硬盤基礎知識大全
硬盤是一個計算機系統的數據存儲中心，我們運行計算機時使用的程序和數據目前絕大部分都存儲在硬盤上。下面就讓小編帶你去看看關于硬盤基礎知識大全，希望能幫助到大家!
關于硬盤的一些基礎認識
機械硬盤的認識
硬盤的組成
硬盤的物理結構
磁頭
主要任務完成盤片上數據的讀寫操作，盤片在高速旋轉時，磁頭會飛行在盤面上方，而不是接觸盤面
每個盤片的兩面都會有一個磁頭， 當然有的硬盤有可能只有一個磁頭，磁頭的編號從0開始
機械臂
使磁頭部件作徑向移動的裝置，已完成磁道變換
盤片
含有磁性的合金盤片，用來存取寫入的數據：每張盤片的容量成為單碟容量，而硬盤的容量就是所有盤片容量的總和;由于單碟容量的限制，通常一個硬盤會含有多張盤片
盤片的厚度在0.5mm左右，盤片的轉速與盤片大小有關
每個盤片都會有上下兩面，都可以被利用來存儲數據;能存儲數據的盤面成為有效盤面，每個盤面都會有一個盤面好，其和磁頭編號是相對應的，從0開始編號
盤片的邏輯劃分
扇區
盤片在轉動時，磁頭在盤面上畫過的一段圓弧，稱扇區，即sector
扇區并不是連續的，在磁道上被劃分成一段一段的，從1開始編號
是硬盤最小的物理存取單位，每個扇區為512byte
磁道
磁盤在格式化時被劃分成許多同心圓，這些同心圓叫做磁道，即track
磁道從外向內從0開始編號，盤面的容量越大，包含的磁道數越多
磁道是看不見的，只是盤面上一些被磁化的區域
柱面
所有盤面上相同編號的磁道構成的圓柱，稱為柱面，即cylinder
每個柱面上的磁頭由上到下從0開始編號
數據的讀寫是按照柱面進行的，而非按照盤面進行
柱面是分區的最小單位
柱面是所有盤片表面上到中心主軸的距離相等的磁道集合
數據的讀寫按柱面進行，即磁頭讀寫數據時首先在同一柱面內從“0”磁頭開始進行操作，依次向下在同一柱面的不同盤面即磁頭上進行操作，只在同一柱面的所有磁頭全部讀寫完畢后磁頭才轉移到下一柱面。
因為選取磁頭只需要通過電子切換即可，而選取柱面則必須通過機械切換。電子切換相當快，比在機械上磁頭向鄰近磁道移動快的多，所以，數據的讀寫按柱面進行，而不按盤面進行。
一個磁道寫滿數據后，就在同一柱面的下一個盤面來寫，一個柱面寫滿后，才移到下一個扇區開始寫數據
硬盤容量
硬盤容量由以下技術因素決定：
記錄密度：磁道一英寸的段中可以放入的位數
磁盤密度：從盤片中心出發半徑為一英寸的段內可以有的磁道數
面密度： 記錄密度與磁道密度的乘積
磁盤操作
磁盤用連接到一個機械臂的讀寫頭來讀寫存儲在磁性表面的位
通過沿著半徑軸移動這個傳動比，驅動器可以將讀寫投定位在盤面上的任何磁道上。這樣的機械運動成為尋道。
一旦讀寫頭定位到了期望的磁道上，那么當磁道上的每個為通過它的下面時，讀寫頭可以感知到這個位的值(讀)，也可以修改這個位的值(寫)。
有多個盤片的磁盤針對每個盤面都有一個獨立的讀寫頭，讀寫頭垂直排列，一致行動，在任何時刻，所有的讀寫頭都位于同一個柱面上
磁盤數據訪問時間
磁盤以扇區大小的塊來讀寫數據。對扇區的訪問時間有三個主要的部分：
尋道時間：為了讀取某個目標扇區的內容，機械臂首先將讀寫頭定位到包含目標扇區的磁道上。移動機械臂所需的時間稱為尋道時間。尋道時間Tseek依賴于讀寫頭以前的位置和機械臂在盤面上移動的速度?，F代驅動器中平均尋道時間通常為3~9ms，一次尋道的最大時間可以高達20ms
旋轉時間：一旦讀寫投定位到了期望的磁道，驅動器等待目標扇區的第一個位旋轉到讀寫頭下，這個步驟的性能依賴于當讀寫頭到達目標扇區時的盤面位置以及磁盤的旋轉速度。在最壞的情況下，讀寫投剛剛錯過了目標扇區，必須等待磁盤轉一整圈
平均旋轉時間是最大旋轉延遲時間的一半
傳送時間： 當目標扇區的第一個位位于讀寫頭下時，驅動器就可以開始讀或者寫該扇區的內容了。一個扇區的傳送時間依賴于旋轉時間和每條磁道的扇區數目。
固態硬盤的認識
SSD是一種利用Flash芯片或者DRAM芯片作為數據永久存儲的硬盤。
利用DRAM作為永久存儲介質的SSD，又可稱為RAM-Dsk, 其內部使用SDRAM內存條來存儲數據，所以在外部電源斷開后，需要使用電池來維持DRAM中的數據
現在比較常見的SSD為基于Flash介質的SSD
所有類型的ROM和Flash芯片使用一種叫做“浮動門場效應晶體管”的晶體管來保存數據。每個這樣的晶體管叫做一個“cell”，即單元。
Cell
兩種類型
Single Level Cell(SLC) ：每個Cell可以保存1B的數據
Multi Level Cell(MLC)每個Cell可以保存2B的數據
MLC容量是SLC的兩倍，但是成本與SLC大致相當。導致相同容量下的SSD，MLC芯片成本要比SLC芯片低
Cell是利用FG(Floating Gate)中的電勢值來與閾值對比從而判斷其表示1或者0的。
固態硬盤讀寫過程
從Flash芯片讀取數據的過程
位線 將所有Cell串聯起來的導線稱為“位線”
字線 將多個并聯的Cell串中相同位置的Cell水平貫穿起來的導線組稱為“字線”
當需要讀出某個Page時，Flash Controller控制Flash芯片將相應這個Page的字線組電勢置為0，其他所有字線組的電勢則升高到一個值，而這個值又不至于使電子穿過FG絕緣層到達FG
所有Cell串的位線被導通以便外接從位線上提取電勢狀態，而所有的字線電壓被提高的Page其感應線均被斷開導致感應線不能將對應的Cell的電勢傳遞到位線上
所以此時每個Cell串的位線所體現的電勢值與待讀出Page中所有Cell一一對應，再通過電路將每條位線上的電勢值解碼成1或者0從而傳輸到芯片外部，放置與SSD的RAM Buffer中保存，這樣完成了一個Page內容的讀出
SSD的IO最小單位為1個Page
向Flash芯片中寫入數據的過程
Flash芯片要求在修改一個Cell中的位的時候，在修改之前，必須先Erase掉這個Cell。
注：機械磁盤上的“數據”是永遠抹不掉的，因為即使將扇區全部寫入0也算是存放了數字0，也是數據。
Cell帶點表示0，不帶電表示1，Cell只能帶負電荷，即電子，而不能帶正電荷
這里的Erase動作其實就是將一大片連續的Cell一下子全部放電，這一片連續的Cell就是一個Block。即每次Erase只能一下檫除一整個Block或者多個Block，將其中所有的Cell變為1狀態
但是卻不能單獨檫除某個或者某段Page，或者單個或多個Cell(這個是造成SSD的致命缺點的一個根本原因)
Erase完成之后，Cell中全為1，此時可以向其中寫入數據，如果遇到待寫入某個Cell的數據位恰好為1的時候，對應這個Cell的電路不做任何動作，其結果依然是1;
如果遇到待寫入某個Cell的數據位為0的時候，則電路將對應Cell中的FG進行充電，Cell狀態從1變為0，完成了寫入
這個寫入0的動作又叫做“Program”，即對這個Cell進行看Program
Flash芯片的通病
Erase Before OverWrite
相比機械磁盤，磁盤可以直接用刺頭將對應的區域磁化成任何信號，如果之前保存的數據是1，新數據還是1，則磁頭對1磁化，結果還是1;如果新數據是0，則磁頭對1磁化，結果就變成了0
Flash則不然，如果要向某個Block寫入數據，則不管原來Block中是1還是0，新寫入的數據是1還是0，必須先Erase整個Block為全1，然后才能向Block中寫入新數據。
這種額外Erase操作增加了覆蓋寫的開銷
總的來說是這樣的一種情況：如果僅僅需要更改某個Block中的某個Page,那么在Erase之前，需要將全部Block中的數據讀入SSD的RAM Buffer，然后Erase整個Block，再將待寫入的新Page中的數據在RAM中覆蓋到Block中對應的Page，然后將整個更新后的Block寫入Flash芯片
這樣加大了寫開銷，形成了大規模的寫懲罰(Write Amplification 寫擴大)，小塊隨機寫IO會產生大倍數的寫懲罰
Wear Off
隨著FG充放電次數的增多，二氧化硅絕緣層的絕緣能力將遭到損耗，最后逐漸失去絕緣性，無法保證FG中有足夠的電荷。此時，這個Cell就被宣判為損壞，即Wear Off
損壞的Cell將拖累這個Cell所在的整個Page被標記為損壞，因為SSD尋址和IO的最小單位為Page。損壞的Page對應的邏輯地址將被重定向映射到其他完好的預留Page，SSD將這些重定向表保存在ROM中，每次加電均被載入RAM以供隨時查詢
寫懲罰大大加速Wear off，因為寫懲罰做了很多無用功，增加了不必要的擦寫
MLC可擦寫的壽命比較低，小于10000次;SLC高一些，十倍于MLC，小于100000。
解決方法
損耗平衡
為了避免同一個Cell被高頻率檫寫，SSD有這樣一個辦法：每次針對某個或者某段邏輯LBA地址(Logical Block Address)的寫都寫到SSD中的Free Space中，即上一次全盤Erase后從未被寫過的Block/Page中，這些Free Space已經被放電，直接寫入即可
若再次遇到針對這個或者這段LBA地址的寫操作，那么SSD會再次將待寫入的數據重定向寫到Free Space中，而將之前這個邏輯地址占用的Page標記為“Garbage”，可以回收再利用
等到Block中一定比例的Page都被標記為“Garbage”時，并且存在大批滿足條件的Block，SSD會批量回收這些Block
SSD這樣做就是為了將寫操作平衡到所有可能的Block中，降低單位時間內每個Block的擦寫次數，從而延長Cell的壽命
由于Page的邏輯地址對應的物理地址是不斷被重定向的，所以SSD內部需要微環境一個地址映射表。這種設計是比較復雜的，需要SSD上的CPU具有一定的能力運行對應的算法程序。這種避免wear off 過快的重定向算法稱為Wear Leveling，即損耗平衡算法
Wiper
需要了解的是，影響一塊SSD壽命和寫入性能的最終決定因素就是Free Space，而且是存儲介質自身所看到的Free Space而不是文件系統級別的Free Space
但是SSD自身所認識的Free Space永遠只會少于文件系統的Free Space ，并且只會越來越趨于0
需要文件系統來通知SSD自身的Free Space，告訴它哪些邏輯地址現在并未被任何文件或者元數據所占用，可以被擦除
所有的SSD廠商均會提供一個工具，稱為“Wiper”
操作系統中運行這個工具時，此工具掃描文件系統內不用的邏輯地址，并將這些地址通知給SSD，SSD便可以將對應的Block做擦除并回收到Free Space空間內
TRIM指令
TRIM指令可以讓文件系統在刪除某個文件之后實時地通知SSD回收對應的空間
TRIM是ATA指令標準中的一個功能指令，在Linu__ Kernel 2.6.28中已經囊括，但是并不完善
TRIM可以使SSD起死回生，開啟了TRIM支持的SSD，在操作系統TRIM的支持下，可以成功的將性能提高到相對于SSD初始化使用時候的95%以上
Delay Write 和 Combine Write
Delay Write 是一種存儲系統常用的寫IO優化措施。
比如有先后兩個針對同一個地址的IO—–Write1，Write2，先后被控制器收到了，而在Write1尚未被寫入到永久存儲介質之前，恰好Write2進入，此時控制器就可以直接在內存中將Write2覆蓋Write1，在寫入硬盤的時候只需要寫入一次即可
這樣的操作減少了不必要的寫
Combine Write是另一種存儲系統控制器常用的寫IO優化方法。
對于基于機械硬盤的存儲系統，如果控制器在一段時間內收到多個寫IO而這些寫IO的地址在邏輯上市連續的，則可以將這些小的IO合并為針對整體連續地址段的一個大的IO，一次性寫入對應的磁盤，節約了很多SCSI指令周期，提高了效率
由于SSD中的邏輯地址本來就是被雜亂地映射到可能不連續的物理地址上(這樣并不影響性能)，所以，SSD控制器可以整合任何地址的小塊寫IO成一個大的寫IO而不必在乎小塊寫IO針對的邏輯地址是否連續
整合之后的大寫IO被直接寫向一個Free的Block中，這樣做大大提高了效率
預留備用空間
SSD為了防止文件系統將數據寫滿的極端情況，SSD自己預留一部分備用空間用于重定向寫
這部分空間并不通告給操作系統，只有SSD自己知道，文件系統永遠也寫不滿SSD的全部實際物理空間
硬盤知識：硬盤的種類與作用
關于機械硬盤：
機械硬盤是傳統硬盤，電腦主要的存儲媒介之一。機械硬盤有不同的顏色，分別有紅盤，綠盤，黑盤，藍盤，紫盤。
機械硬盤就作為我們普通電腦里的普通硬盤。內部有磁盤，通過磁盤的高速旋轉，并用相應的磁頭，讀取或存儲數據。數據永久保存，無限復寫。 不能受外界沖壓、擠壓或震動，輕拿輕放，攜帶不方便。
關于固態硬盤：
由多個閃存芯片加主控以及緩存組成的陣列式存儲，屬于以固態電子存儲芯片陣列制成的硬盤。防震抗摔性，數據存儲速度快，功耗低，噪音小，容量大，使用壽命較長等優勢。
固態硬盤的存儲介質分為兩種，一種是來用閃存(FLASH芯片)作為存儲介質，另外一種是采用DRAM作為存儲介質，廣泛應用于軍事、車載、工控、視頻監控、網絡監控、網絡終端等。
機械硬盤與固態硬盤的區別：
1、工作原理不同：
固態硬盤是以半導體狀態做記憶介質，機械硬盤是以磁做記憶介質的。
2、讀寫速度差別很大：
由于固態硬盤是半導體做記憶介質的，所以比機械硬盤的讀寫速度快得很多。
3、安全級別相差很大：
固態硬盤是以半導體做記憶介質的，所以比機械硬盤抗震動和抗摔，完全性更高。
關于混合硬盤：
混合硬盤是機械硬盤與固態硬盤的結合體，采用容量較小的閃存顆粒用來存儲常用常用文件，而磁盤才是最重要的存儲介質，閃存僅起到了緩沖作用，將更多的常用文件保存到閃存內減小尋道時間，從而提升效率。但抗震性能差、單顆閃存顆粒導致擦寫次數收到了嚴重制約等。
硬盤如何選擇?固態硬盤是目前性價比最高的硬盤，因此固態硬盤受到大多數企業的偏愛。根據自己的需求來選購，注意硬盤的日常使用，避免故障發生。從而延長硬盤使用壽命。
硬盤使用小技巧：
1.使用環境要保持整潔。
2.防止碰撞、震動。
3.定期對電腦的硬件進行檢查，早早排除故障。
硬盤知識分享
一、介紹
硬盤是我們熟知的電腦配件之一，簡單的說就是一容量存儲器，與主機通迅速度很快，成為現代電腦不可缺少的配件
由于計算機在工作CPU，輸入輸出設備與器之間要大量地交換數據，因此存儲器的處理速度和容量，也是影響計算機整體運行速度的主要因素之一。
二、硬盤的分類
固態硬盤
固態硬盤也稱作電子硬盤或者固態電子盤，是由控制單元和固態存儲單元組成的硬盤。固態硬盤的介質分為兩種，一種是采用閃存作為介質，另外一種是采用DRAM作為存儲介質，目前絕大多數固態硬盤采用的是閃存介質。單元負責存儲數據，控制單元負責讀取、寫入數據。由于固態硬盤沒有普通硬盤的機械結構，也不存在機械硬盤的尋道問題，因此系統能夠在低于1ms的時間內對任意位置單元完成輸入/輸出操作。
機械硬盤
機械硬盤即是傳統普通硬盤，主要由：盤片，磁頭，盤片轉軸及控制電機，磁頭控制器，數據轉換器，接口，緩存等幾個部分組成。磁頭可沿盤片的半徑方向運動，加上盤片每分鐘幾千轉的高速旋轉，磁頭就可以定位在盤片的指定位置上進行數據的讀寫操作。
區別：
1、速度，固態硬盤傳輸速度能達到500MB/s，其中讀取速度達到400-600MB每秒，寫入速度達到200MB每秒。而傳統硬盤讀取速度極限也無法超越200MB每秒，寫入速度在100MB每秒左右。如果遇到非連續的散片數據，SSD能體現出極快的讀寫速度。而傳統機械硬盤由于磁頭尋道等原因，傳輸速度偏慢。
2、 安全，固態硬盤沒有盤片，所以只要其芯片不受到外形擠壓產生形變，數據就能獲得安全的保存。而傳統硬盤沒有這一優勢，一旦在高速旋轉過程中盤片和磁頭碰撞，甚至不合理接觸，都會造成盤片受損，數據丟失。
3、 經濟，在同樣容量下，固態硬盤現階段價格高于傳統機械硬盤3-5倍，但是隨著摩爾定律的前進，固態硬盤NAND閃存芯片密度會越來越大，則存儲量越來越高，終有一天會取代傳統的次存儲設備。
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