硬盘

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硬盘
Hdd od srodka.jpg
硬盘内部,可以明显看到硬盘盘片和磁头。
研發日期 1956年9月4日[1]
研發者 IBM的Rey Johnson
連接介面

連接至主機板透過:

硬盘英语Hard Disk Drive,简称HDD)是电脑上使用坚硬的旋转盘片为基础的非挥发性存储设备,它在平整的磁性表面存储和检索数字数据,信息通过离磁性表面很近的磁头,由电磁流来改变极性方式被电磁流写到磁盘上,信息可以通过相反的方式读取,例如读头经过紀錄資料的上方時磁场导致线圈中电气訊號的改变。硬盘的讀寫是採用隨機存取的方式,因此可以以任意順序讀取硬盘中的資料[2]。硬盘包括一至數片高速轉動的磁盘以及放在执行器懸臂上的磁头。

早期的硬盘儲存介质是可替换的,不过今日典型的硬盘采用的是固定的儲存介质,碟片与磁头被封装在机身裡(除了一個有过滤的气孔,用来平衡工作时产生的热量导致的气压差)。

硬盘是由IBM在1956年開始使用[3],在1960年代初成為通用式電腦中主要的輔助存放裝置英语secondary storage,隨著技術的進步,硬盘也成為服务器個人電腦的主要組件。生產過硬盘的廠商超過二百家,不過大部份的硬盘是由希捷科技东芝威騰電子所生產,2013年全部硬盘的營業額約330億美元,比2012年的378億美元下滑了12%。

接口[编辑]

数据接口[编辑]

硬盘读取状态
硬盘內部的碟片在通电后开始高速转动

硬盘按数据接口不同,大致分为ATAIDE)和SATA以及SCSISAS。接口速度不是实际硬盘数据传输的速度,目前非基于闪存技术的硬盘数据实际传输速度一般不會超過300MB/s。

ATA,全称Advanced Technology Attachment,是用传统的 40-pin 并口数据线连接主板与硬盘的,接口速度最大为133MB/s,因为并口线的抗干扰性太差,且排线占用空间较大,不利电脑内部散热,已逐渐被 SATA 所取代。

SATA,全称Serial ATA,也就是使用串口的ATA接口,因抗干扰性强,且对数据线的长度要求比ATA低很多,支持热插拔等功能,SATA-II的接口速度為375MB/s,而新的SATA-III标准可达到750MB/s的传输速度。SATA的数据线也比ATA的细得多,有利于机箱內的空气流通,整理线材也比较方便。

SCSI,全称是Small Computer System Interface(小型机系统接口),经历多代的发展,从早期的 SCSI-II,到目前的 Ultra320 SCSI 以及 Fiber-Channel (光纤通道),接口型式也多种多样。SCSI 硬盘广为工作站级個人电脑以及服务器所使用,因此会使用较为先进的技術,如碟片转速15000rpm的高转速,且资料传输时CPU占用率较低,但是单价也比相同容量的 ATA 及 SATA 硬盘更加昂贵。

SAS(Serial Attached SCSI)是新一代的SCSI技术,和SATA硬盘相同,都是采取序列式技术以获得更高的传输速度,可达到6Gb/s。此外也透过缩小连接线改善系统内部空间等。

此外,由于SAS硬盘可以与SATA硬盘共享同样的背板,因此在同一个SAS存储系统中,可以用SATA硬盘来取代部分昂贵的SAS硬盘,节省整体的存储成本。但SATA存储系統并不能连接SAS硬盘。

FC(Fibre Channel,光纤通道接口),拥有此接口的硬盘在使用光纤联接时具有热插拔性、高速带宽(4Gb/s或10Gb/s)、远程连接等特点;内部传输速率也比普通硬盘更高。限制于其高昂的售价, 通常用于高端服务器领域。

电源接口[编辑]

一顆希捷硬盘电源接口处的Molex徽标
電腦内部硬盘电源线,白色的是D形4针电源接口,黑色的是SATA電源線

3.5寸的台式机硬盘,與ATA配合使用的是「D形4针电源接口」(俗稱「大4pin」),由Molex公司设计并持有专利;而SATA接口也有相應的SATA電源線。

2.5寸的笔记本电脑用硬盘,可直接由数据口供电,不需要额外的电源接口。在插上外接的便携式硬盘盒之后,由计算机外部的USB接口提供电力来源,而单个USB接口供电約为4~5V 500mA,若移动硬盘盒用电需求较高,有时需要接上两个USB接口才能使用,否则,需要外接电源供电。但如今多数新型硬盘盒(使用2.5寸或以下硬盘)已可方便地使用单个USB口供电。

结构[编辑]

磁道(Track)
柱面(Cylinder)
扇区(Sector)
磁头(Heads)
盘片(Platters)
每个碟片都有两面,因此也会相对应每碟片有2个磁头。
A:磁道
B:扇面
C:扇区
D:(扇区组)
在硬盘上定位某一数据记录位置—C扇区,使用了三维定位。

物理结构[编辑]

硬盘的物理结构一般由磁头与碟片、电动机、主控芯片与排线等部件组成;当主电动机带动碟片旋转时,副电动机带动一组(磁头)到相对应的碟片上并确定读取正面还是反面的碟面,磁头悬浮在碟面上画出一个与碟片同心的圆形轨道(磁轨或称柱面),这时由磁头的磁感线圈感应碟面上的磁性与使用硬盘厂商指定的读取时间或数据间隔定位扇区,从而得到该扇区的数据内容;

  • 磁軌/柱面

當磁盤旋轉時,磁頭若保持在一個位置上,則每個磁頭都會在磁盤表面劃出一個圓形軌跡,這些圓形軌跡就叫做磁道(Track)。

  • 磁头

在有多个盘片构成的盘组中,由不同盘片的面,但处于同一半径圆的多个磁道组成的一个圆柱面(Cylinder)。

  • 磁區

磁盤上的每個磁軌被等分為若干個弧段,這些弧段便是硬碟的磁區(Sector)。硬碟的第一個磁區,叫做引导扇区

避免故障[编辑]

硬碟碟片轉速極快,與碟片的距離極小;因此硬碟內部是無塵狀態,硬碟有過濾器過濾進入硬碟的空氣(最新的技術是把硬碟密封、內部充,以降低能耗及廢熱,提高容量;但只有少數高階硬碟使用此技術)。為了避免磁頭碰撞碟片,廠商設計出各種保護方法;目前硬碟對於地震有很好的防護力(1990年代的一些硬碟,若在使用中碰到略大的地震,就很可能損壞),防摔能力也大幅進步,電源關閉及遇到較大震動時磁頭會立刻移到安全區(近期的硬碟也開始防範突然斷電的情況);而許多筆記型電腦廠商也開發出各種筆電結構來加強硬碟的防摔性。但硬碟在通電時耐摔度會降低、也只能溫和的移動,許多人也已經養成在關閉硬碟後30秒至一分鐘內、不會移動硬碟(及筆電)的習慣。

逻辑结构[编辑]

操作系统对硬盘进行读写时需要用到文件系统把硬盘的扇区组合成,并建立文件和树形目录制度,使操作系统对其存取和查找变得容易,这是因为操作系统直接对数目众多的扇区进行寻址会十分麻烦。

MBR和GPT[编辑]

主開機紀錄(Master Boot Record,縮寫:MBR),又叫做主引導磁區,是電腦開機後存取硬碟時所必須要讀取的首個磁區,主引導磁區記錄著硬碟本身的相關訊息以及硬碟各個分割的大小及位置訊息,是資料訊息的重要入口。如果它受到破壞,硬碟上的基本資料結構訊息將會遺失,需要用繁瑣的方式試探性的重建資料結構訊息後才可能重新存取原先的資料,對於那些磁區為512位元組的磁碟,MBR分割表不支援容量大於2.2TB(2.2 × 1012位元組)的分割,[4]

全局唯一標識分區表GUID Partition Table,缩写:GPT)是一个實體硬盘分区表的结构布局的标准。它是可扩展固件接口EFI)标准(被Intel用于替代个人计算机的BIOS)的一部分。GPT分配64bits给逻辑块地址,因而使得最大分区大小在264-1个扇区成为了可能。对于每个扇区大小为512字节的磁盘,那意味着可以有9.4ZB(9.4 x 1021字节)[4][5] 或8 ZiB-512字节(9,444,732,965,739,290,426,880字节 或 18,446,744,073,709,551,615(264-1)个扇区 x 512(29)字节每扇区)。

尺寸[编辑]

带一个小提手的筆記型電腦用SATA接口2.5英寸东芝硬碟

硬碟機的尺寸和用途可分為:

5.25英寸硬盘与3.5英寸硬盘的尺寸比较

主要参数[编辑]

除了接口和尺寸以外,硬盘还有以下参数:

容量 目前硬盘的容量有36GB、40GB、45GB、60GB、75GB、80GB、120GB、150GB、160GB、200GB、250GB、300GB、320GB、400GB、500GB、640GB、750GB、1TB、1.5TB、2TB、2.5TB、3TB、4TB等多种规格,但計算誤差,詳見檔案大小轉換
转速 硬盘每分钟旋转的圈数,单位是rpm(每分鐘的轉動數),有4200rpm、5400rpm、5900rpm、7200rpm、10000rpm、15000rpm等几种规格。轉速愈高通常資料傳輸速率愈好,但同時噪音、耗電量和發熱量也較高。
缓存 主要有2MB、8MB、16MB、32MB、64MB等规格。
平均寻道时间 单位是ms(毫秒),有5.2ms、8.5ms、8.9ms、12ms等规格。
内部传输速度 包括磁头把数据从盘片读入缓存的速度,以及磁头把数据从缓存写入盘片的速度。可用来评价硬盘的读写速度和整体性能[6]

一般固态硬盘的输入电压在5V左右,偏差5%以内。一般功耗较低,2.5W左右,电流500mA,这样即使usb2.0接口也能采用。

發展史[编辑]

時間 發展內容
1956年 IBM的IBM 305 RAMAC是現代硬碟的雛形,它相當於兩個冰箱的體積,不過其儲存容量只有5MB。1973年IBM 3340問世,它擁有「溫徹斯特」這個綽號,來源於它的兩個30MB儲存單元,恰好是當時出名的「溫徹斯特來福槍」的口徑和填彈量。至此,硬碟的基本架構被確立。
1980年 兩位前IBM員工創立的公司開發出5.25英寸規格的5MB硬碟,這是首款面向桌上型電腦的產品,而該公司正是希捷公司(Seagate)公司。
1980年代末 IBM推出MR(Magneto Resistive磁阻)技術令磁頭靈敏度大大提升,使盤片的儲存密度較之前的20Mbpsi(bit/每平方英寸)提高了數十倍,該技術為硬碟容量的巨大提升奠定了基礎。1991年,IBM應用該技術推出了首款3.5英寸的1GB硬碟。
1970年到1991年 硬碟碟片的儲存密度以每年25%~30%的速度增長;從1991年開始增長到60%~80%;至今,速度提升到100%甚至是200%。從1997年開始的驚人速度提升得益於IBM的GMR(Giant Magneto Resistive,巨磁阻)技術,它使磁頭靈敏度進一步提升,進而提高了儲存密度。
1993年 康諾(Conner Peripherals)推出了CP30344硬碟容量是340MB。
1995年 為了配合Intel的LX芯片組,昆騰Intel攜手發布UDMA 33接口——EIDE標准將原來接口數據傳輸率從16.6MB/s提升到了33MB/s 同年,希捷開發出液態軸承(FDB,Fluid Dynamic Bearing)馬達。所謂的FDB就是指將陀螺儀上的技術引進到硬碟生產中,用厚度相當於頭髮直徑十分之一的油膜取代金屬軸承,減輕了硬碟噪音與發熱量。
1996年 希捷收購康諾(Conner Peripherals)。
1998年2月 UDMA 66規格面世。
2000年10月 邁拓(Maxtor)收購昆騰
2003年1月 日立宣佈完成20.5億美元的收購IBM硬碟事業部計畫,並成立日立環球儲存科技公司(Hitachi Global Storage Technologies, Hitachi GST)。
2005年 日立環儲和希捷都宣佈了將開始大量採用磁盤垂直寫入技術(perpendicular recording),該原理是將平行於盤片的磁場方向改變為垂直(90度),更充分地利用的儲存空間。
2005年12月21日 希捷宣佈收購邁拓(Maxtor)。
2007年1月 日立環球儲存科技宣佈將會發售全球首隻1Terabyte的硬碟,比原先的預定時間遲了一年多。硬碟的售價為399美元,平均每美分可以購得27.5MB硬碟空間。
2011年3月 西部数据以43億美元的價格,收購日立環球儲存科技[7]
2011年4月 希捷宣佈與三星強化策略夥伴關係。[8]
2011年12月 希捷宣布收购了三星旗下的硬盘业务[9]

硬盘制造商[编辑]

電腦配件圖中7是硬碟安裝位置

註釋[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ IBM 350 disk storage unit
  2. ^ 硬碟單位成本不斷降低,磁帶系統還有未來嗎?
  3. ^ IBM Archives: IBM 350 disk storage unit. [2012-10-19]. 
  4. ^ 4.0 4.1 FAQ: Drive Partition Limits (pdf). UEFI Forum. [2010-06-09]. 
  5. ^ Bill Boswell. FAQ: Drive Partition Limits. Redmondmag.com. 2002-07-01 [2010-06-09]. "GPT disks also support very large partitions thanks to a 64-bit Logical Block Address scheme. A logical block corresponds to one sector, or 512 bytes, yielding a maximum theoretical capacity of eight zettabytes," 
  6. ^ 硬盘:内部数据传输率. 中关村在线. 
  7. ^ Western Digital 砸43億美元收購 Hitachi GST
  8. ^ 希捷宣佈與三星強化策略夥伴關係
  9. ^ 希捷宣布完成收购三星硬盘业务. 新浪科技. [2013-02-14]. 

外部連結[编辑]

硬碟製造商[编辑]

参见[编辑]