第5章 外存储器 5.5（教案）-《计算机组装与维修》（电工版第4版）【上好课】

《第5章　5.5 固态硬盘》教案 课题 第5章　5.5 固态硬盘 课 型 新授课 课 时 2课时 授课班级 计算机应用及相关专业 授课时间 90mins 授课教师 ________ 教材分析 本节选自《计算机组装与维修》（电工版第4版）第5章 外存储器 5.5，对应教材印刷页 117—121；课后任务题源为教材习题5（印刷 127）第 5／6／7 题。知识目标是理解固态硬盘的技术特性、掌握各类固态硬盘的优点缺点和适用场景；能力目标是正确识别与使用各类固态硬盘、掌握机械硬盘和固态硬盘的本质区别、掌握各类固态硬盘与主板的配套兼容问题以及安装与拆卸操作。 （1）结构与定位：5.5 从“机械硬盘已到 7200rpm 极限”讲起，先给出固态硬盘的定义（Solid State Disk，SSD，采用半导体存储技术，由控制单元和存储单元组成），再按存储介质分为**基于 DRAM** 与**基于闪存**两类，然后按接口分述 **SATA、PCI-E、M.2、mSATA** 四种，并以**表5·1**给出 M.2 的规格，最后用金士顿 A400、HyperX Predator、三星 860 EVO、英睿达 P2、惠普 FX900 Pro、金士顿 MS200 等产品收束。本节是第5章的**收束与升级**：把 5.1—5.4 的机械硬盘知识对照到固态硬盘上，回答“为什么换了固态盘就快”。 （2）主线（教材原文）：转速到 7200rpm 已是极限，所以要另辟蹊径；固态硬盘的接口规范、功能用法与外形尺寸都与普通硬盘完全一致；存储介质有 DRAM 和闪存两种；SATA 3.0 理论带宽 6Gbps，机械盘约 100MB/s 而固态盘约 500MB/s；PCI-E 固态盘数据直接与 CPU 直连、省去了绕内存那一步；M.2 宽 22mm、单面 2.75mm、双面 3.85mm，分 socket 2（SATA／PCI-E×2，600/700MB/s）与 socket 3（NVMe，PCI-E 3.0×4 → 4000MB/s，PCI-E 4.0/5.0 → 8000MB/s）；mSATA 是标准 SATA 的迷你版。 （3）素材说明：本节教材**插图多达 7 张**（图5·11—图5·17）并含 **1 张表格（表5·1）**，是第5章素材最丰富的一节。按附加规则 K1，7 张图各用于教材确有图的那一页；**表5·1 按用户裁决以教材原表截图呈现**（不作重绘）。 学情分析 （1）知识储备：学生已在 5.1—5.4 学过机械硬盘的内外结构、三种接口、12 项性能指标、两家厂商与移动存储器；日常装机与选购中经常听到“换固态盘就快”，对 SSD 有感性认识。 （2）能力与困难：容易在四处出错——一是把“固态硬盘也走 SATA 接口”误认为“它还是机械盘”；二是把 DRAM 型与闪存型的特点搞反（前者要独立电源、后者不要）；三是把 M.2 的 socket 2 与 socket 3 混为一谈（协议与速度差别很大）；四是分不清 mSATA 与 M.2 的先后关系。教学对策：一张“机械盘 vs 固态盘”对照表、一张两种介质对照表、一张表5·1 规格表、一条“接口决定上限、介质决定特性”的主线。 教学目标 【知识目标】说出固态硬盘的定义、组成与英文缩写；说出它的两种存储介质及各自主特点；说出 SATA、PCI-E、M.2、mSATA 四种接口的定位与关键参数；说出 M.2 的两种类型与对应协议、速度档位；读出表5·1 的四档规格；说出四款代表产品的容量、协议与关键速度。 【能力目标】能区分机械硬盘与固态硬盘的本质差别；能按接口与协议判断一块固态硬盘的性能上限；能读懂表5·1 并据此判断产品档次；能说出各类固态硬盘与主板的配套与兼容要点。 【素养目标】建立“接口决定上限、介质决定特性”的判断框架（教师设计）；理解技术迭代背后的取舍——性能够用、价格合理、平台兼容，才是合适的方案（教师设计）。 教学重难点 【教学重点】固态硬盘的定义与组成；两种存储介质的特点；四种接口的定位与参数；M.2 的两种类型与速度档位；表5·1 的四档规格；四款代表产品的关键数据。 【教学难点】一是 DRAM 型与闪存型特点容易互换；二是 M.2 的 socket 2 与 socket 3 协议不同、速度差别大，容易混；三是“PCI-E 直连 CPU、省去绕内存”这条数据通路差异不易建立直观；四是 mSATA 与 M.2 的替代关系容易记反。 教学方法 读表法、对比辨析法（机械盘与固态盘、DRAM 型与闪存型、socket 2 与 socket 3）、参数解读法、技术演进梳理法、任务驱动法、小组合作法。以“给一台旧笔记本挑一块固态盘”为主线任务。 课前准备 教师准备：机房或教室（能上网）、课件、2.5 英寸固态硬盘与 M.2 固态硬盘实物各一块、一块拆开的机械硬盘、表5·1 挂图、7 张教材插图裁切图。学生准备：预习印刷页 117—121；复习 5.1—5.2 的硬盘结构与性能指标；记下自己所用计算机硬盘的类型与接口。 教学媒体 课件、投影设备、可联网机房、固态硬盘与机械硬盘实物、表5·1 挂图、四种接口对照挂图。 教学过程 教学环节 教师活动设计 学生活动设计 设计意图 活动一： 5.5 技术特性与两种存储介质 · 从 7200rpm 的极限到固态硬盘 【情境导入】同一台机器只换了一块盘，开机时间从 40 秒变成 8 秒。先不公布答案，请学生带着“换的是哪种盘、为什么能快这么多”看完本节。 讲清 5.5 的学习目标：理解固态硬盘的技术特性；掌握各类固态硬盘的优点、缺点和适用场景；正确识别与使用各类固态硬盘；掌握机械硬盘和固态硬盘的本质区别。 讲清引言的逻辑起点：传统的硬盘和移动硬盘都采用 IBM 公司的温彻斯特技术，特点是涂有磁性材料的金属盘片在密封的腔体内高速旋转；它们的读写速度很大程度上取决于转速的快慢，而 7200rpm 已经是硬盘正常工作的极限转速，所以想要得到更快的读写速度就要另辟蹊径。 讲清固态硬盘的定义：固态硬盘（Solid State Disk，SSD）是采用半导体存储技术，用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘，由控制单元和存储单元（Flash 芯片）组成；它的接口在规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘（SATA 接口硬盘）完全相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘完全一致；虽然目前成本较高，但是也正在逐渐普及；新一代的固态硬盘普遍采用 SATA 2.0 接口及 SATA 3.0 接口。 讲清两种存储介质：固态硬盘的存储介质有 DRAM 和闪存（Flash 芯片）两种。基于 DRAM 的固态硬盘采用 DRAM 作为存储介质，目前应用范围较窄；它仿效传统硬盘的设计，可以被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理；是一种高性能的存储器，而且使用寿命很长，美中不足的是它需要独立电源来保护数据安全，属于非主流的设备。 讲清基于闪存的固态硬盘：它采用 Flash 芯片作为存储介质，这是通常所说的固态硬盘；这种固态硬盘的数据读/写速度快，不需要单独供电，能适应各种环境，价格也在不断下降，很适合个人用户使用。 用一张两种介质对照表收束，并回到情境：换上的正是基于闪存的固态盘——没有盘片、不用等它转起来，所以快。 观察情境，写下自己对“为什么换盘就能快这么多”的判断依据，课末再回看。 写出传统硬盘采用的密封技术名称，以及 7200rpm 为什么成了极限。 写出固态硬盘的英文缩写、组成与接口兼容性。 写出固态硬盘的两种存储介质，并各列出两条特点。 完成“DRAM 型 vs 闪存型”对照表，并说出哪一种适合个人用户。 用“换盘提速”把整节课挂到“接口与介质”这条主线上。 从“7200rpm 是极限”切入，让固态硬盘的出现有必然性而不是硬记。 两种介质同口径对照，避免“要独立电源”这一点记反。 活动二： 四种接口与表5·1 规格 · SATA、PCI-E、M.2、mSATA 讲清四种常见接口：主流固态硬盘有 SATA 接口、PCI-E 接口、M.2 接口和 mSATA 接口等；这四种接口有什么不同、又适合什么样的平台使用，教材下面一一介绍。 讲清 (1) SATA 接口：它是目前应用最多的硬盘接口，SATA 3.0 最大的优势是技术成熟；普通 2.5 英寸的固态盘及机械盘都用它，理论带宽 6Gbps；机械盘约 100MB/s，固态盘约 500MB/s。 讲清金士顿 A400 系列：2017 年发布，面向大众市场；标称容量分别为 120GB、240GB、480GB；核心元件采用群联 Phison S11 主控芯片以及东芝原厂 TLC 闪存颗粒；三种容量的数据读取速度都是 500MB/s，写入速度分别是 320MB/s、350MB/s 和 450MB/s。结合图5·11 说明其外观。 讲清数据通路差异：老接口要把数据先读进内存、再交给 CPU 计算，算完反馈回内存、最后写入硬盘；而 PCI-E 固态盘的数据直接与 CPU 直连，省掉了绕内存这一趟，效率与速度都成倍提升。 讲清 (2) PCI-E 接口与代表产品：早期它是为没有 M.2 接口的主板做的“应急”升级方案；金士顿 HyperX Predator 采用 PCI-E 2.0×4，读写达 1400MB/s 和 1000MB/s，性能远超 SATA 产品；发烧级主板上还兴起了加装拓展卡，微星 Creator TRX40 的拓展卡可同时加装 4 个 PCI-E 4.0 的 M.2 盘、实现高规格磁盘阵列，是占满 16 通道的长卡。结合图5·12、图5·13 说明。 讲清 (3) M.2 接口并读表5·1：M.2 是 Intel 推出的一种替代 mSATA 的接口规范；采用它的固态硬盘尺寸小巧，宽 22mm、单面 2.75mm、双面 3.85mm；它分 socket 2（B key—NGFF）与 socket 3（M key—NVMe）两型，协议完全不同、性能差别很大：前者支持 SATA 或 PCI-E×2，理论读写 600MB/s 或 700MB/s；后者支持 NVMe、经 PCI-E 总线传输，早期 PCI-E 3.0×4 达 4000MB/s，随着 PCI-E 4.0 和 5.0 普及，8000MB/s 的产品也陆续面市。表5·1 给出接口、通信协议、数据通道（总线）、读速（理论/实际）与写速（实际）四行数据。 讲清 (4) mSATA 接口：为适应超极本这类超薄设备，mSATA（mini SATA）接口应运而生；它是标准 SATA 接口的 mini 版本，物理接口与 mini PCI-E 一样；金士顿 MS200 采用 MLC 闪存，写入可达 530MB/s，适合升级旧笔记本。结合图5·17 说明。 写出四种主流固态硬盘接口的名称，并各写一句定位。 写出 SATA 3.0 的理论带宽，以及机械盘与固态盘各自的读写速度量级。 写出金士顿 A400 的发布年份、三种容量、主控与闪存来源，以及读/写速度。 用一句话说明 PCI-E 固态盘为什么比 SATA 固态盘快。 写出 M.2 的宽度与两种厚度、两种类型的名称与协议，并读表5·1 写出 socket 3 在 PCI-E 4.0 通道下的理论读速与实际读速。 写出 mSATA 与标准 SATA、mini PCI-E 的关系。 按“应用最多 → 直连 CPU → 尺寸小巧 → 迷你版”的顺序串起四种接口，形成演进感。 把表5·1 当作工具表来读，让“协议＋通道决定速度上限”落到数字上。 用“旧笔记本升级”这一真实场景引出 mSATA，避免孤立记忆。 活动三： 代表产品与选购 · 四款产品与结束语 讲清三星 860 EVO：定位于消费级市场，可以满足日常生活、办公等应用需求；尺寸采用 2280 标准尺寸（即 22mm×80mm），支持 SATA 传输协议，官方标称最大数据读取速度超过 550MB/s。结合图5·14 说明。 讲清英睿达 P2 1TB：是一款 QLC 固态硬盘，采用美光原厂的 96 层 3D QLC NAND 闪存，以及群联 PS5013-E13T 主控芯片；闪存接口速度为 800MT/s，最高顺序读写速度分别可达 2400MB/s 和 2100MB/s；该主控内置 SRAM 嵌入缓存，支持 HMB 缓冲技术，可以直接将系统内存作为动态缓存使用，不再需要单独的 DRAM 缓存，并提供 5 年质保。结合图5·15 说明。 讲清 PCI-E 4.0 成为标配的过程：AMD 公司基于 Zen 2 架构的第 3 代锐龙处理器把 PCI-E 4.0 规范带进了消费级平台；随着 Intel 公司第 12 代酷睿处理器的发布，支持 PCI-E 4.0 规范的固态硬盘变成了标配，诸多品牌厂商都发布了相应存储方案。 讲清惠普 FX900 Pro：是一款旗舰级 PCI-E 4.0 固态硬盘，基于 PCI-E 4.0 规范设计；官方数据显示数据读取速率可达 7400MB/s，几乎是 PCI-E 4.0 总线的速度极限（PCI-E 4.0 总线的可用传输带宽大约是 7.5GB/s）；1TB 容量价格在 1000 元以内，2TB 容量价格不到 2000 元，性价比较高。结合图5·16 说明。 讲清结束语并落到素养（教师设计）：如今是 M.2 接口固态硬盘大展宏图的时代，性能落后、外观与尺寸不理想的 SATA 接口或 mSATA 接口固态硬盘逐渐被人们冷落甚至放弃；接口决定上限、介质决定特性——性能够用、价格合理、平台兼容，才是合适的方案。 用一张“四款产品对照表”收束本节，并请学生完成主线任务：给一台只有 SATA 接口的旧笔记本挑一块固态盘，说明选哪一款、为什么。 写出三星 860 EVO 的定位、尺寸规格、协议与最大读取速度。 写出英睿达 P2 的闪存类型、主控型号、读写速度与质保年限。 说出把 PCI-E 4.0 带进消费级平台的是哪一家的哪一代产品。 写出惠普 FX900 Pro 的档次、读取速率与总线可用带宽。 完成主线任务：为只有 SATA 接口的旧笔记本挑一块固态盘并说明理由。 四款产品覆盖“入门 SATA／入门 NVMe／旗舰 PCI-E 4.0／老平台 mSATA”四类需求。 用“总线带宽是上限”把惠普 FX900 Pro 的 7400MB/s 讲成必然，而不是孤立数字。 收束到选购判断，让本节知识落到可执行的决策上。 课堂练习 1. 活动一结束后完成单项选择题第 1—7 题，限时完成、同桌交换批改，并说出每题的依据。 2. 活动二结束后完成单项选择题第 8—15 题，要求在题旁写出对应的接口名称与关键参数。 3. 活动三结束后完成判断题第 16—25 题，写出判断依据，重点订正两种介质的特点、M.2 两种类型的协议、以及各款产品的关键数值。 4. 教师针对“介质特点互换”“socket 2 与 socket 3 混淆”“数值串位”“mSATA 与 M.2 先后颠倒”四类共性错误集中讲评。 课堂小结 1. 回扣主线：7200rpm 的极限 → 固态硬盘的定义与组成 → 两种存储介质 → 四种接口 → 表5·1 规格 → 四款代表产品 → 选购判断。 2. ①为什么要固态：传统硬盘与移动硬盘都采用温彻斯特技术，读写速度很大程度取决于转速，而 7200rpm 已是极限转速，想更快就要另辟蹊径。 3. ②固态硬盘是什么：固态硬盘（Solid State Disk，SSD）采用半导体存储技术，由控制单元和存储单元（Flash 芯片）组成；接口在规范、功能及使用方法上与普通硬盘完全相同，外形尺寸也完全一致；存储介质有 DRAM 和闪存两种。 4. ③两种介质：基于 DRAM 的性能高、寿命长，但要独立电源保护数据，应用范围窄、属非主流；基于闪存的读写快、不需单独供电、能适应各种环境、价格不断下降，很适合个人用户。 5. ④四种接口：SATA 应用最多、技术成熟，理论带宽 6Gbps；PCI-E 固态盘与 CPU 直连，省去绕内存那一步；M.2 宽 22mm、单面 2.75mm、双面 3.85mm，分 socket 2（B key—NGFF）与 socket 3（M key—NVMe）；mSATA 是标准 SATA 的迷你版。 6. ⑤规格与产品：socket 2 支持 SATA 或 PCI-E×2（600/700MB/s）；socket 3 支持 NVMe（PCI-E 3.0×4 → 4000MB/s，PCI-E 4.0/5.0 → 8000MB/s）；表5·1 给出四档理论/实际读速与写速；三星 860 EVO 是消费级 2280 SATA 盘（读取超 550MB/s），英睿达 P2 是 QLC NVMe 盘（2400/2100MB/s、HMB、5 年质保），惠普 FX900 Pro 是旗舰级 PCI-E 4.0 盘（读取 7400MB/s）。素养落点（教师设计）：接口决定上限、介质决定特性；性能够用、价格合理、平台兼容才是合适的方案。 课后作业 1. 习题5 第 5 题：固态硬盘和传统机械硬盘相比有哪些特性？要求从介质、读写速度、抗震性、功耗与价格五个方面逐条作答。 2. 习题5 第 6 题：固态硬盘的存储介质有哪两种？各写出两条特点。 3. 习题5 第 7 题：固态硬盘常见的接口有哪些？各写一句定位与一个关键参数。 4. 观察任务：查看自己所用计算机硬盘的类型与接口（机械盘还是固态盘、SATA 还是 M.2），并说明如果升级该选哪一种。 板书设计 第5章　5.5 固态硬盘 一、为什么要固态：温彻斯特技术 → 读写速度取决于转速 → 7200rpm 已是极限 → 另辟蹊径 二、固态硬盘（SSD）：半导体存储技术；控制单元 ＋ 存储单元（Flash 芯片） 　★接口规范、功能用法、外形尺寸与普通硬盘完全一致；新一代普遍用 SATA 2.0／3.0 　★存储介质两种：DRAM 型（高性能、寿命长、需独立电源、非主流）｜闪存型（读写快、不需单独供电、适应环境、适合个人） 三、四种接口 　★SATA：应用最多、技术成熟；2.5 英寸；带宽 6Gbps；机械盘 100MB/s vs 固态盘 500MB/s 　★PCI-E：数据直接与 CPU 直连，省去绕内存；HyperX Predator PCI-E 2.0×4 → 1400/1000MB/s 　★M.2：Intel 推出、替代 mSATA；宽 22mm、单面 2.75mm、双面 3.85mm 　　socket 2（B key—NGFF）→ SATA 或 PCI-E×2 → 600/700MB/s 　　socket 3（M key—NVMe）→ PCI-E 3.0×4 → 4000MB/s；PCI-E 4.0/5.0 → 8000MB/s 　★mSATA：mini SATA、超极本；物理接口与 mini PCI-E 一样；MS200 写入 530MB/s 四、表5·1 四档：读速理论/实际 600/550、2000/1500、4000/3400、8000/6000；写速 500、1300、3000、5200 五、代表产品：三星 860 EVO（2280、SATA、读取超 550）｜英睿达 P2（QLC、HMB、2400/2100）｜惠普 FX900 Pro（旗舰 PCI-E 4.0、读取 7400） 六、素养（教师设计）：接口决定上限、介质决定特性；性能够用、价格合理、平台兼容 教学评价 知识：能否说出固态硬盘的定义、组成与两种存储介质；能否说出四种接口的定位与关键参数；能否说出 M.2 的两种类型、协议与速度档位；能否读出表5·1 的四档规格；能否说出四款代表产品的关键数据；同步练习的正确率。 能力与素养：能否区分机械硬盘与固态硬盘的本质差别；能否按接口与协议判断性能上限；能否为指定平台选出合适的固态硬盘并说明理由；是否建立“接口决定上限、介质决定特性”的判断框架。 教学反思 课后记录：两种介质特点题的正确率是多少？M.2 两种类型题的正确率是多少？表5·1 数值题的正确率是多少？四款产品参数题的正确率是多少？ 学生是否容易把 socket 2 与 socket 3 混为一谈？固态硬盘实物是否够用？下次是否安排一次“按平台给三块固态盘排序并说明理由”的小组活动？ 精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $