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1、NB1 基于本架构的Hard DiskSSD相存工作原理Justin基于笔记本架构的Hard Disk & SSD相关存储设备工作原理Justin2009/12/11目 录第一章：硬盘简介 4第二章：传统硬盘工作原理 13第三章：硬盘主流技术 18第四章：传统硬盘与固态硬盘 24小 结 ：展望未来 35概 述自从IBM于1956年9月向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM 350之后，整整半个世纪以来，硬盘的温彻斯特（Winchester）结构一直没有改变。现在，当我们对容量、速度以及稳定性提出更高要求之时，硬盘技术终于迎来千载难逢的发展良机。尽管在外部结构方面，各种硬盘之间有着一定的区别，但是

2、其内部结构还是完全相同的，毕竟硬盘的本质工作方式不会改变。虽说我们一直认为温彻斯特结构阻碍了硬盘技术发展，但是硬盘要提高综合表现并非彻底推翻温彻斯特结构，而是在这一基础上进行改进。硬盘（港台称之为硬碟，英文名：Hard Disc Drive 简称HDD）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。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。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。不知不觉间2009又准备过去，作为存储设备中的重要一员，硬盘起着极其重要的作用，而电脑三大件中，硬盘的技术发展速度是比较缓慢的，但是也不是不发展。其实在2008年硬盘的技术就发生翻天覆地的变化

3、。对用户来说，容量是硬盘与生俱来对于其它存储产品的最大有时。在如今市场上，几乎没有一款存储产品能在容量上和硬盘一较高下，这也是硬盘几十年来一直作为存储产品中当之无愧的霸主的原因。今天，我们就来一起共同学习一下基于笔记本架构的Hard Disk & SSD相关存储设备工作原理及其相关知识，其中涵盖了第一章:传统硬盘简介；第二章：传统硬盘工作原理；第三章：硬盘主流技术；第四章：传统硬盘与固态硬盘；以及小结。由于技术水平有限，如有错误或不当之处还请批评指正。第一章：硬盘简介1.1“温彻斯特/Winchester”技术:从第一块硬盘RAMAC的问世到现在单碟容量高达250GB多的硬盘，硬盘也经历了几代

4、的发展，PC上的硬盘已经发展了30多年的历史。当然，没有一块硬盘能如此长寿。早在1956年，国际商用机器公司(IBM)发明了世界上第一个磁盘存储系统IBM 305 RAMAC，这个只有5MB的存储设备却拥有50个24英寸的盘片。在那个时代，RAMAC是令人吃惊的计算机设备就其笨拙程度而言，在今天毫无疑问也是令人吃惊的。 1973年，IBM研制成功了一种新型的硬盘IBM 3340。这种硬盘拥有几个同轴的金属盘片，盘片上涂着磁性材料。它们和可以移动的磁头共同密封在一个盒子里面，磁头能从旋转的盘片上读出磁信号的变化-这就是我们今天是用的硬盘的祖先，IBM把它叫做温彻斯特硬盘。 “温彻斯特”这个名字还

5、有个小小的来历。IBM 3340拥有两个30MB的存储单元，而当时一种很有名的“温彻斯特来复枪”的口径和装药也恰好包含了两个数字“30”。于是这种硬盘的内部代号就被定为“温彻斯特”。 温彻斯特硬盘采用了一个了不起的技术：它的磁头并不与盘片接触。可以想象，如果要提高存取数据的速度，硬盘的盘片就应该越转越快。但是如果磁头与盘片接触，那么无论采用什么材料都不可能胜任这种工作。技术人员想到让磁头在盘片上方“飞行”，与盘片保持一个非常近的距离。这个想法是可行的，因为盘片高速旋转会产生流动的风，只要磁头的形状合适，它就能像飞机一样飞行。这样，盘片就能旋转的很快而不必担心磨擦造成的灾难。磁头被固定在一个能沿

6、盘片径向运动的臂上。由于磁头相对盘片高速运动，并且二者距离很近，哪怕是一丁点灰尘也会造成磁盘的损坏。所以，盘片、磁头和驱动机构被密封在了一个盒子里。 1980年，希捷(Seagate)公司制造出了个人电脑上的第一块温彻斯特硬盘，这个硬盘与当时的软驱体积相仿，容量5MB（可以想象，这种容量在今天什么也做不了，但是在当时对于个人电脑却是个天文数字）。 硬盘容量的提高依赖于磁头的灵敏度。如果磁头越灵敏，就能在单位面积的区域上读出更多的信息。80年代的硬盘使用所谓的薄膜磁头，后来，研究人员找到了一种材料，这种材料的电阻能随磁场的变化而变化，这就是现在通用的“磁阻”磁头。高灵敏度的磁头为高密度的存储提供

7、了可能。 今天，尽管我们的硬盘能够储存数十甚至上百GB的信息，它们的实质与1973年IBM发明的温彻斯特硬盘没有区别。那个盛有高速旋转的碟子的方盒，仍然是快速大量存取数据的最好选择。1.2硬盘接口IDEIDE的英文全称为“Integrated Drive Electronics”，即“电子集成驱动器”，俗称PATA并口。它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为硬盘生产厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容。对用户而言，硬盘安装起来也更为方

8、便。IDE这一接口技术从诞生至今就一直在不断发展，性能也不断的提高，其拥有的价格低廉、兼容性强的特点，为其造就了其它类型硬盘无法替代的地位。IDE代表着硬盘的一种类型，但在实际的应用中，人们也习惯用IDE来称呼最早出现IDE类型硬盘ATA-1，这种类型的接口随着接口技术的发展已经被淘汰了，而其后发展分支出更多类型的硬盘接口，比如ATA、Ultra ATA、DMA、Ultra DMA等接口都属于IDE硬盘。SATA使用SATA（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘，是未来PC机硬盘的趋势。2001年，由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、迈拓这几大厂商组成的Serial ATA委员

9、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，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。 串口硬盘是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而知名。相对于并行ATA来说，就具有非常多的优势。首先，Serial ATA以连续串行的

10、方式传送数据，一次只会传送1位数据。这样能减少SATA接口的针脚数目，使连接电缆数目变少，效率也会更高。实际上，Serial ATA 仅用四支针脚就能完成所有的工作，分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据，同时这样的架构还能降低系统能耗和减小系统复杂性。其次，Serial ATA的起点更高、发展潜力更大，Serial ATA 1.0定义的数据传输率可达150MB/s，这比目前最新的并行ATA（即ATA/133）所能达到133MB/s的最高数据传输率还高，而在Serial ATA 2.0的数据传输率将达到300MB/s，最终SATA将实现600MB/s的最高数据传输率。SATA2SATA

11、 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。单纯的外部传输率达到3Gbps并不是真正的SATA II。SATA II的关键技术就是3Gbps的外部传输率和NCQ技术。NCQ技术可以对硬盘的指令执行顺序进行优化，避免像传统硬盘那样机械地按照接收指令的先后顺序移动磁头读写硬盘的不同位置，

12、与此相反，它会在接收命令后对其进行排序，排序后的磁头将以高效率的顺序进行寻址，从而避免磁头反复移动带来的损耗，延长硬盘寿命。另外并非所有的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。此外，NCQ技术不支持FAT文件系统，只支持NTFS文件系统。由于SATA设备市场比较混乱，不少SATA设备提供商在市场宣传中滥用“SATA II”的现象愈演愈烈，例如某些号称“SATA II”的硬盘却仅支持3Gbps而不支持NCQ，而某些只具有1.5Gbps的硬盘却又支持NCQ，所以，由希捷(Seagate)所主导的SATA-IO(Serial A

13、TA International Organization，SATA国际组织，原SATA工作组)又宣布了SATA 2.5规范，收录了原先SATA II所具有的大部分功能从3Gbps和NCQ到交错启动(Staggered Spin-up)、热插拔(Hot Plug)、端口多路器(Port Multiplier)以及比较新的eSATA(External SATA，外置式SATA接口)等等。首先，SATA2硬盘改进了上一代的性能技术和可维护性举措并引进了背板互联等多项技术，同时加入了NCQ、乱序执行、数据的分散和集合，此技术的增进是提高整体性能的保障，目前新推出的标榜SATAII的硬盘都采用了这些新

14、技术。同时加入了名为EnclosureManagement的可维护性举措，例如在风扇控制，温度控制，新硬盘指示，坏硬盘指示，硬盘状态指示等等。此外，它引进了来自SCSI硬盘上的，背板互(BackplaneInterconnect)方案，实现把多块硬盘直接连接到一个背板总线上，摆脱了分别连接到自己的端口上的可能，这样可以省去多根连接线的连接，有助于机箱内部散热，即使在RAID下硬盘出现不良状况也可以随时更换。SATA2硬盘可以完全满足网络存储和服务器存储对更快传输速度的需求，同时可以进行大量硬盘的连接，并且理想速度可以达到300MB/s，拥有这样的传输速度使数据交换可以更加迅速和安全。本地指令队

15、列(Native Command Queuing)是SATA2硬盘中一个很重要的技术，命令队列是一行到来的命令，它们被按照顺序分析并重新进行排列以优化执行序列。通过命令队列，可以为硬盘提供更高效的实时分析命令。(PS)端口选择器也是SATA2具备的特性之一，PS机制允许不同的两个主机端口连接到一个硬盘之上，为次硬盘设计一个路径。(Port Multiplier)技术是端口倍增器，Port Multiplier机制可以使一个处于活动状态的主机与多个硬盘互通信息。SCSI小型计算机系统接口（英语:Small Computer System Interface; 简写:SCSI），一种用于计算机和智

16、能设备之间（硬盘、软驱、光驱、打印机、扫描仪等）系统级接口的独立处理器标准。 SCSI是一种智能的通用接口标准。它是各种计算机与外部设备之间的接口标准。这种接口具有以下特性： 1.SCSI接口是一个通用接口，在SCSI母线上可以连接主机适配器和八个SCSI外设控制器，外设可以包括磁盘、磁带、CD-ROM、可擦写光盘驱动器、打印机、扫描仪和通讯设备等。 2.SCSI是个多任务接口，设有母线仲裁功能。挂在一个SCSI母线上的多个外设可以同时工作。SCSI上的设备平等占有总线。 3.SCSI接口可以同步或异步传输数据，同步传输速率可以达到10MB/s，异步传输速率可以达到1.5MB/s。 4.SCS

17、I接口接到外置设备时它的连接电缆可以长达6m。 最初的SCSI标准的最大同步传输速率为5MB/s（SCSI-1，又名Narrow SCSI，1986年，最大支持7个设备，时钟频率为5MHz），后来的SCSI II 规定了2种提高速度的选择。一种为提高数据传输的频率，即Fast SCSI（1994年，最大支持7个设备），由于频率提高一倍，达10MB/s（10MHz）；另一种提高速度的选择是传输频率提高一倍的同时也增大数据通路的宽度，由8位增至16位，即Wide SCSI，其最大同步传输速度为20MB/s (时钟频率为10MHz，1996年，最大支持15个设备)。1995年左右出现了第三代SCSI

18、，但没有统一标准：1. 最大同步传输速度达到20MB/s的Ultra SCSI（又称为Fast-20 SCSI，时钟频率为20MHz）；2最大同步传输速度达到40MB/s的Ultra Wide SCSI（同1）；3最大同步传输速度达到40MB/s的Ultra2 SCSI（又称为Fast-40 SCSI，时钟频率为40MHz，1997年）。稍后，又出现了一些更新的SCSI标准：1. 最大同步传输速度达到80MB/s的Ultra2 Wide SCSI（时钟频率为40MHz）；2最大同步传输速度达到160MB/s的Ultra 3 SCSI（又名Ultra-160或者Fast-80 Wide SCSI

19、，时钟频率为40MHz加双倍数据速率，1999年）；3最大同步传输速度达到320MB/s的Ultra 320 SCSI（又名Ultra 4 SCSI，时钟频率为80MHz加双倍数据速率，2002年）；4最大同步传输速度达到640MB/s的Ultra 640 SCSI（时钟频率为160MHz加双倍数据速率，2003年，是目前最新的SCSI标准）这种接口是一种便于系统集成、降低成本和提高效率的接口标准，越来越多的设备将使用SCSI接口标准，因此，带SCSI接口的硬盘和SCSI光盘驱动器也很多，但由于成本问题，主要用于中高端服务器与工作站上。SASSAS是新一代的SCSI技术，和现在流行的Seria

20、l 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，提供与串行ATA (Serial ATA，缩写为SATA)硬盘的兼容性。 SAS的接口技术可以向下兼容SATA。SAS系统的背板(Backpanel)既可以连接具有双端口、高性能的SAS驱动器，也可以连接高容量、低成本的SATA驱动器。因为SAS驱动器的端口与SATA驱动器的端口形状看上去类似，所以SAS驱动器和SATA驱动器可以同时存在于一个存储系统之中。但需要注意的是，SATA系统并不兼容S

21、AS，所以SAS驱动器不能连接到SATA背板上。由于SAS系统的兼容性，IT人员能够运用不同接口的硬盘来满足各类应用在容量上或效能上的需求，因此在扩充存储系统时拥有更多的弹性，让存储设备发挥最大的投资效益。 SAS技术还有简化内部连接设计的优势，存储设备厂商目前投入相当多的成本以支持包括光纤通道阵列、SATA阵列等不同的存储设备，而SAS连接技术将可以通过共用组件降低设计成本。1.3硬盘品牌希捷(Seagate)在收购迈拓之后，是目前市场占有率最大的品牌。内置硬盘的产品线分为面向桌面的7200转/分的酷鱼系列和收购的迈拓品牌的DiamondMax系列；面向企业近线存储的7200RPM的ES系列

22、；面向企业的Savvio系列和Cheetah系列；面向数字影像监控的SV系列；面向笔记本的Momentus系列，等等。西部数据(Westdigital)市场占有率仅次于希捷。以桌面产品为主。其桌面产品分为侧重高IO性能的Black系列（俗称“黑盘”），普通的Blue系列（俗称蓝盘），以及侧重低功耗、低噪音的环保Green系列（俗称绿盘）。 西部数据同时也提供面向企业近线存储的Raid Edition系列，简称RE系列。同时也有SATA接口的1000RPM的猛禽系列和迅猛龙(VelociRaptor)系列。西部数据的笔记本硬盘为Scorpio系列。日立(Hitachi)第三大硬盘厂商。主要由收购

23、的原IBM硬盘部门发展而来。产品线分面向企业高性能的UltraStar系列；面向桌面和近线存储的DeskStar系列；面向笔记本的TravelStar系列；此外，日立还有面向数字影像监控的CinemaStar系列和面向恶劣工作环境的Endurastar系列。三星(Samsung)韩国硬盘厂商。产品型号多以Spinpoint开头。此外，主要硬盘厂商还有侧重笔记本市场的东芝，以及同时侧重笔记本市场和企业级高性能市场的富士通这两个日本厂商。 1.4硬盘基本参数：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）或千兆字节（GB）为单位，1GB=1024MB。但硬盘厂商

24、在标称硬盘容量时通常取1G=1000MB，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。对于用户而言，硬盘的容量就象内存一样，永远只会嫌少不会嫌多。Windows操作系统带给我们的除了更为简便的操作外，还带来了文件大小与数量的日益膨胀，一些应用程序动辄就要吃掉上百兆的硬盘空间，而且还有不断增大的趋势。因此，在购买硬盘时适当的超前是明智的。近两年主流硬盘是80G，而160G以上的大容量硬盘亦已开始逐渐普及。转速转速(Rotationl Speed 或Spi

25、ndle 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

26、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，高转速硬盘也是现在台式机用户的首选；而对于笔记本用户则是4200rpm、5400rpm为主，虽然已经有公司发布了7200rpm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。笔记本硬盘转速低于台式机硬盘，一定程度上是受到这个

27、因素的影响。笔记本内部空间狭小，笔记本硬盘的尺寸（2.5寸）也被设计的比台式机硬盘（3.5寸）小，转速提高造成的温度上升，对笔记本本身的散热性能提出了更高的要求；噪音变大，又必须采取必要的降噪措施，这些都对笔记本硬盘制造技术提出了更多的要求。同时转速的提高，而其它的维持不变，则意味着电机的功耗将增大，单位时间内消耗的电就越多，电池的工作时间缩短，这样笔记本的便携性就受到影响。所以笔记本硬盘一般都采用相对较低转速的4200rpm硬盘。 转速是随着硬盘电机的提高而改变的，现在液态轴承马达（Fluid dynamic bearing motors）已全面代替了传统的滚珠轴承马达。液态轴承马达通常是应

28、用于精密机械工业上，它使用的是黏膜液油轴承，以油膜代替滚珠。这样可以避免金属面的直接摩擦，将噪声及温度被减至最低；同时油膜可有效吸收震动，使抗震能力得到提高；更可减少磨损，提高寿命。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，目前硬盘的平均寻道时间通常在8

29、ms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

30、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。目前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。 使用SATA（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘，是未来PC机硬盘的趋势。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

31、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，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。串口硬盘是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而知名。相对于并行ATA来说，就具有非常多的优势。首先，Serial ATA以连续串行的方式传送数据，一次只会传送1位数据。这样能减

32、少SATA接口的针脚数目，使连接电缆数目变少，效率也会更高。实际上，Serial ATA 仅用四支针脚就能完成所有的工作，分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据，同时这样的架构还能降低系统能耗和减小系统复杂性。其次，Serial ATA的起点更高、发展潜力更大，Serial ATA 1.0定义的数据传输率可达150MB/s，这比最快的并行ATA（即ATA/133）所能达到133MB/s的最高数据传输率还高，而在Serial ATA 2.0的数据传输率达到300MB/s，最终SATA将实现600MB/s的最高数据传输率。缓存与主板上的高速缓存（Cache memory）一样，硬盘缓存的目的是为了解决系统前后级读写速度不匹配的问题，以提高硬盘的读写速度。（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，