全面的硬盘知识

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 体现硬盘好坏的主要参数为传输率 其次的为转速 单片容量 寻道时间 缓 存 噪音和 S M A R T 1956 年 IBM 公司制造出世界上第一块硬盘 350 RAMAC Random Access Method of Accounting and Control 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 adjacent layer 软接近层 专利的 MR 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 IBM 3370 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 IBM 9332 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 Magneto Resistive 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 GMR 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 Windows 9x Windows 2k 及所有的应用软件 如 Dreamwaver Flash 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 RAMAC 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 1 1956 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 350 RAMAC Random Access Method of Accounting and Control 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 RAMAC 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 2 1968 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 3 1973 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 4 1979 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 高读写速度提供了可能 5 80 年代末期 IBM 对硬盘发展的又一项重大贡献 即发明了 MR Magneto Resistive 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 6 1991 年 IBM 生产的 3 5 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 7 1999 年 9 月 7 日 Maxtor 宣布了首块单碟容量高达 10 2GB 的 ATA 硬盘 从而把硬盘的容量引入了一个新里程碑 8 2000 年 2 月 23 日 希捷发布了转速高达 15 000RPM 的 Cheetah X15 系 列硬盘 其平均寻道时间只有 3 9ms 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 m SCSI 及 Fibre Channel 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 Cheetah X15 系列将硬盘的性能提高到了一个新的里程碑 9 2000 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 Deskstar 75GXP 及 Deskstar 40GV 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 Deskstar 75GXP 系列产品的最 高容量达 75GB 这是目前最大容量的硬盘 而 Deskstar 40GV 的数据存储密 度则高达 14 3 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 5 25 3 5 2 5 和 1 8 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 3 5 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 average seek time 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 ms 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 average latency 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 ms 3 道至道时间 single track seek 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 max full seek 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 ms 5 平均访问时间 average access 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 internal data transfer rate 也叫持续数据传输率 sustained transfer rate 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 WD36400 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 16 37MB s 131 8 7 外部数据传输率 通称突发数据传输率 burst data transfer 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 Ultra ATA 66 它的最大外部数据率 即为 66 7MB s 而在 SCSI 硬盘中 采用最新的 Ultra 160 m SCSI 接口标准 其数据传输率可达 160MB s 采用 Fibra Channel 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 Ultra 160 m SCSI 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 000RPM 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 GMR 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 11 MTBF 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 IBM PC XT 和 PC AT 机器使用的硬盘就是 ST 506 412 硬盘或称 MFM 硬盘 MFM Modified Frequency Modulation 是指一种编码方案 ESDI 接口 即 Enhanced Small Drive Interface 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 Integrated Drive Electronics 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 Advanced Technology Attachment 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 1 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 504MB ATA 最早支持的 PIO 0 模式 Programmed I O 0 只有 3 3MB 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 EIDE Enhanced IDE Fast ATA 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 16 7MB 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 8 1GB 的硬盘 如你的电脑支持 ATA 2 则可 以在 CMOS 设置中找到 LBA LogicalBlock Address 或 CHS Cylinder 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 ROM 放置在主插口上 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 这个版本支持 PIO 4 没有增加更高速度的工作模式 即仍为 16 7MB s 但 引入了简单的密码保护的安全方案 对电源管理方案进行了修改 引入了 S M A R T Self Monitoring Analysis and Reporting Technology 自监测 分 析和报告技术 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 Ultra ATA 66 即 Ultra DMA 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 66 7MB s Serial ATA 新的 Serial ATA 即串行 ATA 是英特尔公司在今年 IDF Intel Developer Forum 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 Serial ATA 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 IBM Deskstar 75GXP 及 Deskstar 40GV 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 Serial ATA 1x 标准的产品 它能提高 150MB s 的数据传输率 对 于 Serial ATA 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 Small Computer System Interface 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 SCSI Wide 与 SCSI Wind Fast 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 Windows NT 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 Ultra 160 s SCSI 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 Ultra 160 m SCSI 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 Shugart Associates System Interface 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 WORM 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 Fast SCSI 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 Narrow SCSI 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 Ultra SCSI 全称为 SCSI 3 Fast 20 Parallel Interface 数据传输率为 20M S 它采用了同步传输时钟频率 提高到 20MHZ 以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 1 5 米 4 1997 年推出了 Ultra 2 SCSI Fast 40 其采用了 LVD Low Voltage 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 m SCSI 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 的出 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 的优势 笔者相信诸位也都有了解 确实 比起 PATA SATA 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 我们也同样可以提高时钟频率来提升其 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 S ATA 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 25MHz PATA 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 信号 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 信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