤表面飛行,飛高間隙只有0.10.3μm,可以獲得極高的數據傳輸率。新型MRMagnetoresistive heads) 磁阻磁頭采用讀寫分離的磁頭結構,寫操作時使用傳統的磁感應磁頭,讀操作則采用MR磁頭。

       

      3.  磁頭驅動機構

      對于硬盤而言,磁頭驅動機構就好比是一個指揮官,它控制磁頭的讀寫,直接為傳動手臂與傳動軸傳送指令。磁頭驅動機構主要由音圈電機、磁頭驅動小車和防震動機構組成。磁頭驅動機構對磁頭進行正確的驅動,在很短的時間內精確定位到系統指令指定的磁道上,保證數據讀寫的可靠性。一般而言,磁頭機構的電機有步進電機、力矩電機和音圈電機三種,現在硬盤多采用音圈電機驅動。音圈是中間插有與磁頭相連的磁棒的的線圈,當電流通過線圈時,磁棒就會發生位移,進而驅動裝載磁頭的小車,并根據控制器在盤面上磁頭位置的信息編碼來得到磁頭移動的距離,達到準確定位的目的。

       

      4.主軸組件(圖04

      硬盤的主軸組件主要是電機軸承和馬達,我們可以籠統地認為軸承決定一款硬盤的噪音表現,而馬達決定性能。當然,這樣說并不完全,但是基本上表達了這兩項內容在硬盤中的重要地位。從滾珠軸承到油浸軸承再到液態軸承,硬盤軸承處于不斷的改良當中,目前液態軸承已經成為絕對的主流市場。由于采用液體作為軸承,所以金屬之間不直接摩擦,這樣一來除了延長了主軸點解的壽命、減少發熱之外,最重要一點是實現了硬盤噪聲控制的突破。不過需要指出的是,采用液態軸承對于性能并沒有任何好處,甚至反而會延長尋道時間。對于PC設備而言,似乎噪音與性能是一對永遠難以平衡的矛盾。

       

      二、           危險本源:硬盤的天生存儲缺陷

      與閃存類存儲介質或是光存儲介質所不同,帶有磁頭裝置的硬盤在穩定性方面有著先天性的缺點,再加上本身就存在一定故障率的電路板,因此整個硬盤出現故障的概率可并不低。如果進行一個簡單的歸納,硬盤的硬件損壞可以分為以下幾類:

      控制電路損壞:

      是指硬盤的電路板中的某一部分線路斷路或短路,或者某些電氣元件或IC芯片損壞等等,導致硬盤在通電后盤片不能正常起轉,或者起轉后磁頭不能正確尋道等。

      磁頭組件損壞:(圖05,已經損壞的磁頭組件)

      主要指硬盤中磁頭組件的某部分被損壞,造成部分或全部磁頭無法正常讀寫的情況。磁頭組件損壞的方式和可能性非常多,主要包括磁頭磨損、磁頭懸臂變形、磁線圈受損、移位等。

      綜合性損壞:

      主要是指因為一些微小的變化使硬盤產生的種種問題。有些是硬盤在使用過程中因為發熱或者其他關系導致部分芯片老化;有些是硬盤在受到震動后,外殼或盤面或馬達主軸產生了微小的變化或位移;有些是硬盤本身在設計方面就在散熱、摩擦或結構上存在缺陷。種種的原因導致硬盤不穩定,經常丟數據或者出現邏輯錯誤,工作噪音大,讀寫速度慢,有時能正常工作但有時又不能正常工作等。

      扇區物理性損壞:

      是指因為碰撞、磁頭摩擦或其他原因導致磁盤盤面出現的物理性損壞,譬如劃傷盤片、掉磁等。

       

      PC-3000修復硬盤故障

      毫無疑問,控制電路損壞應當是這類故障中級別最低的,一般不會對數據造成危害。目前更換一塊電路板已經是很容易的事情,畢竟主流硬盤的型號數量非常有限,一般專業硬盤維修店或是數據恢復服務商都能輕松解決這一問題。至于磁頭組件損壞、綜合性損壞和扇區物理性損壞,理論上是根本無法恢復的,只能通過一定的方法將其在短時間內快速讀取數據,此時所能做的僅僅是數據恢復,而無法徹底修復硬盤。(圖06,ISA版本的PC-3000硬件卡)

      但是為何很多用戶都或多或少聽說過一些特殊的軟件修理方法呢?其實這僅僅是針對一些硬盤缺陷方式的處理方法。為了減少硬盤返修的概率,硬盤廠商在硬盤內部設計了一個自動修復機制(Automatic Reallcation Automatic Reassign)?,F在生產的硬盤都有這樣的功能:在對硬盤的讀寫過程中,如果發現一個壞扇區,則由內部管理程序自動分配一個備用扇區來替換該扇區,并將該扇區物理位置及其替換情況記錄在G-list(增長缺陷表,Grown defects list) 中。這樣一來,少量的壞扇區有可能在使用過程中被自動替換掉了,對用戶的使用沒有太大的影響。

      現在的硬盤密度越來越高,也極難做到100%的完美,硬盤盤面上或多或少存在一些缺陷。廠家在硬盤出廠前把所有的硬盤都進行低級格式化,在低級格式化過程中將自動找出所有defect trackdefect sector,記錄在永久缺陷列表(P-list,Permanent defect list)中。并且在對所有磁道和扇區的編號過程中,將skip(跳過)這些缺陷部分,讓用戶永遠不能用到它們。這樣,用戶在分區、格式化、檢查剛購買的新硬盤時,很難發現有問題。

      當遇到硬盤沒有明顯的異響,而在操作系統中可以識別硬盤設備卻無法在磁盤管理器中分配盤符時,很可能就是缺陷表故障,一般采用HDD Regenerator、MHDD、PC-3000和效率源等等這些軟件可以修復。但是這類軟件往往都有一定的局限性,表現為某一種軟件針對某一型號的硬盤特別有效。我們在此以PC-3000為例向大家簡單介紹。(圖07,PC-3000針對固件的操作界面)

      PC-3000是由俄羅斯著名硬盤實驗室ACE Laboratory研究開發專業修復硬盤綜合工具。PC-3000的基本工作原理是:掌握各種硬盤的專用CPU指令集,解讀各種硬盤的Firmware(固件),控制硬盤的讀寫操作,實現硬盤內部參數的讀寫和硬盤內部管理程序的調用,最終達到以軟件修復多種硬盤缺陷的目的。PC-3000由硬件部分和軟件部分組成,硬件部分以專用于控制硬盤的測試卡為主;軟件分為俄文版本和英文版本,其中包括若干個針對不同品牌不同系列的硬盤而開發的程序模塊。(圖08,PC-3000缺陷列表修改界面)

      以目前最新的For WindowsPC-3000為例,進入之后選擇相對應的硬盤品牌,然后可以根據自己的判斷來確認究竟是硬盤P-list部分故障還是固件區故障,然后使用軟件提供的固件備份系統進行覆蓋。事實上,正版PC-3000用戶都可以得到不斷升級的固件支持以及一些相關參數,因此整個處理過程非常簡單,僅僅是使用已經內置的幾個操作選項而已。PC-3000的確非常強大,可以編輯固件和缺陷列表。一般來說,執行這些操作并不會破壞硬盤中的數據,因此的確可以作為有效的數據恢復方法。(圖09,使用PC-3000讀寫硬盤固件)

       

      硬盤廠商如何修復硬盤

      硬盤里面還有另外一種封閉區域,又稱為保留容量,它們其實是完全沒有問題的好的盤面,但是因為某種原因被封閉起來了。譬如說一個硬盤是60GB,而磁碟的單碟容量為40GB,那么由兩片磁碟構成的硬盤就必須封閉掉20GB的容量(磁碟的生產線都是一定的,廠商為了降低成本,都只會生產一種容量的磁碟,通過封閉不同容量的區域來獲得不同的實際硬盤容量)。

      弄清楚了硬盤的生產原理,那么廠商如何維修硬盤就很好理解了。對于控制電路、磁頭等的損壞,就是應用最簡單的替換法,換上新的零件就可以了。對于IC芯片的損壞,可以通過重寫IC芯片的信息或者干脆替換IC芯片來修理。對于磁盤盤片的問題,情況就比較復雜。首先,廠商會用專門的儀器設備對硬盤的磁碟表面按照實際的物理地址重新進行全面的掃描,檢查出所有壞的、不穩定的扇區,形成一個新的硬盤缺陷列表,然后把它寫進硬盤的系統信息區,替換掉原來舊的硬盤缺陷列表。然后調用內部低級格式化程序,對硬盤進行內部格式化。程序會根據新的系統信息區信息,重新對所有的磁道和扇區進行編號、清零,重寫磁道伺服信息和扇區信息。經過這樣的處理,返修的硬盤就又可以像新的硬盤一樣了。

      有人可能會有疑問:既然有新的壞扇區加進系統保留區去了,那么硬盤的容量應該減少才對啊。其實這是不必擔心的,我們上面提到過有另外一種被封閉區域,它們其實是完全沒有問題的好的盤面。廠商的設備既然可以封閉新出現的壞扇區,當然也可以從被封閉的完好盤面上提取出相應的扇區容量來替代被封閉的壞扇區?,F今的硬盤一般都有非??捎^的保留容量,最少的也有好幾個GB,大的可以達到2030GB,甚至更多。

       

      三、           硬件開盤處理方法:最后的必殺技

      當排除硬盤是因為缺陷列表或是固件區的故障之后,其內部的故障就很讓人擔心了。無論是磁頭缺陷,還是電機故障或是更為嚴重的盤片劃傷,這些都需要進行開盤操作。所謂開盤操作,指的是在一定潔凈度要求的空間內打開硬盤的盤腔,對其內部進行各種操作,以便找回數據。

       

      深入了解超凈間:參觀XMHDD百級超凈間

      開盤操作對于很多第一次接觸數據恢復的讀者而言的確非常神秘,而且無論是使用的方法本身還是所要求的環境設備都非常新穎。為了解開大家的迷惑,我們在XMHDD數據恢復中心的配合下帶領大家參觀百級超凈間,這也是開盤所必備的環境要求。(圖10,XMHDD數據恢復中心百級超凈間)

      有些讀者可能會提出這樣的疑問,硬盤的工作環境需要達到十級潔凈度,僅僅是百級超凈間又如何符合要求呢?其實需要明確這樣一個概念,十級潔凈度是指硬盤長時間穩定工作所需要的環境。數據恢復過程僅僅是幾十分鐘,而且最終的目的并非是修復硬盤,而是找回丟失的數據,此時百級潔凈度已經完全能夠滿足需求。XMHDD數據恢復中心曾經專門做過試驗,結果證明十級潔凈度與百級潔凈度下的開盤成功率是一樣的,而千級超凈間則會存在比較嚴重的問題。

          盡管千級甚至萬級或是最普通的操作臺也有可能開盤成功,但是此時的失誤率實在太高,很容易造成無可挽救的二次破壞。對于數據恢復服務行業,做到對客戶的數據負責是最基本的原則。此外,目前行業中存在對超凈間的誤解或是過于神化的現象。真正的超凈間并非數據恢復服務商本身建造,需要委托專業的廠商專門定做,而能否達到要求則需要進行嚴格的檢測。XMHDD在廈門建立的超凈間通過廈門市計量局百級凈化檢測,完全達到百級潔凈度,只有這樣針對每一個超凈間嚴格監控才能確保較高的開盤成功率。(圖11,廈門市計量局百級凈化檢測儀器)(圖ADD01,紫外線燈與過濾器)

          在進入超凈間之前,工程師必須穿戴專用的潔凈服,否則辛苦建立的凈化環境就要付諸東流。一般而言,聯體式潔凈服有著較好的效果,此時可以將全身包裹,不至于讓人體皮屑污染環境。如果想要進一步提升效果,還必須安裝風淋設備,工程師在進入超凈間之前必須在風淋室內吹上幾分鐘,可以將吸附在身上的灰塵顆?;救コ?。風淋室可分為以下幾種:單人單吹風淋室,單人雙吹風淋室,單人三吹風淋室,雙人雙吹風淋室,XMHDD在廈門建立的超凈間使用了效果一般的單人單吹風淋室,但是應對數據恢復百級凈化應用已經綽綽有余了。一般而言,超凈間內還有一個專用操作臺,此時上下吹風方式可以進一步過濾塵埃。工程師的硬盤開盤操作完全在操作臺內進行。(圖12,風淋室去除衣服上的塵埃)

       

          深入硬盤內部:開盤過程全展示

      硬盤的密封都十分結實,但是只要使用六角螺絲刀也很好處理。分別擰下各個六角螺絲之后,就可以打開硬盤的上蓋,此時也能清晰看到其內部結構(圖13,專用的六角螺絲刀)。事實上,在打開硬盤之前,工程師一般都會憑借經驗判斷故障部位。如果在加電時沒有聽到硬盤轉動聲音且更換電路板后也沒有效果,那么很可能是電機故障。而如果轉動聲音很正常且伴隨著“咔噠”聲,則多半是磁頭偏移造成的劃盤(此時應盡可能減少加電次數),需要更換磁頭后才能恢復數據。(圖14,打開硬盤后看到的盤體內部)

      然而硬盤內部的這些配件并非完全通用,因此進行開盤操作時需要找到合適的備件,此時所要求的應該不僅僅是型號一樣,甚至是Model號也完全一致。在更換磁頭的時候,工程師首先將內部磁鐵蓋片掀開,此時需要用力得當,否則很容易弄傷盤片,從而導致數據徹底報廢(圖15,調整硬盤的磁頭部分)。真正困難的還在于磁頭的安放步驟。如果硬盤內部有多個盤片和磁頭組成,那么留給工程師的操作空間就很小,此時稍不當心就可能觸及盤片或是弄壞磁頭。此外,不同型號的硬盤在磁頭特性方面也不盡相同,這需要工程師憑借經驗去調整距離。(圖16,安裝新的磁頭)

      目前XMHDD正在聯合相關科研單位開發磁頭調整輔助機械手,但是由于硬盤精密度較高,因此整個開發過程并不順利,不過這將是未來開盤技術的發展方向:逐步擺脫純手工操作方式。至于前幾年業界流行的“盤片讀盤機”傳言,這幾乎是不可能實現的。如果大家閱讀本次專題的其它內容,就會了解硬盤的缺陷處理方式,因此指望像光盤驅動器那樣來讀取盤片簡直是天方夜談。

       


       
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