硬盤基礎(chǔ)知識大全
硬盤是一個計算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲中心，我們運(yùn)行計算機(jī)時使用的程序和數(shù)據(jù)目前絕大部分都存儲在硬盤上。下面就讓小編帶你去看看關(guān)于硬盤基礎(chǔ)知識大全，希望能幫助到大家!
關(guān)于硬盤的一些基礎(chǔ)認(rèn)識
機(jī)械硬盤的認(rèn)識
硬盤的組成
硬盤的物理結(jié)構(gòu)
磁頭
主要任務(wù)完成盤片上數(shù)據(jù)的讀寫操作，盤片在高速旋轉(zhuǎn)時，磁頭會飛行在盤面上方，而不是接觸盤面
每個盤片的兩面都會有一個磁頭， 當(dāng)然有的硬盤有可能只有一個磁頭，磁頭的編號從0開始
機(jī)械臂
使磁頭部件作徑向移動的裝置，已完成磁道變換
盤片
含有磁性的合金盤片，用來存取寫入的數(shù)據(jù)：每張盤片的容量成為單碟容量，而硬盤的容量就是所有盤片容量的總和;由于單碟容量的限制，通常一個硬盤會含有多張盤片
盤片的厚度在0.5mm左右，盤片的轉(zhuǎn)速與盤片大小有關(guān)
每個盤片都會有上下兩面，都可以被利用來存儲數(shù)據(jù);能存儲數(shù)據(jù)的盤面成為有效盤面，每個盤面都會有一個盤面好，其和磁頭編號是相對應(yīng)的，從0開始編號
盤片的邏輯劃分
扇區(qū)
盤片在轉(zhuǎn)動時，磁頭在盤面上畫過的一段圓弧，稱扇區(qū)，即sector
扇區(qū)并不是連續(xù)的，在磁道上被劃分成一段一段的，從1開始編號
是硬盤最小的物理存取單位，每個扇區(qū)為512byte
磁道
磁盤在格式化時被劃分成許多同心圓，這些同心圓叫做磁道，即track
磁道從外向內(nèi)從0開始編號，盤面的容量越大，包含的磁道數(shù)越多
磁道是看不見的，只是盤面上一些被磁化的區(qū)域
柱面
所有盤面上相同編號的磁道構(gòu)成的圓柱，稱為柱面，即cylinder
每個柱面上的磁頭由上到下從0開始編號
數(shù)據(jù)的讀寫是按照柱面進(jìn)行的，而非按照盤面進(jìn)行
柱面是分區(qū)的最小單位
柱面是所有盤片表面上到中心主軸的距離相等的磁道集合
數(shù)據(jù)的讀寫按柱面進(jìn)行，即磁頭讀寫數(shù)據(jù)時首先在同一柱面內(nèi)從“0”磁頭開始進(jìn)行操作，依次向下在同一柱面的不同盤面即磁頭上進(jìn)行操作，只在同一柱面的所有磁頭全部讀寫完畢后磁頭才轉(zhuǎn)移到下一柱面。
因為選取磁頭只需要通過電子切換即可，而選取柱面則必須通過機(jī)械切換。電子切換相當(dāng)快，比在機(jī)械上磁頭向鄰近磁道移動快的多，所以，數(shù)據(jù)的讀寫按柱面進(jìn)行，而不按盤面進(jìn)行。
一個磁道寫滿數(shù)據(jù)后，就在同一柱面的下一個盤面來寫，一個柱面寫滿后，才移到下一個扇區(qū)開始寫數(shù)據(jù)
硬盤容量
硬盤容量由以下技術(shù)因素決定：
記錄密度：磁道一英寸的段中可以放入的位數(shù)
磁盤密度：從盤片中心出發(fā)半徑為一英寸的段內(nèi)可以有的磁道數(shù)
面密度： 記錄密度與磁道密度的乘積
磁盤操作
磁盤用連接到一個機(jī)械臂的讀寫頭來讀寫存儲在磁性表面的位
通過沿著半徑軸移動這個傳動比，驅(qū)動器可以將讀寫投定位在盤面上的任何磁道上。這樣的機(jī)械運(yùn)動成為尋道。
一旦讀寫頭定位到了期望的磁道上，那么當(dāng)磁道上的每個為通過它的下面時，讀寫頭可以感知到這個位的值(讀)，也可以修改這個位的值(寫)。
有多個盤片的磁盤針對每個盤面都有一個獨(dú)立的讀寫頭，讀寫頭垂直排列，一致行動，在任何時刻，所有的讀寫頭都位于同一個柱面上
磁盤數(shù)據(jù)訪問時間
磁盤以扇區(qū)大小的塊來讀寫數(shù)據(jù)。對扇區(qū)的訪問時間有三個主要的部分：
尋道時間：為了讀取某個目標(biāo)扇區(qū)的內(nèi)容，機(jī)械臂首先將讀寫頭定位到包含目標(biāo)扇區(qū)的磁道上。移動機(jī)械臂所需的時間稱為尋道時間。尋道時間Tseek依賴于讀寫頭以前的位置和機(jī)械臂在盤面上移動的速度。現(xiàn)代驅(qū)動器中平均尋道時間通常為3~9ms，一次尋道的最大時間可以高達(dá)20ms
旋轉(zhuǎn)時間：一旦讀寫投定位到了期望的磁道，驅(qū)動器等待目標(biāo)扇區(qū)的第一個位旋轉(zhuǎn)到讀寫頭下，這個步驟的性能依賴于當(dāng)讀寫頭到達(dá)目標(biāo)扇區(qū)時的盤面位置以及磁盤的旋轉(zhuǎn)速度。在最壞的情況下，讀寫投剛剛錯過了目標(biāo)扇區(qū)，必須等待磁盤轉(zhuǎn)一整圈
平均旋轉(zhuǎn)時間是最大旋轉(zhuǎn)延遲時間的一半
傳送時間： 當(dāng)目標(biāo)扇區(qū)的第一個位位于讀寫頭下時，驅(qū)動器就可以開始讀或者寫該扇區(qū)的內(nèi)容了。一個扇區(qū)的傳送時間依賴于旋轉(zhuǎn)時間和每條磁道的扇區(qū)數(shù)目。
固態(tài)硬盤的認(rèn)識
SSD是一種利用Flash芯片或者DRAM芯片作為數(shù)據(jù)永久存儲的硬盤。
利用DRAM作為永久存儲介質(zhì)的SSD，又可稱為RAM-Dsk, 其內(nèi)部使用SDRAM內(nèi)存條來存儲數(shù)據(jù)，所以在外部電源斷開后，需要使用電池來維持DRAM中的數(shù)據(jù)
現(xiàn)在比較常見的SSD為基于Flash介質(zhì)的SSD
所有類型的ROM和Flash芯片使用一種叫做“浮動門場效應(yīng)晶體管”的晶體管來保存數(shù)據(jù)。每個這樣的晶體管叫做一個“cell”，即單元。
Cell
兩種類型
Single Level Cell(SLC) ：每個Cell可以保存1B的數(shù)據(jù)
Multi Level Cell(MLC)每個Cell可以保存2B的數(shù)據(jù)
MLC容量是SLC的兩倍，但是成本與SLC大致相當(dāng)。導(dǎo)致相同容量下的SSD，MLC芯片成本要比SLC芯片低
Cell是利用FG(Floating Gate)中的電勢值來與閾值對比從而判斷其表示1或者0的。
固態(tài)硬盤讀寫過程
從Flash芯片讀取數(shù)據(jù)的過程
位線 將所有Cell串聯(lián)起來的導(dǎo)線稱為“位線”
字線 將多個并聯(lián)的Cell串中相同位置的Cell水平貫穿起來的導(dǎo)線組稱為“字線”
當(dāng)需要讀出某個Page時，F(xiàn)lash Controller控制Flash芯片將相應(yīng)這個Page的字線組電勢置為0，其他所有字線組的電勢則升高到一個值，而這個值又不至于使電子穿過FG絕緣層到達(dá)FG
所有Cell串的位線被導(dǎo)通以便外接從位線上提取電勢狀態(tài)，而所有的字線電壓被提高的Page其感應(yīng)線均被斷開導(dǎo)致感應(yīng)線不能將對應(yīng)的Cell的電勢傳遞到位線上
所以此時每個Cell串的位線所體現(xiàn)的電勢值與待讀出Page中所有Cell一一對應(yīng)，再通過電路將每條位線上的電勢值解碼成1或者0從而傳輸?shù)叫酒獠?，放置與SSD的RAM Buffer中保存，這樣完成了一個Page內(nèi)容的讀出
SSD的IO最小單位為1個Page
向Flash芯片中寫入數(shù)據(jù)的過程
Flash芯片要求在修改一個Cell中的位的時候，在修改之前，必須先Erase掉這個Cell。
注：機(jī)械磁盤上的“數(shù)據(jù)”是永遠(yuǎn)抹不掉的，因為即使將扇區(qū)全部寫入0也算是存放了數(shù)字0，也是數(shù)據(jù)。
Cell帶點(diǎn)表示0，不帶電表示1，Cell只能帶負(fù)電荷，即電子，而不能帶正電荷
這里的Erase動作其實就是將一大片連續(xù)的Cell一下子全部放電，這一片連續(xù)的Cell就是一個Block。即每次Erase只能一下檫除一整個Block或者多個Block，將其中所有的Cell變?yōu)?狀態(tài)
但是卻不能單獨(dú)檫除某個或者某段Page，或者單個或多個Cell(這個是造成SSD的致命缺點(diǎn)的一個根本原因)
Erase完成之后，Cell中全為1，此時可以向其中寫入數(shù)據(jù)，如果遇到待寫入某個Cell的數(shù)據(jù)位恰好為1的時候，對應(yīng)這個Cell的電路不做任何動作，其結(jié)果依然是1;
如果遇到待寫入某個Cell的數(shù)據(jù)位為0的時候，則電路將對應(yīng)Cell中的FG進(jìn)行充電，Cell狀態(tài)從1變?yōu)?，完成了寫入
這個寫入0的動作又叫做“Program”，即對這個Cell進(jìn)行看Program
Flash芯片的通病
Erase Before OverWrite
相比機(jī)械磁盤，磁盤可以直接用刺頭將對應(yīng)的區(qū)域磁化成任何信號，如果之前保存的數(shù)據(jù)是1，新數(shù)據(jù)還是1，則磁頭對1磁化，結(jié)果還是1;如果新數(shù)據(jù)是0，則磁頭對1磁化，結(jié)果就變成了0
Flash則不然，如果要向某個Block寫入數(shù)據(jù)，則不管原來Block中是1還是0，新寫入的數(shù)據(jù)是1還是0，必須先Erase整個Block為全1，然后才能向Block中寫入新數(shù)據(jù)。
這種額外Erase操作增加了覆蓋寫的開銷
總的來說是這樣的一種情況：如果僅僅需要更改某個Block中的某個Page,那么在Erase之前，需要將全部Block中的數(shù)據(jù)讀入SSD的RAM Buffer，然后Erase整個Block，再將待寫入的新Page中的數(shù)據(jù)在RAM中覆蓋到Block中對應(yīng)的Page，然后將整個更新后的Block寫入Flash芯片
這樣加大了寫開銷，形成了大規(guī)模的寫懲罰(Write Amplification 寫擴(kuò)大)，小塊隨機(jī)寫IO會產(chǎn)生大倍數(shù)的寫懲罰
Wear Off
隨著FG充放電次數(shù)的增多，二氧化硅絕緣層的絕緣能力將遭到損耗，最后逐漸失去絕緣性，無法保證FG中有足夠的電荷。此時，這個Cell就被宣判為損壞，即Wear Off
損壞的Cell將拖累這個Cell所在的整個Page被標(biāo)記為損壞，因為SSD尋址和IO的最小單位為Page。損壞的Page對應(yīng)的邏輯地址將被重定向映射到其他完好的預(yù)留Page，SSD將這些重定向表保存在ROM中，每次加電均被載入RAM以供隨時查詢
寫懲罰大大加速Wear off，因為寫懲罰做了很多無用功，增加了不必要的擦寫
MLC可擦寫的壽命比較低，小于10000次;SLC高一些，十倍于MLC，小于100000。
解決方法
損耗平衡
為了避免同一個Cell被高頻率檫寫，SSD有這樣一個辦法：每次針對某個或者某段邏輯LBA地址(Logical Block Address)的寫都寫到SSD中的Free Space中，即上一次全盤Erase后從未被寫過的Block/Page中，這些Free Space已經(jīng)被放電，直接寫入即可
若再次遇到針對這個或者這段LBA地址的寫操作，那么SSD會再次將待寫入的數(shù)據(jù)重定向?qū)懙紽ree Space中，而將之前這個邏輯地址占用的Page標(biāo)記為“Garbage”，可以回收再利用
等到Block中一定比例的Page都被標(biāo)記為“Garbage”時，并且存在大批滿足條件的Block，SSD會批量回收這些Block
SSD這樣做就是為了將寫操作平衡到所有可能的Block中，降低單位時間內(nèi)每個Block的擦寫次數(shù)，從而延長Cell的壽命
由于Page的邏輯地址對應(yīng)的物理地址是不斷被重定向的，所以SSD內(nèi)部需要微環(huán)境一個地址映射表。這種設(shè)計是比較復(fù)雜的，需要SSD上的CPU具有一定的能力運(yùn)行對應(yīng)的算法程序。這種避免wear off 過快的重定向算法稱為Wear Leveling，即損耗平衡算法
Wiper
需要了解的是，影響一塊SSD壽命和寫入性能的最終決定因素就是Free Space，而且是存儲介質(zhì)自身所看到的Free Space而不是文件系統(tǒng)級別的Free Space
但是SSD自身所認(rèn)識的Free Space永遠(yuǎn)只會少于文件系統(tǒng)的Free Space ，并且只會越來越趨于0
需要文件系統(tǒng)來通知SSD自身的Free Space，告訴它哪些邏輯地址現(xiàn)在并未被任何文件或者元數(shù)據(jù)所占用，可以被擦除
所有的SSD廠商均會提供一個工具，稱為“Wiper”
操作系統(tǒng)中運(yùn)行這個工具時，此工具掃描文件系統(tǒng)內(nèi)不用的邏輯地址，并將這些地址通知給SSD，SSD便可以將對應(yīng)的Block做擦除并回收到Free Space空間內(nèi)
TRIM指令
TRIM指令可以讓文件系統(tǒng)在刪除某個文件之后實時地通知SSD回收對應(yīng)的空間
TRIM是ATA指令標(biāo)準(zhǔn)中的一個功能指令，在Linu__ Kernel 2.6.28中已經(jīng)囊括，但是并不完善
TRIM可以使SSD起死回生，開啟了TRIM支持的SSD，在操作系統(tǒng)TRIM的支持下，可以成功的將性能提高到相對于SSD初始化使用時候的95%以上
Delay Write 和 Combine Write
Delay Write 是一種存儲系統(tǒng)常用的寫IO優(yōu)化措施。
比如有先后兩個針對同一個地址的IO—–Write1，Write2，先后被控制器收到了，而在Write1尚未被寫入到永久存儲介質(zhì)之前，恰好Write2進(jìn)入，此時控制器就可以直接在內(nèi)存中將Write2覆蓋Write1，在寫入硬盤的時候只需要寫入一次即可
這樣的操作減少了不必要的寫
Combine Write是另一種存儲系統(tǒng)控制器常用的寫IO優(yōu)化方法。
對于基于機(jī)械硬盤的存儲系統(tǒng)，如果控制器在一段時間內(nèi)收到多個寫IO而這些寫IO的地址在邏輯上市連續(xù)的，則可以將這些小的IO合并為針對整體連續(xù)地址段的一個大的IO，一次性寫入對應(yīng)的磁盤，節(jié)約了很多SCSI指令周期，提高了效率
由于SSD中的邏輯地址本來就是被雜亂地映射到可能不連續(xù)的物理地址上(這樣并不影響性能)，所以，SSD控制器可以整合任何地址的小塊寫IO成一個大的寫IO而不必在乎小塊寫IO針對的邏輯地址是否連續(xù)
整合之后的大寫IO被直接寫向一個Free的Block中，這樣做大大提高了效率
預(yù)留備用空間
SSD為了防止文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)寫滿的極端情況，SSD自己預(yù)留一部分備用空間用于重定向?qū)?/p>
這部分空間并不通告給操作系統(tǒng)，只有SSD自己知道，文件系統(tǒng)永遠(yuǎn)也寫不滿SSD的全部實際物理空間
硬盤知識：硬盤的種類與作用
關(guān)于機(jī)械硬盤：
機(jī)械硬盤是傳統(tǒng)硬盤，電腦主要的存儲媒介之一。機(jī)械硬盤有不同的顏色，分別有紅盤，綠盤，黑盤，藍(lán)盤，紫盤。
機(jī)械硬盤就作為我們普通電腦里的普通硬盤。內(nèi)部有磁盤，通過磁盤的高速旋轉(zhuǎn)，并用相應(yīng)的磁頭，讀取或存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)永久保存，無限復(fù)寫。 不能受外界沖壓、擠壓或震動，輕拿輕放，攜帶不方便。
關(guān)于固態(tài)硬盤：
由多個閃存芯片加主控以及緩存組成的陣列式存儲，屬于以固態(tài)電子存儲芯片陣列制成的硬盤。防震抗摔性，數(shù)據(jù)存儲速度快，功耗低，噪音小，容量大，使用壽命較長等優(yōu)勢。
固態(tài)硬盤的存儲介質(zhì)分為兩種，一種是來用閃存(FLASH芯片)作為存儲介質(zhì)，另外一種是采用DRAM作為存儲介質(zhì)，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)終端等。
機(jī)械硬盤與固態(tài)硬盤的區(qū)別：
1、工作原理不同：
固態(tài)硬盤是以半導(dǎo)體狀態(tài)做記憶介質(zhì)，機(jī)械硬盤是以磁做記憶介質(zhì)的。
2、讀寫速度差別很大：
由于固態(tài)硬盤是半導(dǎo)體做記憶介質(zhì)的，所以比機(jī)械硬盤的讀寫速度快得很多。
3、安全級別相差很大：
固態(tài)硬盤是以半導(dǎo)體做記憶介質(zhì)的，所以比機(jī)械硬盤抗震動和抗摔，完全性更高。
關(guān)于混合硬盤：
混合硬盤是機(jī)械硬盤與固態(tài)硬盤的結(jié)合體，采用容量較小的閃存顆粒用來存儲常用常用文件，而磁盤才是最重要的存儲介質(zhì)，閃存僅起到了緩沖作用，將更多的常用文件保存到閃存內(nèi)減小尋道時間，從而提升效率。但抗震性能差、單顆閃存顆粒導(dǎo)致擦寫次數(shù)收到了嚴(yán)重制約等。
硬盤如何選擇?固態(tài)硬盤是目前性價比最高的硬盤，因此固態(tài)硬盤受到大多數(shù)企業(yè)的偏愛。根據(jù)自己的需求來選購，注意硬盤的日常使用，避免故障發(fā)生。從而延長硬盤使用壽命。
硬盤使用小技巧：
1.使用環(huán)境要保持整潔。
2.防止碰撞、震動。
3.定期對電腦的硬件進(jìn)行檢查，早早排除故障。
硬盤知識分享
一、介紹
硬盤是我們熟知的電腦配件之一，簡單的說就是一容量存儲器，與主機(jī)通迅速度很快，成為現(xiàn)代電腦不可缺少的配件
由于計算機(jī)在工作CPU，輸入輸出設(shè)備與器之間要大量地交換數(shù)據(jù)，因此存儲器的處理速度和容量，也是影響計算機(jī)整體運(yùn)行速度的主要因素之一。
二、硬盤的分類
固態(tài)硬盤
固態(tài)硬盤也稱作電子硬盤或者固態(tài)電子盤，是由控制單元和固態(tài)存儲單元組成的硬盤。固態(tài)硬盤的介質(zhì)分為兩種，一種是采用閃存作為介質(zhì)，另外一種是采用DRAM作為存儲介質(zhì)，目前絕大多數(shù)固態(tài)硬盤采用的是閃存介質(zhì)。單元負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)，控制單元負(fù)責(zé)讀取、寫入數(shù)據(jù)。由于固態(tài)硬盤沒有普通硬盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，也不存在機(jī)械硬盤的尋道問題，因此系統(tǒng)能夠在低于1ms的時間內(nèi)對任意位置單元完成輸入/輸出操作。
機(jī)械硬盤
機(jī)械硬盤即是傳統(tǒng)普通硬盤，主要由：盤片，磁頭，盤片轉(zhuǎn)軸及控制電機(jī)，磁頭控制器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，接口，緩存等幾個部分組成。磁頭可沿盤片的半徑方向運(yùn)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。
區(qū)別：
1、速度，固態(tài)硬盤傳輸速度能達(dá)到500MB/s，其中讀取速度達(dá)到400-600MB每秒，寫入速度達(dá)到200MB每秒。而傳統(tǒng)硬盤讀取速度極限也無法超越200MB每秒，寫入速度在100MB每秒左右。如果遇到非連續(xù)的散片數(shù)據(jù)，SSD能體現(xiàn)出極快的讀寫速度。而傳統(tǒng)機(jī)械硬盤由于磁頭尋道等原因，傳輸速度偏慢。
2、 安全，固態(tài)硬盤沒有盤片，所以只要其芯片不受到外形擠壓產(chǎn)生形變，數(shù)據(jù)就能獲得安全的保存。而傳統(tǒng)硬盤沒有這一優(yōu)勢，一旦在高速旋轉(zhuǎn)過程中盤片和磁頭碰撞，甚至不合理接觸，都會造成盤片受損，數(shù)據(jù)丟失。
3、 經(jīng)濟(jì)，在同樣容量下，固態(tài)硬盤現(xiàn)階段價格高于傳統(tǒng)機(jī)械硬盤3-5倍，但是隨著摩爾定律的前進(jìn)，固態(tài)硬盤NAND閃存芯片密度會越來越大，則存儲量越來越高，終有一天會取代傳統(tǒng)的次存儲設(shè)備。
硬盤基礎(chǔ)知識大全相關(guān)文章：
硬盤基礎(chǔ)知識大全
上一篇：硬盤使用和選購的知識
下一篇：電腦硬件知識有哪些
