硬盤(pán)的基礎(chǔ)知識(shí)

　　在構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的積木當(dāng)中，硬盤(pán)的地位可以說(shuō)是干系重大，因?yàn)椴徽撃愕腃PU或內(nèi)存的速度有多快，它們的絕大多數(shù)的指令和數(shù)據(jù)都來(lái)源于硬盤(pán)。硬盤(pán)的另一個(gè)特殊的作用就是作為所有應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)的載體。

　　十幾年來(lái)，硬盤(pán)就一直是存儲(chǔ)介質(zhì)的中堅(jiān)力量，雖然無(wú)論是容量還是性能方面都有了翻天覆地的變化，但是現(xiàn)在它作為個(gè)人電腦的主要存儲(chǔ)設(shè)備的地位依然不可動(dòng)搖。今天，微電子、物理和機(jī)械等各領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)被不斷地應(yīng)用到新型硬盤(pán)的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)中，硬盤(pán)的容量也在幾個(gè)月間就能翻一番。

　　你如果再買(mǎi)個(gè)硬盤(pán)或者你打算自己動(dòng)手DIY一臺(tái)新電腦，正在準(zhǔn)備裝個(gè)好硬盤(pán)。當(dāng)你看完本章后，你一定會(huì)成為一個(gè)專(zhuān)家。

　　

　　第一節(jié) 硬盤(pán)基礎(chǔ)

　　

　　計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)主要由碟片、磁頭、磁頭臂、磁頭臂服務(wù)定位系統(tǒng)和底層電路板、數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)以及接口等組成。計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的技術(shù)指標(biāo)主要圍繞在盤(pán)片大小、盤(pán)片多少、單碟容量、磁盤(pán)轉(zhuǎn)速、磁頭技術(shù)、服務(wù)定位系統(tǒng)、接口、二級(jí)緩存等參數(shù)上。我們?cè)谶@里介紹一些和硬盤(pán)相關(guān)的技術(shù)知識(shí)，以便大家可以對(duì)硬盤(pán)更加了解，在挑選硬盤(pán)時(shí)更加胸有成竹。

　　

　　1．碟片和磁頭

　　硬盤(pán)的所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在碟片上，碟片是由硬質(zhì)合金組成的盤(pán)片。磁頭在和旋轉(zhuǎn)的碟片相接觸過(guò)程中，通過(guò)感應(yīng)碟片上磁場(chǎng)的變化來(lái)讀取數(shù)據(jù)。

　　在硬盤(pán)中，碟片的單碟容量和磁頭技術(shù)是相互制約、相互促進(jìn)的。硬盤(pán)的磁頭是用線圈纏繞在磁芯上制成的，最初的磁頭是讀寫(xiě)合一的，通過(guò)電流變化去感應(yīng)信號(hào)的幅度。對(duì)于大多數(shù)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，在與硬盤(pán)交換數(shù)據(jù)的過(guò)程中，讀操作遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于寫(xiě)操作，而且讀/寫(xiě)是兩種不同特性的操作，這樣就促使硬盤(pán)廠商開(kāi)發(fā)一種讀/寫(xiě)分離磁頭。在1991年，IBM提出了它基于磁阻（MR）技術(shù)的讀磁頭技術(shù)――各項(xiàng)異性磁

　　

　　阻技術(shù)（Anisotropic Magneto Resistive，AMR）,但是由于技術(shù)和市場(chǎng)等諸多原因，直到1997年AMR才真正成為市場(chǎng)的主流技術(shù)。目前，AMR技術(shù)可以支持3.3GB/平方英寸的記錄密度。隨著技術(shù)的發(fā)展，AMR技術(shù)磁頭已經(jīng)基本被比其靈敏度高2倍以上的GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）磁頭技術(shù)所取代。GMR磁頭是由4層導(dǎo)電材料和磁性材料薄膜構(gòu)成的：一個(gè)傳感層、一個(gè)非導(dǎo)電中介層、一個(gè)磁性的栓層和一個(gè)交換層。前3個(gè)層控制著磁頭的電阻。在栓層中，磁場(chǎng)強(qiáng)度是固定的,并且磁場(chǎng)方向被相臨的交換層所保持。而且自由層的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向則是隨著轉(zhuǎn)到磁頭下面的磁盤(pán)表面的微小磁化區(qū)所改變的，這種磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的變化導(dǎo)致明顯的磁頭電阻變化，在一個(gè)固定的信號(hào)電壓下面，就可以拾

　　取供硬盤(pán)電路處理的信號(hào)。希捷正在開(kāi)發(fā)的OAW（光學(xué)輔助溫式技術(shù)）是未來(lái)磁頭技術(shù)發(fā)展的方向，OAW技術(shù)可以在1英寸寬內(nèi)寫(xiě)入105000以上的磁道，單碟容量有望突破36GB。單碟容量的提高不僅可以提高硬盤(pán)總?cè)萘俊⒔档推骄鶎さ罆r(shí)間，又可以降低成本、提高性能，所以建議購(gòu)買(mǎi)時(shí)對(duì)單碟容量大的硬盤(pán)優(yōu)先考慮。現(xiàn)在主流硬盤(pán)的單碟容量大都在4GB～8GB之間，對(duì)于普通家庭用戶來(lái)講，選擇有2～3張碟片（即8GB～20GB）的硬盤(pán)是有著較高的性價(jià)比的，更低容量的硬盤(pán)不值得推薦。

　　除了磁頭技術(shù)的日新月異之外，磁記錄技術(shù)也是影響硬盤(pán)性能非常關(guān)鍵的一個(gè)因素。當(dāng)磁記錄密度達(dá)到某一程度后，兩個(gè)信號(hào)之間相互干擾的現(xiàn)象就會(huì)非常嚴(yán)重。為了解決這一問(wèn)題，人們?cè)谟脖P(pán)的設(shè)計(jì)中加入了PRML技術(shù)。所謂的PRML（局部響應(yīng)最大擬然，Partial Response Maximum Likelihood）讀取通

　　

　　道方式可以簡(jiǎn)單地分成兩個(gè)部分。首先是將磁頭從盤(pán)片上所讀取的信號(hào)加以數(shù)字化，并將未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)加以舍棄，而沒(méi)有將信號(hào)輸出。這個(gè)部分便稱為局部響應(yīng)。最大擬然部分則是拿數(shù)字化后的信號(hào)模型與PRML芯片本身的信號(hào)模型庫(kù)加以對(duì)比，找出最接近、失真度最小的信號(hào)模型，再將這些信號(hào)重新組合而直接輸出數(shù)據(jù)。使用PRML方式，不需要像脈沖檢測(cè)方式那樣高的信號(hào)強(qiáng)度，也可以避開(kāi)因?yàn)樾盘?hào)記錄太密集而產(chǎn)生的相互干擾的現(xiàn)象。

　　磁頭技術(shù)的進(jìn)步，再加上目前記錄材料技術(shù)和處理技術(shù)的發(fā)展，將使硬盤(pán)的存儲(chǔ)密度提升到每平方英寸10GB以上，這將意味著可以實(shí)現(xiàn)40GB或者更大的硬盤(pán)容量。

　　

　　2．接口技術(shù)

　　當(dāng)今主流硬盤(pán)的接口界面有兩種：EIDE（Enhanced Integrated Device Electronics，EIDE接口又稱ATAPI接口）和SCSI（Small Computer System Interface），當(dāng)然此外還有IEEE 1394、USB和FC-AL(FiberChannel-Arbitrated Loop)光纖通道接口的產(chǎn)品，只是很少見(jiàn)。接口技術(shù)和硬盤(pán)的主控制電路以及使用的傳輸協(xié)議均有關(guān)，是硬盤(pán)綜合技術(shù)的外部表現(xiàn)。現(xiàn)在普通家庭與商業(yè)用戶廣泛使用的還都是基于Ultra DMA/33（又稱UDMA/33）標(biāo)準(zhǔn)的EIDE接口的硬盤(pán)，它的優(yōu)勢(shì)在于性價(jià)比高、普及率廣。SCSI接口硬盤(pán)的優(yōu)勢(shì)是其在進(jìn)行多任務(wù)處理的時(shí)候，由于其讀寫(xiě)硬盤(pán)數(shù)據(jù)的協(xié)議相對(duì)IDE硬盤(pán)更加先進(jìn)，因此具有比較快的速度。但是SCSI接口硬盤(pán)需要專(zhuān)門(mén)的芯片來(lái)支持，一般這種芯片都制成了單獨(dú)的SCSI卡出售。SCSI硬盤(pán)的價(jià)格一般比普通的同容量IDE硬盤(pán)貴50％，還需要單獨(dú)的SCSI卡，故目前主

　　

　　要應(yīng)用在服務(wù)器、工作站領(lǐng)域，個(gè)人裝機(jī)較少用到，我們?cè)谶@里不作詳細(xì)討論。

　　近幾個(gè)月來(lái)，支持UDMA/66協(xié)議的EIDE接口硬盤(pán)、主板以及轉(zhuǎn)換卡等相關(guān)產(chǎn)品在市場(chǎng)上大量涌現(xiàn)出來(lái)。由于UDMA/66硬盤(pán)的速度增加了一倍，而價(jià)格只比原來(lái)UDMA/33硬盤(pán)的價(jià)格貴一二十元，因此UDMA/66從一出現(xiàn)起就顯出流行之勢(shì)。硬盤(pán)接口標(biāo)準(zhǔn)直接對(duì)應(yīng)于硬盤(pán)的最大外部數(shù)據(jù)傳輸率，即硬盤(pán)的高速緩沖與計(jì)算機(jī)之間的最高瞬時(shí)數(shù)據(jù)傳輸率。顧名思義，UDMA/66的數(shù)據(jù)率可達(dá)66MB/s,是UDMA/33的兩倍。UDMA/66接口還提高了傳輸數(shù)據(jù)的完整性，因?yàn)樗褂昧霜?dú)特的傳輸線和CRC(Cyclical Redundancy Check,循環(huán)冗余校驗(yàn))技術(shù)，原來(lái)的40針I(yè)DE電纜線變成了80針。它在40根IDE信號(hào)線與地線之間又增加了40根地線，因此也就有效地減低了信號(hào)之間的干擾現(xiàn)象，還能向下兼容。從技術(shù)角度來(lái)看，UDMA/66的硬盤(pán)只是在接口電路方面有所變化（但接口依然是40pin，與原來(lái)兼容），而在硬盤(pán)的機(jī)械部分同UDMA/33的產(chǎn)品是一樣的。

　　

　　

　　由于UDMA/66硬盤(pán)逐漸流行，因此很多主板、轉(zhuǎn)換卡生產(chǎn)廠家也紛紛推出相關(guān)產(chǎn)品來(lái)支持UDMA/66的硬盤(pán)。市場(chǎng)首先支持UDMA/66的主板芯片組是威盛的Apollo Pro 133。由于此芯片組是通過(guò)南橋芯片對(duì)IDE接口進(jìn)行控制的，幾乎沒(méi)有增加成本，但是由于在CPU的占用率上還沒(méi)有太大的降低，硬盤(pán)速度提高不明顯。同時(shí)由于Intel的原因，市場(chǎng)占有率最高的基于BX芯片組的主板本身是不支持UDMA/66的，很多主板廠商為了達(dá)到支持UDMA/66硬盤(pán)的目的，在主板上增加了一個(gè)專(zhuān)用的芯片。升技新發(fā)布的幾款支持UDMA/66的主板（如BE6）就是采用的是BX芯片組＋HighPoint HPT 366芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)UDMA/66的支持；技嘉的BX2000和微星的BX Master主板也有異曲同工之處，只不過(guò)采用了Promise公司的芯片。此外，這種芯片還可以作成單獨(dú)的UDMA/66卡，直接插在PCI槽上，讓不支持UDMA/66的主板能完全發(fā)揮UDMA/66硬盤(pán)的速度。目前市場(chǎng)上這種卡有兩種：一個(gè)是升技的Hot Rod 66卡，另一個(gè)是Promise的轉(zhuǎn)換卡。

　　

　　

　　

　　

　　3．主軸轉(zhuǎn)速

　　轉(zhuǎn)速是硬盤(pán)內(nèi)部傳輸率的決定因素之一，也是區(qū)別硬盤(pán)檔次的重要標(biāo)志。如今主流硬盤(pán)的轉(zhuǎn)速多為5400rpm（轉(zhuǎn)/分鐘）、7200rpm和10000rpm。7200轉(zhuǎn)的硬盤(pán)已經(jīng)成為主流，但5400rpm的硬盤(pán)仍具有性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。我們?cè)谫?gòu)買(mǎi)硬盤(pán)的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)，硬盤(pán)的速度每提升一個(gè)檔次，其價(jià)格往往會(huì)增加20％左右，當(dāng)然其性能也會(huì)有所提高。

　　

　　4．緩存

　　緩存（Cache）是硬盤(pán)與外部總線交換數(shù)據(jù)的場(chǎng)所。硬盤(pán)的讀過(guò)程是經(jīng)過(guò)磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，通過(guò)緩存的一次次填充與清空、再填充、再清空才一步步地按照PCI總線周期送出去，所以緩存的作用不容小視，緩存的容量與速度直接關(guān)系到硬盤(pán)的傳輸速度。緩存為靜態(tài)存儲(chǔ)器，與我們認(rèn)識(shí)的內(nèi)存（動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器）不同，無(wú)須定期刷新，它的容量有128KB、256KB、512KB，甚至2MB等規(guī)格。緩存是一些高速的DRAM，類(lèi)型為EDO DRAM或SDRAM，有寫(xiě)通式和回寫(xiě)式兩種。前者在讀硬盤(pán)時(shí)，系統(tǒng)先檢查請(qǐng)求指令，看所要的數(shù)據(jù)是否在緩存里有，若有則稱為命中，緩存就送出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，不必再訪問(wèn)磁盤(pán)中的數(shù)據(jù)了，這樣可以明顯改善性能；而寫(xiě)通式為只讀數(shù)據(jù)。現(xiàn)在多數(shù)硬盤(pán)使用的都是可讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的回寫(xiě)式高速緩存，它比寫(xiě)通式緩存更能提高性能。緩存也是購(gòu)買(mǎi)硬盤(pán)的一個(gè)主要的依據(jù)，現(xiàn)在主流硬盤(pán)的緩存一般都大于512KB，甚至達(dá)到2MB。如Maxtor和IBM的新款硬盤(pán)中都有采用2MB緩存的產(chǎn)品，性能較以前有著明顯的提高。

　　

　　5．平均尋道時(shí)間、平均訪問(wèn)時(shí)間和平均潛伏時(shí)間

　　平均尋道時(shí)間（Average Seek Time）是指磁頭移動(dòng)到數(shù)據(jù)所在磁道需要的時(shí)間，這是衡量硬盤(pán)機(jī)械能力的重要指標(biāo)，一般在5ms～13ms之間，平均尋道時(shí)間大于10ms的硬盤(pán)不宜購(gòu)買(mǎi)。平均潛伏時(shí)間（Average Latency Time）是指相應(yīng)數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)轉(zhuǎn)到磁頭下的時(shí)間，一般在1ms～6ms之間。平均訪問(wèn)時(shí)間（Average Access Time）則是平均尋道時(shí)間與平均潛伏時(shí)間之和，它是最能夠代表硬盤(pán)找到某一數(shù)據(jù)所用的時(shí)間的了。

　　6．?dāng)?shù)據(jù)傳輸率

　　數(shù)據(jù)傳輸率分為外部傳輸率(External Transfer Rate)和內(nèi)部傳輸率(Internal Transfer Rate)。通常也稱外部傳輸率為突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率(Burstdata Transfer Rate)或接口傳輸率，是指從硬盤(pán)的緩存中向外輸出數(shù)據(jù)的速度。目前，采用UDMA/66技術(shù)的外部傳輸率已經(jīng)達(dá)到了66.6MB/s；內(nèi)部傳輸率也稱最大或最小持續(xù)傳輸率(Sustained Transfer Rate)，是指硬盤(pán)在盤(pán)片上讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的速度，現(xiàn)在的主流硬盤(pán)大多在20MB/s到30MB/s之間。由于硬盤(pán)的內(nèi)部傳輸率要小于外部傳輸率，所以內(nèi)部傳輸率的高低才是評(píng)價(jià)一個(gè)硬盤(pán)整體性能的決定性因素，因此只有內(nèi)部傳輸率才可以作為衡量硬盤(pán)性能的真正標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，在硬盤(pán)的轉(zhuǎn)速相同時(shí)，單碟容量越大則硬盤(pán)的內(nèi)部傳輸率越大；在單碟容量相同時(shí)，轉(zhuǎn)速高的硬盤(pán)內(nèi)部傳輸率也高；在轉(zhuǎn)速與單碟容量相差不多的情況下，新推出的硬盤(pán)由于處理技術(shù)先進(jìn)，所以它的內(nèi)部傳輸率也會(huì)較高。

　　

　　7．MTBF（連續(xù)無(wú)故障時(shí)間）

　　這是指硬盤(pán)從開(kāi)始運(yùn)行到出現(xiàn)故障的最長(zhǎng)時(shí)間，單位是小時(shí)。一般硬盤(pán)的MTBF至少在3萬(wàn)或4萬(wàn)小時(shí)。這項(xiàng)指標(biāo)在一般的產(chǎn)品廣告或常見(jiàn)的技術(shù)特性表中并不提供，需要時(shí)可專(zhuān)門(mén)上網(wǎng)到具體生產(chǎn)該款硬盤(pán)的公司網(wǎng)址中查詢。

　　

　　8．噪音與防震技術(shù)

　　噪音雖然不是衡量硬盤(pán)性能的標(biāo)準(zhǔn)，但是經(jīng)常聽(tīng)到硬盤(pán)亂響畢竟不是一件讓人舒心的事，而“液態(tài)軸承馬達(dá)”就可以解決這一問(wèn)題。它使用的是黏膜液油軸承，以油膜代替滾珠，可有效地降低因金屬磨擦而產(chǎn)生的噪聲和發(fā)熱問(wèn)題。同時(shí)液油軸承也可有效地吸收震動(dòng)，使硬盤(pán)的抗震能力由一般的一二百個(gè)G提高到了一千多G，由此硬盤(pán)的壽命與可靠性也可以得到提高，但是現(xiàn)在市場(chǎng)上的普通硬盤(pán)還沒(méi)能應(yīng)用這一技術(shù)。昆騰在火球七代（EX）系列之后的硬盤(pán)都應(yīng)用了SPS震動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)；邁拓在金鉆二代上應(yīng)用了ShockBlock防震保護(hù)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)思路與SPS相似，都是分散沖擊能量，盡量避免磁頭和盤(pán)片的撞擊，但它能承受的最大沖擊力近1000G；希捷的金牌系列硬盤(pán)中SeaShield系統(tǒng)是由減震材料制成的保護(hù)軟罩外加磁頭臂與盤(pán)片間的防震設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其防震能力也能達(dá)到300G。

　　

　　9．?dāng)?shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)

　　除了現(xiàn)在硬盤(pán)所共有的S.M.A.R.T.（自監(jiān)測(cè)、分析、報(bào)告技術(shù)）數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)以外，各硬盤(pán)廠商也都有自己的一套先進(jìn)的技術(shù)：西部數(shù)據(jù)（WD）的數(shù)據(jù)衛(wèi)士能在硬盤(pán)工作的空余時(shí)間里每8個(gè)小時(shí)自動(dòng)掃描、檢測(cè)、修復(fù)盤(pán)片的各扇區(qū)，這完全是自動(dòng)的，無(wú)需用戶干預(yù)與控制；昆騰在火球八代硬盤(pán)中首次內(nèi)建了DPS（數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)），在硬盤(pán)的前300MB內(nèi)存放操作系統(tǒng)等重要信息，DPS可在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題后的90秒內(nèi)自動(dòng)檢測(cè)恢復(fù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，若不行則用DPS軟盤(pán)啟動(dòng)后它會(huì)自動(dòng)分析故障，盡量保證數(shù)據(jù)不丟失；MaxSafe是邁拓在金鉆二代上應(yīng)用的技術(shù)，它的核心是將附加的ECC校驗(yàn)位保存在硬盤(pán)上，使讀寫(xiě)過(guò)程都經(jīng)過(guò)校驗(yàn)以保證數(shù)據(jù)的完整性。此外希捷和IBM也都分別有自己的數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)：DST（驅(qū)動(dòng)器自我檢測(cè)）和DFT（驅(qū)動(dòng)器健康檢測(cè)），這對(duì)于保存在硬盤(pán)中數(shù)據(jù)的安全性是有著重要意義的。