[科普中国]-硬盘

硬盘主要分为固态硬盘、机械硬盘、混合硬盘。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。

硬盘作为一种存储设备从计算机诞生的时候就一直扮演着不可或缺的角色。从某种程度上来讲，计算机性能的好坏仅仅影响运算数据的速度，而存储设备的任务则是保证各类运算数据得以存续。

概述硬盘是计算机最为重要的存储设备，存放着用户所有的数据信息，这些数据的价值远远高于硬盘本身，同时硬盘又是计算机的主要组成部分，其性能的好坏直接影响计算机的运行速度和用户的操作体验。

硬盘按照其工作形式的不同分为两种，机械硬盘HDD（Hard Disk Drive）和固态硬盘SSD（Solid State Drive）。机械硬盘即传统的普通硬盘，主要由盘片、盘片转轴、磁头组件、磁头驱动机构、控制电路组成。固态硬盘类似于U盘技术，全电子结构，没有机械运动部件，采用集成电路存储技术，由控制单元和存储单元组成。1

硬盘作为一种存储设备从计算机诞生的时候就一直扮演着不可或缺的角色。从某种程度上来讲,计算机性能的好坏仅仅影响运算数据的速度,而存储设备的任务则是保证各类运算数据得以存续。计算机产生的大部分数据都存储在硬盘中,所以硬盘成为了计算机必不可少的一个部件。计算机硬盘从诞生到现在经历过很多阶段,但是最终都向着体积小、速度快、容量大这几方面发展。2

分类当前硬盘在市场上基本分为3种，分别为机械硬盘（HDD传统硬盘）、固态硬盘（SSD盘），混合硬盘、（HHD一种基于传统机械硬盘与固态硬盘叠加诞生出来的新硬盘）。

1、机械硬盘

机械硬盘（Hard Disk Drive）即传统普通硬盘，其构成部件主要是：磁盘、转轴及控制电机、磁头、磁头控制器、接口等几个部分构成。磁头在高速运转的磁盘上到达预先指定位置对数据进行读写操作。数据信息通过离磁性表面仅一根发丝直径大小的磁头，以电磁流改变极性方式写到磁盘上，数据信息可以通过相反的方式读取。其读写速度依赖于电机的转速，因为需要依靠电机带动磁盘高速转动使磁头找到指定位置进行读写，所以，在当下对读写速度的高要求下机械硬盘显得疲于应对。

2、固态硬盘

固态硬盘（Solid State Disk），简称固盘或者也称其为SSD，固态硬盘是基于固态电子存储芯片阵列制成的硬盘，由控制单元和存储单元组成。固态硬盘与机械硬盘在功能、规范和使用方式上完全相同，因其为纯芯片结构，相较于机械硬盘固态硬盘的体积和重量要小很多。从采用的存储介质来看主要分为两种，一种是选用Flash芯片作为存储介质，基于闪存设计的固态硬盘：根据闪存的不同又分为NAND闪存和NOR闪存。由于NAND闪存存储密度大，改写速度快等优点，因而在业界得到广泛应用。被制作成如体积小巧的U盘、笔记本硬盘、数码产品的存储卡等。NAND固态硬盘凭借可移动性，数据保护不受限于电源控制，更适合于个人用户在各种工况下使用。另一种固盘是采用DRAM作为存储介质，应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。虽然它拥有较长的使用寿命，性能突出，美中不足的是为了保护数据安全需要独立的电源，一旦掉电RAM内的数据就将丢失，价格昂贵。所以目前DRAM固态硬盘应用范围较窄。

3、混合硬盘

混合硬盘（Hybrid Hard Disk）即包含机械硬盘与固态硬盘相结合的产物，主要应用于个人电脑，其优势是比机械硬盘速度快、功耗低。2

基本参数1、容量

作为计算机系统的数据存储器，容量是硬盘最主要的参数。

硬盘的容量以兆字节（MB/MiB）、千兆字节（GB/GiB）或百万兆字节（TB/TiB)为单位，而常见的换算式为：1TB=1024GB,1GB=1024MB而1MB=1024KB。但硬盘厂商通常使用的是GB，也就是1G=1000MB，而Windows系统，就依旧以“GB”字样来表示“GiB”单位（1024换算的），因此我们在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值要小。

硬盘的容量指标还包括硬盘的单碟容量。所谓单碟容量是指硬盘单片盘片的容量，单碟容量越大，单位成本越低，平均访问时间也越短。

一般情况下硬盘容量越大，单位字节的价格就越便宜，但是超出主流容量的硬盘略微例外。

在我们买硬盘的时候说是500G的，但实际容量都比500G要小的。因为厂家是按1MB=1000KB来换算的，所以我们买新硬盘，比买时候实际用量要小点的。1

2、转速

转速（Rotational Speed 或Spindle speed），是硬盘内电机主轴的旋转速度，也就是硬盘盘片在一分钟内所能完成的最大转数。转速的快慢是标示硬盘档次的重要参数之一，它是决定硬盘内部传输率的关键因素之一，在很大程度上直接影响到硬盘的速度。硬盘的转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快，相对的硬盘的传输速度也就得到了提高。硬盘转速以每分钟多少转来表示，单位表示为RPM，RPM是Revolutions Per minute的缩写，是转/每分钟。RPM值越大，内部传输率就越快，访问时间就越短，硬盘的整体性能也就越好。

硬盘的主轴马达带动盘片高速旋转，产生浮力使磁头飘浮在盘片上方。要将所要存取资料的扇区带到磁头下方，转速越快，则等待时间也就越短。因此转速在很大程度上决定了硬盘的速度。

家用的普通硬盘的转速一般有5400rpm、7200rpm几种高转速硬盘也是台式机用户的首选；而对于笔记本用户则是4200rpm、5400rpm为主，虽然已经有公司发布了10000rpm的笔记本硬盘，但在市场中还较为少见；服务器用户对硬盘性能要求最高，服务器中使用的SCSI硬盘转速基本都采用10000rpm，甚至还有15000rpm的，性能要超出家用产品很多。较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间，但随着硬盘转速的不断提高也带来了温度升高、电机主轴磨损加大、工作噪音增大等负面影响。1

3、平均访问时间

平均访问时间（Average Access Time）是指磁头从起始位置到到达目标磁道位置，并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。

平均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括了硬盘的寻道时间和等待时间，即：平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间。

硬盘的平均寻道时间（Average Seek Time）是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间。这个时间当然越小越好，硬盘的平均寻道时间通常在8ms到12ms之间，而SCSI硬盘则应小于或等于8ms。

硬盘的等待时间，又叫潜伏期（Latency），是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需的时间的一半，一般应在4ms以下。1

4、传输速率

传输速率（Data Transfer Rate)硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。

内部传输率（Internal Transfer Rate) 也称为持续传输率（Sustained Transfer Rate），它反映了硬盘缓冲区未用时的性能。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。

外部传输率（External Transfer Rate）也称为突发数据传输率（Burst Data Transfer Rate）或接口传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。

Fast ATA接口硬盘的最大外部传输率为16.6MB/s，而Ultra ATA接口的硬盘则达到33.3MB/s。2012年12月，两80后研制出传输速度每秒1.5GB的固态硬盘。1

5、缓存

缓存（Cache memory）是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度，它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。由于硬盘的内部数据传输速度和外界介面传输速度不同，缓存在其中起到一个缓冲的作用。缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素，能够大幅度地提高硬盘整体性能。当硬盘存取零碎数据时需要不断地在硬盘与内存之间交换数据，有大缓存，则可以将那些零碎数据暂存在缓存中，减小外系统的负荷，也提高了数据的传输速度。1

结构机械硬盘1、磁头

磁头是硬盘中最昂贵的部件，也是硬盘技术中最重要和最关键的一环。传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头，但是，硬盘的读、写却是两种截然不同的操作，为此，这种二合一磁头在设计时必须要同时兼顾到读/写两种特性，从而造成了硬盘设计上的局限。而MR磁头（Magnetoresistive heads），即磁阻磁头，采用的是分离式的磁头结构：写入磁头仍采用传统的磁感应磁头（MR磁头不能进行写操作），读取磁头则采用新型的MR磁头，即所谓的感应写、磁阻读。这样，在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化，以得到最好的读/写性能。另外，MR磁头是通过阻值变化而不是电流变化去感应信号幅度，因而对信号变化相当敏感，读取数据的准确性也相应提高。而且由于读取的信号幅度与磁道宽度无关，故磁道可以做得很窄，从而提高了盘片密度，达到每平方英寸200MB，而使用传统的磁头只能达到每平方英寸20MB，这也是MR磁头被广泛应用的最主要原因。MR磁头已得到广泛应用，而采用多层结构和磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头（Giant Magnetoresistive heads）也逐渐开始普及。

2、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。这些磁道用肉眼是根本看不到的，因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响，同时也为磁头的读写带来困难。一张1.44MB的3.5英寸软盘，一面有80个磁道，而硬盘上的磁道密度则远远大于此值，通常一面有成千上万个磁道。磁道的磁化方式一般由磁头迅速切换正负极改变磁道所代表的0和1。

3、扇区

磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息，磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。1.44MB3.5英寸的软盘，每个磁道分为18个扇区。

4、柱面

硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘单面上的磁道数是相等的。无论是双盘面还是单盘面，由于每个盘面都只有自己独一无二的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。所谓硬盘的CHS，即Cylinder（柱面）、Head（磁头）、Sector（扇区），只要知道了硬盘的CHS的数目，即可确定硬盘的容量，硬盘的容量=柱面数*磁头数*扇区数*512B。3

固态硬盘固态硬盘（Solid State Disk）用固态电子存储芯片列阵而制成的硬盘。它主要由控制单元和存储单元（FLASH芯片）组成。固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上与普通硬盘几乎一致。

固态硬盘和传统的机械硬盘最大的区别就是不再采用盘片进行数据存储，而采用存储芯片进行数据存储。固态硬盘的存储芯片主要分为两种：一种是采用闪存作为存储介质的；另一种是采用DRAM作为存储介质的。目前使用较多的主要是采用闪存作为存储介质的固态硬盘。

固态硬盘因为丢弃了机械硬盘的物理结构，所以相比机械硬盘具有了低能耗、无噪声、抗震动、低散热、体积小和速度快的优势；不过价格相比机械硬盘更高，而且使用寿命有限。

混合硬盘混合硬盘主要在内部机械结构和普通机械硬盘没有区别，区分主要是混合硬盘的PCB基板，它集成了SSD闪存部分，诸如闪存和主控芯片，因此它的PCB基板面积更大，显得电子元件更为密集。

本词条内容贡献者为:

刘宝成 - 副教授 - 内蒙古民族大学