硬盘简介

一．硬盘及组成

1．硬盘简介

硬盘的英文是Hard Disk，直译成中文就是“硬的盘子”。硬盘是计算机的外部存储器之一，使用磁介质来存储数据，所以又称之为“磁盘”。当然，盘基是由硬金属制成的，与尼龙盘基的软盘相对，叫做“硬盘”。硬盘是计算机最重要的外部存储设备，包括操作系统在内的各种软件、程序、数据都需要保存到硬盘上。

1956年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control），其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域，从而成功地实现了随机存储。这套系统的总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘。这些盘片表面涂有一层磁性物质，它们被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。IBM 350 RAMAC的出现使得航空售票、银行自动化、医疗诊断和航空航天等领域引入计算机成为了可能。1973年，IBM又发明了Winchester（温氏）硬盘，其特点是工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，这便是现代硬盘的原型。目前我们依旧使用这一架构。

2．硬盘组成

一般来说，无论哪种硬盘，都是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部分组成的。所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。而所有盘片之间的绝对平行的。在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小。所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向动作，而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读/写操作。

3．硬盘外部结构

目前市场上常见的硬盘外形大同小异，在没有元器件的一面贴有产品标签，俗称硬盘的正面，标签上是一些与硬盘相关的内容，上面标有硬盘的生产厂家、转速、容量、工作电压等信息。另外一面从外观上看，具有金属外壳，裸露着控制芯片、电阻等电子元件的一面称为背面，这些电子元件裸露在外面而不包裹在金属匣子里面的原因在于这样更有利于散热，散热对硬盘的稳定运行非常重要。在硬盘的一端有电源插座、硬盘主/从状态设置跳线器和数据线连接插座。

（1）接口

接口包括电源插口和数据接口两部分。电源插口与主机电源相连，为硬盘工作提供保证。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换的纽带，根据连线方式的差异，分为IDE接口、SCSI接口、SATA接口等。

（2）控制电路板

控制电路板大多采用贴片式元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读/写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块高效的单片机ROM芯片，其固化的软件可以进行硬盘的初始化，执行加电、启动主轴电机、加电初始寻道、定位及故障检测等，在电路板上还安装有容量不等的高速缓存芯片。

（3）固定盖板

固定盖板就是硬盘的面板，标注着产品的型号、产地、设置数据等，和底板结合成一个密封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行。固定盖板和盘体侧面还设有安装孔，以方便安装。

4．硬盘的内部结构

硬盘的内部结构主要由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口及附件等几大部分组成。盘头组件（Hard Disk Assembly，HAD）是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴驱动机构、前置读/写控制电路等。

（1）浮动磁头组件

浮动磁头组件由读/写磁头、传动杆和传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术中最重要和最关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式结构，加电后在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有0.1~0.3um，可以获得极高的数据传输率。现在转速为5400r/min的硬盘飞高间隙都低于0.3um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性。

（2）磁头驱动机构

磁头驱动机构由音圈电机和磁头驱动小车组成。新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。磁头机构的电机有步进电机、力矩电机和音圈电机三种，前两种应用在低容量磁盘中，现已淘汰，大容量磁盘多采用音圈电机驱动。音圈是中间插有与磁头相连的磁棒的线圈，当电流通过线圈时，磁棒就会发生位移，进而驱动装载磁头的小车，并根据控制器在盘面上磁头位置的信息编码来得到磁头移动的距离，达到准确定位的目的。音圈电机是密封型的控制系统，能够自动调整，速度比早期的驱动电机快，而且安全系数高。

（3）盘片和主轴组件

盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属薄膜磁盘，与软盘的不连续颗粒载体相比，这种金属薄膜具有更高的记录密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。主轴组件包括主轴部件（如轴瓦）和驱动电机等。随着磁盘容量的扩大，主轴电机的速度也不断提升，导致了传统滚珠轴承电机磨损加剧、温度升高、噪声增大的弊病，对速度的提高带来了负面影响，因而生产厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术。液态轴承电机使用黏膜液态轴承，以油膜代替滚珠可以避免金属面的直接摩擦，使噪声和温度减小到最低。而油膜具有有效吸收震动的能力，可以提高主轴的抗震能力。从理论上讲，液态轴承电机无磨损，寿命无限长，是目前超高速硬盘的发展趋势。

（4）前置控制电路

前置控制电路用于控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等。由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高操作指定的准确性。

 

二．硬盘的性能指标

硬盘的技术性能指标是衡量一个硬盘性能好与坏的关键，也极大地影响着计算机的整体性能。

1．转速

转速是指硬盘碟片转动的速度，其单位为r/min（转/分钟），这个参数当然是越大越好。目前市场上的主流IDE硬盘转速有7200r/min和5400r/min两种，转速对于硬盘的传输速率有着非常重要的影响，转速越高，传输速率就越快。7200r/min的硬盘已经逐步代替5400r/min硬盘，但是在一些低端市场里，5400r/min硬盘仍以其高性价比占据着主要的位置。10000r/min的硬盘市场上也有了，相信它的出现将会给硬盘的发展带来极大的推动作用。

2．平均寻道时间

平均寻道时间是指硬盘磁头移动到数据所在磁道时所用的时间，单位为毫秒（ms）。注意它与平均访问时间的差别，平均寻道时间的值越小越好。现在的硬盘完成数据搜索的时间只需要11ms，所以在购买硬盘时一般应该选择平均寻道时间低于9ms的产品。

3．反应时间

反应时间就是硬盘完成第一次转轮旋转的时间，它是反映非曲直硬盘转速最直接的一个性能指标。5400r/min的硬盘拥有的是5.55ms的反应时间，而7200r/min的硬盘反应时间可以达到4.17ms。如果一个硬盘达到120周/s的速度，则旋转1周的时间将是1/120s，即0.008 333s。如果硬盘转一周需0.004 166 5s，我们也可以称这块硬盘的反应时间是4.17ms。

4．平均潜伏期

平均潜伏期是指当磁头移动到数据所在的磁道后，等待所要的数据继续转动（羊圈或多些、少些）到磁头下的时间，单位为ms。平均潜伏期越小越好，潜伏期小代表硬盘的读取数据的等待时间短，磁盘数据传输率也就更高。

5．最大内部数据传输率

最大内部数据传输率也叫持续数据传输率（Sustained Transfer Rate），它是指磁头到磁盘缓存间的最大数据传输率，单位为Mb/s，即兆位/秒的意思（注意与MB/s之间的差别：MB/s=MB/s/8）。例如：WD36400硬盘给出的最大内部数据传输率为131MB/s，但是如果按MB/s计算就只有131/8=16.37MB/s。最大内部数据传输率一般取决于硬盘片转速和盘片数据线密度（指同一磁道上的数据间隔度）。

6．外部数据传输率

外部数据传输率是指从硬盘缓冲区读取数据的速率，常以数据接口速率代替，单位为MB/s。目前主流硬盘普遍采用的是UDMA/66,它们的最大外部数据传输率为66.7MB/s。2001年推出的UDMA/100，其理论上最大外部数据率为100MB/s，但由于内部数据传输率的制约，其传输速率往往达不到这个最大值。

7．数据缓存

数据缓存指的是硬盘内部的高速存储器，在电脑中就像存储器一样将一些数据暂时性地保存起来以供读取和再读取。目前硬盘的高速缓存一般为2MB，最高为8MB，主流ATA硬盘的数据缓存都为2MB，而在SCSI硬盘中最高的数据缓存现已经达到了16MB。大数据缓存的硬盘在存取零散文件时具有很大的优势，这是因为当硬盘接到CPU指令并控制开始读取数据时，硬盘上的控制芯片会控制磁头，把正在读取的簇的一个或者数个簇中的数据读到缓存中（因为硬盘上的数据存储时是比较连续的，所以读取的命中率是很高的）。当CPU指令需要读取下一个或者几个簇中的数据时，磁头就不需要再次去读取数据，而是直接把缓存中的数据传输过去就行了。由于缓存的速度远远高于磁头的速度，因此能够达到明显改善系统性能的目的。

8．单碟容量

单碟容量是硬盘盘体内每张磁碟的最大容量。每块磁盘内都有若干张碟片，所有碟片的容量之和就是磁盘的总容量。要提高单碟容量，就必须提高磁记录的密度，目前几乎所有的磁盘都采用了GMR磁头技术来提高磁记录密度。单碟容量是影响硬盘数据传输率的一个重要技术指标，因为高密度片可使硬盘在读取相同数据量时将磁头的寻道动作和移动距离减少，从而减少平均寻道时间，加快硬盘速度。目前硬盘的单碟容量已达到160GB。

 

三．硬盘接口方式

硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统性能好坏。从整体的角度上，硬盘接口为IDE、SATA、SCSI和光纤通道四种，IDE接口硬盘多用于家用产品中，也部分应用于服务器，SCSI接口的硬盘则主要应用于服务器市场，而光纤通道只用在高端服务器上，价格昂贵。SATA是一种新生的硬盘接口类型，还正处于市场普及阶段，在家用市场中有着广泛的前景。在IDE和SCSI的大类别下，又可以分出多种具体的接口类型，又各自拥有不同的技术规范，具备不同的传输速度，比如ATA100和SATA。Ultra160 SCSI和Ultra320 SCSI都代表着一种具体的硬盘接口，各自的速度差异也较大。

1．IDE（ATA）

IDE的英文全称为“Integrated Drive Electronics”，即“电子集成驱动器”，它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为硬盘生产厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其他厂商生产的控制器兼容。对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。IDE这一接口技术从诞生至今就一直在不断发展，性能也在不断提高，其拥有价格低廉、兼容性强的特点，为其造就了其他类型硬盘无法替代的地位。

IDE代表着硬盘的一种类型，但在实际的应用中，人们也习惯用IDE来称呼最早出现的IDE类型硬盘ATA-1,这种类型的接口随着接口技术的发展已经被淘汰了，而其后发展出现更多类型的硬盘接口，比如ATA、Ultra ATA、DMA、Ultra DMA等接口都属于IDE硬盘。

2．SCSI

SCSI的英文全称为“Small Computer System Interface”（小型计算机系统接口），是与IDE（ATA）完全不同接口，IDE接口是普通PC的标准接口，而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点，但较高的价格得它很难如IDE硬盘般普及，因此SCSI硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。

3．光纤通道

光纤通道的英文拼写是Fibre Channel，和SCSI接口一样，光纤通道最初也不是为硬盘设计开发的接口技术，是专门为网络系统设计的，随着存储系统对速度的需求，才逐渐应用到硬盘系统中。光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度和灵活性才开发的，它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度。光纤通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设备数量大等。

光纤通道是为在像服务器这样的多硬盘系统环境而设计的，能满足高端工作站、服务器、海量存储子网络、外设间通过集线器、交换机和点对点连接进行双向、串行数据通信等系统对高数据传输率的要求。

4．SATA

使用SATA（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘，是未来PC硬盘的趋势。2001年，由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、迈拓这几大厂商组成的Serial ATA委员会正式确立了Serial ATA 1.0规范。2002年，跃然串行ATA的相关设备还未正式上市，但Serial ATA委员会已抢先确立了Serial ATA 2.0规范。Serial ATA采用串行连接方式，串行ATA总线使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。SATA-I的外部接口速度已达到150MB/s，SATA-II更将升至300MB/s，SATA的前景很广阔。

5．SAS

SAS是Serial Attached SCSI的缩写，即串行连接SCSI。2001年11月26日，Compaq、IBM、LSI逻辑、Maxtor和Seagate联合宣布成立SAS工作组，其目标是定义一个新的串行点对点的企业级存储设备接口。

SAS技术引入了SAS扩展器，使SAS系统可以连接更多的设备，其中每个扩展器允许连接多个端口，每个端口可以连接SAS设备、主机或其他SAS扩展器。为保护用户投资，SAS规范也兼容了SATA，这使得SAS的背板可以兼容SAS和SATA两类硬盘，对用户来说，使用不同类型的硬盘时不需要再重新投资。目前，SAS接口速率为3Gbps，其SAS扩展器多为12端口。不久，将会有6Gbps甚至12Gbps的高速接口出现，并且会有28或36端口的SAS扩展器出现以适应不同的应用需求。

 

四．结构

硬盘是由最小的物理组成单位扇区（sector）组成，数个扇区组成一个同心圆时，就称为柱面（cylinder），最后构成整个硬盘的容量大小。

下面图所示，是硬盘内部结构图。

1． 磁道

当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道(Track)。

2．柱面

在有多个盘片构成的盘组中，由处于同一半径的磁道组成的一个圆柱面(Cylinder)。

3．磁区

磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是硬盘的磁区(Sector)。硬盘的一个磁区，叫做开机磁区。

4．主引导记录(MBR)数据结构

（1）引导扇区种类

引导扇区是硬盘、软碟或类似的资料储存装置的一个磁区，内含负责启动（booting）“存放在碟片（disk）的其他部份的程式（通常，但不必然是操作系统）”的机械码。

引导扇区有两种：

Volume Boot Record 是磁盘未被分割的第一个磁区，或已分割的分区的第一个磁区，包含了加载与唤起操作系统(放在这个分区之内或放在这个磁盘上)的码。

Master Boot Record 是磁盘已被分割的第一个磁区，它包含定位活动分割区与唤起它的VBR的码。

IBM PC兼容机上，BIOS不在意VBR与MBR的不同，甚至分割区。固件只是加载并执行磁盘的第一个磁区(sector)，在MBR里的码，才知道磁盘分割讯息；且是负责加载启动活动分割区的VBR的地方。

如果你从“一个没有灌操作系统的磁盘”启动，屏幕会显示"Please Insert a bootable disc and press a key"；这是引导扇区(boot sector)显示的，而不是机器的固件。

（2）主引导记录

主引导扇区位于硬盘的0磁道0柱面1扇区，由硬盘主引导记录MBR（Master Boot Record）或者（Main Boot Record）、分区表DPT（Disk Partition Table）和Magic Number三大部分组成。主引导记录包含446bytes，分区表包含64bytes以及Magic Number包含2bytes，共512bytes。

 

MBR，全称为Master Boot Record，即硬盘的主引导记录。

引导扇区是每个分区（Partition）的第一扇区，而主引导扇区是硬盘的第一扇区。它由三个部分组成，主引导记录MBR、硬盘分区表DPT和硬盘有效标志。在总共512字节的主引导扇区里MBR占446个字节（偏移0--偏移1BDH），DPT占64个字节（偏移1BEH--偏移1FDH），最后两个字节“55AA”（偏移1FEH--偏移1FFH）是硬盘有效标志。

标准 MBR 结构

位址		长度（字节）	描述
Hex	Dec
0000	0	394 – 446	代码区
018A	394	36	四个 9 byte 的主分区表入口（选用 IBM 的延伸 MBR 分区表规划）
01B8	440	4	选用磁盘标志
01BC	444	2	一般为空值：0x0000
01BE	446	64	四个 16 byte 的主分区表入口（标准 MBR 分区表规划）
01FE	510	2	MBR 有效标志 (0x55 0xAA)

 

五．尺寸

1．尺寸

硬盘按尺寸不同，大致分为0.85、1、1.8、2.5、3.5以及5.25英寸。

2．用途

硬盘驱动器的尺寸和用途可分为：

0.85英寸，多用于手提电话等便携设备中。
1英寸（微型硬盘，MicroDrive），多用于数字相机（CF type II界面）。
1.8英寸，多用于笔记本电脑及外置硬盘盒中。
2.5英寸，多用于笔记本电脑及外置硬盘盒中。
3.5英寸，多用于台式机中，采用3.5"硬盘的外置硬盘盒需要外接电源、比较不方便。
5.25英寸，多为早期之个人计算机使用。今已无厂商生产。

 

六．服务器硬盘的选择

服务器硬盘在性能上要求远远高于台式机硬盘，这是受服务器大数据量、高负荷、高速度等要求所决定的。服务器硬盘一般采用SCSI接口，高端还有采用光纤通道接口的，极少的低端服务器采用台式机上的ATA硬盘，性能受很大影响。

1．速度快

服务器硬盘转速很高，7200转、10000转的产品已经相当普及，甚至还有达到15000转的。它还配备了较大的回写式缓存，一般为2MB、4MB、8MB或16MB，甚至还有64MB的产品。平均访问时间比较短，外部传输率和内部传输率更高。

2．可靠性高

服务器硬盘几乎是24小时不停地运转，承受着巨大的工作量。可以说，硬盘如果出了问题，后果不堪设想。除了采用家用硬盘具备的S.M.A.R.T技术（自监测、分析和报告技术），硬盘厂商都采用了各自独有的先进技术来保证数据的安全。为了避免意外的损失，服务器硬盘一般都能承受300G到1000G的冲击力。

为了提高可靠性，服务器多采用了廉价冗余磁盘陈列（RAID）技术。RAID技术相当于把一份数据复制到其他硬盘上，如果其中一个硬盘损坏了，可以从另一个恢复数据。

3．带宽大

多数服务器采用了数据吞吐量大、CPU占有率极低的SCSI硬盘。SCSI硬盘必须通过SCSI接口才能使用，有的服务器主板集成了SCSI接口，有的安有专用于大约有10~50人同时在正常上班时间随机访问的服务器或工作站。在此种情况下建议选择SCSI接口硬盘。

高性能服务器和工作站主要面向执行关键任务且工作负荷很重的文件服务器，其负荷相当于50多人在一天24小时内同时进行访问，同时还面向视频、动画制作等有高要求的工作站。在这些场合建议使用高端SCSI。