硬盘的存储原理_移动硬盘工作原理

硬盘的存储原理_移动硬盘工作原理主要记录磁盘的分类、组成等。

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一、硬盘简介。

  硬盘是我们电脑、手机等电子产品上不可或缺的部分。在数据中心的存储设备,也主要是由一块一块的硬盘组成的。硬盘的主要作用是存储数据,保护数据。而随着科技的发展,硬盘的读写速度、容量等方面也在发生着变化。

 

二、各硬盘介绍。

  现在我们常用的硬盘有机械硬盘、固态硬盘、混合硬盘三种。这三种硬盘各有各的优点与缺点。

  1、机械硬盘机械硬盘是现在最常见最廉价的一种硬盘,它主要有盘片,磁头,盘片转轴及控制电机,磁头控制器,数据转换器,接口,缓存等几个部分组成。

  ① 盘片硬盘中一般会有多个盘片组成,不同型号的磁盘盘片数量可能不一样。每个盘片包含两个面,每个盘面都会对应一个磁头。一般情况下,盘片的编号自下向上从0开始。数据都会保存在盘片上,而数据的存储依靠盘片上附着的磁性物质。由于磁分两级,正好可以表示二进制的0和1。

  盘片分为磁道和扇区,如下图,绿色部分为磁道,蓝色部分为扇区。

硬盘的存储原理_移动硬盘工作原理

  磁道是盘面中一圈圈绿色同心圆称为磁道

  扇区是从圆心向外画直线,可以将磁道划分为若干个弧段,每个磁道上一个弧段被称之为一个扇区,扇区是磁盘的最小组成单元,通常是512字节。(由于不断提高磁盘的大小,部分厂商设定每个扇区的大小是4096字节)

  ② 磁头:存储数据时,它可以对硬盘盘片表面上附着的磁性物质的磁极进行改变,读取数据时,则是通过磁头去感应磁阻的变化。这里磁头扮演者极为重要的角色,它也是硬盘里最昂贵的部件。

  盘片转轴:使盘片进行高速水平转动,从而使得磁头可以读取盘片上的不同扇区的数据。转速一般为5400rpm/m、7200rpm/m、SCSI、SAS型(服务器)的硬盘一般为10000rpm/m、15000rpm/m。转速越快,读/写数据的速度越快。缺点:转速越高,噪音越大、功耗越高、使用寿命越低。

  ⑥ 磁头控制器:使磁头进行水平圆弧型运动,与磁盘转轴相结合,可以使磁头读取盘片上的任意扇区内的数据。

  ⑦ 缓存在机械硬盘中,缓存就是为了加速读/写速度的。如内存中的数据写入到硬盘中,由于内存速度比硬盘快的多,这就导致写入速度太慢,而缓存则大大缓解了这个问题,先将数据写入缓存区,之后硬盘本身再将数据保存到盘片中,而不占用其他资源。而对于读取数据,如果一个数据刚刚被读取过,将临近它位置的数据保留在缓存区中,读取时,若命中,则直接从缓存区读出;若没有命中,则会再次从盘片上读取。

  

  2、固态硬盘:固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘几近相同,外形和尺寸也基本与普通的 2.5英寸硬盘一致。主要由三部分组成:主控芯片、NAND闪存芯片、固件算法。

  ① 主控芯片主控芯片一方面负责合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷,另一方面承担了整个数据中转,连接闪存芯片和外部接口。除此之外,主控还负责ECC纠错、耗损平衡、坏块映射、读写缓存、垃圾回收以及加密等一系列的功能。

  ② NAND闪存芯片:存储数据的地方,根据不同颗粒的分类,分为::SLC(每个存储单元存储1bit数据)、MLC(每个存储单元存储2bit数据)、TLC(每个存储单元存储3bit数据)。SLC成本高,数据与数据之间影响较小,读写速度极快,数据出错的可能性极小,使用寿命较长;而TLC成本低,但是据与数据之间影响较大,读写速度慢且极易出错,使用寿命较短。

  ③ 固件算法主控使用固件算法中的控制程序,去执行自动信号处理,耗损平衡,错误校正码(ECC),坏块管理、垃圾回收算法、与主机设备通信,以及执行数据加密等任务。由于固件冗余存储至NAND闪存中,因此当SSD制造商发布一个更新时,需要手动更新固件来改进和扩大SSD的功能。

 

  3、M.2固态硬盘:M.2接口最主要有以下几个优点:支持更高的速率,潜力大;相对PCI-Emini card,节约20%的PCB空间,节省15%的连接器高度,更小巧玲珑;支持PCI-E3.0,USB3.0和SATA3.0三种当前主流标准,接口更“全能”。

 

三、接口模式

  一般平常家用的计算机都是IDE、SATA、M.2等接口模式;服务器/存储端使用SCSI、SAS接口模式

  ① IDE接口模式为电子集成驱动器,出现时间比较早,该模式下硬盘价格低廉、兼容性强、性价比高,但是现在基本没有IDE接口模式的硬盘了。

  ② SATA接口模式相对于IDE出现时间较晚,但是数据传输时会对数据进行纠错,可靠性较高,目前主流接口为SATA3接口。

  ③ M.2接口模式是新型的硬盘接口模式是inter发布的一种新的主机接口方案,可以兼容多种通信协议。同时也有体积小、速度快的优点。

  ④ SCSI接口模式则完全通过独立的高速的SCSI卡来控制数据的读写操作,CPU就不必浪费时间进行等待,显然可以提高系统的整体性能。连接7—15个设备,性能更稳定、耐用,可靠性也更好。

  ⑤ SAS接口模式是将SATA与SCSI两者相结合,这样就可以同时发挥两者的优势了。在这种情况下SAS应运而生。

 

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