存储基础篇之硬盘一工作原理

2024-08-29 08:40生活

一、硬盘简介。

　　硬盘是我们电脑、手机等电子产品上不可或缺的部分。在数据中心的存储设备，也主要是由一块一块的硬盘组成的。硬盘的主要作用是存储数据，保护数据。而随着科技的发展，硬盘的读写速度、容量等方面也在发生着变化。

二、各硬盘介绍。

　　现在我们常用的硬盘有机械硬盘、固态硬盘、混合硬盘三种。这三种硬盘各有各的优点与缺点。

　　1、机械硬盘：机械硬盘是现在最常见最廉价的一种硬盘，它主要有盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。

　　① 盘片：硬盘中一般会有多个盘片组成，不同型号的磁盘盘片数量可能不一样。每个盘片包含两个面，每个盘面都会对应一个磁头。一般情况下，盘片的编号自下向上从0开始。数据都会保存在盘片上，而数据的存储依靠盘片上附着的磁性物质。由于磁分两级，正好可以表示二进制的0和1。

　　盘片分为磁道和扇区，如下图，绿色部分为磁道，蓝色部分为扇区。

　　磁道是盘面中一圈圈绿色同心圆称为磁道

　　扇区是从圆心向外画直线，可以将磁道划分为若干个弧段，每个磁道上一个弧段被称之为一个扇区，扇区是磁盘的最小组成单元，通常是512字节。（由于不断提高磁盘的大小，部分厂商设定每个扇区的大小是4096字节）

　　② 磁头：存储数据时，它可以对硬盘盘片表面上附着的磁性物质的磁极进行改变，读取数据时，则是通过磁头去感应磁阻的变化。这里磁头扮演者极为重要的角色，它也是硬盘里最昂贵的部件。

　　⑤ 盘片转轴：使盘片进行高速水平转动，从而使得磁头可以读取盘片上的不同扇区的数据。转速一般为5400rpm/m、7200rpm/m、SCSI、SAS型（服务器）的硬盘一般为10000rpm/m、15000rpm/m。转速越快，读/写数据的速度越快。缺点：转速越高，噪音越大、功耗越高、使用寿命越低。

　　⑥ 磁头控制器：使磁头进行水平圆弧型运动，与磁盘转轴相结合，可以使磁头读取盘片上的任意扇区内的数据。

　　⑦ 缓存：在机械硬盘中，缓存就是为了加速读/写速度的。如内存中的数据写入到硬盘中，由于内存速度比硬盘快的多，这就导致写入速度太慢，而缓存则大大缓解了这个问题，先将数据写入缓存区，之后硬盘本身再将数据保存到盘片中，而不占用其他资源。而对于读取数据，如果一个数据刚刚被读取过，将临近它位置的数据保留在缓存区中，读取时，若命中，则直接从缓存区读出；若没有命中，则会再次从盘片上读取。

　　2、固态硬盘：固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘几近相同，外形和尺寸也基本与普通的 2.5英寸硬盘一致。主要由三部分组成：主控芯片、NAND闪存芯片、固件算法。

　　① 主控芯片：主控芯片一方面负责合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷，另一方面承担了整个数据中转，连接闪存芯片和外部接口。除此之外，主控还负责ECC纠错、耗损平衡、坏块映射、读写缓存、垃圾回收以及加密等一系列的功能。

　　② NAND闪存芯片：存储数据的地方，根据不同颗粒的分类，分为：：SLC（每个存储单元存储1bit数据）、MLC（每个存储单元存储2bit数据）、TLC（每个存储单元存储3bit数据）。SLC成本高，数据与数据之间影响较小，读写速度极快，数据出错的可能性极小，使用寿命较长；而TLC成本低，但是据与数据之间影响较大，读写速度慢且极易出错，使用寿命较短。

　　③ 固件算法：主控使用固件算法中的控制程序，去执行自动信号处理，耗损平衡，错误校正码（ECC），坏块管理、垃圾回收算法、与主机设备通信，以及执行数据加密等任务。由于固件冗余存储至NAND闪存中，因此当SSD制造商发布一个更新时，需要手动更新固件来改进和扩大SSD的功能。

　　3、M.2固态硬盘：M.2接口最主要有以下几个优点：支持更高的速率，潜力大；相对PCI-Emini card，节约20%的PCB空间，节省15%的连接器高度，更小巧玲珑；支持PCI-E3.0，USB3.0和SATA3.0三种当前主流标准，接口更“全能”。

三、接口模式

　　一般平常家用的计算机都是IDE、SATA、M.2等接口模式；服务器/存储端使用SCSI、SAS接口模式

　　① IDE接口模式为电子集成驱动器，出现时间比较早，该模式下硬盘价格低廉、兼容性强、性价比高，但是现在基本没有IDE接口模式的硬盘了。

　　② SATA接口模式相对于IDE出现时间较晚，但是数据传输时会对数据进行纠错，可靠性较高，目前主流接口为SATA3接口。

　　③ M.2接口模式是新型的硬盘接口模式是inter发布的一种新的主机接口方案，可以兼容多种通信协议。同时也有体积小、速度快的优点。

　　④ SCSI接口模式则完全通过独立的高速的SCSI卡来控制数据的读写操作，CPU就不必浪费时间进行等待，显然可以提高系统的整体性能。连接7—15个设备，性能更稳定、耐用，可靠性也更好。

　　⑤ SAS接口模式是将SATA与SCSI两者相结合，这样就可以同时发挥两者的优势了。在这种情况下SAS应运而生。