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关于硬盘
2024-11-055


前  言


本次课程是关于我们电脑上一个非常重要的组成部分——硬盘。本次课程从信息的存储介质的发展历程开始讲起,重点介绍了机械硬盘和固态硬盘。希望大家能对硬盘的发展历程以及如今最重要的两种硬盘类型有更多的了解。








发展历史

PART 1

  穿孔卡片、穿孔纸带  

Section. 1

由于计算机系统采用二进制作为基础,所以存储介质只需要能记录 0 和 1 就行了。穿孔卡片和穿孔纸带就是最早的存储介质。它利用小孔存储信息,通过光电模块将卡片上的信息转化为数字信号。透光为 1,不透光为 0。

1890 年,Herman Hollerith 发明了打孔卡制表机,用于收集并统计人口普查数据,标志着半自动化数据处理系统时代的开始。这种机器不仅统计速度更快,而且能够以新的方式理解信息,很快便应用到了各个行业。

1896 年, Herman Hollerith 成立了制表机公司,这家公司就是后来大名鼎鼎的 IBM 的前身。打孔卡和纸带直到 80 年代还在使用,持续了两个多世纪。

  磁鼓存储器  

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第二代储存设备是磁鼓储存器,它被认为是机械硬盘(HDD)的前身。与机械硬盘一样,磁鼓也有磁头,但不是寻找数据,磁鼓上有许多静态磁头,只需等待正确的磁扇旋转就位即可。

  磁带  

Section. 3

之后研发出的磁带,至今仍然在使用。它作为存储设备,单位存储成本最低、容量最大、标准化程度最高,一个 6TB 机械硬盘的价格足以买一个 15TB 磁带。一般是在带基(早期为纸后来是塑料)上涂覆、沉积一层磁性物质,利用磁粉颗粒的磁场方向与大小记录内容最早的磁带是盘式磁带机,之后逐渐小型化,发展为常见的盒式磁带,容量也由上百 MB 提高到 TB 级别,利用磁带库可以存储读取大量磁带。

1928 年 Fritz Pfleumer 发明了录音磁带,可以存储模拟信号。原理就是:磁力线是随音频电流的变化而变化的,所以每段磁带在移动过程中被磁化的程度也随音频信号电流的强弱而变化,这样就能把声音记录到磁带上。磁带用于计算机中则是从 1951 年开始。

  机械硬盘(HDD)

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机械硬盘之后就登上了历史的舞台。因为使用磁记录所以也叫磁盘,当前的机械硬盘结构在 1973 年被定型。最早的硬盘尺寸可达 14 寸,上世纪七十年代盛行 5.25 寸,后缩小至 3.5 寸以及 2.5 寸。

1956 年,世界上第一个硬盘驱动器 IBM 350 出现在了 IBM 的 RAMAC 305 计算机(第一台提供随机存取数据的计算机,同时还使用了磁鼓和磁芯存储器)中。该驱动器约有两个冰箱大小,重达一吨,包含 50 个 24 英寸盘片,能存储 5M 的信息,数据传输速度 10KB/S。1962 年,IBM 发布了第一个可移动硬盘驱动器 1311,它有六个 14 英寸的盘片,可存储 2.6MB 数据。

1973 年,IBM 发明了 Winchester(温氏)硬盘 3340,其特点是工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方,而不与盘片直接接触,这便是现代硬盘的原型。

现在的机械硬盘已经过了百家争鸣的时期。

  软盘  

Section. 5

最早的量产的可移动存储介质——软盘是在塑料盘体面上涂金属氧化物制成。虽然它存取速度慢,容量小,但是它可装卸,携带方便。曾经也是红极一时的存在,只不过后来逐渐被 U 盘代替。1971 年 IBM 发布第一张只读的 8 英寸软盘。

  光盘  

Section. 6

还有一种存储介质,玩游戏或者听专辑的人可能非常熟悉,那就是光盘。光盘发明于 1965 年,当时所存储的格式仍以模拟信号为主。用激光扫描的记录和读出方式保存信息的一种介质,大约在 90 年代中期时开始普及,可以存放大量资料。DVD 原是 Digital Video Disc(数字视频光盘)的首字母缩略,1995 年 IBM 牵头将高容量光盘标准统一合并成为 DVD,重新定义为 Digital Versatile Disc(数字多用途光盘)。

  固态硬盘(SSD)

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最后,就是我们如今大部分电脑日常使用的固态硬盘。与前面几种存储介质不同,固态硬盘不是依靠磁性物质而是电子来存储信息,信息被存储在闪存(Flash)芯片中,所以本质上它和 U 盘、存储卡是同一类的东西。虽然 SSD 在个人 PC 普及是近十年内的事情,但它在 1989 年就问世,2006 年三星发布第一款含 32G SSD 的笔记本。


机械硬盘介绍

PART 2

机械硬盘的主要结构包含盘片、电机、磁头、磁头臂、接口、缓存等部分,不论是 3.5 寸还是 2.5 寸的硬盘都必然包含这些结构。由于这些机械结构多是由金属制成,对硬盘最直接的影响就是重量大。

机械硬盘结构图

机械硬盘的盘片

信息被储存在硬盘中,实际上就是储存在其中的盘片上。盘片在硬盘里以每分钟 5400、7200 转甚至上万转的速度转动。考虑到重力、离心力、外界冲击等因素,盘基的机械性能必须较高,所以一般用铝合金作为盘片基体(也有玻璃)。在其表面附着磁粉,并加工平整。一般情况盘片两面皆可读写,从上到下从 0 起编号,单盘容量可达 1T。

机械硬盘的磁道与扇区

关于为盘片清灰,有人会说,我拆开硬盘,给盘片清清灰,运行会不会快一点呢?请大家注意,机械硬盘千万不能拆开,一旦拆开,这块机械硬盘就废了,数据恢复需要的成本会非常非常之高。

未成年硬盘请在成年硬盘陪同下观看

那这是为什么呢?数据存在盘片上,而读取它靠的则是磁头。磁头被装在磁头臂顶端,是转化磁信号与电信号的关键设备,用线圈缠绕在磁芯上制成,是磁盘中最昂贵的部件和最关键的一环。当磁盘高速旋转时,盘面会带起强烈的气流,足以托起磁头臂悬浮于盘面上。一旦杂质进入磁盘,可在其高速转动时划伤盘面、撞击磁头,造成不可恢复的盘面损伤并伴有数据丢失。磁头也可能因震动、碰撞、跌落而划碰盘面,留下一道痕迹。

磁头

接下来我们就来讲讲,文件不要放在 C 盘的说法究竟是怎么来的。要知道这个,我们得首先了解一下什么叫磁盘碎片,通俗地来讲,文件在盘片上存储的方式可能并不是连续的,如果不连续,那么读取它的时间就会比较长。那么这和文件不要放在 C 盘有什么关系呢?系统储存在 C 盘,本身就会产生许多小文件,如果再把个人文件也放在 C 盘,就会增加磁盘碎片量,使得读写性能下降,影响到系统速度。

文件碎片示意图


固态硬盘

PART 3

我们来了解下固态硬盘,U 盘,SD 卡,手机内存,Switch 游戏卡带等等储存设备的工作原理,那就是 FLASH 储存。

SSD 的内部结构

SLC(Single-Level Cell)是最简单的 FLASH 储存。它的工作方式,就是将电子囚禁在有两个单元的笼子当中,给电子一个相应的电压,就能让电子到达相应的单元,读取电子所在的位置,就能知道这个颗粒中的数据是 0 还是 1 了。而 MLC(Multi-Level Cell)就是每个单元存储两个比特,即 00 01 10 11 四种状态,每种状态对应四个不同电压。同理,TLC(Trinary-Level Cell)也就是能存 3 个比特、8 种状态。我们用的固态硬盘,基本都是 TLC 的颗粒。

SLC、MLC 和 TLC 的示意图

由于成本下降,近几年 SSD 在民用市场终于开始大面积普及。SSD 相比 HDD 的优点非常多:更轻、更小、更快、更省电、可用环境更复杂、更贵。但它存在一定读写寿命问题,但这不妨碍我们选用 SSD。

主控是 SSD 的大脑,调控数据在闪存芯片上的负荷,也负责闪存与外部接口的数据中转,以及硬盘内部各种指令,比如纠错、断电保护、温控、回收、健康检测等。不同主控的结构、算法、算力有很大区别,直接影响 SSD 的寿命、速度、温度。

每个单元存储位数越大,充电所需电位精度更高、充电更困难,加上检验失败要重新充电,写入就会变慢;读取的精度也要求更高,也会相应变慢。高位数颗粒可以模拟低位数颗粒。

我们常听说固态硬盘是有寿命的,这个寿命指的是擦除次数。电流穿过颗粒中的绝缘层时,对颗粒是有一定损耗的。擦除次数超过一定限制就极有可能导致这个颗粒失效。MLC 颗粒一般的擦除次数是 3000—10000 次,当下消费级常见的 TLC 颗粒也就 1000 多次。但事实上这指的是块擦除次数或全盘擦写次数,不是只能向 SSD 写入 3000 次。事实上你想把 SSD 写坏,没有上百 TB 不可能,日常使用完全不必担心。

不过,尽管固态的寿命够长,你的数据可能放不了那么久。电子虽然被关进笼子,但依然活跃;温度越高,越容易跑掉。根据有关标准,SSD 在 30℃ 下掉电放置 52 周可能丢数据,55℃ 下两周就可能发生。所以,SSD 不适合用于长期断电保存数据,有这种需求还是磁带、机械硬盘、光盘更稳定,或者选择磁带。


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