硬盘基础知识

1、硬盘基础知识硬盘基础知识 希望大家进一步了解硬盘的结 构和原理，理解硬盘的特性和常用 参数。 q发展历史 q硬件结构 q基本原理 q主要参数 q接口简介 q发展趋势 硬盘的发展历史硬盘的发展历史 1956年，美国IBM公司制造出世界上第一块容量为5MB的硬盘。 1968年，IBM公司又提出了温彻斯特(Winchester)技术。温彻斯特技术 的精髓是：“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动， 并且是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。 1973年，IBM公司制造出了第一台采用温彻斯特技术的硬盘，从此硬盘 技术的发展有了正确的结构基础，现

2、在使用的硬盘大多是此技术的延伸。 q电脑基本的大容 量存储设备 q提供电脑运算时 所需的信息 q储存电脑系统所 有的程序和数据 文件 电子部分电子部分 将数字信号与磁性信号相互转换将数字信号与磁性信号相互转换 控制机械零件控制机械零件 机械部分机械部分 ? 控制读写头的位置控制读写头的位置 ? 使磁盘转动使磁盘转动 硬盘主要的硬盘主要的两部分两部分 HDA-机械部分机械部分(ATA) 磁盘片磁盘片 磁盘片表面上以磁盘片中心为圆心，不同半径的同心圆称为 磁道。 不同磁盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面。 磁盘片被分成许多扇形的区域，每个区域叫一个扇区。 磁盘片磁盘片 玻璃盘片和铝合金磁盘玻璃

3、盘片和铝合金磁盘 玻璃盘片玻璃盘片 优点优点 磁盘寿命长磁盘寿命长 w 存储密度高存储密度高,容量大容量大 w 抗冲击的可靠性高抗冲击的可靠性高 Glass Media 缺点缺点: w 价格昂贵价格昂贵 w 要使用磁头加载要使用磁头加载/卸载技术卸载技术 铝合金盘片铝合金盘片 优点优点 w 技术成熟技术成熟 w 价格便宜价格便宜 Aluminum Media 缺点缺点 w 对冲击较为敏感对冲击较为敏感 w 对温度较为敏感对温度较为敏感 硬盘磁头的加载硬盘磁头的加载/卸载技术，卸载技术， 磁头加载磁头加载/卸载技术卸载技术 w 磁头只在工作时才飞行在磁盘上方磁头只在工作时才飞行在磁盘上方 优点优

4、点 w 减少磁头撞击磁盘的机率减少磁头撞击磁盘的机率 w 非工作时的抗冲击能力很高非工作时的抗冲击能力很高 w 不必考虑磁头会意外地停在磁盘数据区不必考虑磁头会意外地停在磁盘数据区 缺点：缺点： w 价格昂贵价格昂贵 w 需要进行机械校准以便使磁头准确加载需要进行机械校准以便使磁头准确加载/卸载卸载 磁头停靠技术磁头停靠技术 优点：优点： w 技术成熟技术成熟 w 良好的可靠性良好的可靠性 w 最大限度地利用磁盘以记录数据最大限度地利用磁盘以记录数据 缺点：缺点： w 抗冲击性差抗冲击性差 磁头非工作时停靠在磁盘的特定区域磁头非工作时停靠在磁盘的特定区域 磁头磁头,磁铁磁铁 R/W Head

5、Disc 磁磁片由马达带着片由马达带着 转动转动 R/W head flies above the disc 读写读写头在盘片上飞行头在盘片上飞行 Magnetic data 磁性磁性材料层材料层 ( (Magnetic Film)Magnetic Film) 金属金属性粒子呈性粒子呈 不规则状排列不规则状排列 盘盘 片片 线圈线圈( (Coil)Coil) 磁芯磁芯(Core) S N 已已磁化的金属性粒子磁化的金属性粒子 未磁化的金属性粒子未磁化的金属性粒子 基本原理硬盘基础知识硬盘基础知识 难以置信，但却是事实难以置信，但却是事实 15 of 23 16 of 23 没有问题的硬盘 表面

6、放大125倍 硬盘遭到撞击损坏 的示意图放大125倍 PCB - 电子电子部分部分 Interface Controller m m-Controller 80 MHz Read Channel Servo Controller 2/8/16/32MB DRAM AddressData VCM (Actuator) Spindle Motor Pre-amp Flash ROM 物料清洗物料清洗 部件组装成 HDA 伺服刻写伺服刻写 (Packwrtie) 安装安装 PCBA 老化测试老化测试 打印并贴上客户标签打印并贴上客户标签 包装包装 硬盘的老化测试硬盘的老化测试 PRETEST TES

7、T 测试硬盘的基本功能, 如能否正常开关电,磁盘上刻写的一 些信号是否正确.以及PCBA是否能正常下载文件等. RURN-IN TEST. 测试硬盘的每一个扇区上所有的伺服信号是否正确, 测试硬盘上每一个扇区是否能正确地写入和读出数据. 测试硬盘磁头的读写能力和寻道能力 硬盘的POWER CYCLE 测试 接口测试-模拟用户的实际使用测试. 主主轴转速轴转速( (Spindle Speed)Spindle Speed) 搜搜寻时间寻时间( (Seek Time) Seek Time) 内内部部数据传输数据传输率率( (Internal Transfer Rate)Internal Transf

8、er Rate) 外部外部( (介面介面) )数据传输数据传输速率速率( (External Transfer External Transfer Rate)Rate) 硬盘的读写有多快？硬盘的读写有多快？ 1.1.找到数据所花的时间找到数据所花的时间Access timeAccess time 2.2.读出数据的速度读出数据的速度Data transfer rateData transfer rate 单位：单位：每分每分转转速速 ( (rpm)rpm)，RPMRPM越高越高 = = 数据存取数据存取越快越快 目前大多的硬目前大多的硬盘盘的主的主轴转速轴转速5,4005,400及及7,200

9、7,200RPM(ATA),RPM(ATA),或者或者 7,2007,200，10,00010,000RPMRPM及及15,00015,000RPM(SCSI)RPM(SCSI) Seagate Seagate 一直一直是是新新转转速的制定者速的制定者, ,业业界推出第一台界推出第一台 5,4005,400RPM(Elite),7,200RPM(Barracuda),10,000RPM(CheRPM(Elite),7,200RPM(Barracuda),10,000RPM(Che etah)etah) 及及15,00015,000RPM(Cheetah X15)RPM(Cheetah X15)

10、硬碟硬碟 磁磁盘盘找找到数据到数据所所 在磁在磁道所道所需的需的时时 间间 单单位位是是毫秒毫秒 ( (千千 分之秒分之秒) ) 越短表示越短表示找到数找到数 据据的速度越快的速度越快 潜伏期 ( 表示当磁头移动到数据所表示当磁头移动到数据所 在的磁道后，等待所要的在的磁道后，等待所要的 数据块继续转动（半圈或数据块继续转动（半圈或 多些、少些）到磁头下的多些、少些）到磁头下的 时间时间 平均潜伏期就是盘片转半平均潜伏期就是盘片转半 圈的时间圈的时间 单单位位是是毫秒毫秒 ( (千分之秒千分之秒) ) n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)。 n平均访问

11、时间指磁头找到指定数据的 平均时间，单位为毫秒(ms) 。通常是 平均寻道时间和平均潜伏时间之和。 024681012 7.2K 10K 15K Time to Data Spindle Speed (RPM) Assumptions: Time in ms Command = .5 Block Size = 8K CommandAvg Seek 15-Oct-98 11:11:04I-DEAS Master Series 6 m1: Seagate High Performance Products : _user.mckie : Database: /usr2/home/mckiecar/

12、run/work/CUDA_18XL.mf1Units : IN View : VIEW1 (modified)Display : No stored Option 3.9 5.2 5.9 2.0 2.99 4.17 Latency .333 .235 .190 Data Xfer Total = 10.57 39.5% Total = 6.40 Total = 8.69 26.4% 数据从磁盘传到数据从磁盘传到C Cacheache，还没有传到系统时的速度，还没有传到系统时的速度 单单位位是是Mbit/sMbit/s 数据从数据从C Cacheache通过接口传给控制器通过接口传给控制器 单

13、单位位是是Mbyte/sMbyte/s 外部传输率总是比内部传输率商外部传输率总是比内部传输率商 硬盘的组成硬盘的组成 工作原理工作原理电，机械电，机械 性能参数性能参数 ATA (IDE)ATA (IDE)- 40P- 40Pinsins SATA SATA - 7Pins- 7Pins SCSI Narrow(N)SCSI Narrow(N)- 50Pins- 50Pins SCSI Wide(W)SCSI Wide(W)- - 68Pins68Pins SCSI single connector(SCA)SCSI single connector(SCA) - 80Pins- 80Pin

14、s S SAS AS -7Pins x2-7Pins x2 Fiber channel SCAIIFiber channel SCAII- 40Pins- 40Pins Power Connector M/S Jumper 40-pin Male Connector SCSI-2SCSI-3 Synchronous SCSI 5MB/s Fast/Wide SCSI 10/20MB/s Ultra SCSI 20/40MB/s FC-AL 100MB/s per Port Parallel Interface Ultra2 SCSI 40/80MB/s Ultra160 SCSI 160MB/

15、s Dual Loop Command/Data FC-AL 200MB/s per Port Ultra320 SCSI 320MB/s SAS 300MB/s per port 1998199920002001200220032004 Fibre Channel P-ATA Serial Attached SCSI S-ATA Parallel SCSI Source: Seagate Market Research -Reliability -Interchangeability -Performance -Management 2005 Power Connector 50-pin M

16、ale Connector Power Connector Jumpers 68-pin Female Connector 80-pin Male SCA Connector 40-pin Male FC-SCA II Connector Keyway Filled In Second Port Added on Opposite Side TopologySATASCSISASFC Addressing1161288 Million Distance (m)1121010Km Dual PortNoNoYesYes Performance Speed MB/s150, 300320150,

17、300106, 212, 425 ProtocolATASCSISCSISCSI Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology 最早由Compaq 和 IBM推动, 目的是尽可能预测硬盘的可 靠性，在硬盘损坏之前给用户警告 磁头飞行高度 (Head Flying Height) 信息输出效率 (Data Throughput Performance) 旋转启动时间(Spinup Time) 重新配置的扇区数 (Re-allocated Sector Count) 寻道失败率(Seek Error Rate) 寻道时间的效率(Seek Ti

18、me Performance) 旋转尝试次数 (Spinup Retry Count) 磁盘测试重试次数(Drive Calibration Retry Count) RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks磁盘阵列) 主要是为了大型 服务器提供高端的存储功能和冗余的数据安全。 1、RAID-0 数据通过一种称为Striping（磁盘交错）的方式来分配在可用磁盘上。这种 技术用来建立共享数据区并以此达到较高的速度。控制器将数颗硬盘合并成 一颗大容量的逻辑磁盘。随着数据的读写以接近平行处理的方式进行，整体 性能较单个颗硬盘提升了许多。这对视频编辑和图像

19、编辑程序很有好处。不 过，如果其中一颗硬盘出错，那么会损失所有硬盘上的数据。 2、RAID-1 RAID-1（mirroring，镜像）是将一颗硬盘上的数据完完全全的复制到另一颗 硬盘上。从安全性来讲，这是相当理想（不过也不便宜）的方式，而冗余用 去50%的硬盘容量。性能会出现边际递增。虽然写入稍慢，但控制器会使用最 快的硬盘读取数据。 3、RAID 0+1 RAID 0+1结合了RAID模式0和1。磁盘驱动器以striping技术来分配数据，然 后进行镜像处理。由于会用两颗硬盘作为数据保护，所以这种方式只适合速 度极为重要的场合。 4. RAID 2,RAID 3,RAID 4,. 接口速度

20、不等于实际速度接口速度不等于实际速度 接口速度等于带宽接口速度等于带宽 内部数据传输率是硬盘的真正性能内部数据传输率是硬盘的真正性能 硬硬盘业盘业以以1010进进制制(1(1GBytes=10GBytes=109 9Bytes)Bytes)计算计算容量容量 操作系统操作系统以以2 2进进制制 (1(1Gbytes=2Gbytes=230 30Bytes=1,073,741,824Bytes) Bytes=1,073,741,824Bytes)定定义义容量容量 8080G G 硬盘在硬盘在WINDOWWINDOW下使用容量为下使用容量为 8080* *10109 9/ / 2 230 30= 74.5G = 74.5G 垂直记录方式垂直记录方式 垂直记录技术垂直记录技术 能够以更高的 密度记录数据 记录面积加倍 更高容量的硬 盘成为可能 “ 我们估计垂直记录技术可以使我们