2.4 硬 盘
2.4 硬 盘
硬盘的全称叫做硬盘驱动器，用于存放系统软件、应用程序及用户的各种数据。1956年，IBM公司制造出世界上第一块硬盘350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control），它容量为5MB、盘片直径为24in、盘片数为50片、重量上百公斤。不过随着技术的进步，现在硬盘已经大大发展了。硬盘容量已经从几MB发展为如今的几十GB上百GB。但是，硬盘经历了这么长的发展时间，可它的核心技术和其他计算机配件相比并没有得到更多的更新。现在的硬盘还仍然延续着早在1973年就由IBM公司推出的Winchester硬盘规格，这种硬盘的工作原理是通过磁头悬浮在的盘片上方，然后通过盘片的高速旋转来进行数据的读写。硬盘内部结构如图2-15所示。
图2-15 Winchester规格硬盘的内部结构
2.4.1 硬盘的性能参数
1．硬盘的转速
硬盘的转速也就是硬盘电机主轴的转速，转速是决定硬盘内部传输率的关键因素之一，它的快慢在很大程度上影响了硬盘的速度。同时转速的快慢也是区分硬盘档次的重要标志之一。硬盘的主轴马达带动盘片高速旋转，产生浮力使磁头飘浮在盘片上方。要将所要存取资料的扇区带到磁头下方，转速越快，等待时间也就越短。因此转速在很大程度上决定了硬盘的速度。目前市场上常见的硬盘转速一般有5400rpm、7200rpm、甚至10000rpm。理论上，转速越快越好。因为较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间。可是转速越快发热量越大，不利于散热。现在的主流硬盘转速一般为7200rpm。
随着硬盘容量的不断增大，硬盘的转速也在不断提高。然而，转速的提高也带来了磨损加剧、温度升高、噪声增大等一系列负面影响。于是，应用在精密机械工业上的液态轴承马达（Fluid dynamic bearing motors）便被引入到硬盘技术中。液态轴承马达使用的是黏膜液油轴承，以油膜代替滚珠。这样可以避免金属面的直接磨擦，将噪声及温度减至最低；同时油膜可有效吸收震动，使抗震能力得到提高；更可减少磨损，提高寿命。
2．平均寻道时间
平均寻道时间指硬盘在盘面上移动读写头至指定磁道寻找相应目标数据所用的时间，它描述硬盘读取数据的能力，单位为毫秒（ms）。当单碟片容量增大时，磁头的寻道动作和移动距离减少，从而使平均寻道时间减少，加快硬盘速度。
3．平均潜伏时间
平均潜伏时间指当磁头移动到数据所在的磁道后，然后等待所要的数据块继续转动到磁头下的时间，一般在2ms～6ms之间。
4．平均访问时间
平均访问时间指磁头找到指定数据的平均时间，通常是平均寻道时间和平均潜伏时间之和。平均访问时间最能够代表硬盘找到某一数据所用的时间，越短的平均访问时间越好，一般在11ms～18ms之间。
注意：现在不少硬盘广告之中所说的平均访问时间大部分都是用平均寻道时间所代替的。
5．突发数据传输率
突发数据传输率指的是计算机通过数据总线从硬盘内部缓存区中所读取数据的最高速率，也叫外部数据传输率。目前ATA133硬盘的突发数据传输率也超过了100MB/s。
6．最大内部数据传输率
最大内部数据传输率指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率，一般取决于硬盘的盘片转速和盘片数据线密度（指同一磁道上的数据间隔度）。也叫持续数据传输率（sustained transfer rate）。一般采用UDMA/66技术的硬盘的内部传输率也不过25MB/s~30MB/s，只有极少数产品超过30MB/s。
注意：由于内部数据传输率才是系统真正的瓶颈，因此大家在购买时要分清这两个概念。不过一般来讲，硬盘的转速相同时，单碟容量大的内部传输率高；在单碟容量相同时，转速高的硬盘的内部传输率高。
7．自动检测分析及报告技术
自动检测分析及报告技术（Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology，简称S.M.A.R.T），现在出厂的硬盘基本上都支持S.M.A.R.T技术。这种技术可以对硬盘的磁头单元、盘片电机驱动系统、硬盘内部电路以及盘片表面媒介材料等进行监测，当S.M.A.R.T监测并分析出硬盘可能出现问题时会及时向用户报警以避免计算机数据受到损失。
S.M.A.R.T技术必须在主板支持的前提下才能发生作用，而且S.M.A.R.T技术也不能保证能预报出所有可能发生的硬盘故障。
8．磁阻磁头技术MR
MR（Magneto Resistive）即磁阻磁头的简称（如图2-16所示）。MR技术可以以更高的实际记录密度、记录数据，从而增加硬盘容量，提高数据吞吐率。磁阻磁头的工作原理是基于磁阻效应来工作的，其核心是一小片金属材料，其电阻随磁场变化而变化，虽然其变化率不足2%，但因为磁阻元件连着一个非常灵敏的放大器，所以可测出该微小的电阻变化。MR技术可使硬盘容量提高40%以上。GMR（Giant Magneto Resistive）巨磁阻磁头与MR磁头一样，是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据，但是GMR磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，比MR磁头更为敏感，相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化，从而可以实现更高的存储密度，现有的MR磁头能够达到的盘片密度为3Gbit/in2～5Gbit/in2（千兆位每平方英寸），而GMR磁头可以达到10Gbit/in2～40Gbit/in2以上。目前GMR磁头已经处于成熟推广期，在今后的数年中，它将会逐步取代MR磁头，成为最流行的磁头技术。
图2-16 硬盘的磁头及传动臂
9．缓存
缓存是硬盘与外部总线交换数据的场所。硬盘的读数据的过程是将磁信号转化为电信号后，通过缓存一次次地填充与清空，再填充，再清空，一步步按照PCI总线的周期送出，可见，缓存的作用是相当重要的。在接口技术已经发展到一个相对成熟的阶段的时候，缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素。目前主流硬盘的缓存主要是2MB，而SCSI硬盘达到了8MB。其类型目前以SDRAM为主。根据写入方式的不同，有写通式和回写式两种。写通式在读硬盘数据时，系统先检查请求指令，看看所要的数据是否在缓存中，如果在的话就由缓存送出响应的数据，这个过程称为命中。这样系统就不必访问硬盘中的数据。由于SDRAM的速度比磁介质快很多，因此也就加快了数据传输的速度。回写式就是在写入硬盘数据时也在缓存中找，如果找到就由缓存就数据写入盘中，现在的多数硬盘都是采用的回写式硬盘，这样就大大提高了性能。
10．连续无故障时间
连续无故障时间指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间。一般硬盘的MTBF至少在30000小时或40000小时。
11．部分响应完全匹配技术PRML
PRML技术能使盘片存储更多的信息，同时可以有效地提高数据的读取和数据传输率，是当前应用于硬盘数据读取通道中的先进技术之一。PRML技术是将硬盘数据读取电路分成两段“操作流水线”。流水线第一段将磁头读取的信号进行数字化处理然后只选取部分“标准”信号移交第二段继续处理；第二段将所接收的信号与PRML芯片预置信号模型进行对比，然后选取差异最小的信号进行组合后输出以完成数据的读取过程。PRML技术可以降低硬盘读取数据的错误率，因此可以进一步提高磁盘数据密集度。
12．单磁道时间
单磁道时间指磁头从一磁道转移至另一磁道所用的时间。
13．超级数字信号处理器（Ultra DSP）技术
应用Ultra DSP进行数学运算，其速度较一般CPU快10～50倍。采用Ultra DSP技术，单个的DSP芯片可以同时提供处理器及驱动接口的双重功能，以减少其他电子元件的使用，可大幅度地提高硬盘的速度和可靠性。接口技术可以极大地提高硬盘的最大外部传输率，最大的益处在于可以把数据从硬盘直接传输到主内存而不占用更多的CPU资源，提高系统性能。
14．硬盘表面温度
硬盘表面温度指硬盘工作时产生的温度使硬盘密封壳温度上升情况。硬盘工作时产生的温度过高将影响薄膜式磁头（包括MR磁头）的数据读取灵敏度，因此硬盘工作表面温度较低的硬盘有更好的数据读、写稳定性。
15．全程访问时间
全程访问时间指磁头开始移动直到最后找到所需要的数据块所用的全部时间。
16．接口技术
接口技术可极大地提高硬盘的最大外部数据传输率，现在普遍使用的Ultra ATA/100/133接口已大幅提高了E-IDE接口的性能，所谓UltraDMA66是指一种由Intel及Quantum公司设计的同步DMA协议。使用该技术的硬盘并配合相应的芯片组，最大传输速度可以由16MB/s提高到66MB/s。它的最大优点在于把CPU从大量的数据传输中解放出来了，可以把数据从HDD直接传输到主存而不占用更多的CPU资源，从而在一定程度上提高了整个系统的性能。由于采用ULTRAATA技术的硬盘整体性能比普通硬盘可提高20%～60%，所以已成为目前E-IDE硬盘事实上的标准。
17．控制电路
硬盘的控制电路位于硬盘背面，将硬盘背面的外壳拆下来，就可以看到硬盘的控制电路板。在电路板上可以看到很多贴片式焊接的芯片，包括有数据交换芯片、缓存、数位交换芯片等（如图2-17所示）。
图2-17 硬盘的控制电路
2.4.2 硬盘厂商介绍
1．迈拓
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图2-18 Atlas 15K II硬盘
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爆炸性增长的企业级运算和互联网应用，要求有容量更大、速度更快的服务器、工作站和存储子系统。为了顺应这个增长，Maxtor推出了SCSI产品系列，为用户提供必要的容量、领先的性能和稳固的可靠性，从而取得更大的竞争优势。Atlas 15K就是迈拓的SCSI产品的代表（如图2-18所示）。
这款硬盘采用了Maxtor自主开发的第二代Ultra 320 SCSI接口，以及Maxtor独家拥有的MaXAdapt（“AAF”自适应主动过滤）智能技术。在技术规格上来看，Atlas 15K II硬盘拥有单碟36.7GB的存储密度，拥有36GB、73GB与147GB的容量以及15000 RPM的硬盘转速。Atlas 15K II硬盘可以提供每秒98MB的持续数据传输率以及快至3.0ms的寻道时间，与上一代Atlas 15K硬盘相比，持续数据传输率提高了31%，寻道时间则快了7%。
2．希捷
当希捷公司于1979年成立的时候，它是首家专为台式计算机制造5.25in硬盘的公司。尽管当时的希捷看上去不过是跨了一小步，但事实上希捷硬盘的出现推动了整个PC界的变革，人们能够以前所未有的方式快速方便地存取数据，获得大量的信息，最终推动诸如互联网等多种事物的发展。以至到今天计算机和数字信息已成为我们日常生活的一部分。24年来，希捷不断开发技术和制造产品，让这一切都变为现实。
下面向读者介绍一款希捷的500GB硬盘，产品外观如图2-19所示。它的最大的特点在于单碟容量提升为了160GB，这款产品采用了四片碟片的设计。希捷使用了新一代的控制芯片，并将缓存与主控芯片整合为一体，芯片内部整合有16MB的数据缓存。
图2-19 希捷500GB硬盘
3．西部数据
西部数据（Western Digital Corp）作为全球著名的硬盘厂商，一直以来都是存储器业内的先驱及长期领导者，为用户及收集、管理与使用数字信息的组织提供存储器产品与相关服务。在产品方面，西部数据公司分别向低、中及高端用户提供相应的解决方案；它们面向桌面用户提供有5400RPM及7200RPM的Caviar系列，面向中端应用提供有7200RPM的Expert系列产品，而对高端硬盘市场则有SCSI接口的Enterprise系列产品。下面向读者推荐一款西部数据的主流产品WD5000KS（外观如图2-20所示）。
WD5000KS转速依然为7200RPM，采用4碟设计，具有300MB/s（3.0Gbps）传输率和16MB缓存，并支持NCQ原生队列指令，平均寻道时间为8.9ms，采用“WhisperDrive”静音技术，能将工作噪音控制在28dB～33dB（分贝）以内。
图2-20 WD5000KS硬盘