硬盘技术原理

**传统硬盘**所有机械硬盘的原理相同。盘片被磁性材料覆盖，盘片上的磁性粒子被极化以表示一个二进制信息单元（或比特）。使用磁性材料来存储数据历史很久了，这种方式相对便宜，因此相对于其它存储技术而言，这是一种很受欢迎的存储大量数据的方式，软盘和磁带也是使用的这种方式。**固态硬盘**SSD盘并不像传统硬盘那样采用磁性材料来存储数据，而是采用基础单位被称为cell（存储单元）的NAND flash来存储数据。NAND Flash是一种非易失性随机访问存储介质。

一、硬盘的物理和电子组件包括：
1.读/写磁头：负责读和写数据
2.传动手臂：连接读/写磁头和转动轴
4.盘片：保存写入的数据
5.主轴：转动盘片，将盘片上的指定位置移动到读/写磁头下
6.控制电路：控制硬盘的速度，磁头臂的移动，向磁头下发命令等。
7.外壳：保护整个装置，避免进入灰尘等。
磁盘使用一个快速移动的读/写磁头臂带动磁头，从一个涂了磁性颗粒的扁平盘片上读写数据。数据从磁盘盘片上通过读写磁头向计算机传送。硬盘（HDD）就是由几个盘片、读写磁头、控制电路、主轴等组合在一起的机械部件。磁盘盘片上的磁性颗粒可提供无限次的数据记录和擦除。

(一) 、数据的存储：
一个典型的磁盘包含了一个或多个称为盘片的扁平圆盘。数据以二进制代码（0和1）的形式被记录在这些盘片上。这些盘片是刚硬的，两个表面上都涂覆有磁性材料（上下表面）。数据可被写入到或从该盘片的两个表面（上下表面）读取。盘片的数目和每个盘片的存储容量确定了磁盘的总容量。
(二)、磁盘的旋转
主轴连接所有盘片，并连接到一个马达上。主轴电机以恒定的速度旋转。盘片转速以每分钟圈速（rpm）来衡量，常见的磁盘具有7200转、10000转或15000转的转速。目前的存储系统中使用的磁盘有直径为3.5寸（90毫米）的盘片。当盘片旋转在15000rpm时，盘片外边缘的移动可达到音速的25％左右。因此，随着技术的提高，随着盘片的转动速度有所增加，但是它能够改善的程度是有限的。

(三)、磁头读写数据
读/写磁头负责向盘片写入或者从盘片读取数据。磁盘的每个盘片都有两个读写磁头，分别用于盘片的两个表面的数据的读写。当读/写磁头写入数据时，通过改变盘片上磁粒子的磁极来记录数据。读取数据时，读/写磁头通过检测盘片上磁粒子的磁极来读取数据。在读取和写入数据时，读/写磁头不用接触盘片表面就可以感应磁粒子的磁极。当主轴旋转时，读写W磁头和盘片之间有一个很微小的空气间隙，被称为磁头飞行高度。当主轴停止转动时，读/写磁头将停靠在盘片在主轴附近的一个特殊区域，此时，这个空气间隙被除去。磁头停放的这个区域被称为着陆区域。着陆区域涂有润滑剂，以减小头部和盘片之间的摩擦。磁盘逻辑会确保磁头在移动到着陆区之前不会接触盘片的表面。如果驱动器故障或者读/写磁头不慎接触到着陆区外的盘片表面，就会发生磁头碰撞。如果发生了磁头碰撞，盘片上的磁性涂层将会被刮伤，也可能会损坏读写头。磁头碰撞通常会导致数据丢失。
(四)、控制电路
控制电路是一个印刷电路板，安装在磁盘的底部。它由一个微处理器、内部存储器、电路和固件组成。其作用有：
1. 由固件控制向主轴马达供电并控制主轴电机的速度。
2. 管理着磁盘与主机之间的通信。
3. 它通过移动磁头臂控制不同的读/写磁头之间的切换，以获得数据的访问的最优化。

二、磁盘盘片上的划分
为方便存储操作的需要，和适应磁盘的机械设计，对磁盘盘片上的存储单元又做逻辑划分为柱面，磁道，扇区。

柱面：
在同一个磁盘中所有盘片（包含上下两个盘面）具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。显然，磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。不过，磁盘中磁头的位置由柱面号来说明的，而不是用磁道号来说明。
磁道：
磁道是盘片上围绕在主轴周围的同心环，数据就被记录在磁道上。磁道的编号从零开始，从盘片的外边缘开始向内编号。我们用盘片上每英寸的磁道数（TPI）（也称为磁道密度）来衡量盘片上磁道排列的紧密程度。
扇区：
每个磁道被分成更小的单位，称为扇区。扇区是磁盘中可以单独寻址的最小存储单元。磁道和扇区结构是由硬盘制造商使用格式化硬盘的工具写在盘片上的。不同硬盘磁道的扇区数可以不同。第一台个人电脑的磁盘每个磁道有17个扇区。而如今的磁盘单个磁道上的扇区要多得多。根据物理磁盘的尺寸和盘片的记录密度不同，盘片上的磁道数可能有数千个之多。通常情况下，一个扇区可以保存512字节的用户数据，但也有一些磁盘被可以被格式化为更大的扇区大小，如4KB扇区。(有的格式化工具提供了此选项，可以手动调整)

三、磁盘的编址
驱动器使用物理地址来对磁盘上某一位置进行定位，物理地址由柱面号、磁头号和扇区号（Cylinder，head，Sector，缩写为CHS）组成，如下图左。因此，主机操作系统需要记录每个磁盘正在使用的和未被使用的扇区的地图。后来，主机操作系统使用逻辑块（LBA）来寻址，LBA提供线性的地址来访问数据的物理块，因而可以简化寻址。由磁盘控制器将LBA转换到一个CHS地址，而主机除了给出LBA地址外，仅需要知道的磁盘的容量大小，也就是磁盘中有多少个扇区即可。

LBA与物理扇区的映射比例是1：1。
硬盘的容量=柱面数×磁头数（盘面数）×扇区数×512（每个扇区有512字节） 。

SSD硬盘：
机械硬盘的代替者 SSD（Solid State Disk，固态硬盘）已被广泛采用，而且越来越受欢迎。SSD盘并不像传统硬盘那样采用磁性材料来存储数据，而是采用基础单位被称为cell（存储单元）的NAND flash来存储数据。NAND Flash是一种非易失性随机访问存储介质，其特点是断电后数据不消失，这种技术可以很快很紧凑存储数字信息。 SSD的另一大优势是，它们不会产生噪音，也不会像机械硬盘那样产生大量的热量。

SSD没有内部机械部件，但是，这并不意味着他们的生命周期是无限的。由于NAND Flash是非易失性介质，在写入新数据之前必须保证Block被擦除过，否则可能会出现数据误码。但是NAND Flash的擦写次数是有限的，即每个cell的内容可以改变的次数是有限的，一旦该Cell被擦写的数目已经达到极限，则该cell就不能保证能继续使用了（读或写）。不过，由于这种磨损容易监控和预测，因此我们可以准备好可更换的硬盘，以便及时替换。而机械硬盘的故障通常是没有任何预兆的，这意味着替换磁盘必须随时准备好。
固态硬盘中的数据存储： SSD的每个单元(cell)中包括被称为NAND电路小型晶体管样成分。每个NAND电路传统上可以存储1位数据，一个“1”或“0”。新一代固态硬盘驱动器使用一种特殊的技术在一个cell中存储更多的信息。
SSD的结构：

在MLC中，1个cell能够存储2位数据；
TLC中，1个cell可以存储3位数据。两位的信息表示可以存储4种不同的数据模式：00，01，10和11。
TLC的cell可以存储3比特数据，则可以存储8种不同的数据模式。 3种不同的类型的cell，虽然存储的数据量不同，但是其物理大小却是相同的，这也是SSD的容量不断增大的一个原因。最初的SSD只有64GB或更小，而现在最大TLC型的SSD盘可以存储多达2TB的数据。 不过，不同类型的SSD盘的抗磨损的能力不同，导致硬盘的可靠性不同。SSD盘的抗磨损能力也是选择SSD盘的一个重要参数。

成本比较: SLC较贵，MLC一般，TCL最低

在选择SSD的时候，需要考虑数据量的大小，数据是否经常修改。

NCQ和TCQ：
NCQ（Native Command Queuing）与TCQ（Tagged Command Queuing）都是设计通过把计算机发向硬盘的指令做重新排序，从而提高硬盘性能的技术。NCQ技术在300MB/s的Serial ATA II规格中引入，针对的是主流的硬盘产品，而TCQ技术是在SCSI2规格中引入（ATA-4标准中也有采用），针对的是服务器以及企业级硬盘产品。

要使用NCQ、TCQ技术，芯片组硬盘接口和硬盘产品本身都必须支持才行，也就是说，如果你购买的一款新硬盘并不支持NCQ，即使你的主板是最新的支持NCQ的，也不能够打开这个功能从而提高性能。
SSD的环境适应优势：
SSD不含高速旋转的机械结构部件，经得住严苛的环境考验:
以华为SSD硬盘为例： 可承受振动加速度16.4G，机械硬盘一般为0.5G以下 抗冲击1500G，机械硬盘一般为70G左右

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