全面硬盤知識

全面的硬盤知識硬盤，英文“hard-disk”簡稱HD。是一種儲存量巨大的設(shè)備，作用是儲存計算機(jī)運(yùn)行時需要的數(shù)據(jù)。體現(xiàn)硬盤好壞的主要參數(shù)為傳輸率，其次的為轉(zhuǎn)速、單片容量、尋道時間、緩存、噪音和S.M.A.R.T.1956年IBM公司制造出世界上第一塊硬盤350RAMAC（RandomAccessMethodofAccountingandControl），它的數(shù)據(jù)為：容量5MB、盤片直徑為24英寸、盤片數(shù)為50片、重量上百公斤。盤片上有一層磁性物質(zhì)，被軸帶著旋轉(zhuǎn)，有磁頭移動著存儲數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了隨機(jī)存取。1970年磁盤誕生1973年IBM公司制造出了一臺640MB的硬盤、第一次采用“溫徹斯特”技術(shù)，是現(xiàn)在硬盤的開端，因為磁頭懸浮在盤片上方，所以鍍磁的盤片在密封的硬盤里可以飛速的旋轉(zhuǎn)，但有好幾十公斤重。1975年Soft-adjacentlayer（軟接近層）專利的MR磁頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生1979年IBM發(fā)明了薄膜磁頭，這意味著硬盤可以變的很小，速度可以更快，同體積下硬盤可以更大。1979年IBM3370誕生，它是第一款采用thin-film感應(yīng)磁頭及Run-Length-Limited(RLL)編碼配置的硬盤，"2-7"RLL編碼將能減小硬盤錯誤1986年IBM9332誕生，它是第一款使用更高效的1-7run-length-limited(RLL)代碼的硬盤。1989年第一代MR磁頭出現(xiàn)1991年IBM磁阻MR（MagnetoResistive)磁頭硬盤出現(xiàn)。帶動了一個G的硬盤也出現(xiàn)。磁阻磁頭對信號變化相當(dāng)敏感，所以盤片的存儲密度可以得到幾十倍的提高。意味著硬盤的容量可以作的更大。意味著硬盤進(jìn)入了G級時代。1993年GMR(巨磁阻磁頭技術(shù))推出，這使硬盤的存儲密度又上了一個臺階。認(rèn)識硬盤硬盤是電腦中的重要部件，大家所安裝的操作系統(tǒng)（如：Windows9x、Windows2k…）及所有的應(yīng)用軟件（如：Dreamwaver、Flash、Photoshop…）等都是位于硬盤中，或許你沒感覺到吧！但硬盤確實非常重要，至少目前它還是我們存儲數(shù)據(jù)的主要場所，那你對硬盤究竟了解多少了？可能你對她一竅不通，不過沒關(guān)系，請見下文。一、硬盤的歷史與發(fā)展從第一塊硬盤RAMAC的產(chǎn)生到現(xiàn)在單碟容量高達(dá)15GB多的硬盤，硬盤也經(jīng)歷了幾代的發(fā)展，下面就介紹一下其歷史及發(fā)展。1.1956年9月，IBM的一個工程小組向世界展示了第一臺磁盤存儲系統(tǒng)IBM350RAMAC（RandomAccessMethodofAccountingandControl），其磁頭可以直接移動到盤片上的任何一塊存儲區(qū)域，從而成功地實現(xiàn)了隨機(jī)存儲，這套系統(tǒng)的總?cè)萘恐挥?MB，共使用了50個直徑為24英寸的磁盤，這些盤片表面涂有一層磁性物質(zhì)，它們被疊起來固定在一起，繞著同一個軸旋轉(zhuǎn)。此款RAMAC在那時主要用于飛機(jī)預(yù)約、自動銀行、醫(yī)學(xué)診斷及太空領(lǐng)域內(nèi)。2.1968年IBM公司首次提出“溫徹斯特/Winchester”技術(shù)，探討對硬盤技術(shù)做重大改造的可能性?！皽貜厮固亍奔夹g(shù)的精隋是：“密封、固定并高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤片，但是它支持的傳輸速度很低，因此到了1987年左右這種接口就基本上被淘汰了，采用該接口的老硬盤容量多數(shù)都低于200MB。早期IBMPC/XT和PC/AT機(jī)器使用的硬盤就是ST－506/412硬盤或稱MFM硬盤，MFM（ModifiedFrequencyModulation）是指一種編碼方案。ESDI接口：即（EnhancedSmallDriveInterface）接口，它是邁拓公司于1983年開發(fā)的。其特點是將編解碼器放在硬盤本身之中，而不是在控制卡上，理論傳輸速度是前面所述的ST-506的2…4倍，一般可達(dá)到10Mbps。但其成本較高，與后來產(chǎn)生的IDE接口相比無優(yōu)勢可言，因此在九十年代后就補(bǔ)淘汰了IDE及EIDE接口：IDE（IntegratedDriveElectronics）的本意實際上是指把控制器與盤體集成在一起的硬盤驅(qū)動器，我們常說的IDE接口，也叫ATA（AdvancedTechnologyAttachment）接口，現(xiàn)在PC機(jī)使用的硬盤大多數(shù)都是IDE兼容的，只需用一根電纜將它們與主板或接口卡連起來就可以了。把盤體與控制器集成在一起的做法減少了硬盤接口的電纜數(shù)目與長度，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫搅嗽鰪?qiáng)，硬盤制造起來變得更容易，因為廠商不需要再擔(dān)心自己的硬盤是否與其它廠商生產(chǎn)的控制器兼容，對用戶而言，硬盤安裝起來也更為方便。ATA-1(IDE)：ATA是最早的IDE標(biāo)準(zhǔn)的正式名稱，IDE實際上是指連在硬盤接口的硬盤本身。ATA在主板上有一個插口，支持一個主設(shè)備和一個從設(shè)備，每個設(shè)備的最大容量為504MB，ATA最早支持的PIO-0模式（ProgrammedI/O-0）只有3.3MB/s，而ATA-1一共規(guī)定了3種PIO模式和4種DMA模式（沒有得到實際應(yīng)用），要升級為ATA-2，你需要安裝一個EIDE適配卡。ATA-2（EIDEEnhancedIDE/FastATA）：這是對ATA-1的擴(kuò)展，它增加了2種PIO和2種DMA模式，把最高傳輸率提高到了16.7MB/s，同時引進(jìn)了LBA地址轉(zhuǎn)換方式，突破了老BIOS固有504MB的限制，支持最高可達(dá)8.1GB的硬盤。如你的電腦支持ATA-2，則可以在CMOS設(shè)置中找到（LBA，LogicalBlockAddress）或（CHS，Cylinder,Head,Sector）的設(shè)置。其兩個插口分別可以連接一個主設(shè)備和一個從設(shè)置，從而可以支持四個設(shè)備，兩個插口也分為主插口和從插口。通?？蓪⒆羁斓挠脖P和CD—ROM放置在主插口上，而將次要一些的設(shè)備放在從插口上，這種放置方式對于486及早期的Pentium電腦是必要的，這樣可以使主插口連在快速的PCI總線上，而從插口連在較慢的ISA總線上。ATA-3(FastATA-2)：這個版本支持PIO-4，沒有增加更高速度的工作模式（即仍為16.7MB/s)，但引入了簡單的密碼保護(hù)的安全方案，對電源管理方案進(jìn)行了修改，引入了S.M.A.R.T(Self-Monitoring,AnalysisandReportingTechnology，自監(jiān)測、分析和報告技術(shù))ATA-4(UltraATA、UltraDMA、UltraDMA/33、UltraDMA/66)：這個新標(biāo)準(zhǔn)將PIO-4下的最大數(shù)據(jù)傳輸率提高了一倍，達(dá)到33MB/s，或更高的66MB/s。它還在總線占用上引入了新的技術(shù)，使用PC的DMA通道減少了CPU的處理負(fù)荷。要使用Ultra-ATA，需要一個空閑的PCI擴(kuò)展槽，如果將UltraATA硬盤卡插在ISA擴(kuò)展槽上，則該設(shè)備不可能達(dá)到其最大傳輸率，因為ISA總線的最大數(shù)據(jù)傳輸率只有8MB/s。其中的UltraATA/66（即UltraDMA/66）是目前主流桌面硬盤采用的接口類型，其支持最大外部數(shù)據(jù)傳輸率為66.7MB/s。SerialATA：新的SerialATA（即串行ATA），是英特爾公司在今年IDF（IntelDeveloperForum，英特爾開發(fā)者論壇）發(fā)布的將于下一代外設(shè)產(chǎn)品中采用的接口類型，就如其名所示，它以連續(xù)串行的方式傳送資料，在同一時間點內(nèi)只會有1位數(shù)據(jù)傳輸，此做法能減小接口的針腳數(shù)目，用四個針就完成了所有的工作（第1針發(fā)出、2針接收、3針供電、4針地線）。這樣做法能降低電力消耗，減小發(fā)熱量。最新的硬盤接口類型ATA-100就是SerialATA是初始規(guī)格，它支持的最大外部數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)100MB/s，上面介紹的那兩款I(lǐng)BMDeskstar75GXP及Deskstar40GV就是第一次采用此ATA-100接口類型的產(chǎn)品。在2001年第二季度將推出SerialATA1x標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，它能提高150MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率。對于SerialATA接口，一臺電腦同時掛接兩個硬盤就沒有主、從盤之分了，各設(shè)備對電腦主機(jī)來說，都是Master，這樣我們可省了不少跳線功夫。SCSI接口：SCSI就是指SmallComputerSystemInterface(小型計算機(jī)系統(tǒng)接口)，它最早研制于1979，原是為小型機(jī)的研制出的一種接口技術(shù)，但隨著電腦技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在它被完全移植到了普通PC上?，F(xiàn)在的SCSI可以劃分為SCSI-1和SCSI-2(SCSIWide與SCSIWindFast)，最新的為SCSI-3，不過SCSI-2是目前最流行的SCSI版本。SCSI廣泛應(yīng)用于如：硬盤、光驅(qū)、ZIP、MO、掃描儀、磁帶機(jī)、JAZ、打印機(jī)、光盤刻錄機(jī)等設(shè)備上。它的優(yōu)點非常多主要表現(xiàn)為以下幾點：1、適應(yīng)面廣；使用SCSI，你所接的設(shè)備就可以超過15個，而所有這些設(shè)備只占用一個IRQ，這就可以避免IDE最大外掛15個外設(shè)的限制。2、多任務(wù)；不像IDE，SCSI允許對一個設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的同時，另一個設(shè)備對其進(jìn)行數(shù)據(jù)查找。這將在多任務(wù)操作系統(tǒng)如Linux、WindowsNT中獲得更高的性能。3、寬帶寬；在理論上，最快的SCSI總線有160MB/s的帶寬，即Ultra160/sSCSI；這意味著你的硬盤傳輸率最高將達(dá)160MB/s(當(dāng)然這是理論上的，實際應(yīng)用中可能會低一點)。4、少CPU占用率從最早的SCSI到現(xiàn)在Ultra160/mSCSI，SCSI接口具有如下幾個發(fā)展階段1、SCSI-1—最早SCSI是于1979年由美國的Shugart公司（Seagate希捷公司的前身）制訂的，并于1986年獲得了ANSI（美國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）承認(rèn)的SASI(ShugartAssociatesSystemInterface施加特聯(lián)合系統(tǒng)接口)，這就是我們現(xiàn)在所指的SCSI-1，它的特點是，支持同步和異步SCSI外圍設(shè)備；支持7臺8位的外圍設(shè)備最大數(shù)據(jù)傳輸速度為5MB/S；支持WORM外圍設(shè)備。2、SCSI-2—90年代初（具體是1992年），SCSI發(fā)展到了SCSI-2，當(dāng)時的SCSI-2產(chǎn)品（通稱為FastSCSI）是能過提高同步傳輸時的頻率使數(shù)據(jù)傳輸率提高為10MB/S,原本為8位的并行數(shù)據(jù)傳輸稱為：NarrowSCSI；后來出現(xiàn)了16位的并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤ideSCSI,將其數(shù)據(jù)傳輸率提高到了20MB/S。3、SCSI-3—1995年推出了SCSI-3，其俗稱UltraSCSI，全稱為SCSI-3Fast-20ParallelInterface（數(shù)據(jù)傳輸率為20M/S）它采用了同步傳輸時鐘頻率提高到20MHZ以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，因此使用了16位傳輸?shù)腤ide模式時，數(shù)據(jù)傳輸即可達(dá)到40MB/s。其允許接口電纜的最大長度為1.5米。4、1997年推出了Ultra2SCSI(Fast-40)，其采用了LVD（LowVoltageDifferential，低電平微分）傳輸模式，16位的Ultra2SCSI(LVD)接口的最高傳輸速率可達(dá)80MB/S,允許接口電纜的最長為12米，大大增加了設(shè)備的靈活性。5、1998年9月更高的數(shù)據(jù)傳輸率的Ultra160/mSCSI(Wide下的Fast-80)規(guī)格正式公布，其最高數(shù)據(jù)傳輸率為160MB/s，這將給電腦系統(tǒng)帶來更高的系統(tǒng)性能?，F(xiàn)有最流行的串行硬盤技術(shù)隨著INTEL的915平臺的發(fā)布，最新的ICH6-M也進(jìn)入了我們的視野。而ICH6除了在一些電源管理特性方面有所增強(qiáng)外，也正式引入了SATA（串行ATA，以下簡稱SATA）和PCI-E概念。對于筆記本來說，從它誕生的那天起就一直使用著PATA（并行ATA，以下簡稱PATA）來連接硬盤，SATA的出現(xiàn)無疑是一項硬盤接口的革命。而如今隨著INTEL的積極推動，筆記本也開始邁入SATA的陣營。關(guān)于SATA的優(yōu)勢，筆者相信諸位也都有了解。確實，比起PATA，SATA有著很多不可比擬的優(yōu)勢，而筆者將在本文中透過技術(shù)細(xì)節(jié)來多其進(jìn)行分析。相信您讀完本文后會對SATA有著更深入的了解。另外由于本文主要針對筆記本和臺式機(jī)，所以諸如RAID等技術(shù)不在本文討論范圍之內(nèi)。串行通信和并行通信再進(jìn)行詳細(xì)的介紹之前，我們先了解一下串行通信和并行通信的特點。一般來說，串行通信一般由二根信號線和一根地線就可完成互相的信息的傳送。如下圖，我們看到設(shè)備A和設(shè)備B之間的信號交換僅用了兩根信號線和一根地線就完成了。這樣，在一個時鐘內(nèi)，二個bit的數(shù)據(jù)就會被傳輸（每個方向一個bit，全雙工），如果能時鐘頻率足夠高，那么數(shù)據(jù)的傳輸速度就會足夠快。如果為了節(jié)省成本，我們也可以只用一根信號線和一根地線連接。這樣在一個時鐘內(nèi)只有一個bit被傳輸（半雙工），我們也同樣可以提高時鐘頻率來提升其速度。而并行通信在本質(zhì)上是和串行通信一樣的。唯一的區(qū)別是并行通信依靠多條數(shù)據(jù)線在一個時鐘周期里傳送更多的bit。下圖中，數(shù)據(jù)線已經(jīng)不是一條或者是兩條，而是多條。我們很容易知道，如果有8根數(shù)據(jù)線的話，在同一時鐘周期內(nèi)傳送的的數(shù)據(jù)量是8bit。如果我們的數(shù)據(jù)線足夠多的話，比如PCI總線，那一個周期內(nèi)就可以傳送32bit的數(shù)據(jù)。在這里，筆者想提醒各位讀者，對于一款產(chǎn)品來說，用最低的成本來滿足帶寬的需要，那就是成功的設(shè)計，而不會在意你是串行通信還是并行通信，也不會管你的傳輸技術(shù)是先進(jìn)還是落后。PATA接口的速度我們知道，ATA-33的速度為33MB/S，ATA-100的速度是100MB/S。那這個速度是如何計算出來的呢？首先，我們需要知道總線上的時鐘頻率，比如ATA-100是25MHz，PATA的并行數(shù)據(jù)線有16根，一次能傳送16bit的數(shù)據(jù)。而ATA-66以上的規(guī)范為了降低總線本身的頻率，PATA被設(shè)計成在時鐘的上下沿都能傳輸數(shù)據(jù)（類似DDR的原理），使得在一個時鐘周期內(nèi)能傳送32bit。這樣，我們很容易得出ATA-100的速度為：25M*16bit*2=800Mbps=100MByte/s。PATA的局限性在相同頻率下，并行總線優(yōu)于串行總線。隨著當(dāng)前硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率越來越高，傳統(tǒng)的并行ATA接口日益逐漸暴露出一些設(shè)計上的缺陷，其中最致命的莫過于并行線路的信號干擾問題。那各信號線之間是如何干擾的呢？1，首先是信號的反射現(xiàn)象。從南橋發(fā)出的PATA信號，通過扁長的信號線到達(dá)硬盤（在筆記本上對應(yīng)的也有從南橋引出PATA接口，一直布線到硬盤的接口）。學(xué)過微波通信的讀者肯定知道，信號在到達(dá)PATA硬盤后不可避免的會發(fā)生反彈，而反彈的信號必將疊加到當(dāng)前正在被傳輸?shù)男盘柹?，?dǎo)致傳輸中數(shù)據(jù)的完整性被破壞，引起接受端誤判。所以在實際的設(shè)計中，都必須要設(shè)計相應(yīng)的電路來保證信號的完整性。我們看到，從南橋發(fā)出的PATA信號一般都需要經(jīng)過一個排阻才發(fā)送到PATA的設(shè)備。我們必須加上至少30個電阻（除了16根數(shù)據(jù)線，還有一些控制信號）才能有效的防止信號的反彈。而在硬盤內(nèi)部，硬盤廠商會在里面接上終端電阻以防止引號反彈。這不僅對成本有所上升，也對PCB的布局也造成了困擾。當(dāng)然，信號反彈在任何高速電路里都會發(fā)生，在SATA里我們也會看到終端電阻，但因為SATA的數(shù)據(jù)線比PATA少很多，并且采用了差分信號傳輸，所以這個問題并不突出。2，其次是信號的偏移問題理論上，并行總線的數(shù)據(jù)線的長度應(yīng)該是一致的。而在實際上，這點很難得到保證。信號線長度的不一致性會導(dǎo)致某個信號過快/過慢到達(dá)接受端，導(dǎo)致邏輯誤判。不僅如此，導(dǎo)致信號延遲的原因還有很多，比如線路板上的分布電容、信號線在高頻時產(chǎn)生的感抗等都會引起信號的延遲。如圖