磁盤工作原理

一、硬盤簡介。

硬盤是我們電腦、手機等電子產品上不可或缺的部分。在數據中心的存儲設備，也主要是由一塊一塊的硬盤組成的。硬盤的主要作用是存儲數據，保護數據。而隨著科技的發展，硬盤的讀寫速度、容量等方面也在發生著變化。

二、各硬盤介紹。

現在我們常用的硬盤有機械硬盤、固態硬盤、混合硬盤三種。這三種硬盤各有各的優點與缺點。

1、機械硬盤：機械硬盤是現在最常見最廉價的一種硬盤，它主要有盤片，磁頭，盤片轉軸及控制電機，磁頭控制器，數據轉換器，接口，緩存等幾個部分組成。

①?盤片：硬盤中一般會有多個盤片組成，不同型號的磁盤盤片數量可能不一樣。每個盤片包含兩個面，每個盤面都會對應一個磁頭。一般情況下，盤片的編號自下向上從0開始。數據都會保存在盤片上，而數據的存儲依靠盤片上附著的磁性物質。由于磁分兩級，正好可以表示二進制的0和1。

盤片分為磁道和扇區，如下圖，綠色部分為磁道，藍色部分為扇區。

磁道是盤面中一圈圈綠色同心圓稱為磁道

扇區是從圓心向外畫直線，可以將磁道劃分為若干個弧段，每個磁道上一個弧段被稱之為一個扇區，扇區是磁盤的最小組成單元，通常是512字節。（由于不斷提高磁盤的大小，部分廠商設定每個扇區的大小是4096字節）

②?磁頭：存儲數據時，它可以對硬盤盤片表面上附著的磁性物質的磁極進行改變，讀取數據時，則是通過磁頭去感應磁阻的變化。這里磁頭扮演者極為重要的角色，它也是硬盤里最昂貴的部件。

⑤?盤片轉軸：使盤片進行高速水平轉動，從而使得磁頭可以讀取盤片上的不同扇區的數據。轉速一般為5400rpm/m、7200rpm/m、SCSI、SAS型（服務器）的硬盤一般為10000rpm/m、15000rpm/m。轉速越快，讀/寫數據的速度越快。缺點：轉速越高，噪音越大、功耗越高、使用壽命越低。

⑥?磁頭控制器：使磁頭進行水平圓弧型運動，與磁盤轉軸相結合，可以使磁頭讀取盤片上的任意扇區內的數據。

⑦?緩存：在機械硬盤中，緩存就是為了加速讀/寫速度的。如內存中的數據寫入到硬盤中，由于內存速度比硬盤快的多，這就導致寫入速度太慢，而緩存則大大緩解了這個問題，先將數據寫入緩存區，之后硬盤本身再將數據保存到盤片中，而不占用其他資源。而對于讀取數據，如果一個數據剛剛被讀取過，將臨近它位置的數據保留在緩存區中，讀取時，若命中，則直接從緩存區讀出；若沒有命中，則會再次從盤片上讀取。

2、固態硬盤：固態硬盤的接口規范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤幾近相同，外形和尺寸也基本與普通的 2.5英寸硬盤一致。主要由三部分組成：主控芯片、NAND閃存芯片、固件算法。

①?主控芯片：主控芯片一方面負責合理調配數據在各個閃存芯片上的負荷，另一方面承擔了整個數據中轉，連接閃存芯片和外部接口。除此之外，主控還負責ECC糾錯、耗損平衡、壞塊映射、讀寫緩存、垃圾回收以及加密等一系列的功能。

②?NAND閃存芯片：存儲數據的地方，根據不同顆粒的分類，分為：：SLC（每個存儲單元存儲1bit數據）、MLC（每個存儲單元存儲2bit數據）、TLC（每個存儲單元存儲3bit數據）。SLC成本高，數據與數據之間影響較小，讀寫速度極快，數據出錯的可能性極小，使用壽命較長；而TLC成本低，但是據與數據之間影響較大，讀寫速度慢且極易出錯，使用壽命較短。

③?固件算法：主控使用固件算法中的控制程序，去執行自動信號處理，耗損平衡，錯誤校正碼（ECC），壞塊管理、垃圾回收算法、與主機設備通信，以及執行數據加密等任務。由于固件冗余存儲至NAND閃存中，因此當SSD制造商發布一個更新時，需要手動更新固件來改進和擴大SSD的功能。

3、M.2固態硬盤：M.2接口最主要有以下幾個優點：支持更高的速率，潛力大；相對PCI-Emini?card，節約20%的PCB空間，節省15%的連接器高度，更小巧玲瓏；支持PCI-E3.0，USB3.0和SATA3.0三種當前主流標準，接口更“全能”。

三、接口模式

一般平常家用的計算機都是IDE、SATA、M.2等接口模式；服務器/存儲端使用SCSI、SAS接口模式

① IDE接口模式為電子集成驅動器，出現時間比較早，該模式下硬盤價格低廉、兼容性強、性價比高，但是現在基本沒有IDE接口模式的硬盤了。

② SATA接口模式相對于IDE出現時間較晚，但是數據傳輸時會對數據進行糾錯，可靠性較高，目前主流接口為SATA3接口。

③ M.2接口模式是新型的硬盤接口模式是inter發布的一種新的主機接口方案，可以兼容多種通信協議。同時也有體積小、速度快的優點。

④ SCSI接口模式則完全通過獨立的高速的SCSI卡來控制數據的讀寫操作，CPU就不必浪費時間進行等待，顯然可以提高系統的整體性能。連接7—15個設備，性能更穩定、耐用，可靠性也更好。

⑤ SAS接口模式是將SATA與SCSI兩者相結合，這樣就可以同時發揮兩者的優勢了。在這種情況下SAS應運而生。

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