一、硬盘及组成

1．硬盘简介

硬盘的英语是Hard Disk，直接翻译成中文是硬盘。硬盘是计算机的外部存储器之一，它使用磁介质来存储数据，所以它也被称为磁盘。当然，磁盘基础是由硬金属制成的，与尼龙磁盘基础的软盘相比，它被称为硬盘。硬盘是计算机最重要的外部存储设备，需要在硬盘上保存各种软件、程序和数据，包括操作系统。

1956年9月，IBM一个工程组向世界展示了第一个磁盘存储系统IBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control），磁头可以直接移动到盘子上的任何存储区域，从而成功实现随机存储。该系统的总容量只有5MB，使用了50个直径为24英寸的磁盘。这些盘子表面涂有一层磁性物质，它们被折叠并固定在一起，绕着同一个轴旋转。IBM 350 RAMAC航空售票、银行自动化、医疗诊断、航空航天等领域都有可能引入计算机。1973年，IBM又发明了Winchester(温氏)硬盘，其特点是磁头悬浮在高速旋转盘上方，而不直接接触盘，这是现代硬盘的原型。我们仍然使用这种结构。

2．硬盘组成

一般来说，任何硬盘都由磁盘、磁头、主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等组成。所有的盘子都固定在旋转轴上，即盘子的主轴。而所有盘片之间的绝对平行的。磁头在每个盘子的存储面上都有一个磁头，磁头和盘子之间的距离小于头发的直径。磁头控制器负责每个磁头的运动，所有磁头都连接在一个磁头控制器上。磁头可以沿着盘子的半径移动，盘子以每分钟数千转到数万转的速度高速旋转，使磁头能够读写盘子上指定位置的数据。

3硬盘外部结构

目前，市场上常见的硬盘形状相似。产品标签贴在没有组件的一侧，通常称为硬盘正面。标签上有一些与硬盘相关的内容，包括制造商、速度、容量、工作电压等信息。另外一面从外观上看，具有金属外壳，裸露着控制芯片、电阻等电子元件的一面称为背面，这些电子元件裸露在外面而不包裹在金属匣子里面的原因在于这样更有利于散热，散热对硬盘的稳定运行非常重要。电源插座、硬盘主/跳线器和数据线连接插座设置在硬盘的一端。

（1）接口

接口包括两部分：电源插座和数据接口。电源插座连接到主机电源，以确保硬盘的工作。数据接口是硬盘数据与主板控制器之间的传输和交换链接，根据连接同分为IDE接口、SCSI接口、SATA接口等。

(2)控制电路板

控制电路板多采用贴片元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动和伺服定位电路、读写电路、控制和接口电路等。电路板上还有一台高效的单片机ROM芯片，其固化软件可初始化硬盘，进行加电、启动主轴电机、初始加电通道、定位和故障检测，并在电路板上安装不同容量的高速缓存芯片。

(3)固定盖板

固定盖板是硬盘面板，标有产品型号、产地、设置数据等。，并与底板结合成一个密封的整体，以确保硬盘和机构的稳定运行。固定盖板和盘体侧面也有安装孔，便于安装。

4硬盘的内部结构

硬盘的内部结构主要由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口和附件组成。盘头组件（Hard Disk Assembly，HAD）它是硬盘的核心，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片和主轴驱动机构、前读/写控制电路等。

(1)浮动磁头组件

浮动磁头组件由读写磁头、传动杆和传动轴组成。磁头是硬盘技术中最重要、最关键的部分。事实上，它是由集成过程制成的多个磁头的组合。采用非接触式结构，加电后在高速旋转磁盘表面飞行，飞行间隙仅为0.1~0.3um，数据传输率极高。现在转速为5400r/min硬盘飞高间隙小于0.3um，有利于读取高信噪比信号，提供数据传输和存储的可靠性。

(2)磁头驱动机构

磁头驱动机构由音圈电机和磁头驱动汽车组成。新型大容量硬盘还具有高效的抗振动机构。高精度轻磁头驱动机构可以正确驱动和定位磁头，并在短时间内准确定位系统指令指定的磁道，以确保数据读写的可靠性。磁头机构的电机有三种:步进电机、扭矩电机和音圈电机。前两种用于低容量磁盘，现已淘汰。大容量磁盘主要由音圈电机驱动。音圈是连接到磁头中间的磁棒的线圈。当电流通过线圈时，磁棒会位移，然后驱动装载磁头的汽车，并根据磁头位置控制器的信息编码获得磁头的距离，以实现准确定位的目的。音圈电机是一种密封控制系统，可自动调电机快、安全系数高的密封控制系统。

(3)盘片和主轴组件

磁盘是硬盘存储数据的载体。目前的磁盘大多采用金属薄膜磁盘。与软盘的不连续颗粒载体相比，这种金属薄膜具有记录密度高、磁剩余度高、校正顽固性高的特点。主轴部件包括主轴部件(如轴瓦)和驱动电机。随着磁盘容量的扩大，主轴电机的速度也在增加，导致传统滚珠轴承电机磨损、温度升高、噪声增加的缺点，对速度的提高产生了负面影响。因此，制造商开始采用精密机械行业的液体轴承电机技术。液体轴承电机采用粘膜液体轴承，用油膜代替滚珠可避免金属表面的直接摩擦，降低噪声和温度。油膜能有效吸收振动，提高主轴抗震能力。理论上，液态轴承电机无磨损，使用寿命无限长，是超高速硬盘的发展趋势。

(4)前控电路

前控制电路用于控制磁头传感信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位。由于磁头读取的信号较弱，在腔内密封放大电路可以减少外部信号的干扰，提高操作指定的准确性。

二、硬盘性能指标

硬盘的技术性能指标是衡量硬盘性能好坏的关键，也极大地影响了计算机的整体性能。

1．转速

转速是指硬盘盘片的转速，其单位为r/min(转/分钟)，参数越大越好。目前市场主流IDE硬盘转速有7200r/min和5400r/min转速对硬盘的传输速率有非常重要的影响，转速越高，传输速度越快。7200r/min硬盘已逐渐取代5400r/min硬盘，但在一些低端市场，5400r/min硬盘仍以其高性价比占据主导地位。10000r/min还有硬盘市场，相信它的出现会极大地促进硬盘的发展。

2平均通道时间

平均通道时间是指硬盘磁头移动到数据所在磁道的时间，单位为毫秒（ms）。注意它和平均访问时间的区别，平均通道时间越小越好。硬盘只需要11次就可以完成数据搜索ms，因此，在购买硬盘时，平均通道时间应小于9ms的产品。

3．反应时间

反应时间是硬盘完成第一轮旋转的时间，是反映非曲直硬盘转速最直接的性能指标。5400r/min硬盘有5.55ms反应时间，72000r/min硬盘反应时间可达4.17ms。如果硬盘达到120周/s转速为1/120s，即0.008 333s。如果硬盘每周需要0.004 166 5s，我们也可以反应时间也可以称为4.17ms。

4平均潜伏期

平均潜伏期是指当磁头移动到数据所在的磁道时，等待所需数据继续旋转（羊圈或多或少）到磁头下的时间，单位为ms。平均潜伏期越小越好，潜伏期小代表硬盘的读取数据的等待时间短，磁盘数据传输率也就更高。

5最大内部数据传输率。

最大内部数据传输率也叫持续数据传输率（Sustained Transfer Rate），指磁头到磁盘缓存间的最大数据传输率，单位为Mb/s，即兆位/秒的注意和MB/s差异：MB/s=MB/s/8）。例如：WD36400硬盘给出的最大内部数据传输率为131MB/s，但是如果按MB/s计算只有131/8=16.37MB/s。最大的内部数据传输率通常取决于硬盘转速和盘数据线密度（指同一磁道上的数据间隔）。

6。外部数据传输率

外部数据传输率是指从硬盘缓冲区读取数据的速率，通常取代数据接口速率，单位为MB/s。目前主流硬盘广泛使用UDMA其最大外部数据传输率为66.7MB/s。2001年推出的UDMA理论上，/100的最大外部数据率是100MB/s，但由于内部数据传输率的限制，其传输率往往达不到最大值。

7．数据缓存

数据缓存是指硬盘内的高速存储器，在计算机中暂时保存一些数据，如存储器，以便读取和再读取。目前硬盘高速缓存一般为2MB，最高为8MB，主流ATA硬盘数据缓存为2MB，而在SCSI硬盘中最高的数据缓存已经达到16MB。存取零散文件时，大数据缓存硬盘有很大的优势，因为当硬盘收到时CPU当指令和控制开始读取数据时，硬盘上的控制芯片会控制磁头，在缓存中读取正在读取的一个或几个簇中的数据(因为硬盘上的数据存储是连续的，所以读取的命中率很高)。当CPU当指令需要读取下一个或几个系列中的数据时，磁头不需要再读取数据，而是直接中的数据。由于缓存速度远高于磁头，可以显著提高系统性能。

8．单碟容量

单盘容量是硬盘中每个磁盘中最大的量。每块磁盘内都有若干张碟片，所有碟片的容量之和就是磁盘的总容量。要提高单碟容量，就必须提高磁记录的密度，目前几乎所有的磁盘都采用了GMR磁头技术来提高磁记录密度。单碟容量是影响硬盘数据传输率的一个重要技术指标，因为高密度片可使硬盘在读取相同数据量时将磁头的寻道动作和移动距离减少，从而减少平均寻道时间，加快硬盘速度。目前硬盘的单碟容量已达到160GB。

 

三．硬盘接口方式

硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统性能好坏。从整体的角度上，硬盘接口为IDE、SATA、SCSI和光纤通道四种，IDE接口硬盘多用于家用产品中，也部分应用于服务器，SCSI接口的硬盘则主要应用于服务器市场，而光纤通道只用在高端服务器上，价格昂贵。SATA是一种新生的硬盘接口类型，还正处于市场普及阶段，在家用市场中有着广泛的前景。在IDE和SCSI的大类别下，又可以分出多种具体的接口类型，又各自拥有不同的技术规范，具备不同的传输速度，比如ATA100和SATA。Ultra160 SCSI和Ultra320 SCSI都代表着一种具体的硬盘接口，各自的速度差异也较大。

1．IDE（ATA）

IDE的英文全称为“Integrated Drive Electronics”，即“电子集成驱动器”，它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为硬盘生产厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其他厂商生产的控制器兼容。对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。IDE这一接口技术从诞生至今就一直在不断发展，性能也在不断提高，其拥有价格低廉、兼容性强的特点，为其造就了其他类型硬盘无法替代的地位。

IDE代表着硬盘的一种类型，但在实际的应用中，人们也习惯用IDE来称呼最早出现的IDE类型硬盘ATA-1,这种类型的接口随着接口技术的发展已经被淘汰了，而其后发展出现更多类型的硬盘接口，比如ATA、Ultra ATA、DMA、Ultra DMA等接口都属于IDE硬盘。

2．SCSI

SCSI的英文全称为“Small Computer System Interface”（小型计算机系统接口），是与IDE（ATA）完全不同接口，IDE接口是普通PC的标准接口，而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点，但较高的价格得它很难如IDE硬盘般普及，因此SCSI硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。

3．光纤通道

光纤通道的英文拼写是Fibre Channel，和SCSI接口一样，光纤通道最初也不是为硬盘设计开发的接口技术，是专门为网络系统设计的，随着存储系统对速度的需求，才逐渐应用到硬盘系统中。光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度和灵活性才开发的，它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度。光纤通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设备数量大等。

光纤通道是为在像服务器这样的多硬盘系统环境而设计的，能满足高端工作站、服务器、海量存储子网络、外设间通过集线器、交换机和点对点连接进行双向、串行数据通信等系统对高数据传输率的要求。

4．SATA

使用SATA（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘，是未来PC硬盘的趋势。2001年，由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、迈拓这几大厂商组成的Serial ATA委员会正式确立了Serial ATA 1.0规范。2002年，跃然串行ATA的相关设备还未正式上市，但Serial ATA委员会已抢先确立了Serial ATA 2.0规范。Serial ATA采用串行连接方式，串行ATA总线使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。SATA-I的外部接口速度已达到150MB/s，SATA-II更将升至300MB/s，SATA的前景很广阔。

5．SAS

SAS是Serial Attached SCSI的缩写，即串行连接SCSI。2001年11月26日，Compaq、IBM、LSI逻辑、Maxtor和Seagate联合宣布成立SAS工作组，其目标是定义一个新的串行点对点的企业级存储设备接口。

SAS技术引入了SAS扩展器，使SAS系统可以连接更多的设备，其中每个扩展器允许连接多个端口，每个端口可以连接SAS设备、主机或其他SAS扩展器。为保护用户投资，SAS规范也兼容了SATA，这使得SAS的背板可以兼容SAS和SATA两类硬盘，对用户来说，使用不同类型的硬盘时不需要再重新投资。目前，SAS接口速率为3Gbps，其SAS扩展器多为12端口。不久，将会有6Gbps甚至12Gbps的高速接口出现，并且会有28或36端口的SAS扩展器出现以适应不同的应用需求。

 

四．结构

硬盘是由最小的物理组成单位扇区（sector）组成，数个扇区组成一个同心圆时，就称为柱面（cylinder），最后构成整个硬盘的容量大小。

下面图所示，是硬盘内部结构图。

1． 磁道

当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道(Track)。

2．柱面

在有多个盘片构成的盘组中，由处于同一半径的磁道组成的一个圆柱面(Cylinder)。

3．磁区

磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是硬盘的磁区(Sector)。硬盘的一个磁区，叫做开机磁区。

4．主引导记录(MBR)数据结构

（1）引导扇区种类

引导扇区是硬盘、软碟或类似的资料储存装置的一个磁区，内含负责启动（booting）“存放在碟片（disk）的其他部份的程式（通常，但不必然是操作系统）”的机械码。

引导扇区有两种：

Volume Boot Record 是磁盘未被分割的第一个磁区，或已分割的分区的第一个磁区，包含了加载与唤起操作系统(放在这个分区之内或放在这个磁盘上)的码。

Master Boot Record 是磁盘已被分割的第一个磁区，它包含定位活动分割区与唤起它的VBR的码。

IBM PC兼容机上，BIOS不在意VBR与MBR的不同，甚至分割区。固件只是加载并执行磁盘的第一个磁区(sector)，在MBR里的码，才知道磁盘分割讯息；且是负责加载启动活动分割区的VBR的地方。

如果你从“一个没有灌操作系统的磁盘”启动，屏幕会显示"Please Insert a bootable disc and press a key"；这是引导扇区(boot sector)显示的，而不是机器的固件。

（2）主引导记录

主引导扇区位于硬盘的0磁道0柱面1扇区，由硬盘主引导记录MBR（Master Boot Record）或者（Main Boot Record）、分区表DPT（Disk Partition Table）和Magic Number三大部分组成。主引导记录包含446bytes，分区表包含64bytes以及Magic Number包含2bytes，共512bytes。

 

MBR，全称为Master Boot Record，即硬盘的主引导记录。

引导扇区是每个分区（Partition）的第一扇区，而主引导扇区是硬盘的第一扇区。它由三个部分组成，主引导记录MBR、硬盘分区表DPT和硬盘有效标志。在总共512字节的主引导扇区里MBR占446个字节（偏移0--偏移1BDH），DPT占64个字节（偏移1BEH--偏移1FDH），最后两个字节“55AA”（偏移1FEH--偏移1FFH）是硬盘有效标志。

标准 MBR 结构


位址

长度（字节）

描述

Hex

Dec

0000

0

394 – 446

代码区

018A

394

36

四个 9 byte 的主分区表入口（选用 IBM 的延伸 MBR 分区表规划）

01B8

440

4

选用磁盘标志

01BC

444

2

一般为空值：0x0000

01BE

446

64

四个 16 byte 的主分区表入口（标准 MBR 分区表规划）

01FE

510

2

MBR 有效标志 (0x55 0xAA)

 

五．尺寸

1．尺寸

硬盘按尺寸不同，大致分为0.85、1、1.8、2.5、3.5以及5.25英寸。

2．用途

硬盘驱动器的尺寸和用途可分为：

0.85英寸，多用于手提电话等便携设备中。
1英寸（微型硬盘，MicroDrive），多用于数字相机（CF type II界面）。
1.8英寸，多用于笔记本电脑及外置硬盘盒中。
2.5英寸，多用于笔记本电脑及外置硬盘盒中。
3.5英寸，多用于台式机中，采用3.5"硬盘的外置硬盘盒需要外接电源、比较不方便。
5.25英寸，多为早期之个人计算机使用。今已无厂商生产。

 

六．服务器硬盘的选择

服务器硬盘在性能上要求远远高于台式机硬盘，这是受服务器大数据量、高负荷、高速度等要求所决定的。服务器硬盘一般采用SCSI接口，高端还有采用光纤通道接口的，极少的低端服务器采用台式机上的ATA硬盘，性能受很大影响。

1．速度快

服务器硬盘转速很高，7200转、10000转的产品已经相当普及，甚至还有达到15000转的。它还配备了较大的回写式缓存，一般为2MB、4MB、8MB或16MB，甚至还有64MB的产品。平均访问时间比较短，外部传输率和内部传输率更高。

2．可靠性高

服务器硬盘几乎是24小时不停地运转，承受着巨大的工作量。可以说，硬盘如果出了问题，后果不堪设想。除了采用家用硬盘具备的S.M.A.R.T技术（自监测、分析和报告技术），硬盘厂商都采用了各自独有的先进技术来保证数据的安全。为了避免意外的损失，服务器硬盘一般都能承受300G到1000G的冲击力。

为了提高可靠性，服务器多采用了廉价冗余磁盘陈列（RAID）技术。RAID技术相当于把一份数据复制到其他硬盘上，如果其中一个硬盘损坏了，可以从另一个恢复数据。

3．带宽大

多数服务器采用了数据吞吐量大、CPU占有率极低的SCSI硬盘。SCSI硬盘必须通过SCSI接口才能使用，有的服务器主板集成了SCSI接口，有的安有专用于大约有10~50人同时在正常上班时间随机访问的服务器或工作站。在此种情况下建议选择SCSI接口硬盘。

高性能服务器和工作站主要面向执行关键任务且工作负荷很重的文件服务器，其负荷相当于50多人在一天24小时内同时进行访问，同时还面向视频、动画制作等有高要求的工作站。在这些场合建议使用高端SCSI。