本文屬于“硬核”科普系列的第三篇——硬盤。
本系列的起源亦即第一篇——總線【傳送門:“硬核”科普系列之總線】,第二篇——接口則細(xì)分為三個主題:
視頻接口【傳送門:“硬核”科普系列之接口(上:視頻)】
USB接口【傳送門:“硬核”科普系列之接口(中:USB)】
硬盤接口【傳送門:“硬核”科普系列之接口(下:硬盤)】
唉,明明接口篇里已經(jīng)有了硬盤主題,為何這里還要單獨在開一篇?
因為接口篇只講硬盤接口(協(xié)議)啊,本篇主要講講硬盤的工作原理,類型構(gòu)造,以及選購建議。
系列文章均整理自網(wǎng)絡(luò),用于自我學(xué)習(xí)的記錄與總結(jié),也希望能對同樣渴望知識的網(wǎng)友們有所幫助,出處注于文末。
硬盤是計算機的主要外部存儲設(shè)備。計算機中的存儲設(shè)備種類非常多,常見的主要有光盤、硬盤、U 盤等,甚至還有網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備SAN、NAS等,不過使用最多的還是硬盤。
如果從存儲數(shù)據(jù)的介質(zhì)上來區(qū)分,硬盤可分為機械硬盤(Hard Disk Drive, HDD),固態(tài)硬盤(Solid State Disk, SSD)和混合硬盤(Hybrid Hard Disk,HHD)。 一塊基于傳統(tǒng)機械硬盤誕生出來的新硬盤)。機械硬盤采用磁性碟片來存儲數(shù)據(jù),而固態(tài)硬盤通過閃存顆粒來存儲數(shù)據(jù),混合硬盤則是把磁性硬盤和閃存集成到一起的一種硬盤。絕大多數(shù)硬盤都是固定硬盤,被永久性地密封固定在硬盤驅(qū)動器中。
下面主要講講前兩種最常見的硬盤。
機械硬盤(硬盤/磁盤驅(qū)動器,Hard Disk Drive,簡稱HDD)一般指溫徹斯特硬盤,一種由電機、在電機驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)的圓盤(磁碟/磁盤)以及懸浮在磁碟上方的磁頭等機構(gòu)組成的,以磁信號存儲信息的一種非易失性存儲器。
機械硬盤主要由磁盤盤片、磁頭、主軸與傳動軸等組成,數(shù)據(jù)就存放在磁盤盤片中。
大家見過老式的留聲機嗎?留聲機上使用的唱片和我們的磁盤盤片非常相似,只不過留聲機只有一個磁頭,而機械硬盤是上下雙磁頭,且旋轉(zhuǎn)速度要遠(yuǎn)高于唱片(目前機械硬盤的常見轉(zhuǎn)速是 7200 rpm)。
機械硬盤中所有的盤片都裝在一個旋轉(zhuǎn)軸上,每張盤片之間是平行的,在每個盤片的存儲面上有一個磁頭,磁頭與盤片之間的距離比頭發(fā)絲的直徑還小,所有的磁頭聯(lián)在一個磁頭控制器上,由磁頭控制器負(fù)責(zé)各個磁頭的運動。盤片在兩個磁頭中間高速旋轉(zhuǎn),即機械硬盤是上下盤面同時進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取的。磁頭可沿盤片的半徑方向運動,加上盤片每分鐘幾千轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn),磁頭就可以定位在盤片的指定位置上進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作了。
需要注意的是,數(shù)據(jù)通過磁頭以電磁流改變極性的方式被寫到磁盤上(也可以通過相反的方式讀?。蓬^并不能和盤片直接接觸,因為直接接觸會劃傷盤片導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失,這就是為什么生活環(huán)境中機械硬盤不能經(jīng)??呐龌蛘咚ぷ?,在讀寫時也非常害怕晃動和磕碰。另外,硬盤為精密設(shè)備,進(jìn)入硬盤的空氣必須過濾。因為機械硬盤的超高轉(zhuǎn)速,如果內(nèi)部有灰塵,則會造成磁頭或盤片的損壞,所以機械硬盤內(nèi)部是封閉的,如果不是在無塵環(huán)境下,則禁止拆開機械硬盤。
我們已經(jīng)知道數(shù)據(jù)是寫入磁盤盤片的,那么數(shù)據(jù)是按照什么結(jié)構(gòu)寫入的呢?機械硬盤的邏輯結(jié)構(gòu)主要分為磁道、扇區(qū)和拄面。
磁道:當(dāng)磁盤旋轉(zhuǎn)時,磁頭若保持在一個位置上,則每個磁頭都會在磁盤表面劃出一個同心圓,這些同心圓就叫做磁道(Track)。每個盤片都在邏輯上有很多的同心圓,最外面的同心圓就是0磁道(注意,磁道只是邏輯結(jié)構(gòu),在盤面上并沒有真正的同心圓)。硬盤的磁道密度非常高,通常一面上就有上千個磁道。但是相鄰的磁道之間并不是緊挨著的,這是因為磁化單元相隔太近會相互產(chǎn)生影響。
扇區(qū):磁盤上的每個磁道被等分為若干個弧段,這些弧段便是硬盤的扇區(qū)(Sector)。每個扇區(qū)的大小是固定的,為 512Byte。扇區(qū)也是磁盤的最小存儲單位。硬盤的第一個扇區(qū),叫做引導(dǎo)扇區(qū)。
柱面:如果硬盤是由多個盤片組成的,每個盤面都被劃分為數(shù)目相等的磁道,那么所有盤片都會從外向內(nèi)進(jìn)行磁道編號,最外側(cè)的就是0磁道。而具有相同編號的磁道會形成一個圓柱,即處于同一半徑圓的多個磁道組成的一個圓柱就被稱作磁盤的柱面(Cylinder)。
硬盤的大小是使用“磁頭數(shù) x 柱面數(shù) x 扇區(qū)數(shù) x 每個扇區(qū)的大小”這樣的公式來計算的。其中,磁頭數(shù)(Heads)表示硬盤共有幾個磁頭,也可以理解為硬盤有幾個盤面,然后乘以2;柱面數(shù)(Cylinders)表示硬盤每面盤片有幾條磁道;扇區(qū)數(shù)(Sectors)表示每條磁道上有幾個扇區(qū);每個扇區(qū)的大小一般是512Byte。
CHS是柱面(Cylinder),磁頭(Head)和扇區(qū)(Sector)的簡稱。我們通常生活中說的硬盤的三維指的就是CHS。 它采用24bit位尋址(最大尋址空間是224=8GB
Logical Block Addressing的簡稱。LBA是一個整數(shù),通過轉(zhuǎn)換成CHS格式完成磁盤具體尋址。
ATA-1規(guī)范中定義了28位尋址模式,以每扇區(qū)512Byte來計算,ATA-1所定義的28位LBA上限達(dá)到了128GB(228×512Byte=137438953472Byte/1024/1024/1024=128GB)。2002年ATA-6規(guī)范采用48位LBA,同樣以每扇區(qū)512byte組計算容量上限可達(dá)128PB。
【注意:由于CHS尋址方式的尋址空間在大約8GB(512Bytes(單個扇區(qū)大小) * 63(扇區(qū)數(shù)) * 1024(柱面數(shù)/磁道數(shù)) * 255(磁頭) = 8422686720Bytes / 1024 / 1024 = 8032MB / 1024 < 8GB)以內(nèi),所以在磁盤容量小于8GB時,可以使用CHS尋址方式或是LBA尋址方式;在磁盤容量大于8GB時,則只能使用LBA尋址方式?!?/p>
與軟盤驅(qū)動器(Floppy Disk Drive,F(xiàn)DD)和光盤驅(qū)動器(Optical Dsik Drive,ODD)不同,機械硬盤的盤片為鋁制(曾經(jīng)有過玻璃盤片)且無法取出。由于機械硬盤的盤片轉(zhuǎn)速極快(常見消費級機械硬盤的轉(zhuǎn)速在5400rpm到7200rpm之間),磁頭與盤片之間的距離極小,機械硬盤對灰塵和震動極其敏感(機械硬盤內(nèi)部為高度無塵環(huán)境,自行拆開盤體會導(dǎo)致硬盤報廢)。
空氣硬盤的盤體上設(shè)有帶過濾措施的氣孔,用于平衡硬盤工作時產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致的內(nèi)外氣壓差。而氦氣硬盤則為密封設(shè)計。由于氦氣密度極小,阻力和震動較小,可以進(jìn)一步縮小盤片間距,從而能夠封裝更多盤片以提高硬盤容量。
機械硬盤的性能衡量指標(biāo)有順序讀寫速度、隨機讀寫性能和響應(yīng)時間等。
其中LMR和PMR是對立概念,CMR和SMR是對立概念。
對于LMR和PMR,其區(qū)別在于磁性粒子的方向:LMR硬盤的磁性粒子方向與磁碟面平行,PMR硬盤的磁性粒子方向與磁碟面垂直。由于PMR能大幅提高磁碟的存儲密度,目前PMR硬盤已經(jīng)完全取代了市面上的LMR硬盤。
對于CMR和SMR,其區(qū)別在于磁道(Track)有無重疊:CMR硬盤的磁道是完全分離的,SMR硬盤的磁道彼此重疊,就像屋頂?shù)耐咂粯?。通常磁道的寬度隨著磁頭上的讀取器和寫入器的尺寸的縮小而縮減,由于磁頭尺寸已經(jīng)達(dá)到物理極限,在沒有新的存儲技術(shù)的情況下,磁碟的存儲密度將無法繼續(xù)提高。而SMR技術(shù)通過縮小磁道間距取得了更高的存儲密度。
雖然SMR進(jìn)一步提高了磁碟的存儲密度,但是由于磁道重疊,在對磁道進(jìn)行寫入操作時,相鄰的下一條磁道也會受到影響。在對包含有效信息的磁道進(jìn)行寫入時,必須對后續(xù)磁道進(jìn)行重寫。而磁頭上的讀取器的尺寸小于寫入器,讀取操作不會受到相鄰磁道的影響。
因此,SMR硬盤將磁道進(jìn)行分組,由多條連續(xù)磁道組成段(Band),段是SMR硬盤進(jìn)行順序?qū)懭氲幕締卧?。段對?yīng)的邏輯概念是區(qū)域(Zone),區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)寫入只能以順序方式進(jìn)行,而數(shù)據(jù)讀取則可以隨機進(jìn)行。同時,SMR硬盤在磁碟上劃分有“傳統(tǒng)區(qū)”(Conventional Zone),在這些區(qū)域內(nèi)磁道按照CMR方式排列,從而保證隨機寫入的實現(xiàn)。
為了更好地為寫入提供緩沖,采用SMR技術(shù)的硬盤通常會配備更大的DRAM緩存(通常為128MB或256MB,與一個區(qū)域的大小相當(dāng))。為了減少“臟盤”情況帶來的不利影響,SMR硬盤與采用NAND閃存為存儲介質(zhì)的固態(tài)硬盤一樣引入了TRIM技術(shù)。
對于普通消費者,CMR與SMR的具體區(qū)別在于,SMR能提高25%的存儲密度(同一代磁碟和相同的磁碟數(shù)),也就是以相近的價格提供多25%的容量。但是,在對SMR硬盤進(jìn)行寫入時,一旦需要對包含有效信息的區(qū)域?qū)懭耄琒MR硬盤的寫入速度會大幅下降。因此SMR硬盤不適合用于寫入密集型場景。
機械硬盤行業(yè)門檻較高且已經(jīng)十分成熟,幾大機械硬盤制造商的產(chǎn)品并無太大差距,可以直接按照廠商劃分的產(chǎn)品線進(jìn)行選擇。主要機械硬盤制造商:希捷、西部數(shù)據(jù)(包括曾經(jīng)的HGST)和東芝。
對于3.5英寸機械硬盤,由于價格差距并不明顯,除非是用于冷數(shù)據(jù)備份(如歸檔)等特殊用途,日常使用應(yīng)盡可能避免選擇采用SMR技術(shù)的機械硬盤。
對于2.5英寸機械硬盤,除非選擇500GB型號,否則基本只有SMR硬盤可選。
板載DRAM緩存大小是常用判斷依據(jù)。通常容量小于4TB緩存大于等于128MB的大概率為SMR硬盤(某些高端家用和企業(yè)級硬盤除外)。通常7mm及以下厚度、1TB及以上容量的2.5英寸HDD均為SMR硬盤。過去的2.5英寸CMR硬盤要達(dá)到1TB容量需要雙碟封裝,一般為9.5mm厚度?,F(xiàn)在只有少數(shù)500GB的筆記本機械硬盤仍為CMR硬盤。而且500GB筆記本機械硬盤性價比較低,與500GB固態(tài)硬盤的價格差距有限。
企業(yè)級機械硬盤主要有兩大類,一類是高轉(zhuǎn)速2.5英寸機械硬盤,一類是常規(guī)轉(zhuǎn)速3.5英寸機械硬盤。
前者價格昂貴,由于轉(zhuǎn)速較高,噪音也較大。此外家用電腦通常并不支持SAS硬盤,需要額外購買SAS接口的陣列卡或HBA卡。
與消費級產(chǎn)品相比,企業(yè)級機械硬盤的優(yōu)勢主要在于可靠性,例如UBER和可用率。
雖然高轉(zhuǎn)速2.5英寸企業(yè)級機械硬盤的響應(yīng)時間較短,但是與消費級機械硬盤仍處于同一數(shù)量級。在固態(tài)硬盤快速普及的今天,這些企業(yè)級機械硬盤甚至在容量/價格比上都沒有明顯優(yōu)勢。因此對于普通用戶,只有價格相對合適的采用SATA接口的常規(guī)轉(zhuǎn)速3.5英寸企業(yè)級機械硬盤比較值得購買。
固態(tài)硬盤(Solid State Disk/Solid State Drive,SSD)和傳統(tǒng)的機械硬盤(Hard Disk Drive,HDD)最大的區(qū)別就是不再采用盤片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲,而采用固態(tài)電子存儲芯片陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲,如上圖所示。
固態(tài)硬盤主要由控制單元和存儲單元組成,其中存儲單元的芯片主要分為兩種:一種是采用閃存(NAND或3D XPoint)作為存儲介質(zhì)的;另一種是采用DRAM作為存儲介質(zhì)的。目前使用較多的主要是采用閃存作為存儲介質(zhì)的固態(tài)硬盤,BIOS芯片一般采用NOR Flash。
有關(guān)NAND閃存的更多知識,推薦小大熊貓的知乎回答:如何淺顯易懂地解釋「閃存」?它的存儲原理是什么? ,這里不再贅述。
固態(tài)硬盤在接口的規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的完全相同,在產(chǎn)品外形和尺寸上也完全與普通硬盤一致。被廣泛應(yīng)用于軍事、車載、工控、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)終端、電力、醫(yī)療、航空、導(dǎo)航設(shè)備等諸多領(lǐng)域。
根據(jù)物理外形可以分為2.5英寸、M.2和AIC(獨立顯卡那樣的插卡式)三類。
根據(jù)電氣標(biāo)準(zhǔn)可以分為SATA和PCIe兩類。
根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議可以分為AHCI和NVMe兩類。
其中2.5英寸和AIC的PCIe固態(tài)比較少見(前者在發(fā)燒級和企業(yè)級固態(tài)中較常見,一般采用U.2接口),消費級最常見的是2.5英寸的SATA+AHCI固態(tài)硬盤、M.2的SATA+AHCI固態(tài)硬盤和M.2的PCIe+NVMe固態(tài)硬盤。
在選購固態(tài)硬盤時必須注意,M.2固態(tài)硬盤有B Key和M Key以及長度之分,一般有以下規(guī)格:B & M Key(金手指有兩個缺口,可能為SATA總線或PCIe 2X總線)、M Key(金手指有一個缺口,通常為PCIe 4X總線),2280(寬22mm,長80mm)、22110、2260、2242和2230等。上圖右上角的860 EVO為M.2 B & M Key 2280的固態(tài)硬盤,采用SATA總線;右下角的970 EVO Plus為M.2 M Key 2280的固態(tài)硬盤,采用PCIe 4X總線。
一般來說M Key的M.2插槽能兼容B & M Key和M Key的固態(tài)硬盤(但不一定同時支持SATA總線和PCIe總線,可能只支持PCIe總線,也可能只支持SATA總線),B Key的M.2插槽則無法兼容M Key的固態(tài)硬盤(通常只能支持SATA總線),詳細(xì)情況必須參閱說明書。
可以這么理解:兩個缺口的M.2固態(tài)(上圖第三排)能安裝到這兩種M.2插槽(上圖第一排)里(但電氣標(biāo)準(zhǔn)不一定支持),而一個缺口的M.2固態(tài)(上圖第二排右一)只能安裝到到第二種M.2插槽(上圖第一排右一)里。
由于NAND閃存的特性(無法直接覆寫,NAND閃存的最小寫入單元是page,最小擦除單元是block,多個page組成一個block,多個block組成一個die),因此在向存有數(shù)據(jù)(無論數(shù)據(jù)是否有效)的block寫入數(shù)據(jù)時必須先擦除再寫入,表現(xiàn)為讀寫速度低于預(yù)期。通常固態(tài)硬盤主控會自動進(jìn)行垃圾回收和TRIM操作,可在一定程度上緩解此類掉速現(xiàn)象。
此外,幾乎所有消費級TLC固態(tài)硬盤都采用了動態(tài)SLC緩存機制。在連續(xù)寫入大量數(shù)據(jù)時,SLC緩存用盡后寫入速度會降至TLC原本的水平(閑置一段時間后自動恢復(fù))。
數(shù)據(jù)保持時間(Data Retention)是衡量NAND閃存可靠性的重要指標(biāo)。
由于浮柵MOSFET中本征電場的存在,隨著時間流逝產(chǎn)生的電荷泄漏,會逐漸導(dǎo)致NAND閃存中的數(shù)據(jù)出錯甚至無法讀取。為此Read Scrub(數(shù)據(jù)巡檢/掃描重寫)技術(shù)應(yīng)運而生,通過按照一定的算法對硬盤進(jìn)行掃描,當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個閃存頁翻轉(zhuǎn)比特數(shù)超過閾值時,對數(shù)據(jù)進(jìn)行重寫,從而減少ECC無法糾正的位錯誤。[3]影響數(shù)據(jù)保持時間的因素有擦寫次數(shù)、ECC強度、溫度和電磁輻射等。
由于陷阱輔助隧穿(Trap-assisted tunneling (TAT))效應(yīng),隨著擦寫次數(shù)(編程/擦除周期數(shù),Program/Erase Cycle (P/E Cycle))的增加,氧化物絕緣層逐漸磨損,NAND閃存的可靠性會逐漸降低(數(shù)據(jù)保持時間縮短)。升高溫度也會使數(shù)據(jù)保持時間縮短。
由于讀取干擾(Read Disturb)的存在,即便不進(jìn)行寫入,讀取操作也會使相近的存儲單元受到影響。主控會計算自上次擦除動作后的讀取動作總次數(shù),通過重寫相應(yīng)存儲單元中的數(shù)據(jù),避免讀取干擾錯誤的發(fā)生。
當(dāng)NAND閃存的可靠性下降至廠商設(shè)定的閾值時,其生命也就抵達(dá)了終點。通常此時固態(tài)硬盤的S.M.A.R.T.參數(shù)會達(dá)到閾值(P/E Cycle達(dá)到閾值、壞塊數(shù)達(dá)到閾值或其它耐久度參數(shù)達(dá)到閾值),引發(fā)系統(tǒng)報警,提醒用戶更換硬盤。這種情況可以理解為壽終正寢。
但是固態(tài)硬盤也可能在壽終正寢之前發(fā)生致命錯誤導(dǎo)致失去響應(yīng)無法被系統(tǒng)識別(俗稱掉盤)。
此外,隨著固態(tài)硬盤存放時間的增加,其故障率逐漸升高,因此應(yīng)盡可能購買新出廠的產(chǎn)品。
在選購硬盤時,應(yīng)當(dāng)關(guān)注容量、性能和可靠性三個方面。
對于機械硬盤,由于只有寥寥幾家制造商,一般考慮盤片記錄技術(shù)(CMR、SMR和HAMR等)、單碟容量、轉(zhuǎn)速、緩存大小、外部接口以及充氦與否,再加上讀寫速度和響應(yīng)時間實測值以及硬盤故障率,很容易就能得出大致評價。
而對于固態(tài)硬盤,不僅參數(shù)十分繁雜,僅靠分析這些參數(shù)并不能準(zhǔn)確地推測出硬盤的實際性能,而且固態(tài)硬盤在不同工作條件下表現(xiàn)出的性能也有很大差異。至于固態(tài)硬盤的可靠性,則更是缺乏大量數(shù)據(jù)支持(與機械硬盤相比)。
普通用戶建議盡量選擇一線品牌的主流型號,因為一線品牌的產(chǎn)品銷量相對較大,它們不僅經(jīng)受了大量用戶的考驗,而且即使變更方案,也很快會由用戶反映體現(xiàn)出來。此外一線廠商的售后服務(wù)通常也更好(比如在店保之外能個人送保)。
在消費級固態(tài)硬盤制造商里,除三星、英特爾(這兩個算超一線)、閃迪+西數(shù)、東芝+浦科特、美光(鎂光)+英睿達(dá)和金士頓(金士頓算準(zhǔn)一線)之外均為二線。這些制造商大多具有自行生產(chǎn)NAND閃存的能力,某些品牌還能自研主控(如三星)。
固態(tài)硬盤的主要部件有主控、DRAM緩存和閃存芯片。其中DRAM緩存為非必需,主控可能和閃存芯片集成在一起(比如某些M.2 2230規(guī)格的固態(tài)硬盤)。
有關(guān)近期熱銷的主流固態(tài)硬盤型號推薦,詳見大小熊貓的知乎原文:目前哪些品牌/型號的 SSD(固態(tài)硬盤)比較值得購買?
(整理自網(wǎng)絡(luò))
參考資料:
http://c.biancheng.net/view/879.html
https://www.zhihu.com/question/23203703/answer/1293628126
https://www.zhihu.com/question/19926569/answer/547791508
__EOF__