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(移动)硬盘物理结构详解

由于内存通常太小而且不能永久保存所有数据和程序,因此计算机系统必须提供外存来备份内存。现代计算机系统采用磁盘(硬盘)作为信息(程序与数据)的主要在线存储介质。换句话说,硬盘或磁盘为现代计算机系统提供大量外存。

硬盘的物理结构
图 1 硬盘的物理结构

在概念上,硬盘比较简单(图 1)。每个盘片为平的圆状,如同 CD 一样。普通盘片的直径为 1.8〜3.5 英寸(1 英寸=2.54 厘米)。盘片的两面都涂着磁质材料。通过在盘片上进行磁性记录可以保存信息。

读写磁头“飞行”在一个盘片的表面上方。磁头附着在磁臂上,磁臂将所有磁头作为一个整体而一起移动。盘片的表面逻辑地分成圆形磁道,再细分为扇区。同一磁臂位置的磁道集合形成了柱面。每个磁盘驱动器有数千个同心柱面,而每个磁道可能包括数百个扇区。常见磁盘驱动器的存储容量按 GB 来计算。

当使用磁盘时,驱动器电机高速旋转磁盘。大多数驱动器每秒旋转 60〜250 次,按每分钟转数(RPM)来计。普通驱动器的转速为 5400、7200、10 000 和 15 000RPM。

磁盘速度有两部分:
典型的磁盘可以按每秒数兆字节的速率来传输,并且寻道时间和旋转延迟为数毫秒。

因为磁头飞行在极薄的空气垫上(以微米计),所以磁头有与磁盘表面接触的危险。虽然盘片涂有薄薄的保护层,但是磁头有时可能损坏磁盘表面。这个事故称为磁头碰撞。磁头碰撞通常无法修复,必须替换整个磁盘。

磁盘可以是可移动的,允许按需安装不同磁盘。可移动磁盘通常只有一个盘片,它保存在塑料盒内以防止不在驱动器内时被损坏。其他形式的可移动磁盘包括 CD、DVD、蓝光光盘以及称为闪存驱动器的可移动闪存设备(这是一种固态驱动器)。

磁盘驱动器通过称为 I/O 总线的一组电缆连到计算机。有多种可用总线,包括硬盘接口技术(ATA)、串行 ATA(SATA)、外部串行 ATA(eSATA)、通用串口总线(USB)、光纤通道(FC)。

数据传输总线由称为控制器的专门电子处理器来进行,主机控制器为总线的计算机端的控制器,磁盘控制器是磁盘驱动器内置的。为了执行磁盘 I/O 操作,计算机通过内存映射 I/O 端口,发送一个命令到主机控制器。接着,主机控制器通过消息将该命令送给磁盘控制器,并且磁盘控制器操作磁盘驱动器硬件,以执行命令。磁盘控制器通常具有内置缓存。磁盘驱动器的数据传输,在缓存和磁盘表面之间进行;而到主机的数据传输,则按更快速度在缓存和主机控制器之间进行。

固态磁盘

随着经济发展或技术革新,老旧技术有时按新的方式来使用,比如固态磁盘(SSD)的日益重要。

简单而言,SSD 为非易失性存储,可用作硬盘。这种技术,有多个变形,从带有电池(以允许在电源故障时维护状态)的 DRAM,到闪存技术,如单层单元(SLC)或多层单元(MLC)的芯片。

SSD 具有与传统硬盘相同的特性,但是会更可靠,因为没有移动部件;而且会更快,因为没有寻道时间或延迟。此外,其电源消耗更少。然而,与传统硬盘相比,SSD的每兆字节更昂贵,容量也更大,寿命也更短,所以用途有限。SSD的用途之一是存储数组,这可用于存储文件系统元数据以提高性能。SSD 也用于一些笔记本电脑,以便更小、更快、更节能。

因为 SSD 比磁盘驱动器要快得多,标准总线接口可能会对吞吐量造成重大限制。有些 SSD 设计成直接连到系统总线(例如,PCI)。SSD 也改变其他方面的传统计算机设计。有些系统直接使用 SSD 来替代磁盘驱动器。而其他的用 SSD 作为缓存,以便在磁盘、SSD 和内存之间移动数据,来优化性能。

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