硬盘介绍 - 硬盘构成知识(机械硬盘与固态硬盘图析)

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：

 

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。

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：

 

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：

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。