硬盘发展史.docx

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硬盘发展史

全面的硬盘知识

硬盘，英文“hard-disk”简称HD。

是一种储存量巨大的设备，作

用是储存计算机运行时需要的数据。

1956年IBM公司制造出世界上第一块硬盘350RAMACRandomAccessMethodofAccountingandControl），它的数据为：

容量5MB盘

片直径为24英寸、盘片数为50片、重量上百公斤。

盘片上有一层磁性物质，被轴带着旋转，有磁头移动着存储数据，实现了随机存取。

1970年磁盘诞生

1973年IBM公司制造出了一台640MB的硬盘、第一次采用“温彻斯特”技术，是现在硬盘的开端，因为磁头悬浮在盘片上方，所以镀磁的盘片在密封的硬盘里可以飞速的旋转，但有好几十公斤重。

1975年Soft-adjacentlayer（软接近层）专利的MF磁头结构产生

1979年IBM发明了薄膜磁头，这意味着硬盘可以变的很小，速度可以更快，同体积下硬盘可以更大。

1979年IBM3370诞生，它是第一款采用thin-film感应磁头及

Run-Length-Limited（RLL）编码配置的硬盘，"2-7"RLL编码将能减小

硬盘错误

1986年IBM9332诞生，它是第一款使用更高效的1-7

run-length-limited（RLL）代码的硬盘。

1989年第一代MR磁头出现

1991年IBM磁阻MR（MagnetoResistive）磁头硬盘出现。

带动了一

个G的硬盘也出现。

磁阻磁头对信号变化相当敏感，所以盘片的存储密度可以得到几十倍的提高。

意味着硬盘的容量可以作的更大。

意味着硬盘进入了G级时代。

1993年GMF巨磁阻磁头技术）推出，这使硬盘的存储密度又上了一个台阶。

认识硬盘

硬盘是电脑中的重要部件，大家所安装的操作系统（如：

Windows9x、

Windows2k…）及所有的应用软件（如：

DreamwaverFlash、

Photoshop…）等都是位于硬盘中，或许你没感觉到吧！

但硬盘确实非常重要，至少目前它还是我们存储数据的主要场所，那你对硬盘究

竟了解多少了？

可能你对她一窍不通，不过没关系，请见下文。

一、硬盘的历史与发展

从第一块硬盘RAMA的产生到现在单碟容量高达15GB多的硬盘，硬盘也经历了几代的发展，下面就介绍一下其历史及发展。

年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM

350RAMA（RandomAccessMethodofAccountingandControl）,其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域，从而成功地实现

了随机存储，这套系统的总容量只有5MB共使用了50个直径为24英寸的磁盘，这些盘片表面涂有一层磁性物质，它们被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。

此款RAMA在那时主要用于飞机预约、自动银行、医学诊断及太空领域内。

年IBM公司首次提出“温彻斯特/WinChester”技术，探讨对硬盘技术做重大改造的可能性。

“温彻斯特”技术的精隋是：

“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触”，这也是现代绝大多数硬盘的原型。

年IBM公司制造出第一台采用“温彻期特”技术的硬盘，从此硬盘技

术的发展有了正确的结构基础。

年，IBM再次发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提咼读写速度提供了可能。

年代末期IBM对硬盘发展的又一项重大贡献，即发明了MR（MagnetoResistive）磁阻，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度能够比以往20MB每英寸提高了数十倍。

年IBM生产的英寸的硬盘使用了MR磁头，使硬盘的容量首次达到了1GB从此硬盘容量开始进入了GB数量级。

年9月7日，Maxtor宣布了首块单碟容量高达的ATA硬盘，从而把硬盘的容量引入了一个新里程碑。

年2月23日，希捷发布了转速高达15,000RPM勺CheetahX15系列硬盘，其平均寻道时间只有，这可算是目前世界上最快的硬盘了，同时它也是到目前为止转速最高的硬盘；其性能相当于阅读一整部Shakespeare只花.15秒。

此系列产品的内部数据传输率高达48MB/S,数据缓存为4~16MB支持Ultra160/mSCSI及FibreChannel（光纤通道），这将硬盘外部数据传输率提高到了160MB~200MB/s总得来说，希捷的此款（"捷豹"）CheetahX15系列将硬盘的性能提高到了一个新的里程碑。

年3月16日，硬盘领域又有新突破，第一款“玻璃硬盘”问世，这

就是IBM推出的Deskstar75GXP及Deskstar40GV，此两款硬盘均

使用玻璃取代传统的铝作为盘片材料，这能为硬盘带来更大的平滑性及更高的坚固性。

另外玻璃材料在高转速时具有更高的稳定性。

此外

Deskstar75GXP系列产品的最高容量达75GB这是目前最大容量的硬盘，而Deskstar40GV的数据存储密度则高达十亿数据位/每平方英寸，这再次涮新数据存储密度世界记录。

二、硬盘分类

目前的硬盘产品内部盘片有：

，，和英寸（后两种常用于笔记本及部分袖珍精密仪器中，现在台式机中常用英寸的盘片）；如果按硬盘与电脑之间的数据接口，可分为两大类：

IDE接口及SCSI接口硬盘两大阵营。

三、技术规格

目前台式机中硬盘的外形差不了多少，在技术规格上有几项重要的指

标：

1.平均寻道时间（averageseektime），指硬盘磁头移动到数据所在磁道时所用的时间，单位为毫秒（m9。

注意它与平均访问时间的差别，平均寻道时间当然是越小越好，现在选购硬盘时应该选择平均寻道时间低于9ms的产品。

2.平均潜伏期（averagelatency），指当磁头移动到数据所在的磁道后，然后等待所要的数据块继续转动（半圈或多些、少些）到磁头下的时间，单位为毫秒（m9。

3.道至道时间（singletrackseek），指磁头从一磁道转移至另一磁道的时间，单位为毫秒（mS。

4.全程访问时间（maxfullseek），指磁头开始移动直到最后找到所需要的数据块所用的全部时间，单位为毫秒（m9。

5.平均访问时间（averageaccess），指磁头找到指定数据的平均时间，单位为毫秒。

通常是平均寻道时间和平均潜伏时间之和。

注意：

现在不少硬盘广告之中所说的平均访问时间大部分都是用平均寻道

时间所代替的。

6.最大内部数据传输率（internaldatatransferrate），也叫持续数据传输率（sustainedtransferrate），单位Mb/S（注意与MB/S之间的差别）。

它指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率，一般取决

于硬盘的盘片转速和盘片数据线密度（指同一磁道上的数据间隔度）。

注意，在这项指标中常常使用Mb/S或Mbps为单位，这是兆位/秒的意思，如果需要转换成MB/S（兆字节/秒），就必须将Mbps数据除以8（一字节8位数）。

例如，WD3640硬盘给出的最大内部数据传输率为131Mbps但如果按MB/S计算就只有s（131/8）。

7.外部数据传输率：

通称突发数据传输率（burstdatatransfer

rate），指从硬盘缓冲区读取数据的速率，在广告或硬盘特性表中常以数据接口速率代替，单位为MB/S目前主流硬盘普通采用的是

UltraATA/66，它的最大外部数据率即为s,而在SCSI硬盘中，采用最新的Ultra160/mSCSI接口标准，其数据传输率可达160MB/S采用FibraChannel（光纤通道），最大外部数据传输将可达200MB/S在广告中我们有时能看到说双Ultra160/mSCSI的接口，这理论上将最大外部数据传输率提高到了320MB/S但目前好像还没有结合有此接口的产品推出。

8.主轴转速：

是指硬盘内主轴的转动速度，目前ATA（IDE）硬盘的

主轴转速一般为5400~7200rpm主流硬盘的转速为7200RPM至于

SCSI硬盘的主轴转速可达一般为7200~10,000RPM而最高转速的SCSI硬盘转速高达15，OOORPM（即希捷“捷豹X15'系列硬盘）。

9.数据缓存：

指在硬盘内部的高速存储器：

目前硬盘的高速缓存一般

为512KB~2MB目前主流ATA硬盘的数据缓存应该为2MB而在SCSI硬盘中最高的数据缓存现在已经达到了16MB对于大数据缓存的硬

盘在存取零散文件时具有很大的优势。

10.硬盘表面温度：

它是指硬盘工作时产生的温度使硬盘密封壳温度

上升情况。

这项指标厂家并不提供，一般只能在各种媒体的测试数据中看到。

硬盘工作时产生的温度过高将影响薄膜式磁头（包括GMF磁

头）的数据读取灵敏度，因此硬盘工作表面温度较低的硬盘有更好的数据读、写稳定性。

如果对于高转速的SCSI硬盘一般来说应该加一个硬盘冷却装置，这样硬盘的工作稳定性才能得到保障。

（连续无故障时间）：

它指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间，

单位是小时。

一般硬盘的MTBF至少在30000或40000小时。

这项指

标在一般的产品广告或常见的技术特性表中并不提供，需要时可专门

上网到具体生产该款硬盘的公司网址中查询。

四、接口标准

ATA接口，这是目前台式机硬盘中普通采用的接口类型。

ST-506/412接口：

这是希捷开发的一种硬盘接口，首先使用这种接口的硬盘为希捷的

ST—506及ST—412。

ST—506接口使用起来相当简便，它不需要任何特殊的电缆及接头，但是它支持的传输速度很低，因此到了1987

年左右这种接口就基本上被淘汰了，采用该接口的老硬盘容量多数都低于200MB早期IBMPC/XT和PC/AT机器使用的硬盘就是ST—506/412硬盘或称MFM!

盘，MF（ModifiedFrequencyModulation）是指一种编码方案。

ESDI接口：

即（EnhaneedSmallDriveInterface）接口，它是迈拓公司于1983

年开发的。

其特点是将编解码器放在硬盘本身之中，而不是在控制卡

上，理论传输速度是前面所述的ST-506的2…4倍，一般可达到10Mbps但其成本较高，与后来产生的IDE接口相比无优势可言，因此在九十年代后就补淘汰了

IDE及EIDE接口：

IDE（IntegratedDriveElectronics）的本意实际上是指把控制器

与盘体集成在一起的硬盘驱动器，我们常说的IDE接口，也叫ATA

（AdvaneedTechnologyAttachment）接口，现在PC机使用的硬盘大多数都是IDE兼容的，只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。

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便。

ATA-I（IDE）:

ATA是最早的IDE标准的正式名称，IDE实际上是指连在硬盘接口的硬盘本身。

ATA在主板上有一个插口，支持一个主设备和一个从设备，每个设备的最大容量为504MBATA最早支持的PIO-0模式

（ProgrammedI/O-0）只有s，而ATA-1一共规定了3种PIO模式和

4种DMA模式（没有得到实际应用），要升级为ATA-2,你需要安装

一个EIDE适配卡。

ATA-2（EIDEEnhaneedIDE/FastATA）:

这是对ATA-1的扩展，它增加了2种PIO和2种DMA模式，把最高传输率提高到了S,同时引进了LBA地址转换方式，突破了老BIOS固有504MB的限制，支持最高可达的硬盘。

如你的电脑支持ATA-2,则

可以在CMO设置中找到（LBALogicalBlockAddress）或（CHSCylinder,Head,Sector）的设置。

其两个插口分别可以连接一个主设备和一个从设置，从而可以支持四个设备，两个插口也分为主插口和从插口。

通常可将最快的硬盘和CD-RO瞰置在主插口上，而将次要一些的设备放在从插口上，这种放置方式对于486及早期的Pentium

电脑是必要的，这样可以使主插口连在快速的PCI总线上，而从插口

连在较慢的ISA总线上

ATA-3（FastATA-2）:

ATA-4（UltraATA、UltraDMA、UltraDMA/33、UltraDMA/66）:

这个新标准将PIO-4下的最大数据传输率提高了一倍，达到33MB/S,或更高的66MB/S。

它还在总线占用上引入了新的技术，使用PC的DMA通道减少了CPU的处理负荷。

要使用Ultra-ATA，需要一个空闲的PCI扩展槽，如果将UltraATA硬盘卡插在ISA扩展槽上，则该设备不可能达到其最大传输率，因为ISA总线的最大数据传输率只有8MB/S。

其中的UltraATA/66（即UltraDMA/66）是目前主流桌面硬盘采用的接口类型，其支持最大外部数据传输率为s。

SerialATA:

新的SerialATA（即串行ATA），是英特尔公司在今年IDF（Intel

DeveloperForum,英特尔开发者论坛）发布的将于下一代外设产品

中采用的接口类型，就如其名所示，它以连续串行的方式传送资料，在同一时间点内只会有1位数据传输，此做法能减小接口的针脚数目，用四个针就完成了所有的工作（第1针发出、2针接收、3针供

电、4针地线）。

这样做法能降低电力消耗，减小发热量。

最新的硬盘接口类型ATA-100就是SerialATA是初始规格，它支持的最大外部数据传输率达100MB/S,上面介绍的那两款IBMDeskstar75GXP及Deskstar40GV就是第一次采用此ATA-100接口类型的产品。

在2001年第二季度将推出SerialATA1x标准的产品，它能提高150MB/S

的数据传输率。

对于SerialATA接口，一台电脑同时挂接两个硬盘就没有主、从盘之分了，各设备对电脑主机来说，都是Master，这

样我们可省了不少跳线功夫。

SCSI接口：

SCSI就是指SmallComputerSystemInterface（小型计算机系统接

口），它最早研制于1979,原是为小型机的研制出的一种接口技术，但随着电脑技术的发展，现在它被完全移植到了普通PC上。

现在的

SCSI可以划分为SCSI-1和SCSI-2（SCSIWide与SCSIWindFast），最新的为SCSI-3,不过SCSI-2是目前最流行的SCSI版本。

SCSI广泛应用于如：

硬盘、光驱、ZIP、MO扫描仪、磁带机、JAZ、打印机、光盘刻录机等设备上。

它的优点非常多主要表现为以下几点：

1、适应面广；使用SCSI,你所接的设备就可以超过15个，而所有这些设备只占用一个IRQ,这就可以避免IDE最大外挂15个外设的限制。

2、多任务；不像IDE，SCSI允许对一个设备传输数据的同时，另一个设备对其进行数据查找。

这将在多任务操作系统如Linux、WindowsNT中获得更高的性能。

3、宽带宽；在理论上，最快的SCSI总线有160MB/S的带宽，即Ultra160/sSCSI;这意味着你的硬盘传输率最高将达160MB/S（当然这是理论上的，实际应用中可能会低一点）。

4、少CPU占用率

从最早的SCSI到现在Ultra160/mSCSI,SCSI接口具有如下几个发

展阶段

1、SCSI-1—最早SCSI是于1979年由美国的Shugart公司（Seagate

希捷公司的前身）制订的，并于1986年获得了ANSI（美国标准协会）承认的SASI（ShugartAssociatesSystemInterface施加特联合系

统接口），这就是我们现在所指的SCSI-1，它的特点是，支持同步和异步SCSI外围设备；支持7台8位的外围设备最大数据传输速度为5MB/S支持WOR外围设备。

2、SCSI-2—90年代初（具体是1992年），SCSI发展到了SCSI-2,当时的SCSI-2产品（通称为FastSCSI）是能过提高同步传输时的频率使数据传输率提高为10MB/S原本为8位的并行数据传输称为：

NarrowSCSI;后来出现了16位的并行数据传输的WideSCSI,将其数据传输率提高到了20MB/S。

3、SCSI-3—1995年推出了SCSI-3,其俗称UltraSCSI,全称为SCSI-3

Fast-20ParallelInterface（数据传输率为20M/S）它采用了同步

传输时钟频率提高到20M日少提高数据传输的技术，因此使用了16位传输的Wide模式时，数据传输即可达到40MB/S。

其允许接口电缆的最大长度为米。

4、1997年推出了Ultra2SCSI（Fast-40），其采用了LV（LowVoltage

Differential，低电平微分）传输模式，16位的Ultra2SCSI（LVD）

接口的最高传输速率可达80MB/S允许接口电缆的最长为12米，大大增加了设备的灵活性。

5、1998年9月更高的数据传输率的Ultra160/mSCSI（Wide下的

Fast-80）规格正式公布，其最高数据传输率为160MB/S,这将给电脑系统带来更高的系统性能。

现有最流行的串行硬盘技术

随着INTEL的915平台的发布，最新的ICH6-M也进入了我们的视野。

而ICH6除了在一些电源管理特性方面有所增强外，也正式引入了

SATA（串行ATA以下简称SATA和PCI-E概念。

对于笔记本来说，从它诞生的那天起就一直使用着PATA（并行ATA以下简称PATA来连接硬盘，SATA勺出现无疑是一项硬盘接口的革命。

而如今随着INTEL的积极推动，笔记本也开始迈入SATA的阵营。

关于SATA勺优势，笔者相信诸位也都有了解。

确实，比起PATASATA有着很多不可比拟的优势，而笔者将在本文中透过技术细节来多其进行分析。

相信您读完本文后会对SATA有着更深入的了解。

另外由于本文主要针对笔记本和台式机，所以诸如RAID等技术不在本文讨论

范围之内。

串行通信和并行通信

再进行详细的介绍之前，我们先了解一下串行通信和并行通信的特

点。

一般来说，串行通信一般由二根信号线和一根地线就可完成互相的信息的传送。

如下图，我们看到设备A和设备B之间的信号交换仅用了两根信号线和一根地线就完成了。

这样，在一个时钟内，二个bit的数据就会被传输（每个方向一个bit，全双工），如果能时钟频率足够高，那么数据的传输速度就会足够快。

如果为了节省成本，我们也可以只用一根信号线和一根地线连接。

这

样在一个时钟内只有一个bit被传输（半双工），我们也同样可以提咼时钟频率来提升其速度。

而并行通信在本质上是和串行通信一样的。

唯一的区别是并行通信依

靠多条数据线在一个时钟周期里传送更多的bit。

下图中，数据线已

经不是一条或者是两条，而是多条。

我们很容易知道，如果有8根数

据线的话，在同一时钟周期内传送的的数据量是8bit。

如果我们的

数据线足够多的话，比如PCI总线，那一个周期内就可以传送32bit的数据。

在这里，笔者想提醒各位读者，对于一款产品来说，用最低的成本来满足带宽的需要，那就是成功的设计，而不会在意你是串行通信还是并行通信，也不会管你的传输技术是先进还是落后。

PATA接口的速度

我们知道，ATA-33的速度为33MB/SATA-100的速度是100MB/S那

这个速度是如何计算出来的呢？

首先，我们需要知道总线上的时钟频率，比如ATA-100是25MHzPATA的并行数据线有16根，一次能传送16bit的数据。

而ATA-66以上的规范为了降低总线本身的频率，PATA被设计成在时钟的上下沿都能传输数据（类似DDR的原理），使得在一个时钟周期内能传送32bit。

这样，我们很容易得出ATA-100的速度为：

25M*16bit*2=800Mbps=100MByte/s。

PATA的局限性

在相同频率下，并行总线优于串行总线。

随着当前硬盘的数据传输率越来越高，传统的并行ATA接口日益逐渐暴露出一些设计上的缺陷，其中最致命的莫过于并行线路的信号干扰问题。

那各信号线之间是如何干扰的呢？

1,首先是信号的反射现象。

从南桥发出的PATA言号，通过扁长的信号线到达硬盘（在笔记本上对应的也有从南桥引出PATA接口，一直

布线到硬盘的接口）。

学过微波通信的读者肯定知道，信号在到达PATA硬盘后不可避免的会发生反弹，而反弹的信号必将叠加到当前正在被传输的信号上，导致传输中数据的完整性被破坏，引起接受端误判。

所以在实际的设计中，都必须要设计相应的电路来保证信号的完整

性。

我们看到，从南桥发出的PATA言号一般都需要经过一个排阻才发送到PATA的设备。

我们必须加上至少30个电阻（除了16根数据线，还有一些控制信号）才能有效的防止信号的反弹。

而在硬盘内部，硬盘厂商会在里面接上终端电阻以防止引号反弹。

这不仅对成本有所上升，也对PCB的布局也造成了困扰。

当然，信号反弹在任何高速电路里都会发生，在SATA1我们也会看到终端电阻，但因为SATA的数据线比PATA少很多，并且采用了差分信号传输，所以这个问题并不突出。

2，其次是信号的偏移问题

理论上，并行总线的数据线的长度应该是一致的。

而在实际上，这点很难得到保证。

信号线长度的不一致性会导致某个信号过快/过慢到达接受端，导致逻辑误判。

不仅如此，导致信号延迟的原因还有很多，比如线路板上的分布电容、信号线在高频时产生的感抗等都会引起信号的延迟。

如图，在左侧南桥端我们发送的数据为［1，1,1,0］，在发送到硬盘的过程中，第四个信号由于某种原因出现延迟，在判断时刻还没到达接受端。

这样，接受端判断接受到的信号为［1，1,1,1］，出现错误。

由此也可看出，并行数据线越多，出现错误的概率也越大。

下图是S0NZ1的硬盘转接线，我们看到，设计师做了不少蛇行走线以满足PATA数据线的长度一致性要求。

我们可以很容易想像，信号的时钟越快，被判断信号判断的时间就越短，出现误判的可能性就越大。

在较慢的总线上（上），允许数据信号和判断信号的时间误差为a，而在高速的总线上（下），允许误差为b。

速度越快，允许的误差越小。

这也是PATA的总线频率提升的局限性，而总线频率直接影响着硬盘传输速度。

。

。

3,还有是信号线间的干扰（串音干扰）

这种干扰几乎存在与任何电路。

和信号偏移一样，串音干扰也是并行通信的通病。

由于并行通信需要多条信号线并行走线（以满足长度、分布电容等参数的一致性），而串音干扰就是在这时候导致的。

由于信号线在传输数据的过程中不停的以0，1间变换，导致其周边的磁场变化甚快。

通过法拉第定律我们知道，磁场变化越快，切割磁力线的导线上的电压越大。

这个电压将导致信号的变形，信号频率越高