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HDDFunctionTest DQA3anne2014 8 12 2 目錄 HDD定義物理結構工作原理基本參數硬盤分區相關技術 NCQ S M A R T RAID SSD 1 HDD定義 HDD HardDiskDriver的縮寫 即硬盤驅動器的英文名 硬盤是電腦主要的存儲媒介之一 由一個或者多個鋁製或者玻璃製的碟片組成 碟片外覆蓋有鐵磁性材料 硬盤有固態硬盤 SSD 機械硬盤 HDD 混合硬盤 SSHD SSD採用閃存顆粒來存儲 HDD採用磁性碟片來存儲 SSHD SolidStateHybridDrive 是把磁性硬盤和閃存集成到一起的一種硬盤 3 2 HDD的物理結構 硬盤結構 4 硬盤 外部結構 內部結構 外殼 控制電路板 接口 磁頭組件 磁頭驅動機構 盤片 主軸組件 2 1HDD的外部結構 5 2 1HDD的外部結構 6 2 1HDD的外部結構 外殼硬盤的外殼與底板結合成一個密封的整體 正面的外殼保證了硬盤盤片和機構的穩定運行 在固定面板上貼有產品標籤 上面印有產品型號 產品序列號等信息 控制電路板大多數的硬盤控制電路板採用貼片式焊接 它包括主軸調速電路 磁頭驅動與伺服定位電路 讀寫電路 高速緩存以及接口電路等 電路板上還有一塊ROM芯片 裏面固化的程序可以對硬盤進行初始化 執行加電和啟動主軸電機 加電初始尋道 定位以及故障檢測等 接口數據線接口 硬盤數據與主板控制芯片之間進行數據傳輸交換的通道電源接口 與主機電源相連接 為硬盤的正常工作提供電力保證跳線接口 用來設置硬盤和光驅的啟動順序 7 2 2HDD的內部結構 8 2 2HDD的內部結構 9 硬盤結構示意圖 3 硬盤的工作原理 硬盤的工作原理是利用特定的磁粒子的極性來記錄數據 磁頭在讀取數據時 將磁粒子的不同極性轉換成不同的電脈衝信號 再利用數據轉換器將這些原始信號變成電腦可以使用的數據 寫的操作正好與此相反 另外硬盤中還有一個存儲緩衝區 這是爲了協調硬盤與主機在數據處理速度上的差異而設的 硬盤的格式化工作分為低級格式化 硬盤分區 高級格式化并建立文件管理系統 硬盤驅動器加電正常工作后 利用控制電路中的單片機初始化模塊進行初始化工作 此時磁頭置於盤片中心位置 初始化完成后主軸電機將啟動并以高速旋轉 裝載磁頭的小車機構移動 將浮動磁頭置於盤片表面的00道 處於等待指令的啟動狀態 當接口電路接收到微機系統傳來的指令信息 通過前置放大控制電路 驅動音圈電機發出磁信號 根據感應阻值變化的磁頭對盤片數據信息進行正確定位 并將接收到的數據信息解碼 通過放大控制電路傳輸的接口電路 回饋給主機系統完成指令操作 結束硬盤操作的斷電狀態 在反力矩彈簧的作用下浮動磁頭駐留到盤面中心 10 3 硬盤的工作原理 硬盤工作原理 11 磁盤 磁頭 前置放大器 局部回應最大擬然 PRML 接口控制器 伺服解調器 定時專用集成電路 微控制器 數字信號處理器 定位驅動器 主軸電機 主軸驅動器 音圈電機 伺服控制器 電機速度控制器組合 高速緩存 計算機 4 HDD的基本參數 12 4 1 HDD的尺寸 不同尺寸的HDD適用于不同的機型 13 3 5英寸 2 5英寸 1 8英寸 3 1 HDD的尺寸 HDD尺寸 14 4 2 接口 從整體的角度上 HDD常用接口有SATA IDE SCSI SAS和光纖通道 15 4 2 接口 16 4 2 接口 目前接觸最多的就是SATA接口硬盤SATA以連續串行的方式傳送數據 可以在較少的位寬下使用較高的工作平率來提高數據傳輸的頻寬 SATA以此只會傳送1位數據 這樣能減少SATA接口的針腳數目 使連接電纜數目變少 效率也會更高 實際上 SATA僅用四支針腳就能完成所有的工作 分別用於連接電纜 連接地線 發送數據和接收數據 這樣的架構能降低系統能耗 減小系統複雜性 常見接口傳輸速度比較 17 4 2 接口 新一代接口 NGFF爲了適應超級本和便攜本的需求 MSATA誕生了 但是目前擁有一個比它更小巧和傳輸速率更快的NGFF接口 NGFF接口又稱為M2接口 作為Intel為超級本量身定做的新一代接口標準 其尺寸僅為42mm 22mm 單面佈置NAND顆粒的話厚度為2 75mm 雙面的話厚度則是3 85mm 而目前mSATA接口的尺寸為51mm 30mm 單面厚度就達到4 85mm NGFF接口相對mSATA來說體積進一步減小 更加節省空間 18 4 2 接口 NGFF接口相比mSATA接口優勢 尺寸更小NGFFSSD可通過增加長度來增加容量 NGFF標準的SSD的寬度 厚度都是相同的 只有長度不同 而NGFF總共討論了20mm 42mm 60mm 80mm以及120mm 其中42mm 60mm及80mm版本最有可能成為最終標準 越長代表有限的空間能裝下的閃存顆粒越多 那容量也越大相比mSATA支持接口規範更多樣化 制定的NGFF又兩種接口 Socket2和Socket3 前者支持SATA PCI E 2接口的SSD WWAN及其他非存儲設備 Socket3支持專為高性能存儲設計 可支持PCI E 4接口 體積更小的同時頻寬高達4GB s 相比與mSATA所支持的SATA接口規範 NGFF更多樣化 擁有更高的理論接口傳輸速度 相比mSATA 傳輸速度更快 19 5 硬盤分區 硬盤的分區實質上是對硬盤的一種格式化 然後才能使用硬盤保存各種信息 創建分區時 就已經設置好了硬盤的各項參數 指定了硬盤主引導記錄 MasterBootRecord 和引導記錄備份的存放位置 而對於文件系統以及其他操作系統管理硬盤所需要的信息則是通過Format命令來實現 在分區時必須把硬盤的主分區設定為活動分區 才能夠通過硬盤啟動系統 20 5 硬盤分區 硬盤的主引導記錄 MBR 是不屬於任何一個操作系統的 它先于所有的操作系統而被調入內存 并發揮作用 然後才將控制權交給主分區內的操作系統 并用主分區信息表來管理硬盤 計算機啟動過程涉及以下順序中發生的幾個步驟BIOS運行開機自檢 POST BIOS分區尋找啟動設備 這通常是在硬盤上從硬盤啟動時BIOS加載MBRMBR確定活動分區從活動分區MBR加載引導扇區引導扇區初始化加載的操作系統 21 5 硬盤分區 硬盤分區主分區數 擴展分區數 4DOS的分區命令FDISK允許用戶創建一個擴展分區 並且在擴展分區內再創立最多23個邏輯分區 PS 在windows7和windowsvista中系統自帶的分區工具要分出3個主分區后才能有邏輯分區選項 22 硬盤 非DOS分區 主分區 擴展分區 將硬盤中的一塊區域單獨劃分出來供另一個操作系統使用 對主分區的操作系統來講 是一塊被劃分出去的存儲空間 硬盤的啟動分區 通常位於硬碟的最前面一塊區域中 構成邏輯C磁盤 邏輯分區 DOS分區 被計算機作為獨立的物理設備使用 5 硬盤分區 分區格式不同操作系統下磁盤格式不同 windows下磁片格式主要FAT16 FAT32 NTFS等 23 6 1相關技術 NCQ NCQ NativeCommandQueuing 原生指令排序 原先是改善服務器硬盤存取控制技術 應用在SCSI和SATA1 0 2 0 3 0接口硬盤讀寫的加速技術 其接口開啟磁盤陣列RAID亦有所提升 透過硬盤固件 硬盤控制器以及操作系統三者的相互配合 改善硬盤內部磁區的讀取順序 可以提高硬盤效能 亦能輕微減輕硬盤損耗的速率 一般硬碟使用的硬碟格式通常為Windows98核心所使用的FAT32系列 或是WindowsNT所使用的NTFS 此種硬碟格式在存取資料時 時常會出現散亂的情況 導致一個文件被不規則的分散成許多的區塊存放於磁盤上面 時間一久 文件散亂的程度會日趨嚴重 由於傳統的硬碟讀取方式 會從文件的開頭依序讀取到結尾 若文件散亂的程度愈嚴重 則讀取頭需要來回移動的距離就越長 導致硬碟讀寫效能逐漸下降 一旦發生這樣的問題 解決方案便是使用磁碟重組軟體來進行硬碟重組 將散亂的文件重新排列為連續的區塊 但由於執行磁碟重組可能會需要搬動大量的磁碟區塊 如果太常執行磁碟重組 除了會提高系統負載 亦將會縮短磁碟機的使用壽命 NCQ即為了解決此種情況而誕生 啟用NCQ技術的硬碟 在讀取文件時 會依照文件在硬碟上的分佈 將存取的順序作最有效率的排序 以減少機械臂移動的距離 進而達到省時以及延長硬碟壽命的效果 24 6 1相關技術 NCQ 啟用NCQ技術的硬碟 在讀取文件時 會依照文件在硬碟上的分佈 將存取的順序作最有效率的排序 以減少機械臂移動的距離 進而達到省時以及延長硬碟壽命的效果 於SATAIINCQ協定中 新增3個功能 Race freestatusreturnmechanism 硬碟在完成任一指令後 可以無須再進行Handshake即可繼續另一個指令 以便讓多個指令快速接序或同時執行 Interruptaggregation 硬碟由於以NCQ模式執行多個指令 所以原本每一個指令完成後必須中斷以便讓系統接續處理的模式 轉成可以在多個指令完成後再一次提出 interrupt 故接口控制器 hostcontroller 對於多個指令只須處理一次中斷即可 FirstpartyDMA FPDMA 當硬碟完成資料讀取後 無須靠hostcontroller的DMA動作取得特定內存位置 而是由硬碟本身建立DMAsetupFIS FrameInformationBlock 直接對hostcontroller送出內存存取通知 如此無須驅動程式的運作 可以有效提升存取效率 25 6 2相關技術 S M A R T S M A R T 全稱為 Self MonitoringAnalysisandReportingTechnology 即 自我監測 分析及報告技術 是一種自動的硬碟狀態檢測與預警系統和規範 透過在硬碟硬體內的檢測指令對硬碟的硬體如磁頭 盤片 馬達 電路的運行情況進行監控 記錄並與廠商所設定的預設安全值進行比較 若監控情況將或已超出預設安全值的安全範圍 就可以透過主機的監控硬體或軟體自動向用戶作出警告並進行輕微的自動修復 以提前保障硬碟數據的安全 除一些出廠時間極早的硬碟外 現在大部分硬碟均配備該項技術 該技術所需資料被存放在硬碟物理盤面最前面的磁道中 由硬碟製作商將相關管理程式和數據寫入該磁道中 包括加解密程式 自監控程式 自修復程式等 主機的監控軟體可以透過 SMARTRETURNSTATUS 的命令讀取S M A R T 資訊 且這些資訊不允許被用戶修改 26 6 3 RAID技術 獨立硬盤冗餘陣列 RAID 簡稱硬盤陣列 其基本思想就是把多個相對便宜的硬盤組合起來 成為一個硬盤陣列組 使性能達到甚至超過一個價格昂貴 容量巨大的硬盤 RAID把多個硬盤組合成為一個邏輯扇區 操作系統會把它當做一個硬盤 RAID分為RAID0 RAID1 RAID1E RAID5 RAID6 RAID7 RAID10 RAID50 RAID60 RAID把多個硬碟組合成為一個邏輯扇區 操作系統只會把它當作一個硬盤 RAID常被使用在服務器電腦上 并常使用完全相同的硬盤作為組合 27 6 3 RAID技術 28 6 3 RAID技術 磁盤陣列比較表 29 6 3 RAID技術 英特爾快速存儲技術是一個基於windows的應用程序 為支持的操作系統提供高性能SATA和SATARAID能力 此應用程序需操作系統和硬件組件的支持 要實現RAID必須要有兩個以上硬盤驅動器 且系統BIOS必須包括SATARAID選項 若需系統支持RAID 需在安裝系統前先在BIOS中啟用RAID 并創建RAID卷 步驟如下所示 進BIOS將SATAConntroller改為RAIDMode 將windows8logoDisable按F10保存后 在開機自檢 POST 時出現如下提示 30 6 3 RAID技術 進入用戶介面 31 6 3 RAID技術 進入用戶介面 32 6 3 RAID技術 AE67 AF18 ACB3等機種也可以在BIOS種創建RAID卷 進入BIOS 確認SATAcontroller為RAIDMode 創建步驟如下 SelectIntel R RapidStorageTechnology 33 6 3 RAID技術 SelectCreateRAIDVolume 34 6 3 RAID技術 SelectCreateRAIDVolume英特爾快速RAID技術提供創建RAID0 RAID1 RAID5和RAID10卷的能力 數據跨兩個或多個磁盤分佈以提供數據冗餘或提高數據儲存性能 35 6 3 RAID技術 選擇要組成RAID的兩張SSD 并選擇StripSize 我們會根據不同應用類型 不同性能需求 不同驅動器的不同特點 不存在一個普遍適用的 最佳條帶大小 所以我們可以自己定義條帶大小 36 6 3 RAID技術 創建完成后如下圖所示 37 6 3 RAID技術 測試完畢后需刪除硬盤中的RAID卷 否則會影響下次使用 38 7 SSD 固態硬盤 SolidStateDisk 用固態電子存儲芯片陣列而製成的硬盤 由控制單元和存儲單元 FLASH芯片 DRAM芯片 組成 新一代的固態硬盤普遍採用SATA 3接口 也有使用PCI E或者mSATA ZIF IDE等接口的固態硬盤 固態硬盤大部份被製作成與傳統硬盤相同外殼尺寸 常見的1 8寸 2 5寸 3 5寸規格 并採用相互兼容的接口 但是有些固態硬盤也使用PCIExpress或是ExpressCar