硬碟

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硬碟
Hdd od srodka.jpg
硬碟內部,可以明顯看到硬碟碟片和磁頭。
研發日期 1956年9月13日
研發者 IBM的Rey Johnson
連接介面

連接至主機板透過:

硬碟英語Hard Disk Drive,簡稱HDD)是電腦上使用堅硬的旋轉碟片為基礎的非揮發性儲存裝置,它在平整的磁性表面儲存和檢索數位資料,訊息透過離磁性表面很近的磁頭,由電磁流來改變極性方式被電磁流寫到磁碟上,訊息可以透過相反的方式讀取,例如讀頭經過紀錄資料的上方時磁場導致線圈中電力訊號的改變。硬碟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碟中的資料[1]。硬碟包括一至數片高速轉動的磁碟以及放在致動器懸臂上的磁頭。

早期的硬碟儲存介質是可替換的,不過今日典型的硬碟採用的是固定的儲存介質,碟片與磁頭被封裝在機身裡(除了一個有過濾的氣孔,用來平衡工作時產生的熱量導致的氣壓差)。

硬碟是由IBM在1956年開始使用[2],在1960年代初成為通用式電腦中主要的輔助存放裝置英語secondary storage,隨著技術的進步,硬碟也成為伺服器個人電腦的主要組件。生產過硬碟的廠商超過二百家,不過大部份的硬碟是由希捷科技東芝威騰電子所生產,2013年全部硬碟的營業額約330億美元,比2012年的378億美元下滑了12%。

介面[編輯]

資料介面[編輯]

硬碟讀取狀態
硬碟內部的碟片在通電後開始高速轉動

硬碟按資料介面不同,大致分為ATAIDE)和SATA以及SCSISAS。介面速度不是實際硬碟資料傳輸的速度,目前非基於快閃記憶體技術的硬碟資料實際傳輸速度一般不會超過300MB/s。

ATA,全稱Advanced Technology Attachment,是用傳統的 40-pin 並列資料線連線主機板與硬碟的,介面速度最大為133MB/s,因為並列線的抗干擾性太差,且排線佔用空間較大,不利電腦內部散熱,已逐漸被 SATA 所取代。

SATA,全稱Serial ATA,也就是使用串列埠的ATA介面,因抗干擾性強,且對資料線的長度要求比ATA低很多,支援熱插拔等功能,SATA-II的介面速度為375MB/s,而新的SATA-III標準可達到750MB/s的傳輸速度。SATA的資料線也比ATA的細得多,有利於機箱內的空氣流通,整理線材也比較方便。

SCSI,全稱是Small Computer System Interface(小型電腦系統介面),經歷多代的發展,從早期的 SCSI-II,到目前的 Ultra320 SCSI 以及 Fiber-Channel (光纖通道),介面型式也多種多樣。SCSI 硬碟廣為工作站級個人電腦以及伺服器所使用,因此會使用較為先進的技術,如碟片轉速15000rpm的高轉速,且資料傳輸時CPU佔用率較低,但是單價也比相同容量的 ATA 及 SATA 硬碟更加昂貴。

SAS(Serial Attached SCSI)是新一代的SCSI技術,和SATA硬碟相同,都是採取序列式技術以獲得更高的傳輸速度,可達到6Gb/s。此外也透過縮小連線線改善系統內部空間等。

此外,由於SAS硬碟可以與SATA硬碟共享同樣的背板,因此在同一個SAS儲存系統中,可以用SATA硬碟來取代部分昂貴的SAS硬碟,節省整體的儲存成本。但SATA儲存系統並不能連線SAS硬碟。

FC(Fibre Channel,光纖通道介面),擁有此介面的硬碟在使用光纖聯接時具有熱插拔性、高速頻寬(4Gb/s或10Gb/s)、遠端連線等特點;內部傳輸速率也比普通硬碟更高。限制於其高昂的售價, 通常用於進階伺服器領域。

電源介面[編輯]

一顆希捷硬碟電源介面處的Molex徽標
電腦內部硬碟電源線,白色的是D形4針電源介面,黑色的是SATA電源線

3.5寸的桌上型電腦硬碟,與ATA配合使用的是「D形4針電源介面」(俗稱「大4pin」),由Molex公司設計並持有專利;而SATA介面也有相應的SATA電源線。

2.5寸的筆記型電腦用硬碟,可直接由資料介面供電,不需要額外的電源介面。在插上外接的可攜式硬碟盒之後,由電腦外部的USB介面提供電力來源,而單個USB介面供電約為4~5V 500mA,若行動硬碟盒用電需求較高,有時需要接上兩個USB介面才能使用,否則,需要外接電源供電。但如今多數新型硬碟盒(使用2.5寸或以下硬碟)已可方便地使用單個USB口供電。

結構[編輯]

磁軌(Track)
柱面(Cylinder)
磁區(Sector)
磁頭(Heads)
碟片(Platters)
每個碟片都有兩面,因此也會相對應每碟片有2個磁頭。
A:磁軌
B:扇面
C:磁區
D:叢集(磁區組)
在硬碟上定位某一資料記錄位置—C磁區,使用了三維定位。

物理結構[編輯]

硬碟的物理結構一般由磁頭與碟片、馬達、主控晶片與排線等零件組成;當主馬達帶動碟片旋轉時,副馬達帶動一組磁頭到相對應碟片上,畫出一個與碟片同心的圓形軌道(磁軌),確定讀取正面還是反面的碟面(柱面),這時由磁頭的磁感線圈感應碟面上的磁性與使用硬碟廠商指定的讀取時間或資料間隔定位磁區,從而得到該磁區的資料內容;

  • 磁軌

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軌(Track)。

  • 柱面

在有多個碟片構成的盤組中,由不同碟片的面,但處於同一半徑圓的多個磁軌組成的一個圓柱面(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,叫做開機磁區

避免故障[編輯]

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。

邏輯結構[編輯]

作業系統對硬碟進行讀寫時需要用到檔案系統把硬碟的磁區組合成叢集,並建立檔案和樹狀目錄制度,使作業系統對其存取和尋找變得容易,這是因為作業系統直接對數目眾多的磁區進行定址會十分麻煩。

MBR和GPT[編輯]

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,[3]

全域唯一標識分區表GUID Partition Table,縮寫:GPT)是一個實體硬碟分割表的結構布局的標準。它是可延伸韌體介面EFI)標準(被Intel用於替代個人電腦的BIOS)的一部分。GPT分配64bits給邏輯塊位址,因而使得最大分割大小在264-1個磁區成為了可能。對於每個磁區大小為512位元組的磁碟,那意味著可以有9.4ZB(9.4 x 1021位元組)[3][4] 或8 ZiB-512位元組(9,444,732,965,739,290,426,880位元組 或 18,446,744,073,709,551,615(264-1)個磁區 x 512(29)位元組每磁區)。

尺寸[編輯]

帶一個小提手的筆記型電腦用SATA介面2.5英寸東芝硬碟

硬碟機的尺寸和用途可分為:

5.25英寸硬碟與3.5英寸硬碟的尺寸比較

主要參數[編輯]

除了介面和尺寸以外,硬碟還有以下參數:

容量 目前硬碟的容量有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等多種規格,但計算誤差,詳見檔案大小轉換
轉速 硬碟每分鐘旋轉的圈數,單位是rpm(每分鐘的轉動數),有4200rpm、5400rpm、5900rpm、7200rpm、10000rpm、15000rpm等幾種規格。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。
快取 主要有2MB、8MB、16MB、32MB、64MB等規格。
平均搜尋時間 單位是ms(毫秒),有5.2ms、8.5ms、8.9ms、12ms等規格。
內部傳輸速度 包括磁頭把資料從碟片讀入快取的速度,以及磁頭把資料從快取寫入碟片的速度。可用來評價硬碟的讀寫速度和整體效能[5]

一般固態硬碟的輸入電壓在5V左右,偏差5%以內。一般功耗較低,2.5W左右,電流500mA,這樣即使usb2.0介面也能採用。

發展史[編輯]

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晶片組,昆騰Intel攜手發布UDMA 33介面——EIDE標准將原來介面資料傳輸率從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 威騰電子以43億美元的價格,收購日立環球儲存科技[6]
2011年4月 希捷宣佈與三星強化策略夥伴關係。[7]
2011年12月 希捷宣布收購了三星旗下的硬碟業務[8]

硬碟製造商[編輯]

電腦配件圖中7是硬碟安裝位置

註釋[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 硬碟單位成本不斷降低,磁帶系統還有未來嗎?
  2. ^ IBM Archives: IBM 350 disk storage unit. [2012-10-19]. 
  3. ^ 3.0 3.1 FAQ: Drive Partition Limits (pdf). UEFI Forum. [2010-06-09]. 
  4. ^ 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," 
  5. ^ 硬盤:內部數據傳輸率. 中關村線上. 
  6. ^ Western Digital 砸43億美元收購 Hitachi GST
  7. ^ 希捷宣佈與三星強化策略夥伴關係
  8. ^ 希捷宣布完成收購三星硬盤業務. 新浪科技. [2013-02-14]. 

外部連結[編輯]

硬碟製造商[編輯]

參見[編輯]