存儲基礎篇之硬盤一（工做原理）

1、硬盤簡介。

　　硬盤是咱們電腦、手機等電子產品上不可或缺的部分。在數據中心的存儲設備，也主要是由一塊一塊的硬盤組成的。硬盤的主要做用是存儲數據，保護數據。而隨着科技的發展，硬盤的讀寫速度、容量等方面也在發生着變化。

 

2、各硬盤介紹。

　　如今咱們經常使用的硬盤有機械硬盤、固態硬盤、混合硬盤三種。這三種硬盤各有各的優勢與缺點。

　　一、機械硬盤：機械硬盤是如今最多見最廉價的一種硬盤，它主要有盤片，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。

　　① 盤片：硬盤中通常會有多個盤片組成，不一樣型號的磁盤盤片數量可能不同。每一個盤片包含兩個面，每一個盤面都會對應一個磁頭。通常狀況下，盤片的編號自下向上從0開始。數據都會保存在盤片上，而數據的存儲依靠盤片上附着的磁性物質。因爲磁分兩級，正好能夠表示二進制的0和1。

　　盤片分爲磁道和扇區，以下圖，綠色部分爲磁道，藍色部分爲扇區。

　　磁道是盤面中一圈圈綠色同心圓稱爲磁道

　　扇區是從圓心向外畫直線，能夠將磁道劃分爲若干個弧段，每一個磁道上一個弧段被稱之爲一個扇區，扇區是磁盤的最小組成單元，一般是512字節。（因爲不斷提升磁盤的大小，部分廠商設定每一個扇區的大小是4096字節）

　　② 磁頭：存儲數據時，它能夠對硬盤盤片表面上附着的磁性物質的磁極進行改變，讀取數據時，則是經過磁頭去感應磁阻的變化。這裏磁頭扮演者極爲重要的角色，它也是硬盤裏最昂貴的部件。

　　⑤ 盤片轉軸：使盤片進行高速水平轉動，從而使得磁頭能夠讀取盤片上的不一樣扇區的數據。轉速通常爲5400rpm/m、7200rpm/m、SCSI、SAS型（服務器）的硬盤通常爲10000rpm/m、15000rpm/m。轉速越快，讀/寫數據的速度越快。缺點：轉速越高，噪音越大、功耗越高、使用壽命越低。

　　⑥ 磁頭控制器：使磁頭進行水平圓弧型運動，與磁盤轉軸相結合，可使磁頭讀取盤片上的任意扇區內的數據。

　　⑦ 緩存：在機械硬盤中，緩存就是爲了加速讀/寫速度的。如內存中的數據寫入到硬盤中，因爲內存速度比硬盤快的多，這就致使寫入速度太慢，而緩存則大大緩解了這個問題，先將數據寫入緩存區，以後硬盤自己再將數據保存到盤片中，而不佔用其餘資源。而對於讀取數據，若是一個數據剛剛被讀取過，將臨近它位置的數據保留在緩存區中，讀取時，若命中，則直接從緩存區讀出；若沒有命中，則會再次從盤片上讀取。

　　

　　二、固態硬盤：固態硬盤的接口規範和定義、功能及使用方法上與普通硬盤幾近相同，外形和尺寸也基本與普通的 2.5英寸硬盤一致。主要由三部分組成：主控芯片、NAND閃存芯片、固件算法。

　　① 主控芯片：主控芯片一方面負責合理調配數據在各個閃存芯片上的負荷，另外一方面承擔了整個數據中轉，鏈接閃存芯片和外部接口。除此以外，主控還負責ECC糾錯、耗損平衡、壞塊映射、讀寫緩存、垃圾回收以及加密等一系列的功能。

　　② NAND閃存芯片：存儲數據的地方，根據不一樣顆粒的分類，分爲：：SLC（每一個存儲單元存儲1bit數據）、MLC（每一個存儲單元存儲2bit數據）、TLC（每一個存儲單元存儲3bit數據）。SLC成本高，數據與數據之間影響較小，讀寫速度極快，數據出錯的可能性極小，使用壽命較長；而TLC成本低，可是據與數據之間影響較大，讀寫速度慢且極易出錯，使用壽命較短。

　　③ 固件算法：主控使用固件算法中的控制程序，去執行自動信號處理，耗損平衡，錯誤校訂碼（ECC），壞塊管理、垃圾回收算法、與主機設備通訊，以及執行數據加密等任務。因爲固件冗餘存儲至NAND閃存中，所以當SSD製造商發佈一個更新時，須要手動更新固件來改進和擴大SSD的功能。

 

　　三、M.2固態硬盤：M.2接口最主要有如下幾個優勢：支持更高的速率，潛力大；相對PCI-Emini card，節約20%的PCB空間，節省15%的鏈接器高度，更小巧玲瓏；支持PCI-E3.0，USB3.0和SATA3.0三種當前主流標準，接口更「全能」。

 

3、接口模式

　　通常日常家用的計算機都是IDE、SATA、M.2等接口模式；服務器/存儲端使用SCSI、SAS接口模式

　　① IDE接口模式爲電子集成驅動器，出現時間比較早，該模式下硬盤價格低廉、兼容性強、性價比高，可是如今基本沒有IDE接口模式的硬盤了。

　　② SATA接口模式相對於IDE出現時間較晚，可是數據傳輸時會對數據進行糾錯，可靠性較高，目前主流接口爲SATA3接口。

　　③ M.2接口模式是新型的硬盤接口模式是inter發佈的一種新的主機接口方案，能夠兼容多種通訊協議。同時也有體積小、速度快的優勢。

　　④ SCSI接口模式則徹底經過獨立的高速的SCSI卡來控制數據的讀寫操做，CPU就沒必要浪費時間進行等待，顯然能夠提升系統的總體性能。鏈接7—15個設備，性能更穩定、耐用，可靠性也更好。

　　⑤ SAS接口模式是將SATA與SCSI二者相結合，這樣就能夠同時發揮二者的優點了。在這種狀況下SAS應運而生。