硬盤的基礎知識

　　在構成計算機系統的積木當中，硬盤的地位可以說是干系重大，因為不論你的CPU或內存的速度有多快，它們的絕大多數的指令和數據都來源于硬盤。硬盤的另一個特殊的作用就是作為所有應用軟件和數據的載體。

　　十幾年來，硬盤就一直是存儲介質的中堅力量，雖然無論是容量還是性能方面都有了翻天覆地的變化，但是現在它作為個人電腦的主要存儲設備的地位依然不可動搖。今天，微電子、物理和機械等各領域的先進技術被不斷地應用到新型硬盤的開發與生產中，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。當你看完本章后，你一定會成為一個專家。

　　

　　第一節 硬盤基礎

　　

　　計算機的硬盤主要由碟片、磁頭、磁頭臂、磁頭臂服務定位系統和底層電路板、數據保護系統以及接口等組成。計算機硬盤的技術指標主要圍繞在盤片大小、盤片多少、單碟容量、磁盤轉速、磁頭技術、服務定位系統、接口、二級緩存等參數上。我們在這里介紹一些和硬盤相關的技術知識，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

　　硬盤的所有數據都存儲在碟片上，碟片是由硬質合金組成的盤片。磁頭在和旋轉的碟片相接觸過程中，通過感應碟片上磁場的變化來讀取數據。

　　在硬盤中，碟片的單碟容量和磁頭技術是相互制約、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信號的幅度。對于大多數計算機來說，在與硬盤交換數據的過程中，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一種讀/寫分離磁頭。在1991年，IBM提出了它基于磁阻（MR）技術的讀磁頭技術――各項異性磁

　　

　　阻技術（Anisotropic Magneto Resistive，AMR）,但是由于技術和市場等諸多原因，直到1997年AMR才真正成為市場的主流技術。目前，AMR技術可以支持3.3GB/平方英寸的記錄密度。隨著技術的發展，AMR技術磁頭已經基本被比其靈敏度高2倍以上的GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）磁頭技術所取代。GMR磁頭是由4層導電材料和磁性材料薄膜構成的：一個傳感層、一個非導電中介層、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到磁頭下面的磁盤表面的微小磁化區所改變的，這種磁場強度和方向的變化導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。希捷正在開發的OAW（光學輔助溫式技術）是未來磁頭技術發展的方向，OAW技術可以在1英寸寬內寫入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容量、降低平均尋道時間，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先考慮。現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。

　　除了磁頭技術的日新月異之外，磁記錄技術也是影響硬盤性能非常關鍵的一個因素。當磁記錄密度達到某一程度后，兩個信號之間相互干擾的現象就會非常嚴重。為了解決這一問題，人們在硬盤的設計中加入了PRML技術。所謂的PRML（局部響應最大擬然，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。最大擬然部分則是拿數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據。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生的相互干擾的現象。

　　磁頭技術的進步，再加上目前記錄材料技術和處理技術的發展，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40GB或者更大的硬盤容量。

　　

　　2．接口技術

　　當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），當然此外還有IEEE 1394、USB和FC-AL(FiberChannel-Arbitrated Loop)光纖通道接口的產品，只是很少見。接口技術和硬盤的主控制電路以及使用的傳輸協議均有關，是硬盤綜合技術的外部表現。現在普通家庭與商業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，它的優勢在于性價比高、普及率廣。SCSI接口硬盤的優勢是其在進行多任務處理的時候，由于其讀寫硬盤數據的協議相對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

　　

　　要應用在服務器、工作站領域，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協議的EIDE接口硬盤、主板以及轉換卡等相關產品在市場上大量涌現出來。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從一出現起就顯出流行之勢。硬盤接口標準直接對應于硬盤的最大外部數據傳輸率，即硬盤的高速緩沖與計算機之間的最高瞬時數據傳輸率。顧名思義，UDMA/66的數據率可達66MB/s,是UDMA/33的兩倍。UDMA/66接口還提高了傳輸數據的完整性，因為它使用了獨特的傳輸線和CRC(Cyclical Redundancy Check,循環冗余校驗)技術，原來的40針IDE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象，還能向下兼容。從技術角度來看，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的產品是一樣的。

　　

　　

　　由于UDMA/66硬盤逐漸流行，因此很多主板、轉換卡生產廠家也紛紛推出相關產品來支持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的轉換卡。

　　

　　

　　

　　

　　3．主軸轉速

　　轉速是硬盤內部傳輸率的決定因素之一，也是區別硬盤檔次的重要標志。如今主流硬盤的轉速多為5400rpm（轉/分鐘）、7200rpm和10000rpm。7200轉的硬盤已經成為主流，但5400rpm的硬盤仍具有性價比高的優勢。我們在購買硬盤的時候會發現，硬盤的速度每提升一個檔次，其價格往往會增加20％左右，當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據的場所。硬盤的讀過程是經過磁信號轉換成電信號后，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系到硬盤的傳輸速度。緩存為靜態存儲器，與我們認識的內存（動態存儲器）不同，無須定期刷新，它的容量有128KB、256KB、512KB，甚至2MB等規格。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，系統先檢查請求指令，看所要的數據是否在緩存里有，若有則稱為命中，緩存就送出相應的數據，不必再訪問磁盤中的數據了，這樣可以明顯改善性能；而寫通式為只讀數據。現在多數硬盤使用的都是可讀寫數據的回寫式高速緩存，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，現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）是指磁頭移動到數據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）是指相應數據所在的扇區轉到磁頭下的時間，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據所用的時間的了。

　　6．數據傳輸率

　　數據傳輸率分為外部傳輸率(External Transfer Rate)和內部傳輸率(Internal Transfer Rate)。通常也稱外部傳輸率為突發數據傳輸率(Burstdata Transfer Rate)或接口傳輸率，是指從硬盤的緩存中向外輸出數據的速度。目前，采用UDMA/66技術的外部傳輸率已經達到了66.6MB/s；內部傳輸率也稱最大或最小持續傳輸率(Sustained Transfer Rate)，是指硬盤在盤片上讀寫數據的速度，現在的主流硬盤大多在20MB/s到30MB/s之間。由于硬盤的內部傳輸率要小于外部傳輸率，所以內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，在硬盤的轉速相同時，單碟容量越大則硬盤的內部傳輸率越大；在單碟容量相同時，轉速高的硬盤內部傳輸率也高；在轉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先進，所以它的內部傳輸率也會較高。

　　

　　7．MTBF（連續無故障時間）

　　這是指硬盤從開始運行到出現故障的最長時間，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品廣告或常見的技術特性表中并不提供，需要時可專門上網到具體生產該款硬盤的公司網址中查詢。

　　

　　8．噪音與防震技術

　　噪音雖然不是衡量硬盤性能的標準，但是經常聽到硬盤亂響畢竟不是一件讓人舒心的事，而“液態軸承馬達”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生的噪聲和發熱問題。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，但是現在市場上的普通硬盤還沒能應用這一技術。昆騰在火球七代（EX）系列之后的硬盤都應用了SPS震動保護系統；邁拓在金鉆二代上應用了ShockBlock防震保護系統，其設計思路與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計來實現的，其防震能力也能達到300G。

　　

　　9．數據保護系統

　　除了現在硬盤所共有的S.M.A.R.T.（自監測、分析、報告技術）數據保護系統以外，各硬盤廠商也都有自己的一套先進的技術：西部數據（WD）的數據衛士能在硬盤工作的空余時間里每8個小時自動掃描、檢測、修復盤片的各扇區，這完全是自動的，無需用戶干預與控制；昆騰在火球八代硬盤中首次內建了DPS（數據保護系統），在硬盤的前300MB內存放操作系統等重要信息，DPS可在系統出現問題后的90秒內自動檢測恢復系統數據，若不行則用DPS軟盤啟動后它會自動分析故障，盡量保證數據不丟失；MaxSafe是邁拓在金鉆二代上應用的技術，它的核心是將附加的ECC校驗位保存在硬盤上，使讀寫過程都經過校驗以保證數據的完整性。此外希捷和IBM也都分別有自己的數據保護系統：DST（驅動器自我檢測）和DFT（驅動器健康檢測），這對于保存在硬盤中數據的安全性是有著重要意義的。