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  • 硬盘介绍

    千次阅读 2018-03-14 18:49:54
    (一)硬盘概念以及组成首先说一下硬盘的概念:港台称之为硬碟,英文名:Hard Disk Drive,简称HDD,硬盘是电脑主要的存储媒介之一,由一个或者个铝制或者玻璃制的碟片组成。 这个就是一个硬盘:大部分的硬盘是由...

    (一)硬盘概念以及组成

    首先说一下硬盘的概念:港台称之为硬碟,英文名:Hard Disk Drive,简称HDD,硬盘是电脑主要的存储媒介之一,由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。 这个就是一个硬盘:大部分的硬盘是由磁头臂组支架,转轴,读写头,磁头臂,磁道,扇区,柱面,盘面组成的。


     

    (二)SCSI硬盘:

    小型计算机系统接口(英语:Small Computer System Interface; 简写:SCSI),一种用于计算机和智能设备之间(硬盘软驱光驱打印机扫描仪等)系统级接口的独立处理器标准。 SCSI是一种智能的通用接口标准。

    • SCSISmall Computer System Interface

    • SCSI它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,因此SCSI硬盘主要应用于中、高端服务器、高档工作站以及存储设备中。

    • SCSI接口目前常用有68针和80针两种接口规格。

    • SCSI接口是一种并行的传输接口。

    强调一下,SCSI这种硬盘基本已经被淘汰了,用的很少了类似于SATA取代PATA一样,SCSI也必然要被它的升级产品SASSerial Attached SCSI)所取代。


     (三)SAS硬盘:

    SAS英文名字为Serial Attached SCSI即串行连接SCSI。它是一个串行的接口。

    是新一代的SCSI技术,和现在流行的Serial ATA(SATA)硬盘相同,都是采用串行技术以获得更高的传输速度,并通过缩短连结线改善内部空间等。

    SAS是并行SCSI接口之后开发出的全新接口。此接口的设计是为了改善存储系统的效能、可用性和扩充性,并且提供与SATA硬盘的兼容性。

    这个更好的性能——采用串行传输代替并行传输,全双工模式,实际上串行技术要比并行技术传输速率要快。

    更简便的连接线缆——将不再使用SCSI那种扁平的宽排线。

    更广的扩展性——可与SATA兼容。

    更低的成本——具备简化内部连接设计的优势,可以通过共用组件降低设计成本。

    看一下这个图片,这个就是SAS硬盘的图。这个是数据线接口,这个是电源线接口。它主要有两种尺寸,一种是2.5英寸,一种是3.5英寸。SAS硬盘一般用于服务器上。


    这个是希捷的一个1TBSAS硬盘的。


    它的容量是1TB,缓存是128M,转速是:7200转。

    看一个硬盘主要看一下它的转速,缓存以及它的容量。这个是它的比较重要的参数。

    (四)下面在介绍要给比较老的硬盘:IDE硬盘。

    IDEIntegrated Drive Electronics,它的本意是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器,IDE是表示硬盘的传输接口。我们常说的IDE接口,也叫ATAAdvanced Technology Attachment)接口,现在PC机使用的硬盘大多数都是IDE兼容的,只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。

    看这里,它是一种并行的接口,比较宽,这个是电源线,4根的,这个IDE也是一种并行传输的接口。

    IDE已经不常用了,现在在台式机上比较常用的是SATA硬盘。

    (五)SATA硬盘

    英文是: Serial Advanced Technology Attachment 串行ATA接口规范。

    • 又称串口IDE硬盘,目前较多应用于主机和存储设备使用。

    • 15针电源插头,7针数据插头。

    • 速率有1.5Gb/s3.0Gb/s

    可以看一下这张图,这个就是SATA接口的硬盘。15针电源插头,7针数据插头。


    之前硬盘想IDESCSI,都是并口的,现在主流SAS,以及SATA都是串口的。那么为什么现在跟多的使用串口的硬盘呢。

    (六)首先是串口的速度比并口的块。

    串口形容一下就是一条车道,而并口就是有8个车道。同一时刻能传送8位(一个字节)数据。

    但是并不是并口快,由于8位通道之间的相互干扰。传输速度就受到了限制。当传输出错时候,要同时重新传送8个位的数据,而且传输速度越快,干扰越严重。这是硬伤,这样速度就无法提升上来了。

    串口没有干扰,传输出错后重发一位就可以了。而且串口传输的时钟频率要比并口高。就是说我的速率比你快。

    (七)固态硬盘:

    固态硬盘(Solid State Drives),简称固盘,固态硬盘(Solid State Drive)用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)组成。我们之前讲解的叫机械硬盘, 有一个盘片一直转,这种不是,这种固态硬盘由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)两大模块组成。而且它和你的U盘一样,抗震性能比较好,在车载和军事,都不怕震。

    固态硬盘在接口的规范和定义,功能以及使用方法上与普通硬盘的完全相同,在产品外形和尺寸上也完全和普通硬盘一致。

    这是一款三星850 EVO系列的一款SSD的参数信息。


    2.5英寸,它的接口,SATA 6Gb/s, SATA 3Gb/s 兼容,和普通台式机的接口是一样的,容量是250G,缓存是512M,读速度是540MB,写入速度520MB每秒取,这里是大写的B啊,SATA2的速度比SATA的速度大概慢一半,。参考价格是589,固态硬盘也是更贵啊。

    (八)EFI

    EFI,它是一种可扩展固件接口,英文名Extensible Firmware Interface 的缩写,是英特尔一个主导个人电脑技术研发的公司推出的一种在未来的类PC的电脑系统中替代BIOS的升级方案EFI的位置很特殊,不像是BIOS那样是固件又是接口,EFI仅仅是一个接口,位于操作系统与平台固件之间。为什么要说这个呢,因为有的服务器的BIOS是这个样子的,不在是我们老的BIOS那种界面,就是一个字符界面,然后就是英文。现在是这种图形化界面了。


    (九)MBRGPT分区表:

    MBR主引导记录(MBRMain Boot Record)是位于磁盘最前边的一段引导(Loader)代码。也就是现有的硬盘分区模式。MBR分区的标准决定了MBR只支持在2TB以下的硬盘,超过2TB的硬盘只能管理2TB

    GPTGUID磁盘分区表(GUID Partition Table,缩写:GPT)其含义为“全局唯一标识磁盘分区表”,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,被用于替代BIOS系统中的一32bits来存储逻辑块地址和大小信息的主开机纪录(MBR)分区表。与MBR最大4个分区表项的限制相比,GPT对分区数量没有限制。GPT可以管理硬盘大小达到18EB,(1EB=1024PB=1048576TB

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  • 机械硬盘介绍

    千次阅读 2019-07-31 22:58:28
    机械硬盘介绍 硬盘 硬盘主要分为: 固态硬盘 SSD ...世界上第一块硬盘: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 350RAMAC,其磁头可以直接动到盘片上的任何一块存储区域...

    机械硬盘介绍

    硬盘

    硬盘主要分为:

    • 固态硬盘 SSD
    • 机械硬盘 HDD
    • 混合硬盘。

    绝大多数硬盘都是固定硬盘,被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。

    机械硬盘

    机械硬盘即传统的普通硬盘,主要由盘片、盘片转轴、磁头组件、磁头驱动机构、控制电路组成。

    世界上第一块硬盘: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 350RAMAC,其磁头可以直接动到盘片上的任何一块存储区域,从而成功地实现了机存储。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。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 350RAMAC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。

    机械硬盘内部图:
    在这里插入图片描述

    数据存储原理

    磁头在高速运转的磁盘上到达预先指定位置对数据进行读写操作。数据信息通过离磁性表面仅一根发丝直径大小的磁头,以电磁流改变极性方式写到磁盘上,数据信息可以通过相反的方式读取。其读写速度依赖于电机的转速,因为需要依靠电机带动磁盘高速转动使磁头找到指定位置进行读写,所以,在当下对读写速度的高要求下机械硬盘显得疲于应对。

    存储区/磁盘是磁性物质,这些磁性物质的磁极可以被磁头改变,利用磁极的正反来代表电脑里面的0和1;起到数据存储的作用,写入数据的过程实际上是通过磁头对磁盘表面非常小的磁性物质的磁极进行改变的过程。

    机械硬盘结构

    机械硬盘各部分组成如下所示:
    在这里插入图片描述

    1、磁头

    磁头是硬盘中最昂贵的部件,也是硬盘技术中最重要和最关键的一环。传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头,但是,硬盘的读、写却是两种截然不同的操作,为此,这种二合一磁头在设计时必须要同时兼顾到读/写两种特性,从而造成了硬盘设计上的局限。
    而MR磁头(Magneto resistive heads),即磁阻磁头,采用的是分离式的磁头结构:写入磁头仍采用传统的磁感应磁头(MR磁头不能进行写操作),读取磁头则采用新型的MR磁头,即所谓的感应写、磁阻读。这样,在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化,以得到最好的读/写性能。另外,MR磁头是通过阻值变化而不是电流变化去感应信号幅度,因而对信号变化相当敏感,读取数据的准确性也相应提高。而且由于读取的信号幅度与磁道宽度无关,故磁道可以做得很窄,从而提高了盘片密度,达到每平方英寸200MB,而使用传统的磁头只能达到每平方英寸20MB,这也是MR磁头被广泛应用的最主要原因。MR磁头已得到广泛应用,而采用多层结构和磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头(Giant Magnetoresistive heads)也逐渐开始普及。

    2、磁盘

    磁盘组成如下所示:
    在这里插入图片描述
    (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。这些磁道用肉眼是根本看不到的,因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区,磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的,这是因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响,同时也为磁头的读写带来困难。一张1.44MB的3.5英寸软盘,一面有80个磁道,而硬盘上的磁道密度则远远大于此值,通常一面有成千上万个磁道。磁道的磁化方式一般由磁头迅速切换正负极改变磁道所代表的0和1。
    (2)扇区
    磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段,这些弧段便是磁盘的扇区,每个扇区可以存放512个字节的信息,磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时,要以扇区为单位。1.44MB3.5英寸的软盘,每个磁道分为18个扇区。
    (3)柱面
    硬盘通常由重叠的一组盘片构成,每个盘面都被划分为数目相等的磁道,并从外缘的“0”开始编号,具有相同编号的磁道形成一个圆柱,称之为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘单面上的磁道数是相等的。无论是双盘面还是单盘面,由于每个盘面都只有自己独一无二的磁头,因此,盘面数等于总的磁头数。所谓硬盘的CHS,即Cylinder(柱面)、Head(磁头)、Sector(扇区),只要知道了硬盘的CHS的数目,即可确定硬盘的容量,硬盘的容量=柱面数磁头数扇区数*512B。

    3、空气过滤片

    在这里插入图片描述
    上图为空气过滤孔,内部有空气过滤片。
    空气过滤片的作用是用来过滤硬盘透气孔进入的空气,保证硬盘内部的洁净无尘,确保硬盘的安全使用。因为硬盘有透气孔的存在,所以硬盘内部和外部环境的大气压保持一致。磁盘旋转时的气流刚好使得磁头可以悬浮起来;所以当海拔升高时,气压和空气密度降低,盘片高速旋转的气流将无法托起磁头。从而导致磁头和盘面介质层接触,造成硬盘的损坏。所以,计算机在高海拔的情况下会“罢工”。
    所以不要撕掉空气过滤片,一旦撕掉,将会导致灰尘等颗粒物进入磁盘内部,附着在磁盘的表面以及磁头的表面,时间久了,这些物质可能会损伤磁盘磁道,导致磁盘损坏。

    4、串行接口

    (1)早期电脑接口是IDE接口类型;
    PDE硬盘的传输模式有以下三种:PIO(Programmed I/O)模式、DMA(Driect Memory Access)模式、Ultra DMA(简称UDMA)模式。
    PIO(Programmed I/O)模式的最大弊端是耗用极大量的CPU资源。以PIO模式运行的IDE接口,数据传输率达3.3MB/s(PIO mode 0)
    -16.6MB/s(PIO mode 4)不等。
    PDMA(Direct Memory Access)模式分为Single-Word DMA及Multi-Word DMA两种。Single-Word DMA模式的最高传输率达8.33MB/s,Multi-Word DMA(Double Word)则可达16.66MB/s。
    PDMA模式同PIO模式的最大区别是:DMA模式并不用过分依赖CPU的指令而运行,可达到节省处理器运行资源的效果。但由于Ultra DMA模式的出现和快速普及,这两个模式立即被UDMA所取代。
    PUltra DMA模式(简称UDMA)是Ultra ATA制式下所引用的一个标准,以16-bit Multi-Word DMA模式作为基准。UDMA其中一个优点是它除了拥有DMA模式的优点外,更应用了CRC(Cyclic Redundancy Check)技术,加强了资料在传送过程中侦错及除错方面的效能。
    PIDE自Ultra ATA标准推行以来,其接口便应用了DDR(Double Data Rate)技术将传输的速度提升了一倍,目前已发展到Ultra ATA/100了,其传输速度高达100MB/s。
    简单来讲其特点是:IDE接口优点:价格低廉、兼容性强、性价比高;IDE接口缺点:数据传输速度慢、线缆长度过短、连接设备少。
    (2)后来电脑接口一般是SATA接口;
    SATA是Serial ATA的缩写,即串行ATA。它是一种电脑总线,主要功能是用作主板和大量存储设备(如硬盘及光盘驱动器)之间的数据传输之用。这是一种完全不同于串行PATA的新型硬盘接口类型,由于采用串行方式传输数据而得名。SATA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。
    现时,SATA分别有SATA 1.5Gbit/s、SATA 3Gbit/s和SATA 6Gbit/s三种规格。即就是SATA的一代、二代、三代。
    (3)最新的是SAS接口;
    SAS是新一代的SCSI技术,和现在流行的Serial ATA(SATA)硬盘相同.都是采用串行技术以获得更高的传输速度”并通过缩短连结线改善内部空间等。SAS是并行SCSI接口之后开发出的全新接口。此接口的设计是为了改善存储系统的效能、可用性和扩充性,提
    供与串行ATA(Se「ial ATA ,缩写为SATA)硬盘的兼容性。
    SAS的接口技术可以向下兼容SATA。SAS系统的背板既可以连接具有双端口、高性能的SAS驱动器,也可以连接高容量、低成本的SATA驱动器。因为SAS驱动器的端口与SATA驱动器的端口形状看上去类似,所以SAS驱动器和SATA驱动器可以同时存在于一个存储系统之中。但需要注意的是,SATA系统并不兼容SAS ,所以SAS驱动器不能连接到SATA背板上。由于SAS系统的兼容性,IT人员能够运用不同接口的硬盘来满足各类应用在容量上或效能上的需求,因此在扩充存储系统时拥有更多的弹性,让存储设备发挥最大的投资效益。说白了SAS接口技术就是使用串行接口的SCSI硬盘,它和SATA硬盘是兼容的,我们可以在SAS接口上安装SAS硬盘或者SATA硬盘。

    5、磁头停泊区

    磁头停泊区是机械硬盘在不使用的状态,磁头不会放在存储区上面,而是无读取时将磁头放在停泊区。

    6、PCB板

    PCB板也就是磁盘的驱动控制器,将高速信号缓存下来存储到磁盘中,包括磁头的驱动控制等。这个一般都可以设计做,但是可能大公司做的质量好一点,信号处理器选的贵一些。

    7、主轴

    硬盘主轴,驱动硬盘存储区转动的主要驱动器件;就是开机时,磁盘响起声音,就是主轴开始转动,配合磁头在读取数据。

    硬盘内部不是真空

    数据硬盘的正面照片红圈标注处有一个孔,也有很多型号硬盘将这个孔放到硬盘背面电路板下边。通常日立、三星的硬盘还会特别标注"DO NOT COVER THIS HOLE",这建机械硬盘的换气孔,用来连通硬盘内部和外部环境的,既然硬盘内外是有一个气孔连接,那么硬盘内部就不可能是真空环境了。
    其实硬盘内部是一个高度无尘的环境,洁净度优于10级,即每立方米空间中,直径大于0.5微米的微粒数小于10个。
    这种洁净环境,人类是无法长期在内部生存的,在人类已经适应的生存环境中,这种级别的微粒数目大约为30万-100万个。但是,由于硬盘在工作时,磁头与碟片之间的距离很小,只有0.02微米,任何外界灰尘在这样的距离下都显得巨大无比。
    机械硬盘的工作原理决定的。机械硬盘的磁头在工作时,要靠高速旋转的碟片产生的气流悬浮在碟片上,如果碟片内部是真空的,碟片转动后将没有气流,也就无法托举磁头了。
    硬盘上的气孔是用来平衡内外气压,保持硬盘内部气压稳定的。当硬盘工作后,会产生热量,如果硬盘是完全密闭的,内部气体膨胀,导致压强改变,托举磁头的力也会随溫度变化而改变,磁头就无法稳定在同一高度工作了。因此这个气孔可平衡内外气压,使磁头稳定工作。而气孔的背面是一个空气过滤片,用来过滤空气中的灰尘,保证硬盘内部的无尘环境。

    日立于2013年推出了一款氮气硬盘,将硬盘盘腔完全密闭,再充以氮气,由于氮气为惰性气体,特性随溫度变化极小,且氮气的分子量小于空气,因此对磁头产生的阻力很小,更利于磁头稳定工作。

    硬盘SATA接口线序-包含数据线和电源线

    在这里插入图片描述

    • 数据线
      数据线如下所示:在这里插入图片描述

    • 电源线
      电源线如下所示:在这里插入图片描述

    走线建议

    1)保证信号线有完整的参考地平面,且地平面请不要被分割;
    2)保证差分阻抗保证为100R;
    3)差分对布线长度不要超过5inch;
    4)差分线上不要打过孔最好,必须优先保证走线不换层;
    5)保证差分线长度一致,最大不要超过20mil。
    6)电源走线保证合适的线宽,用以可以获取负载电流值。

    实际带硬盘产品设计注意事项

    硬盘容量:
    标称250GB的硬盘可以存储多少数据,由于生产厂商是按照1000字节当做1K字节的,1000K称为1MB;
    操作系统是按照1024来计算的,也就是:250GB/1024/1024/1024*(100010001000)=232.83GB。

    硬盘转速
    硬盘转速指的是硬盘内部马达的转速,单位是RPM,RotationPerMintue。而机械硬盘内有两个这样的马达,一个是驱动磁盘转动的马达和控制磁头移动的马达,磁头的移动影响到寻道时间的快慢,磁盘马达的转速则是硬盘产品过个里面的转速资料,两者越快越好。所以现在常见的转速是5400转、7200转,少部分可以达到10000多转,即就是5400转/min。

    硬盘防震
    如果是经常移动产品,例如笔记本电脑、个人影音娱乐本,则要注意,我们需要将硬盘固定好,切记不能在设备中经常可以晃动,这会导致硬盘寿命缩短及损坏硬盘。
    除此之外我们应该也要做好设计,即就是硬盘的跌落缓冲,虽然本身硬盘自己会做跌落测试,但是注意我们的产品是包含硬盘的,所以跌落时可能惯性力造成的形变更大,更容易损坏硬盘,所以我们需要固定好,使用定位柱,或者热熔胶等粘贴牢固。
    另一个是我们考虑到运输过程中的震动情况,这是我们需要考虑的是硬盘的外包装,因为给到客户我们肯定是需要包装的,而包装防止震动一般是我们需要防震垫子、例如空气垫等做缓冲。

    硬盘散热设计
    合理使用导热胶,将导热胶固定在硬盘和机架之间,将热量传输到机架上,然后散发到环境中,因为机箱内相对来讲是密闭空间。
    使用风扇来主动散热,现在我们见到的笔记本电脑基本上都是这种方式,不管是笔记本电脑还是台式机,使用风扇散热效果更好,但是请注意加入风扇之后的噪声还是比较大的。
    另外就是直接在硬盘上加装散热片,但是这个需要注意因为散热片一般是金属器件,所以请注意此举可能导致的EMC问题。

    2019-7-31只要历史不阻断,时间不倒退,一切都会衰老

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  • 硬盘接口协议

    千次阅读 2017-04-15 13:20:39
    硬盘是电脑主要的存储媒介之一,由一个或者个铝制或者玻璃制的碟片组成。碟片外覆盖有铁磁性材料。 硬盘有固态硬盘(SSD 盘,新式硬盘)、机械硬盘(HDD 传统硬盘)、混合硬盘(HHD 一基于传统机械硬盘诞生...
    硬盘是电脑主要的存储媒介之一,由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。碟片外覆盖有铁磁性材料。
    硬盘有固态硬盘(SSD 盘,新式硬盘)、机械硬盘(HDD 传统硬盘)、混合硬盘(HHD 一块基于传统机械硬盘诞生出来的新硬盘)。SSD采用闪存颗粒来存储,HDD采用磁性碟片来存储,混合硬盘(HHD: Hybrid Hard Disk)是把磁性硬盘和闪存集成到一起的一种硬盘。绝大多数硬盘都是固定硬盘,被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。
    磁头复位节能技术:通过在闲时对磁头的复位来节能。

    磁头技术:通过在同一碟片上增加多个磁头同时的读或写来为硬盘提速,或同时在多碟片同时利用磁头来读或写来为磁盘提速,多用于服务器和数据库中心。

    接口种类:

     

    IDE

    全称 Integrated Drive Electronics,即“电子集成驱动器”,俗称PATA并口。
    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,因此硬盘生产厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它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,性能也不断地提高,其拥有的价格低廉、兼容性强的特点,为其造就了其它类型硬盘无法替代的地位。
    平常所说的IDE接口,也称之为ATA接口。ATA的英文拼写为“Advanced Technology Attachment”,含义是“高级技术附加装置”。ATA接口最早是在1986年由康柏、西部数据等几家公司共同开发的,在九十年代初开始应用于台式机系统。它使用一个40芯电缆与主板进行连接,最初的设计只能支持两个硬盘,最大容量也被限制在504 MB之内。

    ATA(同IDE接口)

    ATA 全称 Advanced Technology Attachment,是用传统的40-pin 并口数据线连接主板硬盘的,外部接口速度最大为133MB/s,它不同于SCSI(一种接口技术)的一点是,通过它传输的数据,全部都要先进入RAM之后再进入CPU进行处理,之后再转存到存储里面。因为并口线的抗干扰性太差,且排线占空间,不利计算机散热,将逐渐被SATA 所取代。
    ATA技术是一个关于IDE(Integrated Device Electronics)的技术规范族。最初,IDE只是一项企图把控制器与盘体集成在一起的硬盘接口技术。 随着IDE/EIDE得到的日益广泛的应用,全球标准化协议将该接口自诞生以来使用的技术规范归纳成为全球硬盘标准,这样就产生了ATA(Advanced Technology Attachment)。

    SATA

    2001年,由Intel、APT、DellIBM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,虽然串行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。SATA的优势:支持热插拔 ,传输速度快,执行效率高。

    SCSI

    SCSI的英文全称为“Small Computer System Interface”(小型计算机系统接口),是同IDE(ATA)完全不同的接口,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,但较高的价格使得它很难如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。

    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,但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、串行数据通讯等系统对高数据传输率的要求。

     

     

    SAS

    SAS(Serial Attached SCSI)即串行连接SCSI,是新一代的SCSI技术,和现在流行的Serial ATA(SATA)硬盘相同,都是采用串行技术以获得更高的传输速度。并通过缩短连结线改善内部空间等。SAS是并行SCSI接口之后开发出的全新接口。此接口的设计是为了改善存储系统的效能、可用性和扩充性,并且提供与SATA硬盘的兼容性。

    SAS的连接器在SATA的基础上发展而来,它去除了SCSI的诸多限制从而提高了数据传输的效率。其盘体容量相对SATA来说,比较小。(SAS使用的是串行的接口,串行接口就不用考虑信号干扰问题,也不用在发送数据前进行协商) 
    串行接口的优点: 
    串行接口结构简单,支持热插拔,传输速度快,执行效率高。一般情况下,较大的并行电缆会带来电子干扰,SAS的电缆结构可以解决这个问题。SAS的电缆结构节省了空间,从而提高了使用SAS硬盘服务器的散热、通风能力。串口的使用使得接口的扩展成了可能,以提至更高的带宽。可以将四条窄端口捆绑为一个宽端口,提供更高的带宽。 
    SAS采用双工的方式来工作,所以也就可以读操作和写操作同时进行。提高了效率。 
    SAS接口可以使用Expander来进行扩展,扩展的盘数需要根据线路带宽来计算。最佳状态为SAS盘168盘(7个硬盘框24盘),SSD盘的话就会少些为96盘(4个硬盘框24盘)。

    NL-SAS:使用的是SAS的接口,盘体使用的是SATA盘体。从而提高了传输速度,也增大了容量。

    SAS和SATA的兼容性: 
    1.物理层的兼容:SATA盘可以直接使用到SAS的环境中,SAS盘则不可以使用到SATA环境中。 
    2.协议层的兼容:SAS由三种协议构成,SSP协议用于传输SCSI命令,SMP用于对连接设备的维护和管理,STP用于SAS和SATA之间数据的传输。

    ====================================================================

     

    SATA和ATA区别

    传统的 Parallel ATA 使用 单模信号放大系统“single-end-signal-amplified-system”。在这种系统中,噪声会随着正常信号一起传输、放大,不易被抑制;在高速时尤其严重,为了有效的减少噪声的干扰,我们只好使用高达5V的电压来传送正-常讯号,使大电压的正常讯号盖过小电压的噪声信号。虽然大的电压可以有效的抑制噪声,但是大的电压同时也表示驱动电路的生产成本将因此上升,大电压更不利于高速传输系统的设计和制造,高达5V的传输电压限制了追求高速和低成本的可能性。
    和 Parallel ATA 相比,新的SATA 使用了差动信号系统“differential-signal-amplified-system”。这种系统能有效的将噪声从正常讯号中滤除,良好的噪声滤除能力使得SATA只要使用低电压操作即可,和 Parallel ATA 高达5V的传输电压相比,SATA 只要0.5V(500mv) 的峰对峰值电压即可操作于更高的速度之上。“比较正确的说法是:峰对峰值‘差模电压’”。
    和 Parallel ATA 的 5V 驱动电压相比,0.5V的SATA系统节省电力,其驱动IC的生产成本也较为便宜。

     

    版本
    带宽
    速度
    数据线最大长度
    SATA 3.0
    6Gb/s
    600MB/s
    2米
    SATA 2.0
    3Gb/s
    300MB/s
    1.5米
    SATA 1.0
    1.5Gb/s
    150MB/s
    1米
    PATA
    1Gb/s
    133MB/s
    0.5米

     

     

    =================================

    由于并排的高速信号在传输时,会在每条电缆的周围产生微弱的电磁场,进而影响到其他数据线中的数据传递,还会因为线缆的长度和电压的变化而不断变化,随着总线频率的

    提升,磁场的强度也越来越大,信号干扰的影响也越来越明显。 


    从理论上说串行传输的工作频率可以无限提高,串行ATA就是通过提高工作频率来提升接口传输速率的。因此串行ATA可以实现更高的传输速率,而并行ATA在没有有效地解决

    信号串扰问题之前,则很难达到这样高的传输速率。 

    并行ATA接口在总线频率方面受到其设计的制约,并不能一味地提升,而随着对数据传输率的要求越来越高,目前最快的并行ATA接口ATA133的频率为33MHz,这个几乎已经达

    到了并行接口的极限,再继续改造线路已不太现实。所以推出新的接口势在必行。

    =================================

     

    影响磁盘读写速度的因素:

    主要取决于硬盘基本参数。首先是转速,有3200,5400,7200和10000的,希捷的有15000的,这就像汽车轮子一样,转速越快,跑的越快,现在主流的是7200的。第二是接口,有IDE,SATA,SATA2,SCSI1,SCSI2,SCSI3,其中SCSI3接口的读写速度最快,主要用在服务器上。现在主流的是SATA的产品,读写速度比较快。第三是硬盘缓存容量,现在有2MB和8MB两种,大容量缓存的产品读写速度更快。

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  • 硬盘内部硬件结构和工作原理详解

    万次阅读 多人点赞 2018-05-07 09:19:26
    硬盘的外部物理结构 一般硬盘正面贴有产品标签,主要包括厂家信息和产品信息,如商标、型号、序列号、生产日期、容量、参数和主从设置方法等。这些信息是正确使用硬盘的基本依据,下面将逐步介绍它们的含义。 硬盘...

    硬盘的外部物理结构

    一般硬盘正面贴有产品标签,主要包括厂家信息和产品信息,如商标、型号、序列号、生产日期、容量、参数和主从设置方法等。这些信息是正确使用硬盘的基本依据,下面将逐步介绍它们的含义。

    硬盘主要由盘体、控制电路板和接口部件等组成,如图1-1所示。盘体是一个密封的腔体。硬盘的内部结构通常是指盘体的内部结构;控制电路板上主要有硬盘BIOS、硬盘缓存(即CACHE)和主控制芯片等单元,如图1-2所示;硬盘接口包括电源插座、数据接口和主、从跳线,如图1-3所示。


    图1-1 硬盘的外观


    图1-2 控制电路板


    图1-3 硬盘接口

    电源插座连接电源,为硬盘工作提供电力保证。数据接口是硬盘与主板、内存之间进行数据交换的通道,使用一根40针40线(早期)或40针80线(当前)的IDE接口电缆进行连接。新增加的40线是信号屏蔽线,用于屏蔽高速高频数据传输过程中的串扰。中间的主、从盘跳线插座,用以设置主、从硬盘,即设置硬盘驱动器的访问顺序。其设置方法一般标注在盘体外的标签上,也有一些标注在接口处,早期的硬盘还可能印在电路板上。

    此外,在硬盘表面有一个透气孔(见图1-1),它的作用是使硬盘内部气压与外部大气压保持一致。由于盘体是密封的,所以,这个透气孔不直接和内部相通,而是经由一个高效过滤器和盘体相通,用以保证盘体内部的洁净无尘,使用中注意不要将它盖住。

    硬盘的内部物理结构

    硬盘的内部结构通常专指盘体的内部结构。盘体是一个密封的腔体,里面密封着磁头、盘片(磁片、碟片)等部件,如图1-4所示。


    图1-4 硬盘内部结构

    硬盘的盘片是硬质磁性合金盘片,片厚一般在0.5mm左右,直径主要有1.8in(1in=25.4mm)、2.5in、3.5in和5.25in 4种,其中2.5in和3.5in盘片应用最广。盘片的转速与盘片大小有关,考虑到惯性及盘片的稳定性,盘片越大转速越低。一般来讲,2.5in硬盘的转速在5 400 r/min~7 200 r/ min之间;3.5in硬盘的转速在4 500 r/min~5 400 r/min之间;而5.25in硬盘转速则在3 600 r/min~4 500 r/min之间。随着技术的进步,现在2.5in硬盘的转速最高已达15 000 r/min,3.5in硬盘的转速最高已达12 000 r/min。

    有的硬盘只装一张盘片,有的硬盘则有多张盘片。这些盘片安装在主轴电机的转轴上,在主轴电机的带动下高速旋转。每张盘片的容量称为单碟容量,而硬盘的容量就是所有盘片容量的总和。早期硬盘由于单碟容量低,所以,盘片较多,有的甚至多达10余片,现代硬盘的盘片一般只有少数几片。一块硬盘内的所有盘片都是完全一样的,不然控制部分就太复杂了。一个牌子的一个系列一般都用同一种盘片,使用不同数量的盘片,就出现了一个系列不同容量的硬盘产品。

    盘体的完整构造如图1-5所示。


    图1-5 盘体的完整结构

    硬盘驱动器采用高精度、轻型磁头驱动/定位系统。这种系统能使磁头在盘面上快速移动,可在极短的时间内精确地定位在由计算机指令指定的磁道上。目前,磁道密度已高达5 400Tpi(每英寸磁道数)或更高;人们还在研究各种新方法,如在盘上挤压(或刻蚀)图形、凹槽和斑点等作为定位和跟踪标记,以提高到和光盘相等的道密度,从而在保持磁盘机高速度、高位密度和高可靠性的优势下,大幅度提高存储容量。

    硬盘驱动器内的电机都是无刷电机,在高速轴承支持下机械磨损很小,可以长时间连续工作。高速旋转的盘体产生明显的陀螺效应,所以,在硬盘工作时不宜搬动,否则,将增加轴承的工作负荷。为了高速存储和读取信息,硬盘驱动器的磁头质量小,惯性也小,所以,硬盘驱动器的寻道速度明显快于软驱和光驱。

    硬盘驱动器磁头与磁头臂及伺服定位系统是一个整体。伺服定位系统由磁头臂后的线圈和固定在底板上的电磁控制系统组成。由于定位系统限制,磁头臂只能在盘片的内外磁道之间移动。因此,不管开机还是关机,磁头总在盘片上;所不同的是,关机时磁头停留在盘片启停区,开机时磁头“飞行”在磁盘片上方。

     

    硬盘上的数据是如何组织与管理的呢?硬盘首先在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区,其结构关系如图1-6所示。

    图1-6 磁头、柱面和扇区

    每个盘片的每个面都有一个读写磁头,磁盘盘面区域的划分如图1-7所示。磁头靠近主轴接触的表面,即线速度最小的地方,是一个特殊的区域,它不存放任何数据,称为启停区或着陆区(Landing Zone),启停区外就是数据区。在最外圈,离主轴最远的地方是“0”磁道,硬盘数据的存放就是从最外圈开始的。那么,磁头是如何找到“0”磁道的位置的呢?从图1-5中可以看到,有一个“0”磁道检测器,由它来完成硬盘的初始定位。“0”磁道是如此的重要,以致很多硬盘仅仅因为“0”磁道损坏就报废,这是非常可惜的。这种故障的修复技术在后面的章节中有详细的介绍。


    图1-7 硬盘盘片的启停区和数据区

    早期的硬盘在每次关机之前需要运行一个被称为Parking的程序,其作用是让磁头回到启停区。现代硬盘在设计上已摒弃了这个虽不复杂却很让人不愉快的小缺陷。硬盘不工作时,磁头停留在启停区,当需要从硬盘读写数据时,磁盘开始旋转。旋转速度达到额定的高速时,磁头就会因盘片旋转产生的气流而抬起,这时磁头才向盘片存放数据的区域移动。盘片旋转产生的气流相当强,足以使磁头托起,并与盘面保持一个微小的距离。这个距离越小,磁头读写数据的灵敏度就越高,当然对硬盘各部件的要求也越高。早期设计的磁盘驱动器使磁头保持在盘面上方几微米处飞行。稍后一些设计使磁头在盘面上的飞行高度降到约0.1μm~0.5μm,现在的水平已经达到0.005μm~0.01μm,这只是人类头发直径的千分之一。气流既能使磁头脱离开盘面,又能使它保持在离盘面足够近的地方,非常紧密地跟随着磁盘表面呈起伏运动,使磁头飞行处于严格受控状态。磁头必须飞行在盘面上方,而不是接触盘面,这种位置可避免擦伤磁性涂层,而更重要的是不让磁性涂层损伤磁头。但是,磁头也不能离盘面太远,否则,就不能使盘面达到足够强的磁化,难以读出盘上的磁化翻转(磁极转换形式,是磁盘上实际记录数据的方式)。

    硬盘驱动器磁头的飞行悬浮高度低、速度快,一旦有小的尘埃进入硬盘密封腔内,或者一旦磁头与盘体发生碰撞,就可能造成数据丢失,形成坏块,甚至造成磁头和盘体的损坏。所以,硬盘系统的密封一定要可靠,在非专业条件下绝对不能开启硬盘密封腔,否则,灰尘进入后会加速硬盘的损坏。另外,硬盘驱动器磁头的寻道伺服电机多采用音圈式旋转或直线运动步进电机,在伺服跟踪的调节下精确地跟踪盘片的磁道,所以,硬盘工作时不要有冲击碰撞,搬动时要小心轻放。

    这种硬盘就是采用温彻斯特(Winchester)技术制造的硬盘,所以也被称为温盘。其结构特点如下。

    ①磁头、盘片及运动机构密封在盘体内。

    ②磁头在启动、停止时与盘片接触,在工作时因盘片高速旋转,带动磁头“悬浮”在盘片上面呈飞行状态(空气动力学原理),“悬浮”的高度约为0.1μm~0.3μm,这个高度非常小,图1-8标出了这个高度与头发、烟尘和手指印的大小比较关系,从这里可以直观地“看”出这个高度有多“高”。


    图1-8 盘片结构及磁头高度示意图

    ③磁头工作时与盘片不直接接触,所以,磁头的加载较小,磁头可以做得很精致,检测磁道的能力很强,可大大提高位密度。

    ④磁盘表面非常平整光滑,可以做镜面使用。

    下面对“盘面”、“磁道”、“柱面”和“扇区”的含义逐一进行介绍。

    硬盘存储的逻辑结构

    1. 盘面号

    硬盘的盘片一般用铝合金材料做基片,高速硬盘也可能用玻璃做基片。玻璃基片更容易达到所需的平面度和光洁度,且有很高的硬度。磁头传动装置是使磁头部件作径向移动的部件,通常有两种类型的传动装置。一种是齿条传动的步进电机传动装置;另一种是音圈电机传动装置。前者是固定推算的传动定位器,而后者则采用伺服反馈返回到正确的位置上。磁头传动装置以很小的等距离使磁头部件做径向移动,用以变换磁道。

    硬盘的每一个盘片都有两个盘面(Side),即上、下盘面,一般每个盘面都会利用,都可以存储数据,成为有效盘片,也有极个别的硬盘盘面数为单数。每一个这样的有效盘面都有一个盘面号,按顺序从上至下从“0”开始依次编号。在硬盘系统中,盘面号又叫磁头号,因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。硬盘的盘片组在2~14片不等,通常有2~3个盘片,故盘面号(磁头号)为0~3或0~5。

    2. 磁道

    磁盘在格式化时被划分成许多同心圆,这些同心圆轨迹叫做磁道(Track)。磁道从外向内从0开始顺序编号。硬盘的每一个盘面有300~1 024个磁道,新式大容量硬盘每面的磁道数更多。信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中,这些同心圆不是连续记录数据,而是被划分成一段段的圆弧,这些圆弧的角速度一样。由于径向长度不一样,所以,线速度也不一样,外圈的线速度较内圈的线速度大,即同样的转速下,外圈在同样时间段里,划过的圆弧长度要比内圈划过的圆弧长度大。每段圆弧叫做一个扇区,扇区从“1”开始编号,每个扇区中的数据作为一个单元同时读出或写入。一个标准的3.5in硬盘盘面通常有几百到几千条磁道。磁道是“看”不见的,只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化区,在磁盘格式化时就已规划完毕。

     

    3. 柱面

    所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱,通常称做柱面(Cylinder),每个圆柱上的磁头由上而下从“0”开始编号。数据的读/写按柱面进行,即磁头读/写数据时首先在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作,依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作,只在同一柱面所有的磁头全部读/写完毕后磁头才转移到下一柱面,因为选取磁头只需通过电子切换即可,而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换相当快,比在机械上磁头向邻近磁道移动快得多,所以,数据的读/写按柱面进行,而不按盘面进行。也就是说,一个磁道写满数据后,就在同一柱面的下一个盘面来写,一个柱面写满后,才移到下一个扇区开始写数据。读数据也按照这种方式进行,这样就提高了硬盘的读/写效率。

    一块硬盘驱动器的圆柱数(或每个盘面的磁道数)既取决于每条磁道的宽窄(同样,也与磁头的大小有关),也取决于定位机构所决定的磁道间步距的大小。更深层的内容请参考其他书籍,限于篇幅,这里不再深入介绍。

    4. 扇区

    操作系统以扇区(Sector)形式将信息存储在硬盘上,每个扇区包括512个字节的数据和一些其他信息。一个扇区有两个主要部分:存储数据地点的标识符和存储数据的数据段,如图1-9所示。


    图1-9 硬盘扇区的构成

    标识符就是扇区头标,包括组成扇区三维地址的三个数字:扇区所在的磁头(或盘面)、磁道(或柱面号)以及扇区在磁道上的位置即扇区号。头标中还包括一个字段,其中有显示扇区是否能可靠存储数据,或者是否已发现某个故障因而不宜使用的标记。有些硬盘控制器在扇区头标中还记录有指示字,可在原扇区出错时指引磁盘转到替换扇区或磁道。最后,扇区头标以循环冗余校验(CRC)值作为结束,以供控制器检验扇区头标的读出情况,确保准确无误。

    扇区的第二个主要部分是存储数据的数据段,可分为数据和保护数据的纠错码(ECC)。在初始准备期间,计算机用512个虚拟信息字节(实际数据的存放地)和与这些虚拟信息字节相应的ECC数字填入这个部分。

    扇区头标包含一个可识别磁道上该扇区的扇区号。有趣的是,这些扇区号物理上并不连续编号,它们不必用任何特定的顺序指定。扇区头标的设计允许扇区号可以从1到某个最大值,某些情况下可达255。磁盘控制器并不关心上述范围中什么编号安排在哪一个扇区头标中。在很特殊的情况下,扇区还可以共用相同的编号。磁盘控制器甚至根本就不管数据区有多大,只管读出它所找到的数据,或者写入要求它写的数据。

    给扇区编号的最简单方法是l,2,3,4,5,6等顺序编号。如果扇区按顺序绕着磁道依次编号,那么,控制器在处理一个扇区的数据期间,磁盘旋转太远,超过扇区间的间隔(这个间隔很小),控制器要读出或写入的下一扇区已经通过磁头,也许是相当大的一段距离。在这种情况下,磁盘控制器就只能等待磁盘再次旋转几乎一周,才能使得需要的扇区到达磁头下面。

    显然,要解决这个问题,靠加大扇区间的间隔是不现实的,那会浪费许多磁盘空间。许多年前,IBM的一位杰出工程师想出了一个绝妙的办法,即对扇区不使用顺序编号,而是使用一个交叉因子(interleave)进行编号。交叉因子用比值的方法来表示,如3﹕1表示磁道上的第1个扇区为1号扇区,跳过两个扇区即第4个扇区为2号扇区,这个过程持续下去直到给每个物理扇区编上逻辑号为止。例如,每磁道有17个扇区的磁盘按2﹕1的交叉因子编号就是:l,10,2,11,3,12,4,13,5,14,6,15,7,16,8,17,9,而按3﹕1的交叉因子编号就是:l,7,13,2,8,14,3,9,15,4,10,16,5,11,17,6,12。当设置1﹕l的交叉因子时,如果硬盘控制器处理信息足够快,那么,读出磁道上的全部扇区只需要旋转一周;但如果硬盘控制器的后处理动作没有这么快,磁盘所转的圈数就等于一个磁道上的扇区数,才能读出每个磁道上的全部数据。将交叉因子设定为2﹕1时,磁头要读出磁道上的全部数据,磁盘只需转两周。如果2﹕1的交叉因子仍不够慢,磁盘旋转的周数约为磁道的扇区数,这时,可将交叉因子调整为3﹕1,如图1-10所示。


    图1-10 不同交叉因子的效果示例

    图1-10所示的是典型的MFM(Modified Frequency Modulation,改进型调频制编码)硬盘,每磁道有17个扇区,画出了用三种不同的扇区交叉因子编号的情况。最外圈的磁道(0号柱面)上的扇区用简单的顺序连续编号,相当于扇区交叉因子是1﹕1。1号磁道(柱面)的扇区按2﹕1的交叉因子编号,而2号磁道按3﹕1的扇区交叉因子编号。

    早期的硬盘管理工作中,设置交叉因子需要用户自己完成。用BIOS中的低级格式化程序对硬盘进行低级格式化时,就需要指定交叉因子,有时还需要设置几种不同的值来比较其性能,而后确定一个比较好的值,以期硬盘的性能较好。现在的硬盘BIOS已经自己解决这个问题,所以,一般低级格式化程序不再提供这一选项设置。

    系统将文件存储到磁盘上时,按柱面、磁头、扇区的方式进行,即最先是第1磁道的第一磁头下(也就是第1盘面的第一磁道)的所有扇区,然后,是同一柱面的下一磁头,……,一个柱面存储满后就推进到下一个柱面,直到把文件内容全部写入磁盘。系统也以相同的顺序读出数据。读出数据时通过告诉磁盘控制器要读出扇区所在的柱面号、磁头号和扇区号(物理地址的三个组成部分)进行。磁盘控制器则直接使磁头部件步进到相应的柱面,选通相应的磁头,等待要求的扇区移动到磁头下。在扇区到来时,磁盘控制器读出每个扇区的头标,把这些头标中的地址信息与期待检出的磁头和柱面号做比较(即寻道),然后,寻找要求的扇区号。待磁盘控制器找到该扇区头标时,根据其任务是写扇区还是读扇区,来决定是转换写电路,还是读出数据和尾部记录。找到扇区后,磁盘控制器必须在继续寻找下一个扇区之前对该扇区的信息进行后处理。如果是读数据,控制器计算此数据的ECC码,然后,把ECC码与已记录的ECC码相比较。如果是写数据,控制器计算出此数据的ECC码,与数据一起存储。在控制器对此扇区中的数据进行必要处理期间,磁盘继续旋转。由于对信息的后处理需要耗费一定的时间,在这段时间内,磁盘已转了相当的角度。

    交叉因子的确定是一个系统级的问题。一个特定硬盘驱动器的交叉因子取决于:磁盘控制器的速度、主板的时钟速度、与控制器相连的输出总线的操作速度等。如果磁盘的交叉因子值太高,就需多花一些时间等待数据在磁盘上存入和读出。如果交叉因子值太低,就会大大降低磁盘性能。

    前面已经述及,系统在磁盘上写入信息时,写满一个磁道后转到同一柱面的下一个磁头,当柱面写满时,再转向下一柱面。从同一柱面的一个磁道到另一个磁道,从一个柱面转到下一个柱面,每一个转换都需要时间,在此期间磁盘始终保持旋转,这就会带来一个问题:假定系统刚刚结束对一个磁道前一个扇区的写入,并且已经设置了最佳交叉因子比值,现在准备在下一磁道的第一扇区写入,这时,必须等到磁头转换好,让磁头部件重新准备定位在下一道上。如果这种操作占用的时间超过了一点,尽管是交叉存取,磁头仍会延迟到达。这个问题的解决办法是以原先磁道所在位置为基准,把新的磁道上全部扇区号移动约一个或几个扇区位置,这就是磁头扭斜。磁头扭斜可以理解为柱面与柱面之间的交叉因子,已由生产厂设置好,用户一般不用去改变它。磁头扭斜的更改比较困难,但是,它们只在文件很长、超过磁道结尾进行读出和写入时才发挥作用,所以,扭斜设置不正确所带来的时间损失比采用不正确的扇区交叉因子值带来的损失要小得多。交叉因子和磁头扭斜可用专用工具软件来测试和更改。更具体的内容这里就不再详述,毕竟现在很多用户都没有见过这些参数。

    扇区号存储在扇区头标中,扇区交叉因子和磁头扭斜的信息也存放在这里。最初,硬盘低级格式化程序只是行使有关磁盘控制器的专门职能来完成设置任务。由于这个过程可能破坏低级格式化的磁道上的全部数据,也极少采用。

    扇区交叉因子由写入到扇区头标中的数字设定,所以,每个磁道可以有自己的交叉因子。在大多数驱动器中,所有磁道都有相同的交叉因子。但有时因为操作上的原因,也可能导致各磁道有不同的扇区交叉因子。如在交叉因子重置程序工作时,由于断电或人为中断,就会造成一些磁道的交叉因子发生了改变,而另一些磁道的交叉因子没有改变。这种不一致性对计算机不会产生不利影响,只是有最佳交叉因子的磁道要比其他磁道的工作速度更快。

     

    4.簇

    将物理相邻的若干个扇区称为了一个簇。操作系统读写磁盘的基本单位是扇区,而文件系统的基本单位是簇(Cluster)。在Windows下,随便找个几字节的文件,在其上面点击鼠标右键选择属性,看看实际大小与占用空间两项内容,如大小:15 字节 (15 字节), 占用空间:4.00 KB (4,096 字节)。这里的占用空间就是你机器分区的簇大小,因为再小的文件都会占用空间,逻辑基本单位是4K,所以都会占用4K。 簇一般有这几类大小 4K,8K,16K,32K,64K等。簇越大存储性能越好,但空间浪费严重。簇越小性能相对越低,但空间利用率高。NTFS格式的文件系统簇的大小为4K。

     

     

     

     

    硬盘读写数据的过程

    现代硬盘寻道都是采用CHS(Cylinder Head Sector)的方式,硬盘读取数据时,读写磁头沿径向移动,移到要读取的扇区所在磁道的上方,这段时间称为寻道时间(seek time)。因读写磁头的起始位置与目标位置之间的距离不同,寻道时间也不同。目前硬盘一般为2到30毫秒,平均约为9毫秒。磁头到达指定磁道后,然后通过盘片的旋转,使得要读取的扇区转到读写磁头的下方,这段时间称为旋转延迟时间(rotational latencytime)。

    一个7200(转/每分钟)的硬盘,每旋转一周所需时间为60×1000÷7200=8.33毫秒,则平均旋转延迟时间为8.33÷2=4.17毫秒(平均情况下,需要旋转半圈)。平均寻道时间和平均选装延迟称为平均存取时间。

    所以,最后看一下硬盘的容量计算公式:
    硬盘容量=盘面数×柱面数×扇区数×512字节


    在博文“Linux启动过程分析”中我们提到过MBR,它是存在于硬盘的0柱面,0磁头,1扇区里,占512字节的空间。这512字节里包含了主引导程序Bootloader和磁盘分区表DPT。其中Bootloader占446字节,分区表占64字节,一个分区要占用16字节,64字节的分区表只能被划分4个分区,这也就是目前我们的硬盘最多只能支持4个分区记录的原因。

     

     

     

    即,如果你将硬盘分成4个主分区的话,必须确保所有的磁盘空间都被使用了(这不是废话么),一般情况下我们都是划分一个主分区加一个扩展分区,然后在扩展分区里再继续划分逻辑分区。当然,逻辑分区表也需要分区表,它是存在于扩展分区的第一个扇区里,所以逻辑分区的个数最多也只能有512/16=32个,并不是想分多少个逻辑分区都可以。
    注意,我们所说的扩展分区也是要占用分区表项的。例如,如果我们的硬盘只划分一个主分区和一个逻辑分区,此时的分区表的排列如下:

       Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System

    /dev/sda1   *           1          19      152586   83  Linux

    /dev/sda2              20        2569    20482875   83  Extended

    /dev/sda5            2570        19457     4128705   82  Linux

    主分区为1号分区,扩展分区占用了2号分区,3和4号扩展分区被预留了下来,逻辑分区从5开始编号依次递增,这里我们只划分了一个逻辑分区。

     

     

     

     

    磁盘读写数据所花费的时间

    在了解了硬盘的基本原理之后,不难推算出,磁盘上数据读取和写入所花费的时间可以分为三个部分。

     

    1.寻道时间

    所谓寻道时间,其实就是磁臂移动到指定磁道所需要的时间,这部分时间又可以分为两部分:
    寻道时间=启动磁臂的时间+常数*所需移动的磁道数
    其中常数和驱动器的的硬件相关,启动磁臂的时间也和驱动器的硬件相关

     

     

     

    2.旋转延迟

    旋转延迟指的是把扇区移动到磁头下面的时间。这个时间和驱动器的转数有关,我们通常所说的7200转的硬盘的转就是这个。
    平均旋转延迟=1/(2*转数每秒)
    比如7200转的硬盘的平均旋转延迟等于1/2*120≈4.17ms
    旋转延迟只和硬件有关。

    3.传输时间
    传输时间指的是从磁盘读出或将数据写入磁盘的时间。
    这个时间等于:所需要读写的字节数/每秒转速*每扇区的字节数

     

     

     

     

     

    磁盘调度算法

    通过上面硬盘读写数据所分的三部分时间不难看出,大部分参数是和硬件相关的,操作系统无力优化。只有所需移动的磁道数是可以通过操作系统来进行控制的,所以减少所需移动的磁道数是减少整个硬盘的读写时间的唯一办法。

    因为操作系统内可能会有很多进程需要调用磁盘进行读写,因此合理的安排磁头的移动以减少寻道时间就是磁盘调度算法的目的所在,几种常见的磁盘调度算法如下。

     

     

     

     

     

    1.先来先服务算法(FCFS)

    这种算法将对磁盘的IO请求进行排队,按照先后顺序依次调度磁头。这种算法的特点是简单,合理,但没有减少寻道时间

     

     

     

     

    2.最短寻道时间算法(SSFT)

    这种算法优先执行所需读写的磁道离当前磁头最近的请求。这保证了平均寻道时间的最短,但缺点显而易见:离当前磁头比较远的寻道请求有可能一直得不到执行,这也就是所谓的“饥饿现象”。

     

     

     

     

    3.扫描算法(SCAN)

    这种算法在磁头的移动方向上选择离当前磁头所在磁道最近的请求作为下一次服务对象,这种改进有效避免了饥饿现象,并且减少了寻道时间。但缺点依然存在,那就是不利于最远一端的磁道访问请求。

     

     

     

     

    3.循环扫描算法(CSCAN)

    也就是俗称的电梯算法,这种算法是对最短寻道时间算法的改进。这种算法就像电梯一样,只能从1楼上到15楼,然后再从15楼下到1楼。这种算法的磁头调度也是如此,磁头只能从最里磁道到磁盘最外层磁道。然后再由最外层磁道移动到最里层磁道,磁头是单向移动的,在此基础上,才执行和最短寻道时间算法一样的,离当前磁头最近的寻道请求。这种算法改善了SCAN算法,消除了对两端磁道请求的不公平。

     

     

     

     

    其它优化手段以及SQL Server是如何利用这些手段

    除去上面通过磁盘调度算法来减少寻道时间之外。还有一些其它的手段同样可以利用,在开始之前,我首先想讲一下局部性原理。

     

     

     

     

    局部性原理

    所谓的局部性原理分为时间和空间上的。由于程序是顺序执行的,因此当前数据段附近的数据有可能在接下来的时间被访问到。这就是所谓的空间局部性。而程序中还存在着循环,因此当前被访问的数据有可能在短时间内被再次访问,这就是所谓的时间局部性原理。

    因此在了解了局部性原理之后,我们可以通过以下几个手段来减少磁盘的IO。

     

     

     

     

    提前读(Read-Ahead)

    提前读也被称为预读。根据磁盘原理我们不难看出,在磁盘读取数据的过程中,真正读取数据的时间只占了很小一部分,而大部分时间花在了旋转延迟和寻道时间上,因此根据空间局部性原理,SQL Server每次读取数据的时间不仅仅读取所需要的数据,还将所请求数据附近的数据进行读取。这在SQL Server中被称为预读。SQL Server通过预读可以有效的减少IO请求。

     

     

     

     

    延迟写(Delayed write)

    同样,根据时间局部性原理,最近被访问的数据有可能再次被访问,因此当数据更改之后不马上写回磁盘,而是继续放在内存中,以备接下来的请求读取或者修改,是减少磁盘IO的另一个有效手段,在SQL Server中,实现延迟写是buffer pool,当一个修改请求被commit之后,并不会立刻写回磁盘,而是将修改的页标记为“脏”,然后根据某种机制通过checkpoint或lazy writer写回磁盘,关于checkpoint和lazy writer的原理,可以参考我之前的文章:浅谈SQL Server中的事务日志(二)—-事务日志在修改数据时的角色.

     

     

     

     

    优化物理分布

     

     

    根据磁盘原理不难看出,如果所请求的数据在磁盘物理磁道之间是连续的,那么会减少磁头的移动距离,从而减少了寻道时间。因此相关的数据放在连续的物理空间上会减少寻道时间。SQL Server中,通过聚集索引使得数据根据主键在物理磁盘上连续,从而减少了寻道时间。

     

        文章转载自:https://blog.csdn.net/odeviloo/article/details/53708028

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