本页使用了标题或全文手工转换

硬盘

跳转至: 导航搜索
硬盘
硬盘内部,可以明显看到硬盘盘片和磁头。
研发日期 1956年9月4日[1]
研发者 IBM的Rey Johnson
连接接口

连接至主板通过:

中国大陆 硬盘
港台 硬碟

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,例如读头经过纪录数据的上方时磁场导致线圈中电气信号的改变。硬盘的读写是采用随机存取的方式,因此可以以任意顺序读取硬盘中的数据[2]。硬盘包括一至数片高速转动的磁盘以及放在执行器悬臂上的磁头。

早期的硬盘存储介质是可替换的,不过今日典型的硬盘采用的是固定的存储介质,碟片与磁头被封装在机身里(除了一个有过滤的气孔,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年开始使用[3],在1960年代初成为通用式电脑中主要的辅助存放设备,随着技术的进步,硬盘也成为服务器个人电脑的主要组件。

接口

数据接口

硬盘读取状态
硬盘内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会超过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的接口速度为300MiB/s,而新的SATA-III标准可达到600MiB/s的传输速度。SATA的数据线也比ATA的细得多,有利于机箱内的空气流通,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硬盘广为工作站级个人电脑以及服务器所使用,因此会使用较为先进的技术,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存储系统并不能连接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

一颗希捷硬盘电源接口处的Molex徽标
电脑内部硬盘电源线,白色的是D形4针电源接口,黑色的是SATA电源线

3.5寸的台式机硬盘,与ATA配合使用的是“D形4针电源接口”(俗称“大4pin”),由Molex公司设计并持有专利;而SATA接口也有相应的SATA电源线。

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接口供电约为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

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

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)。

  • 柱面

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)。

  • 扇区

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扇区(Sector)。硬盘的第一个扇区,叫做引导扇区

避免故障

硬盘碟片转速极快,与碟片的距离极小;因此硬盘内部是无尘状态,硬盘有过滤器过滤进入硬盘的空气(最新的技术是把硬盘密封、内部充,以降低能耗及废热,提高容量;但只有少数高阶硬盘使用此技术)。为了避免磁头碰撞碟片,厂商设计出各种保护方法;目前硬盘对于地震有很好的防护力(1990年代的一些硬盘,若在使用中碰到略大的地震,就很可能损坏),防摔能力也大幅进步,电源关闭及遇到较大震动时磁头会立刻移到安全区(近期的硬盘也开始防范突然断电的情况);而许多笔记本电脑厂商也开发出各种笔记本电脑结构来加强硬盘的防摔性。但硬盘在通电时耐摔度会降低、也只能温和的移动,许多人也已经养成在关闭硬盘后30秒至一分钟内、不会移动硬盘(及笔记本电脑)的习惯。

2010年后氦气封装技术量产,以往的硬盘填充介质为空气,不过容易受到空气影响,因此碟片之间距离要够才行,而氦气的密度比起空气小上许多,且氦气特色就是稳定,使用他来当介质,阻力和震动相对小,因此碟片之间的距离就能缩小,所以同样的空间下能够装下更多的碟片,采用氦气封装的好处除了容量变大外[4],温度和耗电能够再降低,因此耐用度和稳定性能够再提升。

逻辑结构

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,并创建文件和树形目录制度,使操作系统对其访问和查找变得容易,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

主引导记录(Master Boot Record,缩写:MBR),又叫做主引导扇区,是电脑开机后访问硬盘时所必须要读取的首个扇区,主引导扇区记录着硬盘本身的相关消息以及硬盘各个分区的大小及位置消息,是数据消息的重要入口。如果它受到破坏,硬盘上的基本数据结构消息将会丢失,需要用繁琐的方式试探性的重建数据结构消息后才可能重新访问原先的数据,对于那些扇区为512位组的磁盘,MBR分区表不支持容量大于2.2TB(2.2×1012字节)的分区,[5]

全局唯一标识分区表GUID Partition Table,缩写:GPT)是一个实体硬盘的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)[5][6]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

带一个小提手的笔记本电脑用SATA接口2.5英寸东芝硬盘

硬盘驱动器的尺寸和用途可分为:

  • 0.85英寸,多用于手机等便携设备中,已无厂商生产。
  • 1英寸(微型硬盘,MicroDrive),多用于数码相机CF type II接口),已无厂商生产。
  • 1.8英寸,多用于笔记本电脑外置硬盘盒中,已无厂商生产。
  • 2.5英寸,多用于笔记本电脑外置硬盘盒中。采用2.5"硬盘的外置硬盘盒一般不需外接电源。
  • 3.5英寸,多用于台式机中。采用3.5"硬盘的外置硬盘盒一般需要外接电源,因为耗电量超过USB的供电上限。
  • 5.25英寸,多为早期台式机使用,已无厂商生产。
  • 10.5英寸。
  • 14英寸,NEC DKU800。
5.25英寸硬盘与3.5英寸硬盘的尺寸比较

主要参数

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、5TB、6TB、8TB、12TB等多种规格,但计算误差,详见文件大小转换
转速 硬盘每分钟旋转的圈数,单位是rpm(每分钟的转动数),有4200rpm、5400rpm、5900rpm、7200rpm、10000rpm、15000rpm、18000rpm等几种规格。转速愈高通常数据传输速率愈好,但同时噪音、耗电量和发热量也较高。
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[7]

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。

发展史

时间 发展内容
1956年 IBM的IBM 305 RAMAC是现代硬盘的雏形,它相当于两个冰箱的体积,不过其存储容量只有5MB。
1973年 这一年IBM 3340问世,它拥有“温彻斯特”这个绰号,来源于它的两个30MB存储单元,恰好是当时出名的“温彻斯特来福枪”的口径和填弹量。至此,硬盘的基本架构被确立。
1980年 两位前IBM员工创立的公司开发出5.25英寸规格的5MB硬盘,这是首款面向台式机的产品,而该公司正是希捷公司(Seagate)公司。
1980年代末 IBM推出MR(Magneto Resistive磁阻)技术令磁头灵敏度大大提升,使盘片的存储密度较之前的20Mbpsi(bit/每平方英寸)提高数十倍,该技术为硬盘容量的巨大提升奠定基础。1991年,IBM应用该技术推出首款3.5英寸的1GB硬盘。
1970年到1991年 硬盘碟片的存储密度以每年25%~30%的速度增长;从1991年开始增长到60%~80%;至今,速度提升到100%甚至是200%。从1997年开始的惊人速度提升得益于IBM的GMR(Giant Magneto Resistive,巨磁阻)技术,它使磁头灵敏度进一步提升,进而提高了存储密度。
1993年 康诺(Conner Peripherals)推出CP30344硬盘容量是340MB。
1995年 为了配合Intel的LX芯片组,昆腾Intel携手发布UDMA 33接口——EIDE标准将原来接口数据传输率从16.6MB/s提升到了33MB/s同年,希捷开发出液态轴承(FDB,Fluid Dynamic Bearing)电动机。所谓的FDB就是指将陀螺仪上的技术引进到硬盘生产中,用厚度相当于头发直径十分之一的油膜取代金属轴承,减轻硬盘噪音与发热量。
1996年 希捷收购康诺(Conner Peripherals)。
1998年2月 UDMA 66规格面世。
2000年10月 迈拓(Maxtor)收购昆腾
2003年1月 日立宣布完成20.5亿美元的收购IBM硬盘事业部项目,并成立日立环球存储科技公司(Hitachi Global Storage Technologies, Hitachi GST)。
2005年 日立环储和希捷都宣布了将开始大量采用磁盘垂直写入技术(perpendicular recording),该原理是将平行于盘片的磁场方向改变为垂直(90度),更充分地利用的存储空间。
2005年12月21日 希捷宣布收购迈拓(Maxtor)。
2007年1月 日立环球存储科技宣布将会发售全球首只1Terabyte的硬盘,比原先的预定时间迟了一年多。硬盘的售价为399美元,平均每美分可以购得27.5MB硬盘空间。
2011年3月 西部数据以43亿美元的价格,收购日立环球存储科技[8]
2011年4月 希捷宣布与三星强化策略伙伴关系,传统的硬盘逐渐地被固态硬盘所取代。[9]
2011年12月 希捷宣布收购了三星旗下的硬盘业务[10]

硬盘制造商

电脑配件图中7是硬盘安装位置

注释

参考文献

  1. ^ IBM 350 disk storage unit
  2. ^ 硬盘单位成本不断降低,磁带系统还有未来吗?
  3. ^ IBM Archives: IBM 350 disk storage unit. [2012-10-19]. 
  4. ^ ithome-氦气封装结合成熟磁录技术
  5. ^ 5.0 5.1 FAQ: Drive Partition Limits (pdf). UEFI Forum. [2010-06-09]. 
  6. ^ 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, 
  7. ^ 硬盘:内部数据传输率. 中关村在线. 
  8. ^ Western Digital砸43亿美元收购Hitachi GST
  9. ^ 希捷宣布与三星强化策略伙伴关系[失效链接]
  10. ^ 希捷宣布完成收购三星硬盘业务. 新浪科技. [2013-02-14]. 

外部链接

硬盘制造商

参见