系统硬件知识之硬盘

Posted 2021-07-30 锦衣admin

基础知识之硬盘

• 硬盘
• • 机械硬盘
  • • 机械硬盘工作原理
    • 机械硬盘组成部件：
  • 硬盘的接口类型：
  • 固态硬盘

硬盘

硬盘类型：机械硬盘(又称传统硬盘，HHD， 采用磁性碟片来存储)、固态硬盘(SSD，采用闪存颗粒来存储)

机械硬盘

机械硬盘介绍：

机械硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)：是电脑上使用坚硬的旋转盘片为基础的非易失性存储器（指当电流关掉后，所存储的资料不会消失的资料存储设备。），它在平整的磁性表面存储和检索数字数据，数据写入盘片原理是通过离磁性表面很近的磁头由电磁流来改变极性的方式，读取盘片数据原理是磁头经过盘片的上方时盘片本身的磁场导致读取线圈中电气信号改变。硬盘的读写是采用半随机存取的方式，可以以任意顺序读取硬盘中的资料，但读取不同位置的资料速度不相同。硬盘包括一至数片高速转动的盘片以及放在执行器悬臂上的磁头。

机械硬盘的每一个盘面都有一个读写磁头即一个盘片有上下两个读写磁头（有的盘面只有一个读写磁头），硬盘在不工作状态时读写磁头停靠在磁头停泊区（有的硬盘将盘面最内侧设置为磁头停泊区），防止因人为抖动硬盘导致读写磁头与盘片造成摩擦损坏（这是因为磁头与盘面的间距只有0.1μm～0.5μm，较高的水平已经达到 0.005μm～0.01μm）所以当它工作时更不能碰撞硬盘。

机械硬盘工作原理

前置知识

新买来的硬盘是不能直接使用的，必须对它进行分区进行格式化才能存储数据，经过格式化分区后，逻辑上每个盘片的每一面都会被分为磁道、扇区、柱面这几个虚拟的概念

硬盘在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区。

磁道（Track）：磁盘在格式化时被划分为许多同心圆环，这些同心圆环就叫做磁道。硬盘的磁道密度非常高，通常一面上就有上千个磁道。但是相邻的磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近会相互产生影响。磁道是“看”不见的，只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化区，在磁盘格式化时就已规划完毕。磁道从外向内是从0开始顺序编号，硬盘数据的存放就是从最外圈0磁道开始的。

柱面（Cylinder）：

所有盘面的同一磁道构成一个圆柱面，称作柱面（盘片中有多少个磁道，就有多少个柱面）。硬盘数据的读写是按照柱面进行的，即磁头读写数据时首先是在同一柱面内从0磁道开始，依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头进行读写操作（一个盘片有两个盘面），只有同一柱面所有磁头全部读写完毕后才转移到下一柱面（因为选取磁头只需通过电子切换即可，而选取柱面则必须通过磁头臂机械切换，电子切换比从在机械上磁头向邻近磁道移动快得多，不过目前已经有多磁头独立技术，可不受此限制）。

因此，数据的读写按柱面进行，而不按盘面进行。 读写数据都是按照这种方式进行，尽可能提高了硬盘读写效率。而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。

扇区（Sector）：

低级格式化划分磁道的同时，每个磁道又被划分成若干段「圆弧」，每段圆弧叫做一个物理扇区（Sector），从1开始编号（前面几个概念都是从0开始编号）。但是并不是顺序编号的，这是因为磁头读取扇区时磁盘是旋转的，当磁头需要读写下一扇区时因磁盘旋转而无法准确读写到正确的下一扇区，所以在给扇区编号时会隔几个扇区编号，假设交叉因子值是2:1时：1、6、2、7、3、8、4、9、5以此类推。

硬盘的基本读写单位是扇区，通常是512个字节，单独读写1个或几个字节是不可能的。通过系统提供的接口读写文件数据时，硬盘实际执行时读写的仍然是整个扇区。为了提高数据记录密度，硬盘厂商往往采用增大扇区大小的方法，于是出现了扇区大小为4096字节的硬盘，我们将这样的扇区称之为物理扇区。但是这样的大扇区会有兼容性问题，有的系统或软件无法适应。为了解决这个问题，硬盘内部将物理扇区在逻辑上划分为多个扇区片段并将其作为普通的扇区（一般为512字节大小）报告给操作系统及应用软件，这样的扇区片段我们称之为逻辑扇区。实际读写时由硬盘内的程序（固件）负责在逻辑扇区与物理扇区之间进行转换，上层程序“感觉”不到物理扇区的存在。

逻辑扇区是硬盘可以接受读写指令的最小操作单元，是操作系统及应用程序可以访问的扇区，多数情况下其大小为512字节。我们通常所说的扇区一般就是指的逻辑扇区。

物理扇区是硬盘底层硬件意义上的扇区，是实际执行读写操作的最小单元。是只能由硬盘直接访问的扇区，操作系统及应用程序一般无法直接访问物理扇区。一个物理扇区可以包含一个或多个逻辑扇区（比如多数硬盘的物理扇区包含了8个逻辑扇区）。当要读写某个逻辑扇区时，硬盘底层在实际操作时都会读写逻辑扇区所在的整个物理扇区。

簇（Data cluster）：

也称为分配单元（allocation unit），说到扇区这里顺便引入簇。簇是操作系统中磁盘文件存储管理的单位，可为一个或多个物理扇区组成，由格式化时选定文件系统而定。

簇是操作系统所使用的逻辑概念，而非磁盘的物理特性。由于物理硬盘中扇区是磁盘最小的物理存储单元、在硬盘中存在的量很大并且每个扇区都必须有编号，所以操作系统无法对数目众多的扇区进行寻址。因此操作系统将相邻的扇区组合在一起，组成簇这一单位用以高效率地利用资源。

文件系统是操作系统与硬盘驱动器之间的接口，当系统请求从硬盘里读取一个文件时，会请求相应的文件系统打开文件，簇包含的扇区数是由文件系统格式与分配单元大小而定。一般每个簇可以包括2、4、8、16、32或64个扇区，一般是2^ⁿ次方。

盘面（Side）：

每个盘片都有上、下两面（Side），两面都会用来存储数据，成为有效盘面（也有个别硬盘盘片只用一面）。每个有效盘面都有一个盘面号，由上而下从“0”开始依次编号，又因为每个有效盘面都对应一个读写磁头，所以磁头号等价于盘面号。通常一块硬盘有3个相同的盘片，故磁头号（盘面号）编号为0至5。

机械硬盘组成部件：

机械硬盘采用磁性碟片来存储数据，主要由：磁盘盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几部分组成。

硬盘的接口类型：

硬盘按数据接口不同，大致分为ATA（又称IDE）和SATA以及SCSI和SAS。接口速度不是实际硬盘数据传输的速度，目前普通硬盘的实际数据传输速度一般不超过300MB/s。

ATA（IDE）接口硬盘：

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，接口速度最大为133MB/s，因为并口线的抗干扰性太差，且排线占用空间较大，不利电脑内部散热，已逐渐被SATA所取代。

SATA接口硬盘：

全称Serial ATA，也就是使用串口的ATA接口，特点是抗干扰性强，对数据线的要求比ATA低很多，且支持热插拔等功能。SATA-II的接口速度为300MiB/s，而新的SATA-III标准可达到600MiB/s的传输速度。SATA的数据线也比ATA的细得多，有利于机箱内的空气流通，整理线材也比较方便。

SCSI接口硬盘：

全称Small Computer System Interface（小型机系统接口），经历多代的发展，从早期的SCSI-II，到目前的Ultra320 SCSI以及Fiber-Channel（光纤通道），接口型式也多种多样。SCSI硬盘广为工作站级个人电脑以及服务器所使用，因此会使用较为先进的技术，如碟片转速15000rpm的高转速，且资料传输时CPU占用率较低，但是单价也比相同容量的ATA及SATA硬盘更加昂贵。

SAS接口硬盘：

全称Serial Attached SCSI，是新一代的SCSI技术，可兼容SATA硬盘，同样支持热插拔，采用序列式技术以获得更高的传输速度，可达到12Gb/s，碟片转速也较快。而较小的连接线，可改善系统内部空间空气流通。通常应用于服务器等企业级产品。

此外，由于SAS硬盘可以与SATA硬盘共享同样的背板，因此在同一个SAS存储系统中，可以用SATA硬盘来取代部分昂贵的SAS硬盘，节省整体的存储成本。但SATA存储系统并不能连接SAS硬盘。

FC接口硬盘：

全称Fibre Channel（光纤通道接口），拥有此接口的硬盘在使用光纤联接时具有热插拔性、高速带宽（4Gb/s或10Gb/s）、远程连接等特点；内部传输速率也比普通硬盘更高。但其价格高昂，因此FC接口通常只用于高端服务器领域。

固态硬盘

固态硬盘工作原理
固态硬盘组成部件：
硬盘的接口类型：

未完待续…