硬盘基础知识

一、容量 容量恐怕是最能体现硬盘发展速度的了，从当初IBM发布世界上第一款5MB容量的硬盘到现在，硬盘的容量已经从几十、几百MB增加到了上百GB，硬盘容量的增加主要通过增加单碟容量和增加盘片数来实现。单碟容量就是硬盘盘体内每张盘片的最大容量，每块硬盘内部有若干张碟片，所有碟片的容量之和就是硬盘的总容量。比如希捷酷鱼Ⅳ 60GB硬盘，其单碟容量为40GB，由两张碟片组成，其中一张为40GB（双面）、另一张为20GB（单面）。1、 硬盘的发展突破了多次容量限制单碟容量的增长可以带来三个好处：第一是硬盘容量的进步。由于硬盘盘体内一般只能容纳4到5张碟片，所以硬盘总容量的增长只能通过增加单碟容量来实现；二是传输速度的增加，由于盘片的表面积是一定的，那么只有增加单位面积内数据的存储密度。这样一来，磁头在通过相同的间隔时就能读取更多的数据，对于连续存储的数据来说，性能提升非常明显；三是本钱下降。举例来讲，同样是40GB的硬盘，若单碟容量为10GB，那么需要4张盘片和8个磁头，要是单碟容量上升为20GB，那么需要2张盘片和4个磁头，对于单碟容量达40GB的硬盘来说，只要1张盘片和2个磁头就够了，能够节约很多本钱。目前硬盘单碟容量正在飞速增加，但硬盘的总容量增长速度却没有这么快，这正是增加单碟容量并减少盘片数的结果，出于本钱和价格两方面的考虑，两张盘片是个比较理想的平衡点。不过单碟容量的飞速增加也带来了两个题目：首先是AMR（Anisotropic Magneto Resistive，各项异性磁阻）的薄膜的电阻变化量有一定限度，所以AMR磁头的灵敏度也存在极限—— 476Mbit～794Mbit/平方厘米；其次是硬盘的总容量受到28bit寄存器的限制，最多只能达到137.4GB。 2、GMR巨磁阻磁头GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）磁头与AMR磁头一样，核心是一片特殊金属材料，其电阻随磁场的变化而变化。磁阻元件连接着一个十分敏感的放大器，可以测出微小的电阻变化，通过这种微小的变化就可以读出盘片上记录的数据。只不过GMR磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，比AMR磁头更为敏感，相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化，从而实现更高的存储密度，GMR磁头的存储密度能够达到1.55Gbit～6.2Gbit/平方厘米以上。3、Big Drives硬盘的容量及扇区地址与三个方面息息相关：柱面数（Cylinder）、磁头数（Head）和扇区数（Sector），统称CHS。这三个数值的寄存器位数决定了硬盘的最大容量，目前这3个寄存器的位数分别为16bit、8bit、4bit，总计28bit。这样即使是通过LBA寻址方式，也只能访问268,435,455个扇区，按每扇区512字节计算，总容量约为137.4GB。鉴于此种状况，迈拓（Maxtor）提出了一种叫做Big Drives的解决方案，为CHS的每个数值分配了一个16bit的寄存器，一共48bit，这样算来通过LBA寻址方式就能访问281,474,976,710,655个扇区，最大容量高达144PetaByte，合144,000,000GB。二、转速 转速是指硬盘内盘片转动的速度，单位为RPM（Round Per Minute，转/分钟），有时也简写成“转”。目前市场上IDE硬盘的转速主要分5400RPM和7200RPM两种，当初昆腾曾经推出过两个转速分别为4400RPM和4500RPM的硬盘系列——lct15和lct20，但由于价格及发热量并没有比5400RPM硬盘降低多少，而性能却有所下降，因此没能得到市场的广泛认同。从测试及实际应用等各个方面来看，5400RPM硬盘和7200RPM硬盘之间确实存在着一定性能差距，不过7200RPM硬盘的发热量、噪音以及性价比等方面均比5400RPM硬盘略逊一筹，而且现在的应用软件对于硬盘速度的要求并不很高，5400RPM硬盘完全能够满足尽大多数普通家庭的需要。况且随着单碟容量大幅度提升，转速对硬盘整体性能的影响已经不像以前那么大了，当初希捷U6系列硬盘推出之时，高达40GB的单碟容量使它在持续传输率等方面甚至比部分7200RPM的硬盘还要强。所以今后IDE硬盘的转速仍然会保持在现在的水平并维持一段时间。三、缓存 缓存（Cache Buffer）的大小也是影响硬盘性能的重要因素之一。硬盘的缓存主要起三种作用：一是预读取。当硬盘受到CPU指令控制开始读取数据时，硬盘上的控制芯片会控制磁头把正在读取的簇的下一个或者几个簇中的数据读到缓存中（由于硬盘上数据存储时是比较连续的，所以读取命中率较高），当需要读取下一个或者几个簇中的数据的时候，硬盘则不需要再次读取数据，直接把缓存中的数据传输到内存中就可以了，由于缓存的速度远远高于磁头读写的速度，所以能够达到明显改善性能的目的；二是对写进动作进行缓存。当硬盘接到写进数据的指令之后，并不会马上将数据写进到盘片上，而是先暂时存储在缓存里，然后发送一个“数据已写进”的信号给系统，这时系统就会以为数据已经写进，并继续执行下面的工作，而硬盘则在空闲（不进行读取或写进的时候）时再将缓存中的数据写进到盘片上。固然对于写进数据的性能有一定提升，但也不可避免地带来了安全隐患——假如数据还在缓存里的时候忽然掉电，那么这些数据就会丢失。对于这个题目，硬盘厂商们自然也有解决办法：掉电时，磁头会借助惯性将缓存中的数据写进零磁道以外的暂存区域，等到下次启动时再将这些数据写进目的地；第三个作用就是临时存储最近访问过的数据。有时候，某些数据是会经常需要访问的，硬盘内部的缓存会将读取比较频繁的一些数据存储在缓存中，再次读取时就可以直接从缓存中直接传输。硬盘缓存的大小决定了可存放数据的多少，但并不是说缓存越大性能就一定越好。目前主流硬盘的缓存多在2MB左右，没有配备更大容量的缓存主要是出于缓存算法的考虑，更大容量的缓存需要更有效率的算法，否则性能不会有多大提升。当然更大的缓存也是未来硬盘的一个发展方向，西部数据（WD）就推出了一款缓存容量高达8MB的硬盘产品，其性能表现请参考后面的评测部分文章，这里就不再赘述了。