硬盤的基礎(chǔ)知識

　　在構(gòu)成計算機系統(tǒng)的積木當(dāng)中，硬盤的地位可以說是干系重大，因為不論你的CPU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)都來源于硬盤。硬盤的另一個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，硬盤就一直是存儲介質(zhì)的中堅力量，雖然無論是容量還是性能方面都有了翻天覆地的變化，但是現(xiàn)在它作為個人電腦的主要存儲設(shè)備的地位依然不可動搖。今天，微電子、物理和機械等各領(lǐng)域的先進技術(shù)被不斷地應(yīng)用到新型硬盤的開發(fā)與生產(chǎn)中，硬盤的容量也在幾個月間就能翻一番。

　　你如果再買個硬盤或者你打算自己動手DIY一臺新電腦，正在準備裝個好硬盤。當(dāng)你看完本章后，你一定會成為一個專家。

　　

　　第一節(jié) 硬盤基礎(chǔ)

　　

　　計算機的硬盤主要由碟片、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)保護系統(tǒng)以及接口等組成。計算機硬盤的技術(shù)指標主要圍繞在盤片大小、盤片多少、單碟容量、磁盤轉(zhuǎn)速、磁頭技術(shù)、服務(wù)定位系統(tǒng)、接口、二級緩存等參數(shù)上。我們在這里介紹一些和硬盤相關(guān)的技術(shù)知識，以便大家可以對硬盤更加了解，在挑選硬盤時更加胸有成竹。

　　

　　1．碟片和磁頭

　　硬盤的所有數(shù)據(jù)都存儲在碟片上，碟片是由硬質(zhì)合金組成的盤片。磁頭在和旋轉(zhuǎn)的碟片相接觸過程中，通過感應(yīng)碟片上磁場的變化來讀取數(shù)據(jù)。

　　在硬盤中，碟片的單碟容量和磁頭技術(shù)是相互制約、相互促進的。硬盤的磁頭是用線圈纏繞在磁芯上制成的，最初的磁頭是讀寫合一的，通過電流變化去感應(yīng)信號的幅度。對于大多數(shù)計算機來說，在與硬盤交換數(shù)據(jù)的過程中，讀操作遠遠快于寫操作，而且讀/寫是兩種不同特性的操作，這樣就促使硬盤廠商開發(fā)一種讀/寫分離磁頭。在1991年，IBM提出了它基于磁阻（MR）技術(shù)的讀磁頭技術(shù)――各項異性磁

　　

　　阻技術(shù)（Anisotropic Magneto Resistive，AMR）,但是由于技術(shù)和市場等諸多原因，直到1997年AMR才真正成為市場的主流技術(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：一個傳感層、一個非導(dǎo)電中介層、一個磁性的栓層和一個交換層。前3個層控制著磁頭的電阻。在栓層中，磁場強度是固定的,并且磁場方向被相臨的交換層所保持。而且自由層的磁場強度和方向則是隨著轉(zhuǎn)到磁頭下面的磁盤表面的微小磁化區(qū)所改變的，這種磁場強度和方向的變化導(dǎo)致明顯的磁頭電阻變化，在一個固定的信號電壓下面，就可以拾

　　取供硬盤電路處理的信號。希捷正在開發(fā)的OAW（光學(xué)輔助溫式技術(shù)）是未來磁頭技術(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總?cè)萘俊⒔档推骄鶎さ罆r間，又可以降低成本、提高性能，所以建議購買時對單碟容量大的硬盤優(yōu)先考慮。現(xiàn)在主流硬盤的單碟容量大都在4GB～8GB之間，對于普通家庭用戶來講，選擇有2～3張碟片（即8GB～20GB）的硬盤是有著較高的性價比的，更低容量的硬盤不值得推薦。

　　除了磁頭技術(shù)的日新月異之外，磁記錄技術(shù)也是影響硬盤性能非常關(guān)鍵的一個因素。當(dāng)磁記錄密度達到某一程度后，兩個信號之間相互干擾的現(xiàn)象就會非常嚴重。為了解決這一問題，人們在硬盤的設(shè)計中加入了PRML技術(shù)。所謂的PRML（局部響應(yīng)最大擬然，Partial Response Maximum Likelihood）讀取通

　　

　　道方式可以簡單地分成兩個部分。首先是將磁頭從盤片上所讀取的信號加以數(shù)字化，并將未達到標準的信號加以舍棄，而沒有將信號輸出。這個部分便稱為局部響應(yīng)。最大擬然部分則是拿數(shù)字化后的信號模型與PRML芯片本身的信號模型庫加以對比，找出最接近、失真度最小的信號模型，再將這些信號重新組合而直接輸出數(shù)據(jù)。使用PRML方式，不需要像脈沖檢測方式那樣高的信號強度，也可以避開因為信號記錄太密集而產(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，將使硬盤的存儲密度提升到每平方英寸10GB以上，這將意味著可以實現(xiàn)40GB或者更大的硬盤容量。

　　

　　2．接口技術(shù)

　　當(dāng)今主流硬盤的接口界面有兩種：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。接口技術(shù)和硬盤的主控制電路以及使用的傳輸協(xié)議均有關(guān)，是硬盤綜合技術(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）標準的EIDE接口的硬盤，它的優(yōu)勢在于性價比高、普及率廣。SCSI接口硬盤的優(yōu)勢是其在進行多任務(wù)處理的時候，由于其讀寫硬盤數(shù)據(jù)的協(xié)議相對IDE硬盤更加先進，因此具有比較快的速度。但是SCSI接口硬盤需要專門的芯片來支持，一般這種芯片都制成了單獨的SCSI卡出售。SCSI硬盤的價格一般比普通的同容量IDE硬盤貴50％，還需要單獨的SCSI卡，故目前主

　　

　　要應(yīng)用在服務(wù)器、工作站領(lǐng)域，個人裝機較少用到，我們在這里不作詳細討論。

　　近幾個月來，支持UDMA/66協(xié)議的EIDE接口硬盤、主板以及轉(zhuǎn)換卡等相關(guān)產(chǎn)品在市場上大量涌現(xiàn)出來。由于UDMA/66硬盤的速度增加了一倍，而價格只比原來UDMA/33硬盤的價格貴一二十元，因此UDMA/66從一出現(xiàn)起就顯出流行之勢。硬盤接口標準直接對應(yīng)于硬盤的最大外部數(shù)據(jù)傳輸率，即硬盤的高速緩沖與計算機之間的最高瞬時數(shù)據(jù)傳輸率。顧名思義，UDMA/66的數(shù)據(jù)率可達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，因為它使用了獨特的傳輸線和CRC(Cyclical Redundancy Check,循環(huán)冗余校驗)技術(shù)，原來的40針I(yè)DE電纜線變成了80針。它在40根IDE信號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之間的干擾現(xiàn)象，還能向下兼容。從技術(shù)角度來看，UDMA/66的硬盤只是在接口電路方面有所變化（但接口依然是40pin，與原來兼容），而在硬盤的機械部分同UDMA/33的產(chǎn)品是一樣的。

　　

　　

　　由于UDMA/66硬盤逐漸流行，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)品來支持UDMA/66的硬盤。市場首先支持UDMA/66的主板芯片組是威盛的Apollo Pro 133。由于此芯片組是通過南橋芯片對IDE接口進行控制的，幾乎沒有增加成本，但是由于在CPU的占用率上還沒有太大的降低，硬盤速度提高不明顯。同時由于Intel的原因，市場占有率最高的基于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到支持UDMA/66硬盤的目的，在主板上增加了一個專用的芯片。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芯片來實現(xiàn)對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，只不過采用了Promise公司的芯片。此外，這種芯片還可以作成單獨的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硬盤的速度。目前市場上這種卡有兩種：一個是升技的Hot Rod 66卡，另一個是Promise的轉(zhuǎn)換卡。

　　

　　

　　

　　

　　3．主軸轉(zhuǎn)速

　　轉(zhuǎn)速是硬盤內(nèi)部傳輸率的決定因素之一，也是區(qū)別硬盤檔次的重要標志。如今主流硬盤的轉(zhuǎn)速多為5400rpm（轉(zhuǎn)/分鐘）、7200rpm和10000rpm。7200轉(zhuǎn)的硬盤已經(jīng)成為主流，但5400rpm的硬盤仍具有性價比高的優(yōu)勢。我們在購買硬盤的時候會發(fā)現(xiàn)，硬盤的速度每提升一個檔次，其價格往往會增加20％左右，當(dāng)然其性能也會有所提高。

　　

　　4．緩存

　　緩存（Cache）是硬盤與外部總線交換數(shù)據(jù)的場所。硬盤的讀過程是經(jīng)過磁信號轉(zhuǎn)換成電信號后，通過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)系到硬盤的傳輸速度。緩存為靜態(tài)存儲器，與我們認識的內(nèi)存（動態(tài)存儲器）不同，無須定期刷新，它的容量有128KB、256KB、512KB，甚至2MB等規(guī)格。緩存是一些高速的DRAM，類型為EDO DRAM或SDRAM，有寫通式和回寫式兩種。前者在讀硬盤時，系統(tǒng)先檢查請求指令，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)，不必再訪問磁盤中的數(shù)據(jù)了，這樣可以明顯改善性能；而寫通式為只讀數(shù)據(jù)。現(xiàn)在多數(shù)硬盤使用的都是可讀寫數(shù)據(jù)的回寫式高速緩存，它比寫通式緩存更能提高性能。緩存也是購買硬盤的一個主要的依據(jù)，現(xiàn)在主流硬盤的緩存一般都大于512KB，甚至達到2MB。如Maxtor和IBM的新款硬盤中都有采用2MB緩存的產(chǎn)品，性能較以前有著明顯的提高。

　　

　　5．平均尋道時間、平均訪問時間和平均潛伏時間

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

　　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)，是指硬盤在盤片上讀寫數(shù)據(jù)的速度，現(xiàn)在的主流硬盤大多在20MB/s到30MB/s之間。由于硬盤的內(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價一個硬盤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性能的真正標準。一般來說，在硬盤的轉(zhuǎn)速相同時，單碟容量越大則硬盤的內(nèi)部傳輸率越大；在單碟容量相同時，轉(zhuǎn)速高的硬盤內(nèi)部傳輸率也高；在轉(zhuǎn)速與單碟容量相差不多的情況下，新推出的硬盤由于處理技術(shù)先進，所以它的內(nèi)部傳輸率也會較高。

　　

　　7．MTBF（連續(xù)無故障時間）

　　這是指硬盤從開始運行到出現(xiàn)故障的最長時間，單位是小時。一般硬盤的MTBF至少在3萬或4萬小時。這項指標在一般的產(chǎn)品廣告或常見的技術(shù)特性表中并不提供，需要時可專門上網(wǎng)到具體生產(chǎn)該款硬盤的公司網(wǎng)址中查詢。

　　

　　8．噪音與防震技術(shù)

　　噪音雖然不是衡量硬盤性能的標準，但是經(jīng)常聽到硬盤亂響畢竟不是一件讓人舒心的事，而“液態(tài)軸承馬達”就可以解決這一問題。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)熱問題。同時液油軸承也可有效地吸收震動，使硬盤的抗震能力由一般的一二百個G提高到了一千多G，由此硬盤的壽命與可靠性也可以得到提高，但是現(xiàn)在市場上的普通硬盤還沒能應(yīng)用這一技術(shù)。昆騰在火球七代（EX）系列之后的硬盤都應(yīng)用了SPS震動保護系統(tǒng)；邁拓在金鉆二代上應(yīng)用了ShockBlock防震保護系統(tǒng)，其設(shè)計思路與SPS相似，都是分散沖擊能量，盡量避免磁頭和盤片的撞擊，但它能承受的最大沖擊力近1000G；希捷的金牌系列硬盤中SeaShield系統(tǒng)是由減震材料制成的保護軟罩外加磁頭臂與盤片間的防震設(shè)計來實現(xiàn)的，其防震能力也能達到300G。

　　

　　9．?dāng)?shù)據(jù)保護系統(tǒng)

　　除了現(xiàn)在硬盤所共有的S.M.A.R.T.（自監(jiān)測、分析、報告技術(shù)）數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)以外，各硬盤廠商也都有自己的一套先進的技術(shù)：西部數(shù)據(jù)（WD）的數(shù)據(jù)衛(wèi)士能在硬盤工作的空余時間里每8個小時自動掃描、檢測、修復(fù)盤片的各扇區(qū)，這完全是自動的，無需用戶干預(yù)與控制；昆騰在火球八代硬盤中首次內(nèi)建了DPS（數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)），在硬盤的前300MB內(nèi)存放操作系統(tǒng)等重要信息，DPS可在系統(tǒng)出現(xiàn)問題后的90秒內(nèi)自動檢測恢復(fù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，若不行則用DPS軟盤啟動后它會自動分析故障，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校驗位保存在硬盤上，使讀寫過程都經(jīng)過校驗以保證數(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)保護系統(tǒng)：DST（驅(qū)動器自我檢測）和DFT（驅(qū)動器健康檢測），這對于保存在硬盤中數(shù)據(jù)的安全性是有著重要意義的。