4.2 传统硬盘(课件）-《计算机组装与维修》同步教学（人民邮电版）

第4章 存储设备 第4章 存储设备 1 第4章 存储设备 存储器可分为主存储器（Main Memory，简称主存）和辅助存储器（Auxiliary Memory，简称辅存）。主存储器又称内存储器（简称内存），辅助存储器又称外存储器（简称外存）。外存通常是磁性介质（软盘、硬盘、磁带）或光盘，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息。 传统硬盘 第4章 存储设备 26 4.2 传统硬盘 传统硬盘 第4章 存储设备 27 4.2.1 硬盘的分类 微型计算机的硬盘可按盘径尺寸和接口类型进行分类 1． 按盘径尺寸分类 硬盘产品按内部盘片分有：5.25、3.5、2.5和1.8英寸，后两种常用于笔记本及部分袖珍精密仪器中，目前台式机中使用最为广泛的是3.5英寸的硬盘。 传统硬盘 第4章 存储设备 28 2． 按接口类型进行分类 硬盘与微机之间的数据接口，常用的是IDE接口和SATA接口硬盘。 （1）IDE接口硬盘 IDE（Integrated Drive Electronics）接口硬盘目前已逐渐被SATA接口硬盘所取代。IDE的本意是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器。ATA（Advanced Technology Attachment）是最早的IDE标准的正式名称，IDE接口的硬盘由早期的ATA、ATA-2、ATA-3发展到今天的Ultra ATA133和Ultra DMA133 ，而数据传输速率也由3.3 MB/s发展到133 MB/s。 传统硬盘 第4章 存储设备 29 IDE硬盘的背部接口如图所示。IDE硬盘与SATA硬盘最大的不同就是跳线，它是用来对硬盘的状态进行设置的。IDE接口的硬盘分为主盘（MASTER）和从盘（SLAVE）两种状态，一条数据线上能同时接一主一从两个设备，必须通过跳线进行正确的设置，否则这条数据线上的两个设备都不能正常工作。 传统硬盘 第4章 存储设备 30 （2）SATA接口硬盘 SATA（即Serial ATA）接口硬盘，即串行ATA，它是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘，是目前市场中的主流产品。SATA硬盘的背部接口如图所示。 传统硬盘 第4章 存储设备 31 4.2.2 传统硬盘的结构和工作原理 4.2.2.1 传统硬盘的结构 1． 外部结构 （1）固定面板 （2）控制电路板 （3）电源接口 （4）数据接口 传统硬盘 第4章 存储设备 32 2． 内部结构 （1）盘片和主轴组件 （2）浮动磁头组件 （3）磁头驱动机构 传统硬盘 第4章 存储设备 33 4.2.2.2 工作原理 硬盘驱动器的原理和我们日常使用的盒式录音机的原理十分相似。磁头负责读取以及写入数据。硬盘盘片布满了磁性物质，这些磁性物质可以被磁头改变磁极，利用不同磁性的正反两极来代表电脑里的0与1，起到数据存储的作用。 写入数据实际上是通过磁头对硬盘片表面的可磁化单元进行磁化，将二进制的数字信号以环状同心圆轨迹的形式，一圈一圈地记录在涂有磁介质的高速旋转的盘面上。读取数据时，把磁头移动到相应的位置读取此处的磁化编码状态，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据。 传统硬盘 第4章 存储设备 34 4.2.3 传统硬盘的主要参数和性能指标 1． 磁道和扇区 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。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产生相互影响，同时也为磁头的读写带来困难。硬盘上通常一面有几百甚至上千个磁道。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。 传统硬盘 第4章 存储设备 35 2． 磁头数（Heads） 硬盘的磁头数与硬盘体内的盘片数目有关，由于每一盘片均有两个磁面，每面都应有一个磁头，因此，磁头数一般为盘片数的两倍。 传统硬盘 第4章 存储设备 36 3． 柱面（Cylinders） 硬盘通常由重叠的一组盘片（盘片最多为14片，一般均在1-10片之间）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，称之为硬盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。 属于同一柱面的全部磁道同时在各自的磁头下通过，这意味着只需指定磁头、柱面和扇区，就能写入或读出数据。 硬盘系统在记录信息时将自动优先使用同一个或者最靠近的柱面，因为这样磁头组件的移动最少，既利于提高读写速度，也可减少运动机构的磨损。 传统硬盘 第4章 存储设备 37 4． 容量 格式化后硬盘的容量由3个参数决定：硬盘容量=磁头数×柱面数×扇区数×512 (字节)。硬盘的容量以GB或TB为单位，1TB=1024GB。但硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1T=1000GB，因此在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值要小。 5． 单碟容量 单碟容量就是硬盘盘体内每张磁碟的最大容量。每块硬盘内部有若干张盘片，所有盘片的容量之和就是硬盘的总容量。单碟容量越大，实现大容量硬盘也就越容易，寻找数据所需的时间也相对少一点。同时，单碟容量越大，硬盘的档次越高，性能越好，其故障率也越低，当然价格也越贵。 传统硬盘 第4章 存储设备 38 6．交错因子 假设扇区是围绕着磁道依次编号的，磁头读取扇区上的数据分为两个阶段：读出数据，读后处理 (即传送至硬盘缓冲区的过程)，当磁盘高速旋转，磁盘控制器读出1号扇区后准备转向2号扇区读数时，2号扇区的扇区头很有可能已经通过了磁头，使磁头停留在2号扇区的中部，甚至更远的地方。在这种情况下，磁盘控制器必须等待磁盘再次旋转一周，等2号扇区到达时才能读取上面的数据，从而造成磁头大部分时间都在等待，数据传输率极低。解决的办法是扇区不要顺序连续编号，使原来的3号扇区编号为2，以此类推。相邻两号扇区之间间隔的扇区数就是“交错因子”或称为“间隔系数”，交错因子是在硬盘低极格式化时设置的。 传统硬盘 第4章 存储设备 39 7． 转速 转速是指硬盘盘片每分钟转动的圈数，单位是rpm.。转速是决定硬盘内部传输率的决定因素之一，它的快慢在很大程度上决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志。硬盘的转速多为5400rpm、7200rpm、10000rpm和15000rpm。7200rpm的硬盘已经取代5400rpm的硬盘成为主流，10000rpm的硬盘多是面对高档用户的。 传统硬盘 第4章 存储设备 40 8． 平均访问时间 平均访问时间（Average Access Time）是指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。平均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括了硬盘的寻道时间和等待时间，即：平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间。 硬盘的平均寻道时间（Average Seek Time）是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间。这个时间当然越小越好。目前主流硬盘的平均寻道时间通常在9ms左右。 传统硬盘 第4章 存储设备 41 8． 平均访问时间 硬盘的等待时间，又叫潜伏期（Latency），是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。这个时间当然越小越好。对圆形的硬盘来说，潜伏时间最多是转一圈所需的时间，最少则为0（不用转），一般来说，平均等待时间多为旋转半圈所需时间。目前的硬盘转速多为7200r/min，故平均等待时间约等于（1/7200）×60×1000÷2＝4.2ms，依此类推，转速10000r/min的硬盘，平均等待时间为3.0 ms。 传统硬盘 第4章 存储设备 42 9． 传输速率 传输速率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输速度包括了内部数据传输率和外部数据传输率。 内部传输率也称为持续传输率，指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率，一般取决于硬盘的盘片转速和盘片数据线性密度 (指同一磁道上的数据间隔度)。 外部传输率（External Transfer Rate）也称为突发数据传输率（Burst Data Transfer Rate）或接口传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。目前采用SATA 2.0技术的硬盘，外部数据传输率可达300MB/s。 传统硬盘 第4章 存储设备 43 10． 缓存 缓存（Cache）的大小也是影响硬盘性能的一个重要指标。当硬盘接收到CPU指令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下一个或者数个簇中的数据读到缓存中（因为硬盘上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的时候，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，所以能够达到明显改善性能的目的。显然缓存容量越大，硬盘性能越好。目前，主流硬盘的缓存一般是8MB、16MB、32MB和64MB 。 传统硬盘 第4章 存储设备 44 11． 盘表面温度 指硬盘工作时产生的温度使硬盘密封壳温度上升的情况。这项指标厂家并不提供，一般只能在各种媒体的测试数据中看到。硬盘工作时产生的温度过高将影响磁头的数据读取灵敏度，因此硬盘工作表面温度较低的硬盘有更稳定的数据读、写性能。 12． MTBF (连续无故障时间) 指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间，单位是小时。一般硬盘的MTBF至少在30000小时以上。这项指标在一般的产品广告或常见的技术特性表中并不提供，需要时可专门上网到具体生产该款硬盘的公司网址中查询。 传统硬盘 第4章 存储设备 45 13． Ultra DSP (超级数字信号处理器) 应用Ultra DSP处理数学运算，其速度较一般CPU快10～50倍，MAXTOR在硬盘厂商中率先引入了此项技术，用于缩短硬盘的平均寻道时间，采用Ultra DSP技术，单个的DSP芯片可以同时提供处理器及驱动接口的双重功能，以减少其它电子元件的使用，可大幅度提高硬盘的速度可靠性。 传统硬盘 第4章 存储设备 46 14． 新型磁头技术 MR（Magneto-Resistive Head，磁阻磁头）技术可以实际记录更高的密度、数据，从而增加硬盘容量，提高数据吞吐率。 GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻磁头）与MR一样，是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据，但是GMR使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，比MR更为敏感，相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化，从而可以实现更高的存储密度。 传统硬盘 第4章 存储设备 47 15． 数据保护新技术 S.M.A.R.T即自动监测分析报告技术。这项技术使得硬盘可以监测和分析自己的工作状态和性能，并将其显示出来。用户可以随时了解硬盘的运行状况，遇到紧急情况时，可以采取适当措施，确保硬盘中的数据不受损失。采用这种技术以后，硬盘的可靠性得到了很大的提高。 Data Lifeguard（数据卫士）技术，西部数据用于硬盘数据保护与自动监测的技术，它利用硬盘空闲的时间对硬盘的数据进行安全性检查，并转移濒危数据。同时，可以通过外部专用工具软件对硬盘进行检测和诊断。数据卫士可以通过检测、隔离和修复硬盘上的故障区域，并可以主动的保护数据从而免遭丢失。 传统硬盘 第4章 存储设备 48 16 ． NCQ技术 SATA规范支持许多新的功能，其中之一就是NCQ（Native Command Queuing，全速命令排队）技术。它可以使硬盘内部优化工作负荷执行顺序，通过对内部队列中的命令进行重新排序实现智能数据管理，改善硬盘因机械部件而受到的各种性能制约。NCQ技术是SATA 2.0规范中的重要组成部分，也是唯一与硬盘性能相关的技术。 传统硬盘 第4章 存储设备 49 4.2.4 传统硬盘的选购 1． 按需选购硬盘 2． 发热及噪音问题 3． 超频问题 4． 保修问题 $$