硬盘介绍 - 硬盘构成知识(机械硬盘与固态硬盘图析)

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硬盘介绍 - 硬盘构成知识(机械硬盘与固态硬盘图析)

来源:互联网 作者:脚本宝典 时间:2015-08-13 18:54
硬盘简介 随着计算机的普及,硬盘成为最重要的数据存储工具。我们重要的数据:照片、文档、视频等等,几乎都存储在硬盘中,一句话,我们的生活已经须臾离不开硬盘了。 硬盘是

硬盘简介

     随着计算机的普及,硬盘成为最重要的数据存储工具。我们重要的数据:照片、文档、视频等等,几乎都存储在硬盘中,一句话,我们的生活已经须臾离不开硬盘了。

硬盘是电脑主要的存储媒介之一,由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。碟片外覆盖有铁磁性材料。
硬盘有固态硬盘(SSD 盘,新式硬盘)、机械硬盘(HDD 传统硬盘)、混合硬盘(HHD 一块基于传统机械硬盘诞生出来的新硬盘)。SSD采用闪存颗粒来存储,HDD采用磁性碟片来存储,混合硬盘(HHD: Hybrid Hard Disk)是把磁性硬盘和闪存集成到一起的一种硬盘。绝大多数硬盘都是固定硬盘,被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。 
磁头复位节能技术:通过在闲时对磁头的复位来节能。 
多磁头技术:通过在同一碟片上增加多个磁头同时的读或写来为硬盘提速,或同时在多碟片同时利用磁头来读或写来为磁盘提速,多用于服务器和数据库中心。 

机械型硬盘发展史 

1.1956年,IBM的IBM 350RAMAC是现代硬盘的雏形,它相当于两个冰箱的体积,不过其储存容量只有5MB。1973年IBM 3340问世,它拥有“温彻斯特”这个绰号,来源于他两个30MB的储存单元,恰是当时出名的“温彻斯特来福枪”的口径和填弹量。至此,硬盘的基本架构就被确立。2.1980年,两位前IBM员工创立的公司开发出5.25英寸规格的5MB硬盘,这是首款面向台式机的产品,而该公司正是希捷(Seagate)公司。 
3. 80年代末,IBM公司推出MR(Magneto Resistive磁阻)技术令磁头灵敏度大大提升,使盘片的储存密度较之前的20Mbpsi(bit/每平方英寸)提高了数十倍,该技术为硬盘容量的巨大提升奠定了基础。1991年,IBM应用该技术推出了首款3.5英寸的1GB硬盘。 
4.1970年到1991年,硬盘盘片的储存密度以每年25%~30%的速度增长;从1991年开始增长到60%~80%;至今,速度提升到100%甚至是200%,从1997年开始的惊人速度提升得益于IBM的GMR(Giant Magneto Resistive,巨磁阻)技术,它使磁头灵敏度进一步提升,进而提高了储存密度。 
5.1995年,为了配合Intel的LX芯片组,昆腾(Quantum)与Intel携手发布UDMA 33接口——EIDE标准将原来接口数据传输率从16.6MB/s提升到了33MB/s 同年,希捷开发出液态轴承(FDB,Fluid Dynamic Bearing)马达。所谓的FDB就是指将陀螺仪上的技术引进到硬盘生产中,用厚度相当于头发丝直径十分之一的油膜取代金属轴承,减轻了硬盘噪音与发热量。 
6.1996年,希捷收购康诺(Conner Peripherals)。 
7.1998年2月,UDMA66规格上市。 
8.1999年,容量高达10GB的ATA硬盘上市。 
9.2000年2月23日,希捷发布了转速高达15,000RPM的Cheetah X15系列硬盘。 
2000年3月16号,硬盘领域又有新突破,第一款"玻璃硬盘"问世。 
10月,迈拓(Maxtor)收购昆腾硬盘业务。 
10.2001年:新的磁头技术,此时的全部硬盘几乎均采用GMR,该技术最新的为第四代GMR磁头技术。 
11.2003年1月,日立宣布完成20.5亿美元的收购IBM硬盘事业部计划,并成立日立环球储存科技公司(Hitachi Global Storage Technologies,Hitachi GST)。 
12.2005年日立环储和希捷都宣布了将开始大量采用磁盘垂直写入技术(perpendicular recording),该原理是将平行于盘片的磁场方向改变为垂直(90度),更充分地利用的储存空间。 
13.2005年12月21日,硬盘制造商希捷宣布收购迈拓(Maxtor)。 
14.2007年1月,日立环球储存科技宣布将会发售全球首只1Terabyte的硬盘,比原先的预定时间迟了一年多。硬盘的售价为399美元,平均每美元可以购得2.75GB硬盘空间。 
15.2007年11月,Maxtor硬盘出厂的预先格式化的硬盘。被发现已植入会盗取在线游戏的帐号与密码的木马。 
16.2010年12月,日立环球存储科技公司日前同时宣布,将向全球OEM厂商和部分分销合作伙伴推出3T 
B、2TB和1.5TB Deskstar 7K3000硬盘系列。 
17.2011年3月8日凌晨,WD西部数据公司宣布,将以现金加股票的形式,出资43亿美元收购日立全资子公司,同为世界级硬盘大厂的日立环球存储技术公司(HGST)。 

基本参数

容量 

作为计算机系统的数据存储器,容量是硬盘最主要的参数。 
硬盘的容量以兆字节(MB/MiB)、千兆字节(GB/GiB)或百万兆字节(TB/TiB)为单位,而常见的换算式为:1TB=1024GB,1GB=1024MB而1MB=1024KB。但硬盘厂商通常使用的是GB,也就是1G=1000MB,而Windows系统,就依旧以“GB”字样来表示“GiB”单位(1024换算的),因此我们在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值要小。 
硬盘的容量指标还包括硬盘的单碟容量。所谓单碟容量是指硬盘单片盘片的容量,单碟容量越大,单位成本越低,平均访问时间也越短。 
一般情况下硬盘容量越大,单位字节的价格就越便宜,但是超出主流容量的硬盘略微例外。 
在我们买硬盘的时候说是500G的,但实际容量都比500G要小的。因为厂家是按1MB=1000KB来换算的,所以我们买新硬盘,比买时候实际用量要小点的。 

转速 

转速(Rotational Speed 或Spindle speed),是硬盘内电机主轴的旋转速度,也就是硬盘盘片在一分钟内所能完成的最大转数。转速的快慢是标示硬盘档次的重要参数之一,它是决定硬盘内部传输率的关键因素之一,在很大程度上直接影响到硬盘的速度。硬盘的转速越快,硬盘寻找文件的速度也就越快,相对的硬盘的传输速度也就得到了提高。硬盘转速以每分钟多少转来表示,单位表示为RPM,RPM是Revolutions Per minute的缩写,是转/每分钟。RPM值越大,内部传输率就越快,访问时间就越短,硬盘的整体性能也就越好。 
硬盘的主轴马达带动盘片高速旋转,产生浮力使磁头飘浮在盘片上方。要将所要存取资料的扇区带到磁头下方,转速越快,则等待时间也就越短。因此转速在很大程度上决定了硬盘的速度。 
家用的普通硬盘的转速一般有5400rpm、7200rpm几种高转速硬盘也是台式机用户的首选;而对于笔记本用户则是4200rpm、5400rpm为主,虽然已经有公司发布了10000rpm的笔记本硬盘,但在市场中还较为少见;服务器用户对硬盘性能要求最高,服务器中使用的SCSI硬盘转速基本都采用10000rpm,甚至还有15000rpm的,性能要超出家用产品很多。较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间,但随着硬盘转速的不断提高也带来了温度升高、电机主轴磨损加大、工作噪音增大等负面影响。 

平均访问时间 

平均访问时间(Average Access Time)是指磁头从起始位置到到达目标磁道位置,并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。 
平均访问时间体现了硬盘的读写速度,它包括了硬盘的寻道时间和等待时间,即:平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间。 
硬盘的平均寻道时间(Average Seek Time)是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间。这个时间当然越小越好,硬盘的平均寻道时间通常在8ms到12ms之间,而SCSI硬盘则应小于或等于8ms。 
硬盘的等待时间,又叫潜伏期(Latency),是指磁头已处于要访问的磁道,等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需的时间的一半,一般应在4ms以下。 

传输速率 

传输速率(Data Transfer Rate)硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度,单位为兆字节每秒(MB/s)。硬盘数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。 
内部传输率(Internal Transfer Rate) 也称为持续传输率(Sustained Transfer Rate),它反映了硬盘缓冲区未用时的性能。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。 
外部传输率(External Transfer Rate)也称为突发数据传输率(Burst Data Transfer Rate)或接口传输率,它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率,外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。 
Fast ATA接口硬盘的最大外部传输率为16.6MB/s,而Ultra ATA接口的硬盘则达到33.3MB/s。2012年12月,两80后研制出传输速度每秒1.5GB的固态硬盘。 

缓存 

缓存(Cache memory)是硬盘控制器上的一块内存芯片,具有极快的存取速度,它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。由于硬盘的内部数据传输速度和外界介面传输速度不同,缓存在其中起到一个缓冲的作用。缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素,能够大幅度地提高硬盘整体性能。当硬盘存取零碎数据时需要不断地在硬盘与内存之间交换数据,有大缓存,则可以将那些零碎数据暂存在缓存中,减小外系统的负荷,也提高了数据的传输速度。 

硬盘制造厂商: 

希捷(Seagate) 
希捷公司成立于1980年,现为全球第1大的硬盘、磁盘和读写磁头制造商,希捷在设计、制造和销售硬盘领域居全球领先地位,提供用于企业、台式电脑、移动设备和消费电子的产品。、 
2005年并购迈拓(Maxtor) 
2011年4月-2011年12月 收购三星(Samsung)旗下的硬盘业务后成为最大的硬盘厂商。 
西部数据(Western Digital) 
西部数据是全球知名的硬盘厂商,现为全球第2大硬盘制造商,成立于1979年,总部位于美国加州,在世界各地设有分公司或办事处,为全球五大洲用户提供存储器产品,2011年3月收购日立。 
日立(HITACHI) 
HITACHI日立集团是全球最大的综合跨国集团之一,台式电脑硬盘,笔记本硬盘都有生产。于2002年并购IBM硬盘生产事业部门。于2011年3月被西部数据收购。 
东芝(TOSHIBA) 
日本最大的半导体制造商,亦是第二大综合电机制造商,隶属于三井集团旗下。 主要生产移动存储产品。
三星(Samsung) 
韩国最大的企业集团三星集团的简称。生产的硬盘提供用于台式电脑、移动设备和消费电子的产品。2011年4月19日,希捷正式宣布以13.75亿美元(现金加股票的方式)收购三星硬盘业务。2011年12月20日,希捷宣布已完成对三星电子有限公司旗下硬盘业务的收购交易。 

硬盘尺寸: 

尺寸分类3.5英寸台式机硬盘;风头正劲,广泛用于各种台式计算机。 

2.5英寸笔记本硬盘;广泛用于笔记本电脑,桌面一体机,移动硬盘及便携式硬盘播放器。 
1.8英寸微型硬盘;广泛用于超薄笔记本电脑,移动硬盘及苹果播放器。 
1.3英寸微型硬盘;产品单一,三星独有技术,仅用于三星的移动硬盘。 
1.0英寸微型硬盘;最早由IBM公司开发,MicroDrive微硬盘(简称MD)。因符合CFⅡ标准,所以广泛用于单反数码相机。 
0.85英寸微型硬盘;产品单一,日立独有技术,已知用于日立的一款硬盘手机,前Rio公司的几款MP3播放器也采用了这种硬盘。 

接口种类 

ATA 

ATA 全称 Advanced Technology Attachment,是用传统的40-pin 并口数据线连接主板与硬盘的,外部接口速度最大为133MB/s,因为并口线的抗干扰性太差,且排线占空间,不利计算机散热,将逐渐被SATA 所取代。 
IDE 
全称 Integrated Drive Electronics,即“电子集成驱动器”,俗称PATA并口。 
RAID的优点 
1. 传输速率高。在部分RAID模式中,可以让很多磁盘驱动器同时传输数据,而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘驱动器,所以使用RAID可以达到单个的磁盘驱动器几倍的速率。因为CPU的速度增长很快,而磁盘驱动器的数据传输速率无法大幅提高,所以需要有一种方案解决二者之间的矛盾。 2. 更高的安全性。相较于普通磁盘驱动器很多RAID模式都提供了多种数据修复功能,当RAID中的某一磁盘驱动器出现严重故障无法使用时,可以通过RAID中的其他磁盘驱动器来恢复此驱动器中的数据,而普通磁盘驱动器无法实现,这是使用RAID的第二个原因 
SATA 
2001年,由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、迈拓这几大厂商组成的Serial ATA委员会正式确立了Serial ATA 1.0规范,2002年,虽然串行ATA的相关设备还未正式上市,但Serial ATA委员会已抢先确立了Serial ATA 2.0规范。Serial ATA采用串行连接方式,串行ATA总线使用嵌入式时钟信号,具备了更强的纠错能力,与以往相比其最大的区别在于能对传输指令(不仅仅是数据)进行检查如果发现错误会自动矫正。 
SATA Ⅱ 
SATA Ⅱ是芯片巨头Intel英特尔与硬盘巨头Seagate希捷在SATA的基础上发展起来的,其主要特征是外部传输率从SATA的150MB/s进一步提高到了300MB/s,此外还包括NCQ(Native Command Queuing,原生命令队列)、端口多路器(Port Multiplier)、交错启动(Staggered Spin-up)等一系列的技术特征。但是并非所有的SATA硬盘都可以使用NCQ技术,除了硬盘本身要支持NCQ之外,也要求主板芯片组的SATA控制器支持NCQ。 
SATA Ⅲ 
正式名称为“SATARevision3.0”,是串行ATA国际组织(SATA-IO)在2009年5月份发布的新版规范,主要是传输速度翻番达到6Gbps,同时向下兼容旧版规范“SATARevision2.6”(也就是现在俗称的SATA3Gbps),接口、数据线都没有变动。SATA3.0接口技术标准是2007上半年英特尔公司提出的,由英特尔公司的存储产品架构设计部技术总监Knut Grimsrud负责。Knut Grimsrud表示,SATA3.0的传输速率将达到6Gbps,将在SATA2.0的基础上增加1倍。 
SCSI 
SCSI的英文全称为“Small Computer System Interface”(小型计算机系统接口),是同IDE(ATA)完全不同的接口,IDE接口是普通PC的标准接口,而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口,是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低,以及热插拔等优点,但较高的价格使得它很难如IDE硬盘般普及,因此SCSI硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。 
光纤通道 
光纤通道的英文拼写是Fibre Channel,和SCSI接口一样光纤通道最初也不是为硬盘设计开发的接口技术,是专门为网络系统设计的,但随着存储系统对速度的需求,才逐渐应用到硬盘系统中。光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度和灵活性才开发的,它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度。光纤通道的主要特性有:热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设备数量大等。 
光纤通道是为在像服务器这样的多硬盘系统环境而设计的,能满足高端工作站、服务器、海量存储子网络、外设间通过集线器、交换机和点对点连接进行双向、串行数据通讯等系统对高数据传输率的要求。 
RAID的分类 
RAID 0,无冗余无校验的磁盘阵列。数据同时分布在各个磁盘上,没有容错能力,读写速度在RAID中最快,但因为任何一个磁盘损坏都会使整个RAID系统失效,所以安全系数反倒比单个的磁盘还要低。一般用在对数据安全要求不高,但对速度要求很高的场合,如:大型游戏、图形图像编辑等。此种RAID模式至少需要2个磁盘,而更多的磁盘则能提供更高效的数据传输。 
SAS 
SAS(Serial Attached SCSI)即串行连接SCSI,是新一代的SCSI技术,和现在流行的Serial ATA(SATA)硬盘相同,都是采用串行技术以获得更高的传输速度。并通过缩短连结线改善内部空间等。SAS是并行SCSI接口之后开发出的全新接口。此接口的设计是为了改善存储系统的效能、可用性和扩充性,并且提供与SATA硬盘的兼容性。 

     硬盘是什么?硬盘,是计算机中,存储数据的一个硬件设备。如果您使用的是台式机,打开机箱后, 您会发现硬盘是这个样子的:

 


硬盘 
图2:硬盘正面

 

     可以看到,硬盘就是一个长方形的铁盒子,贴有标签,标签上标明硬盘的容量、速度、接口类型、品牌、型号等信息。

     容量:硬盘所能存储数据的大小,容量越大,硬盘所能存储的数据越多。就在几年以前,一般的硬盘都还是只能存储几百MB的数据,而现在,主流的硬盘容量是1TB或2TB。

     速度:硬盘读取与保存数据的速度,一般以硬盘盘片的转速来表示,现在主流硬盘的速度一般是7200转/每分钟。

     接口:以前的硬盘,一般都是IDE接口的,现在的硬盘,一般是SATA接口的,关于硬盘接口,下一篇教程会有更多的介绍。

     品牌:事实上,硬盘有两个大的品牌厂商,一个是希捷(Seagate),一个西数(Western Digital)。由于硬盘是保存数据的重要设备,笔者强烈建议读者选购硬盘时,从这两个品牌中选择,并确保买到真品。

     我们把硬盘翻转过来,看看硬盘的另一面是什么样子的。


硬盘 
图3:硬盘反面

 

     硬盘的反面,通常有一块集成电路板,称之为硬盘固件。硬盘固件有两个作用,一是里面有控制硬盘读写的芯片与电路;二是提供与计算机其他部分连接的接口。

     您可能已经知道,计算机中的数据,都保存在硬盘这个硬件设备中。您可能会好奇,硬盘是如何实现数据的保存呢?在笔者写这篇文章时,传统硬盘仍然是市场的主 流,传统硬盘是依靠磁记录来保存数据的;另外,固态硬盘是使用电子存储芯片(闪存)来保存数据的。从发展趋势看,使用闪存存储数据的固态硬盘,今后会越来 越普及。

     如果您用螺丝刀或一些专用工具,打开传统的磁记录硬盘,可以看到传统硬盘的内部结构:

 


硬盘 
图4:硬盘内部结构

 

     可以看到,硬盘中实际记录数据的介质,是一个圆形的盘片,盘片上面的是读写数据的磁头,把盘片拆下来会发现,盘片很漂亮呢,可以用来做工艺品。盘片可以转 动,磁头可以左右摆动,这样硬盘就可以调整磁头与盘片接触的位置,而磁头可以对盘片上与磁头接触位置的数据进行读取或写入操作。这就是传统硬盘的工作原 理。

     硬盘是一个精密的物理设备,使用时要小心,不能摔碰,否则会非常容易损坏盘片、磁头或固件。因为实际存储数据的盘片是圆形的,所以使用硬盘时,有磁道、柱面、扇区等概念,不过作为普通的用户,您不必了解这些概念。

     固态硬盘使用电子存储芯片(闪存)来存储数据,内部结构与传统的磁记录硬盘完全不同。打开固态硬盘,没有盘片与磁头等物理设备,只有一个一个闪存芯片,如下图所示:


固态硬盘 
图5:固态硬盘内部结构

 

     由于固态硬盘是在传统硬盘出现之后才有的,为了软件的兼容性,固态硬盘也有磁道、柱面、扇区等概念,但这完全是为了软件兼容性而设置的虚拟的逻辑概念。依 靠闪存芯片存储数据的固态硬盘,当然没有实际的磁道、柱面、扇区等。对普通用户而言,在使用硬盘时,固态硬盘与传统硬盘没有区别。

     关于硬盘的概况,本文就先介绍这么多。


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