權(quán)少亭 周慧寧 商歡 李超 燕昊 何娜

摘要：硬盤作為計(jì)算機(jī)最主要的存儲(chǔ)設(shè)備，技術(shù)指標(biāo)在不斷地變化和發(fā)展更新，近幾年更是出現(xiàn)了突破傳統(tǒng)硬盤技術(shù)的固態(tài)硬盤產(chǎn)品，該文從硬盤的結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)、數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)、工作原理等方面逐一介紹，對(duì)比了不同硬盤的優(yōu)缺點(diǎn)，通過對(duì)硬盤數(shù)據(jù)傳輸性能的實(shí)測分析，探討了優(yōu)化使用不同硬盤；提高硬盤傳輸速率的方法，給出了硬盤使用過程中的注意事項(xiàng)，最終達(dá)到合理使用硬盤，保證數(shù)據(jù)安全的目的。

關(guān)鍵詞：硬盤；數(shù)據(jù)信息；技術(shù)參數(shù)；傳輸速率；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）20-0217-02

隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)用戶數(shù)量不斷增加，計(jì)算機(jī)應(yīng)用日益廣泛，硬盤作為計(jì)算機(jī)的主要組成部件和存放用戶數(shù)據(jù)信息的基地，其重要性不言而喻，因此了解硬盤的結(jié)構(gòu)和工作原理，合理使用硬盤，才能充分發(fā)揮硬盤的性能，有效保證數(shù)據(jù)安全，使計(jì)算機(jī)更好地服務(wù)于用戶。

1 硬盤概述

硬盤是計(jì)算機(jī)最為重要的存儲(chǔ)設(shè)備，存放著用戶所有的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬盤本身，同時(shí)硬盤又是計(jì)算機(jī)的主要組成部分，其性能的好壞直接影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和用戶的操作體驗(yàn)。

1.1 硬盤分類及結(jié)構(gòu)

硬盤按照其工作形式的不同分為兩種，機(jī)械硬盤HDD（Hard Disk Drive）和固態(tài)硬盤SSD（Solid State Drive）。機(jī)械硬盤即傳統(tǒng)的普通硬盤，主要由盤片、盤片轉(zhuǎn)軸、磁頭組件、磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制電路組成。固態(tài)硬盤類似于U盤技術(shù)，全電子結(jié)構(gòu)，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，采用集成電路存儲(chǔ)技術(shù)，由控制單元和存儲(chǔ)單元組成。

1.2 硬盤的接口方式

硬盤接口是硬盤與計(jì)算機(jī)主板的連接部件，作用是在硬盤緩存和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，硬盤接口直接決定著程序運(yùn)行速度和系統(tǒng)性能，隨著硬盤技術(shù)的發(fā)展，硬盤的接口也在不斷地變化，主要有IDE、SATA、SCSI、SAS幾種[3]。

IDE接口，Integrated Device Electronics，即電子集成驅(qū)動(dòng)器，是指把控制器與盤體集成在一起的硬盤驅(qū)動(dòng)器，俗稱并口，使用一根40芯的扁平電纜連接硬盤與主板，在硬盤外部傳輸速度最快可達(dá)133MB/S，隨著接口技術(shù)的發(fā)展，目前此類型的硬盤接口已經(jīng)被淘汰。

SATA接口，Serial Advanced Technology Attachment，又稱串行接口，SATA總線使用嵌入式時(shí)鐘信號(hào)，具備更強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕薪涌诮Y(jié)構(gòu)簡單，支持熱插拔，是現(xiàn)在計(jì)算機(jī)硬盤主流的接口類型。SATA1.0定義的數(shù)據(jù)傳輸速率為150MB/S；SATA2.0和3.0分別為300MB/S、600MB/S，三種接口外觀一樣，向下完全兼容，只有硬盤接口和主板接口同時(shí)滿足，硬盤才能獲得最佳的讀取速度，這點(diǎn)在固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)傳輸中有明顯差異。機(jī)械硬盤由于內(nèi)部數(shù)據(jù)讀取存在瓶頸，三種接口的傳輸速率幾乎一樣。

SCSI接口，Small Computer System Interface，即小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口，一種連接計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備的接口，支持硬盤、光驅(qū)、掃描儀等多種設(shè)備，SCSI硬盤配合專用的SCSI接口卡使用，由于其良好的性能，在服務(wù)器和工作站上被普遍采用。

SAS接口，Serial Attached SCSI，即串行SCSI，是一種新型的磁盤接口，SAS接口結(jié)合了SATA和SCSI兩者的優(yōu)勢，兼容SATA接口硬盤，具有更高的數(shù)據(jù)傳輸性能，擴(kuò)展性和可靠性，是現(xiàn)階段服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備的主流接口。

1.3 硬盤的技術(shù)指標(biāo)

硬盤轉(zhuǎn)速（Spindle Speed），是硬盤內(nèi)電機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)速度，即硬盤盤片在一分鐘內(nèi)完成的最大轉(zhuǎn)數(shù)，硬盤轉(zhuǎn)速是硬盤主要的性能參數(shù)，以每分鐘多少轉(zhuǎn)來表示，單位RPM，Revolutions Per minute的縮寫，轉(zhuǎn)速越大，等待時(shí)間就越短，硬盤性能就越好。一般普通機(jī)械硬盤的轉(zhuǎn)速為5400RPM、7200RPM；服務(wù)器硬盤的轉(zhuǎn)速為10000RPM、15000RPM；固態(tài)硬盤由于沒有電機(jī)，所以不存在轉(zhuǎn)速的屬性，如果按平均尋道時(shí)間衡量，相當(dāng)于6～7萬轉(zhuǎn)的硬盤。

硬盤緩存（Cache），緩存是為了平衡高速設(shè)備和低速設(shè)備之間的速度差異而存在的，它是硬盤與外部總線交換數(shù)據(jù)的場所，是兩者之間的緩沖器，具有極快的存取速度，由于硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度和外部總線的傳輸速度不同，緩存起到了內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠胶庾饔茫彺娴拇笮≈苯雨P(guān)系到硬盤的傳輸速度，能夠大幅度提高硬盤的整體性能，但也不是越大越好，由于緩存機(jī)制和算法的限制，緩存過大硬盤性能非但不能提高，反而會(huì)降低硬盤讀取數(shù)據(jù)的命中率，導(dǎo)致硬盤讀取速度不穩(wěn)定。例如一般容量為1TB，轉(zhuǎn)速為7200RPM的機(jī)械硬盤，緩存64MB就已經(jīng)足夠了。

硬盤數(shù)據(jù)傳輸速率（Data Transfer Rate），包括外部數(shù)據(jù)傳輸速率（External Transfer Rate，又稱突發(fā)傳輸速率）和內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速率（Internal Transfer Rate）兩種，外部數(shù)據(jù)傳輸速率是指計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)總線從硬盤內(nèi)部緩存區(qū)中所讀取數(shù)據(jù)的最大速率，是外部設(shè)備和硬盤之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，由總線速度和硬盤接口類型決定。內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速率是指硬盤與緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，是硬盤整體性能的關(guān)鍵指標(biāo)，比如硬盤本身不同分區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，取決于硬盤轉(zhuǎn)速和盤片的線性密度。ATA100中的100就代表這塊硬盤的外部數(shù)據(jù)傳輸速率理論值是100MB/S，由于目前主流的計(jì)算機(jī)機(jī)械硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速率為70-90MB/S，而且連續(xù)工作時(shí)可能更低，所以機(jī)械硬盤的傳輸瓶頸還在內(nèi)部傳輸速率上。隨著硬盤技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)硬盤又受到外部數(shù)據(jù)傳輸速率的限制，為了充分發(fā)揮固態(tài)硬盤性能，又要與傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤接口兼容通用，出現(xiàn)了SATA3.0接口，還有傳輸速率更大的M.2、U.2、PCI-E等接口類型。

1.4 硬盤數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)

S.M.A.R.T（Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology），自我監(jiān)測、分析及報(bào)告技術(shù)，是在硬盤系統(tǒng)保留區(qū)內(nèi)，由硬盤廠商寫入的內(nèi)部管理程序。通過硬盤上的監(jiān)測指令和主機(jī)上的監(jiān)測軟件對(duì)硬盤各個(gè)組件的運(yùn)行情況、歷史記錄及預(yù)設(shè)的安全值進(jìn)行對(duì)比分析。若監(jiān)控情況超出預(yù)設(shè)的預(yù)設(shè)值的安全范圍，就可以通過主機(jī)的監(jiān)控硬件或軟件自動(dòng)向用戶做出警告并進(jìn)行輕微的自動(dòng)修復(fù)，可以對(duì)硬盤數(shù)據(jù)提供有效的保護(hù)，并且能夠預(yù)先告警讓用戶及時(shí)更換硬盤，以減少數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。

SPS（Shock Protection System），震動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，在硬盤受到撞擊時(shí)，保持磁頭不受震動(dòng)，使磁頭和磁頭臂停泊在盤片上，沖擊能量被硬盤其他部分吸收，這樣能有效地提高硬盤的抗震性能，使硬盤在運(yùn)輸、使用及安裝的過程中最大限度地免受震動(dòng)的損壞。

2 硬盤工作原理

機(jī)械硬盤采用磁介質(zhì)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，盤片表面涂有磁性介質(zhì)，在盤片的存儲(chǔ)面上有一個(gè)磁頭，磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí)與盤片并未發(fā)生接觸，兩者之間的距離比頭發(fā)絲的直徑還小，在這種狀態(tài)下，磁頭不會(huì)與盤片發(fā)生磨損，同時(shí)可達(dá)到讀取數(shù)據(jù)的目的[1]。磁頭關(guān)聯(lián)在一個(gè)磁頭控制器上，由磁頭控制器負(fù)責(zé)磁頭的運(yùn)動(dòng)。磁頭可沿盤片的半徑方向運(yùn)動(dòng)，加上盤片每分鐘幾千轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)，磁頭就可以定位在盤片的指定位置上進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。

固態(tài)硬盤采用全芯片存儲(chǔ)，存儲(chǔ)單元負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，控制單元負(fù)責(zé)讀取、寫入數(shù)據(jù)。由于固態(tài)硬盤沒有普通硬盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，因而系統(tǒng)能夠在低于1ms的時(shí)間內(nèi)對(duì)任意位置存儲(chǔ)單元完成輸入/輸出操作。固態(tài)硬盤也不存在機(jī)械硬盤的尋道問題，當(dāng)CPU要讀取或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，接口電路把CPU發(fā)來的信息翻譯成地址碼（對(duì)應(yīng)機(jī)械硬盤是控制電機(jī)、磁頭動(dòng)作），然后定位，進(jìn)行讀寫。由于沒有了磁頭、盤片這類機(jī)械結(jié)構(gòu)，固態(tài)硬盤在尋道上幾乎是即時(shí)響應(yīng)。

3 硬盤數(shù)據(jù)傳輸性能

3.1 兩種硬盤的優(yōu)缺點(diǎn)

固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)讀取速度快，是機(jī)械硬盤的3～5倍，可達(dá)到500M/S左右，抗震能力強(qiáng)、功耗低、運(yùn)行聲音小、發(fā)熱量少，其結(jié)構(gòu)決定了不會(huì)發(fā)生機(jī)械故障，工作溫度范圍大，大多數(shù)固態(tài)硬盤可在-10℃～70℃范圍內(nèi)工作，體積小、重量輕，但是固態(tài)硬盤有寫入次數(shù)的限制，容量小，普遍在64GB-512GB之間， 價(jià)格明顯高于機(jī)械硬盤，固態(tài)硬盤由于沒有機(jī)械部件，不會(huì)發(fā)生機(jī)械故障，但電路損壞或數(shù)據(jù)刪除后，數(shù)據(jù)無法恢復(fù)。相比于固態(tài)硬盤，機(jī)械硬盤的容量大，基本在500GB-4TB之間，價(jià)格便宜，寫入次數(shù)無限制，機(jī)械硬盤發(fā)生故障，可借助數(shù)據(jù)恢復(fù)軟件讀取磁層柱面信息來恢復(fù)數(shù)據(jù)。由于存在馬達(dá)轉(zhuǎn)速的瓶頸因素，數(shù)據(jù)讀取性能低，功耗大，運(yùn)行噪音大，發(fā)熱明顯，不能受外界沖壓、擠壓或震動(dòng)，攜帶不方便。

3.2 硬盤數(shù)據(jù)傳輸性能測試

為了分析影響硬盤傳輸性能的因素，消除數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，提升硬盤數(shù)據(jù)的讀寫速度，通過對(duì)不同硬盤在不同連接方式下的數(shù)據(jù)讀取速度進(jìn)行實(shí)測，測試的配置信息如下，得到的結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

主機(jī)型號(hào)：聯(lián)想啟天M4500，主板接口SATA3.0（紅色），SATA2.0（橙色）。

機(jī)械硬盤：西部數(shù)據(jù)500GB，接口SATA 6GB/S，緩存16M，轉(zhuǎn)速7200rpm。

固態(tài)硬盤：金士頓240GB，接口SATA 6GB/S。

操作系統(tǒng)：Windows7-64位旗艦版。

測試軟件：硬盤/固態(tài)硬盤實(shí)用程序HD Tune Pro5.70。

根據(jù)測試得出的結(jié)果數(shù)據(jù)，機(jī)械硬盤在不同的主板接口類型和SATA模式下，由于硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度的限制，平均數(shù)據(jù)傳輸速率的變化不大，都保持在90MB/S左右，但在主板SATA3.0接口上，突發(fā)傳輸速率表現(xiàn)更優(yōu)秀。固態(tài)硬盤在主板SATA3.0接口；AHCI模式下的平均數(shù)據(jù)傳輸速率最高達(dá)到387.9MB/S，存取時(shí)間與機(jī)械硬盤相比差異明顯，SATA模式對(duì)固態(tài)硬盤的數(shù)據(jù)傳輸速度有微弱的影響。固態(tài)硬盤比機(jī)械硬盤的平均數(shù)據(jù)傳輸速度提高約3倍以上，在使用固態(tài)硬盤時(shí)需要特別注意主板接口類型、SATA模式設(shè)置、選用高質(zhì)量的SATA線纜，這樣才能消除傳輸瓶頸，充分發(fā)揮出硬盤本身的讀寫性能。

4 硬盤應(yīng)用注意事項(xiàng)

硬盤讀寫過程中的微弱震動(dòng)、突然斷電都可能導(dǎo)致硬盤的意外損壞，尤其是機(jī)械硬盤，所以硬盤工作時(shí)盡量避免磕碰震動(dòng)。要養(yǎng)成正確的關(guān)機(jī)習(xí)慣，硬盤處于工作狀態(tài)時(shí)不要強(qiáng)行掉電或關(guān)機(jī)，等硬盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，指示燈熄滅后再關(guān)閉電源。硬盤存放的物理環(huán)境應(yīng)該干燥通風(fēng)，遠(yuǎn)離灰塵，避免溫度過高或濕度過大[2]。固態(tài)和機(jī)械硬盤的使用壽命大約5年，超過年限后發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)較大，為防止硬盤損壞引起的數(shù)據(jù)丟失，可定期對(duì)硬盤數(shù)據(jù)進(jìn)行備份操作，并妥善保管備份介質(zhì)，也可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行硬盤數(shù)據(jù)的備份。

硬盤工作中如果有異響；或出現(xiàn)藍(lán)屏死機(jī)、應(yīng)用程序無響應(yīng)的情況，應(yīng)立即停止使用查明原因，并做好數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，對(duì)硬盤定期進(jìn)行碎片整理操作，可提高硬盤的訪問速度，延長硬盤壽命。

權(quán)衡機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤的利弊，可以使用SSD+HDD的混合硬盤存儲(chǔ)方案[4]，固態(tài)硬盤作為主盤，安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，機(jī)械硬盤作為從盤，存儲(chǔ)用戶重要數(shù)據(jù)，兼顧兩者優(yōu)勢，在帶來速度體驗(yàn)的同時(shí)，也能夠提供大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，同時(shí)也能有效的保證數(shù)據(jù)的安全性。

5 結(jié)束語

硬盤技術(shù)的發(fā)展，帶來了產(chǎn)品的迭代更新和性能的不斷突破，或許在不久的將來，機(jī)械硬盤會(huì)像軟盤、磁帶一樣消失在人們的視線中。不管是企業(yè)還是個(gè)人計(jì)算機(jī)，在充分了解不同硬盤工作原理和性能的同時(shí)，養(yǎng)成良好的操作使用習(xí)慣，關(guān)注硬盤的健康狀態(tài)，優(yōu)化應(yīng)用硬盤，最大限度發(fā)揮出硬盤的性能，當(dāng)硬盤出現(xiàn)故障征兆時(shí)，及時(shí)采取保護(hù)措施，盡可能挽救硬盤中的數(shù)據(jù)。

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