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编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第77页 共77页幻灯片 1幻灯片 2幻灯片 3幻灯片 4幻灯片 5硬盘作为存储数据的介质被放置在存储设备中，由控制器控制存储空间的分配和对数据的操作。幻灯片 6硬盘是电脑主要的存储媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。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。1956年的一天，IBM发明了世界上第一个磁盘存储系统IBM 305 RAMAC，拥有50个24英寸的盘片，重约1吨，容量5MB。1973年，IBM研制成功了一种新型的硬盘IBM 3340。这种硬盘拥有几个同轴的金属盘片，盘片上涂着磁性材料。它们和可以移动的磁头共同密封在一个盒子里面，磁头能从旋转的盘片上读出磁信号的变化-这就是我们今天使用的硬盘的祖先，IBM把它叫做温彻斯特硬盘。“温彻斯特”这个名字还有个小小的来历。IBM 3340拥有两个30MB的存储单元，而当时一种很有名的“温彻斯特来复枪”的口径和装药也恰好包含了两个数字“30”。于是这种硬盘的内部代号就被定为“温彻斯特”。1980年，希捷(Seagate)公司制造出了个人电脑上的第一块温彻斯特硬盘，这个硬盘与当时的软驱体积相仿，容量5MB。温彻斯特硬盘采用了创新的技术：它的磁头并不与盘片接触。可以想象，如果要提高存取数据的速度，硬盘的盘片就应该越转越快。但是如果磁头与盘片接触，那么无论采用什么材料都不可能胜任这种工作。技术人员想到让磁头在盘片上方“飞行”，与盘片保持一个非常近的距离。这个想法是可行的，因为盘片高速旋转会产生流动的风，只要磁头的形状合适，它就能像飞机一样飞行。这样，盘片就能旋转的很快而不必担心磨擦造成的灾难。磁头被固定在一个能沿盘片径向运动的臂上。由于磁头相对盘片高速运动，并且二者距离很近，哪怕是一丁点灰尘也会造成磁盘的损坏。所以，盘片、磁头和驱动机构被密封在了一个盒子里。现在，在计算机系统的构成当中，硬盘的地位可以说是干系重大，因为不论你的CPU或内存的速度有多快，它们的绝大多数的指令和数据都来源于硬盘。硬盘的另一个特殊的作用就是作为所有应用软件和数据的载体。十几年来，硬盘就一直是存储介质的中坚力量，虽然无论是容量还是性能方面都有了翻天覆地的变化，但是现在它作为个人电脑的主要存储设备的地位依然不可动摇。今天，微电子、物理和机械等各领域的先进技术被不断地应用到新型硬盘的开发与生产中，硬盘的容量也在几个月间就能翻一番。硬盘与其他记录介质相比，它的速度快、容量大，成为计算机中最重要的存储设备。 幻灯片 7计算机的硬盘主要由盘片和主轴组件、浮动磁头组件、磁头驱动机构和前驱控制电路以及接口等组成：盘片和主轴组件盘片和主轴组件是两个紧密相连的部分。盘片是一个圆形的薄片，上面涂了一层磁性材料以记录数据。主轴由主轴电机驱动，带动盘片高速旋转。浮动磁头组件浮动磁头组件由读写磁头、传动手臂和传动轴三部分组成。在盘片高速旋转时，传动手臂以传动轴为圆心带动前端的读写磁头在盘片旋转的垂直方向上移动，磁头感应盘片上的磁信号来读取数据或改变磁性涂料的磁性以达到写入信息的目的。磁头驱动机构由磁头驱动小车、电机和防震机构组成。其作用是对磁头进行驱动和高精度的定位，使磁头能迅速、准确地在指定的磁道上进行读写工作。前驱控制电路 是密封在屏蔽腔体以内的放大线路。主要作用是控制磁头的感应信号、主轴电机调速、驱动磁头和伺服定位等。 接口 包括电源接口、数据接口和跳线三部分。电源接口与主机电源相连，为硬盘工作提供动力。接口的形状呈梯形，可以防止插反。数据接口由两列并列的针组成，是硬盘和主板控制器之间传输数据的接口。根据连接方式的不同，分成EIDE和SCSI两大类。跳线是用来对硬盘的状态进行设置的。IDE接口的硬盘分为主盘或从盘两种状态，一条数据线上能同时接一主一从两个设备，必须通过跳线进行正确的设置，否则这条数据线上的两个设备都不能正常工作。 幻灯片 8硬盘控制电路总得来说可以分为如下几个部份：主控制芯片、数据传输芯片、高速数据缓存芯片等，其中主控制芯片负责硬盘数据读写指令等工作，数据传输芯片则是将硬盘磁头前置控制电路读取出数据经过校正及变换后，经过数据接口传输到主机系统，至于高速数据缓存芯片是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设置。缓存对磁盘性能所带来的作用是无须置疑的，在读取零碎文件数据时，大缓存能带来非常大的优势。幻灯片 9盘片是一个圆形的薄片，上面涂了一层磁性材料以记录数据。一般而言，早期的硬盘的盘片都是使用塑料材料作为盘片基质，然后再在塑料基质上涂上磁性材料就可构成硬盘的盘片。其次于塑料基质后推出的采用铝材料作为硬盘盘片基质，现在大部份硬盘一般来说都是使用铝材料作为硬盘盘片基质。而最新的硬盘盘片则是采用玻璃材料作为盘片基质，采用玻璃材料能使硬盘具有更多的平滑性及更高的坚固性，此外玻璃材料在硬盘高转速时具有更高的稳定性。除了一些高端产品采用了玻璃盘片以外，大多数硬盘都是采用金属盘片。幻灯片 10盘体从物理的角度分为磁面（Side）、磁道（Track）、柱面（Cylinder）与扇区（Sector）等4个结构。硬盘的盘片一般用铝合金材料做基片，高速硬盘也可能用玻璃做基片。玻璃基片更容易达到所需的平面度和光洁度，且有很高的硬度。磁头传动装置是使磁头部件作径向移动的部件，通常有两种类型的传动装置。一种是齿条传动的步进电机传动装置；另一种是音圈电机传动装置。前者是固定推算的传动定位器，而后者则采用伺服反馈返回到正确的位置上。磁头传动装置以很小的等距离使磁头部件做径向移动，用以变换磁道。硬盘的每一个盘片都有两个盘面（Side），即上、下盘面，一般每个盘面都会利用，都可以存储数据，成为有效盘片，也有极个别的硬盘盘面数为单数。每一个这样的有效盘面都有一个盘面号，按顺序从上至下从“0”开始依次编号。在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号，因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道（Track）。磁道是“看”不见的，只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化区，在磁盘格式化时就已规划完毕。磁道从外向内从0开始顺序编号。硬盘的每一个盘面有3001024个磁道，新式大容量硬盘每面的磁道数更多。信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中，这些同心圆不是连续记录数据，而是被划分成一段段的圆弧，这些圆弧的角速度一样。由于径向长度不一样，所以，线速度也不一样，外圈的线速度较内圈的线速度大，即同样的转速下，外圈在同样时间段里，划过的圆弧长度要比内圈划过的圆弧长度大。每段圆弧叫做一个扇区，扇区从“1”开始编号，每个扇区中的数据作为一个单元同时读出或写入。操作系统以扇区（Sector）形式将信息存储在硬盘上，每个扇区包括512个字节的数据和一些其他信息。一个扇区有两个主要部分：存储数据地点的标识符和存储数据的数据段。幻灯片 11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，每个圆柱上的磁头由上而下从“0”开始编号。数据的读/写按柱面进行，即磁头读/写数据时首先在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作，只在同一柱面所有的磁头全部读/写完毕后磁头才转移到下一柱面，因为选取磁头只需通过电子切换即可，而选取柱面则必须通过机械切换。电子切换相当快，比在机械上磁头向邻近磁道移动快得多，所以，数据的读/写按柱面进行，而不按盘面进行。也就是说，一个磁道写满数据后，就在同一柱面的下一个盘面来写，一个柱面写满后，才移到下一个柱面开始写数据。读数据也按照这种方式进行，这样就提高了硬盘的读/写效率。一块硬盘驱动器的圆柱数（或每个盘面的磁道数）既取决于每条磁道的宽窄（同样，也与磁头的大小有关），也取决于定位机构所决定的磁道间步距的大小。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 512Bytes。幻灯片 12盘头组件（HAD，Hard Disk Assembly）是硬盘的核心部分，数据的最终存取就由它直接负责。盘头组件包括盘片、主轴驱动机构、浮动磁头组件、磁头驱动机构和前驱控制电路等。这些部分全部都密封在一个密封腔内。硬盘在没有工作时，磁头停放在盘片最内圈的起停区内，当硬盘通电，开始工作后，先在那块固化ROM的指挥下进行一系列初始化工作，完成以后再启动主轴电机高速旋转，磁头驱动机构则将悬浮的磁头置于盘片表面的0道处，等到接收到主机的指令后再进行定位、读取数据、解码等一系列工作，最后通过接口线路反馈给主机。遇到因正常关机或突发事件断电时，反力矩弹簧会将磁头自动移回起停区内，防止划伤盘片。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，硬盘存取数据的工作完全依靠磁头来进行的。硬盘的磁头通过全封闭式的磁阻感应读写，将信息记录在硬盘内部特殊的介质上。硬盘磁头的发展先后经历了“亚铁盐类磁头”、“MIG磁头”和“薄膜磁头”、“MR磁头(磁阻磁头)”等几个阶段。前三种传统的磁头技术都是采取了读写合一的电磁感应式磁头，造成了硬盘在设计方面的局限性。第四种磁阻磁头在设计方面引入了全新的分离式磁头结构，写入磁头仍沿用传统的磁感应磁头，而读取磁头则应用了新型的MR磁头，即所谓的感应写、磁阻读，针对读写的不同特性分别进行优化，以达到最好的读、写性能。现在的磁头实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0.10.3m，这样可以获得很好的数据传输率。磁头驱动机构是由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。硬盘的寻道是靠移动磁头，而移动磁头则需要该机构驱动才能实现。磁头驱动机构由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成，高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并能在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道。主轴组件包括主轴部件如轴承和马达等。硬盘在工作时，通过马达的转动将用户需要存取的资料所在的扇区带到磁头下方，马达的转速越快，用户存取数据的时间也就越短。从这个意义上讲，硬盘马达的转速在很大程度上决定了硬盘最终的速度。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，马达的速度也在不断提升，在当今硬盘不断向着超大容量迈进的同时，硬盘的速度也在不断提高。随着硬盘转速的不断提高，同时也会带来诸如磨损加剧、温度升高、噪声增大等一系列负面问题。传统的普通滚珠轴承马达无法妥善解决这些问题，于是先前曾广泛应用在精密机械工业上的液态轴承马达（Fluid Dynamic Bearing Motors）被引入到硬盘技术中。这种技术与传统的滚珠轴承马达相比，一方面避免了与金属面的直接磨擦，将传统马达所带来的噪声及温度降至最低；另一方面，油膜可以有效地吸收外来的震动，使硬盘的抗震能力得到了提高，从而也使硬盘的寿命得到了延长。 前驱控制电路是密封在屏蔽腔体以内的放大线路。主要作用是控制磁头的感应信号、主轴电机调速、驱动磁头和伺服定位等。 幻灯片 13硬盘磁头是硬盘读取数据的关键部件，它的主要作用就是将存储在硬盘盘片上的磁信息转化为电信号向外传输，而它的工作原理则是利用特殊材料的电阻值会随着磁场变化的原理来读写盘片上的数据，磁头的好坏在很大程度上决定着硬盘盘片的存储密度。目前比较常用的是GMR（Giant Magneto Resisive）巨磁阻磁头，GMR磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，这比以前的传统磁头和MR（Magneto Resisive）磁阻磁头更为敏感，相对的磁场变化能引起来大的电阻值变化，从而实现更高的存储密度 。 磁头是硬盘中对盘片进行读写工作的工具，是硬盘中最精密的部位之一。磁头是用线圈缠绕在磁芯上制成的。硬盘在工作时，磁头通过感应旋转的盘片上磁场的变化来读取数据；通过改变盘片上的磁场来写入数据。为避免磁头和盘片的磨损，在工作状态时，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，只有在电源关闭之后，磁头会自动回到盘片上的固定位置（称为着陆区，此处盘片并不存储数据，是盘片的起始位置）。 由于磁头工作的性质，对其磁感应敏感度和精密度的要求都非常高。早先的磁头采用铁磁性物质，在磁感应敏感度上不是很理想，因此早期的硬盘单碟容量都比较低，单碟容量大则碟片上磁道密度大，磁头感应程度不够，就无法准确读出数据。这就造成早期的硬盘容量都很有限。随着技术的发展，磁头在磁感应敏感度和精密度方面都有了长足的进步。最初磁头是读、写功能一起的，这对磁头的制造工艺、技术都要求很高，而在与硬盘交换数据的过程中，读取数据远远快于写入数据，读、写操作二者的特性也完全不同，这也就导致了读、写分离的磁头，二者分别工作、各不干扰。硬盘的磁头数取决于硬盘中的碟片数，盘片正反两面都存储着数据，所以一个盘片对应两个磁头才能正常工作。TFI (Thin-Film Inducted Heads，薄膜感应磁头)在1990年至1995年间，硬盘采用TFI读/写技术。TFI磁头实际上是绕线的磁芯。盘片在绕线的磁芯下通过时会在磁头上产生感应电压。TFI读磁头之所以会达到它的能力极限，是因为在提高磁灵敏度的同时，它的写能力却减弱了。 AMR（Anisotropic Magneto Resistive，各向异性磁阻磁头 ）AMR磁头使用TFI磁头来完成写操作，但用薄条的磁性材料来作为读元件。在有磁场存在的情况下，薄条的电阻会随磁场而变化，进而产生很强的信号。硬盘译解由于磁场极性变化而引起的薄条电阻变化，提高了读灵敏度。AMR磁头进一步提高了面密度，而且减少了元器件数量。由于AMR薄膜的电阻变化量有一定的限度，AMR技术最大可以支持3.3GB/平方英寸的记录密度，所以AMR磁头的灵敏度也存在极限。GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻） GMR磁头继承了TFI磁头和AMR磁头中采用的读/写技术。但它的读磁头对于磁盘上的磁性变化表现出更高的灵敏度。GMR磁头是由4层导电材料和磁性材料薄膜构成的：一个传感层、一个非导电中介层、一个磁性的栓层和一个交换层。GMR传感器的灵敏度比AMR磁头大3倍，所以能够提高盘片的密度和性能。 幻灯片 14现在硬盘都具有S.M.A.R.T（Self- MonitoringAnalysis ReportingTechnology，自动监测分析报告技术）数据保护系统。在ATA-3标准中，S.M.A.R.T.技术被正式确立。S.M.A.R.T.监测的对象包括磁头、磁盘、马达、电路等，由硬盘的监测电路和主机上的监测软件对被监测对象的运行情况与历史记录及预设的安全值进行分析、比较，当出现安全值范围以外的情况时，会自动向用户发出警告，而更先进的技术还可以提醒网络管理员的注意，自动降低硬盘的运行速度，把重要数据文件转存到其它安全扇区，甚至把文件备份到其它硬盘或存储设备。通过S.M.A.R.T.技术，确实可以对硬盘潜在故障进行有效预测，提高数据的安全性。但我们也应该看到，S.M.A.R.T.技术并不是万能的，它只能对渐发性的故障进行监测，而对于一些突发性的故障，如硬盘机械故障等， S.M.A.R.T也无能为力了。因此不管怎样，备份仍然是必须的。 幻灯片 15硬盘存储数据是根据电、磁转换的原理来实现的。硬盘驱动器加电后，磁盘片由主轴电机驱动进行高速旋转，设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读出来。当系统向硬盘写入数据时，磁头中写数据电流产生磁场使盘片表面磁性物质状态发生改变，并在写电流磁场消失后仍能保持，当系统从硬盘中读取数据时，磁头经过盘片指定区域，盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化，经过相关电路处理后还原成数据。幻灯片 16幻灯片 17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）或千兆字节（GB）为单位，1GB=1024MB。但硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1G=1000MB，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。转速(Rotational 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。转速是随着硬盘电机的提高而改变的，现在液态轴承马达（Fluid dynamic bearing motors）已全面代替了传统的滚珠轴承马达。液态轴承马达通常是应用于精密机械工业上，它使用的是黏膜液油轴承，以油膜代替滚珠。这样可以避免金属面的直接磨擦，将噪声及温度减至最低；同时油膜可有效吸收震动，使抗震能力得到提高；更可减少磨损，提高寿命。 如：华为赛门铁克V1800存储系统支持的SATA磁盘最大容量为750GB，最大转速为7200rpm华为赛门铁克S5600存储系统支持的FC磁盘最大容量为450G，最大转速为15000rpm幻灯片 18平均寻道时间（Average Seek Time）：指硬盘在接收到系统指令后，磁头从开始移动到移动至数据所在的磁道所花费时间的平均值，它一定程度上体现硬盘读取数据的能力，是影响硬盘内部数据传输率的重要参数。平均寻道时间单位为毫秒（ms）。平均寻道时间实际上是由转速、单碟容量等多个因素综合决定的一个参数。一般而言，硬盘的转速越高，其平均寻道时间就越低；单碟容量越大，其平均寻道时间就越低。当单碟片容量增大时，磁头的寻道动作和移动距离减少，从而使平均寻道时间减少，加快硬盘速度。在硬盘上数据是分磁道、分簇存储的，经常的读写操作后，往往数据并不是连续排列在同一磁道上，所以磁头在读取数据时往往需要在磁道之间反复移动，因此平均寻道时间在数据传输中起着十分重要的作用。在读写大量的小文件时，平均寻道时间也起着至关重要的作用。在读写大文件或连续存储的大量数据时，平均寻道时间的优势则得不到体现，此时单碟容量的大小、转速、缓存就是较为重要的因素。平均潜伏时间（Average latency time)：指当磁头移动到数据所在的磁道后，然后等待所要的数据块继续转动到磁头下的时间，盘片转动速度越快，平均潜伏期也就越短，平均潜伏时间单位为毫秒（ms）。平均访问时间 (Average access time)：指磁头找到指定数据的平均时间，通常是平均寻道时间和平均潜伏时间之和（实际上还应该包括一些内部指令操作时间，但这个时间很短，可以忽略不计）。平均访问时间最能够代表硬盘找到某一数据所用的时间，越短的平均访问时间越好。平均访问时间单位为毫秒（ms）。幻灯片 19外部数据传输率 ( External data transfer rate )：指的是电脑通过数据总线从硬盘内部缓存区中所读取数据的最高速率，也叫突发数据传输率(Burst data transfer rate)。该参数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。内部数据传输率（Internal Transfer Rate）是指硬盘磁头与缓存之间的数据传输率，简单的说就是硬盘将数据从盘片上读取出来，然后存储在缓存内的速度。内部传输率可以明确表现出硬盘的读写速度，它的高低才是评价一个硬盘整体性能的决定性因素，它是衡量硬盘性能的真正标准。有效地提高硬盘的内部传输率才能对磁盘子系统的性能有最直接、最明显的提升。硬盘的内部传输率的提高，除了改进信号处理技术、提高转速以外，最主要的就是不断的提高单碟容量以提高线性密度。由于单碟容量越大的硬盘线性密度越高，磁头的寻道频率与移动距离可以相应的减少，从而减少了平均寻道时间，内部传输速率也就提高了。虽然硬盘技术发展的很快，但内部数据传输率还是在一个比较低（相对）的层次上，内部数据传输率低已经成为硬盘性能的最大瓶颈。数据传输率的单位一般采用MB/s或Mbit/s，尤其在内部数据传输率上官方数据中更多的采用Mbit/s为单位。但这两个单位二者之间是有很大的差异：MB/s的含义是兆字节每秒，Mbit/s的含义是兆比特每秒，前者是指每秒传输的字节数量，后者是指每秒传输的比特位数。MB/s中的B字母是Byte的含义，Byte是字节数，bit是位数，也就是比特数。在计算机中每八位（比特）为一字节，也就是1Byte8bit，是1：8的对应关系。这是一般情况下MB/s与Mbit/s的对应关系，但在硬盘的数据传输率上二者就不能用一般的MB和Mbit的换算关系（1B=8bit）来进行换算。因为在磁头处理的信号很大部分并不是用户需要的数据(存入的数据都是经过编码的，包含许多辅助信息)，因此不能以字节为单位。简单的用8来换算，将无法得到真实的内部数据传输率数值。 幻灯片 20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，如果有大缓存，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。硬盘的缓存主要起三种作用：一是预读取。当硬盘收到CPU指令控制开始读取数据时，硬盘上的控制芯片会控制磁头把正在读取的簇的下一个或者几个簇中的数据读到缓存中（由于硬盘上数据存储时是比较连续的，所以读取命中率较高），当需要读取下一个或者几个簇中的数据的时候，硬盘则不需要再次读取数据，直接把缓存中的数据传输到内存中即可，由于缓存的速度远远高于磁头读写的速度，所以能够达到明显改善性能的目的；二是对写入动作进行缓存。当硬盘接到写入数据的指令之后，并不会马上将数据写入到盘片上，而是先暂时存储在缓存里，然后发送一个“数据已写入”的信号给系统，这时系统就会认为数据已经写入，并继续执行下面的工作，而硬盘则在空闲（不进行读取或写入的时候）时再将缓存中的数据写入到盘片上；第三个作用就是临时存储最近访问过的数据。实际应用中，某些数据会经常被访问，硬盘内部的缓存会将读取比较频繁的一些数据存储在缓存中，再次读取时就可以直接从缓存中直接传输，以提升读取效率。大容量的缓存虽然可以在硬盘进行读写工作状态下，让更多的数据存储在缓存中，以提高硬盘的访问速度，但并不意味着缓存越大就越出众。缓存的应用存在一个算法的问题，即便缓存容量很大，而没有一个高效率的算法，那将导致应用中缓存数据的命中率偏低，无法有效发挥出大容量缓存的优势。算法是和缓存容量相辅相成，大容量的缓存需要更为有效率的算法，否则性能会大大折扣，从技术角度上说，高容量缓存的算法是直接影响到硬盘性能发挥的重要因素。更大容量缓存是未来硬盘发展的必然趋势。 幻灯片 21幻灯片 22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。 目前常见的硬盘接口类型有IDE/ATA， SCSI， SATA， SAS 和FC等。每种接口协议拥有不同的技术规范，具备不同的传输速度，其存取效能的差异较大，所面对的实际应用和目标市场也各不相同。 幻灯片 23IDE 即Integrated Drive Electronics，它的本意是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，我们常说的IDE 接口，也叫ATA（Advanced Technology Attachment）接口。IDE 接口是由Western Digital与COMPAQ Computer（已被HP收购） 两家公司所共同发展出来的接口。IDE 接口硬盘的传输模式，经历过三个不同的技术变化：PIO (Programmed IO)模式；DMA (Direct Memory Access)模式；Ultra DMA 模式(UDMA)。IDE接口硬盘一般就是我们俗称的并行规格的PATA硬盘， PATA接口一般使用16-bit数据总线, 每次总线处理时传送2个字节。PATA接口一般是100Mbytes/sec带宽，数据总线必须锁定在50MHz，为了减小滤波设计的复杂性，PATA使用Ultra总线，通过“双倍数据比率”或者2个边缘(上升沿和下降沿)时钟机制用来进行DMA传输。 PATA技术是自80年代以来一直被应用在桌上型系统作为主流的内部储存互连技术，由于运用领域十分广泛时间又较长，所以成熟的技术带来的是大规模集成制造的低成本和飞速发展的大容量。 由于长时间没有改变，在数据的传输上来看，这种IDE接口硬盘显得有一些滞后，因为目前主流的PATA硬盘仅能支持ATA/100和ATA/133两种数据传输规范，传输速率最高只能达到 每秒100MB或133MB，这仅可以满足目前一般情况下的大容量硬盘数据传输。另外，这类硬盘所使用的80-pin数据线在机箱内部杂而乱，它会阻碍空气在机箱里的流动，从而影响到系统的散热。在过去的20年中，PATA成为ATA硬盘接口的主流技术。但随着CPU时钟频率和内存带宽的不断提升，PATA逐渐显现出不足来。一方面，硬盘制造技术的成熟使ATA硬盘的单位价格逐渐降低，另一方面，由于采用并行总线接口，传输数据和信号的总线是复用的，因此传输速率会受到一定的限制。如果要提高传输的速率，那么传输的数据和信号往往会产生干扰，从而导致错误。PATA的技术潜力似乎已经走到尽头，在当今的应用中，PATA现有的传输速率已经逐渐不能满足用户的需求。人们迫切期待一种更可靠、更高效的接口协议来替代PATA，在这种需求的驱使下，串行(Serial) ATA总线接口技术应运而生，直接导致了传统PATA技术的没落。幻灯片 24ATA的英文全称为“AdvancedTechnologyAttachment”,中文名称“高级技术附加装置”。ATA接口标准最初是在1986年由CDC、康柏和西部数据3家公司共同开发的。ATA接口是从80年代末期开始逐渐取代了其它老式接口，随着它自身的发展，“ATA”也就成了“IDE”的代名词。目前最新的ATA133标准中硬盘数据传输速率可达到133.7MB/s。要识别硬盘属于哪种ATA接口版本，只需看硬盘正面右上面所印标注。在ATA接口标准的整个发展过程中，到目前为止可以划分为7个不同的版本，也就是从ATA-1（IDE）、ATA-2（EIDEEnhancedIDE/FastATA）、ATA（FastATA-2）、，一直到现在ATA-7（ATA133）。（1）第一代的ATA标准称之为“ATA-1”。ATA-1只支持PIO0和PIO-1、PIO-2模式，其数据传输速度只有可怜的3.3MB/s，使用40芯电缆，硬盘大小也为5英寸（而不是现在普遍的3.5英寸），容量为40MB（根据其技术标准，其硬盘容量限制在504MB之内）。（2）ATA2：也就是我们常说的EIDE（EnhancedIDE）或Fast ATA，它在ATA的基础上增加了2种PIO和2种DMA模式（PIO-3），不仅将硬盘的最高传输率提高到16.6MB/s，还同时引进LBA地址转换方式，突破了固有的504MB的限制，可以支持最高达8.4GB的硬盘。在支持ATA2的电脑的BIOS设置中，一般可以见到LBA和CHS（Cylinder，Head，Sector）的设置，同时在EIDE接口的主板一般有两个EIDE插口，它们也可以分别连接一个主设备和一个从设备，这样一块主板就可以支持四个EIDE设备，这两个EDIE接口一般称为IDE1和IDE2。（3）ATA-3：ATA-3并没有提高IDE接口的工作速度，最高传输速度仍为16.6MB/s（支持PIO-3），但引入了密码保护机制，对电源管理方案进行了修改，引入了S.M.A.R.T（ Self- MonitoringAnalysis ReportingTechnology ，硬盘自监测、自分析和报告技术），这是一个划时代的重大改进。这一技术也在许多主板的BIOS中有所体现。（4）ATA-4：这就是现在市面上仍比较常见的UltraATA/33，自这一版本开始，硬盘开始支持DMA（DirectMemoryAccess，直接内存存取）技术，所以又称之为“UltraDMA/33”。DMA是I/O设备与主存储器之间由硬件组成的直接数据通道，用于高速I/O设备与主存储器之间的成组数据传送。硬盘控制器采用总线主控方式进行数据传输，它将PIO下的最大数据传输率提高了一倍，达到33MB/s，称之为PIO-4。微软的Windows98系统正式支持这一接口技术，不过有一些太老的主板可能不支持这一接口，所以并不一定安装了Windows98以后的系统都支持DMA技术。注意Windows95则不支持这一技术。（5）ATA-5：这一版本就是市面上标注为“UltraATA/66”的硬盘。因为同样采用了DMA技术，所以通常在市面上又可看到名为“UltraDMA66”的标注，其实都是一个意思。UltraATA/66不仅将接口通道的数据交换速度提高了一倍，同时也继承了上一代UltraATA/33的核心技术校验冗余计术（CRC），该技术的设计方针是系统与硬盘在进行传输的过程中，随数据发送循环的冗余校验码，对方在收取的时候也对该校难码进行检验，只有在完全核对正确的情况下才接收并处理得到的数据，这对于高速传输数据的安全性有着极有力的保障。除此之外，ULTRADMA66还有一个核心的技术就是将普通的40芯排线改成80芯排线（自这以后的所有并行ATA标准都采用这一芯线标准），但该线仍然使用40针的接口，但传输线却增加了一倍。不过要注意，Windows98并不支持UltraATA/66这一新技术，所以当你在使用这种新型硬盘时，除使用DMA66专用数据线连接硬盘与主板外，还必须正确安装主板驱动程序，才能够识别出你的UltraATA/66硬盘，否则只能当作UltraATA/33硬盘来用，有点大材小用了。（6）ATA-6：这就是市面上标注为UltraATA/100的硬盘接口标准，也是目前较新的一种硬盘接口标准。这一新标准主要是提高了硬盘数据的传输速率，从原来ATA-5标准中的66MB/s提高到新的100MB/s。（7）ATA-7：这就是ATA系列中的最新版本UltraATA/133了，它的传输速率达到了133MB/s。但目前这一最新标准只有ATA133标准的提出者迈拓公司（Maxtor）一家支持，并没有得到广大厂商的支持，因为有一种新的硬盘接口标准SerialATA。它一改ATA标准长达十几年以来的并行数据传输方式，采用串行方式。主要原因是并行接口的电缆属性、连接器和信号协议都已经到达一个顶点，在技术和设计上都有许多问题。随着工作频率的提高，原来在低频率下的ATA接口标准越来越受到交叉干扰、地线增多、信号混乱等因素的制约，特别是在新的UltraATA/133标准中。而新的SerialATA标准不仅可以全面解决以上问题，而且其数据传输速率有相当大的发展空间，目前其最低的SerialATA1.0标准中数据传输速率就可达到150MB/S，高于ATA133标准中的133MB/s。据规划其后续版本数据传输速率可按150MB/s的倍数递增，这样就为彻底解决硬盘接口这一最终瓶颈打下了坚实的理论基础。综合所有ATA标准的接口类型（其实就是IDE接口类型）硬盘可以看出它具有以下主要特点：ATA接口具有：价格低廉、兼容性非常好、性价比高等优点。但同时ATA接口也具有：数据传输速度慢、只能内置使用、对接口电缆的长度有很严格的限制等缺点。幻灯片 25ATA接口的特点：使用广泛，兼容性好所以价格低廉但只能内置使用，对接口电缆的长度有严格的限制，数据的传输率也比较低。幻灯片 26SCSI的英文全称为“SmallComputerSystemInterface”（小型计算机系统接口）。它是一种与IDE（ATA）完全不同的接口，它不是专门为硬盘设计的，而是一种总线型的系统接口。每个SCSI总线上可以连接包括SCSI控制卡在内的8个SCSI设备。SCSI的优势在于它支持多种设备，独立的总线使得它对CPU的占用率很低，传输速率比ATA接口快得多，但同时价格也很高，所以也决定了其普及程度远不如IDE，只能在高档的电脑设备中出现。最早的SCSI是于1979年由美国的Shugart公司（Seagate希捷公司的前身）制订的，原是为小型机的研制出的一种接口技术，但随着电脑技术的发展，现在它被完全移植到了普通微机上。与PC机常用的IDE接口技术一样，SCSI接口技术也得到了不断发展,在90年代初，推出了SCSI2标准，类似于SCSI-1，但是可以支持同时连接7个装置，传输速率也达到了1020MB/s. 幻灯片 27SCSI硬盘目前提供两种接口：68针及80针，50针目前已经基本淘汰。80针的接口为了防止数据线芯线之间的串扰增加了接地芯线数。50针一般用于Ultra SCSI2以下类型的接口，68针支持速率在80Mb/s以上，80针的传输速率可达160Mb/s以上。68针、80针接口数据采用差分信号，并采用较小的电平幅值，即俗称LVD信号，在提高信号完整性的同时又大大提高接口速率。80针接口支持热插拔，而68针接口不支持。幻灯片 28SCSI 直译为小型计算机系统专用接口(Small Computer System Interface)是一种连结主机和外围设备的接口，支持包括磁盘驱动器、磁带机、光驱、扫描仪在内的多种设备。它由SCSI 控制器进行数据操作，SCSI 控制器相当于一块小型CPU，有自己的命令集和缓存。SCSI是一种特殊的总线结构，可以对计算机中的多个设备进行动态分工操作，对于系统同时要求的多个任务可以灵活机动的适当分配，动态完成。 目前常见的SCSI类型及各自性能特征如下：（1）SCSI-1：它是最早的SCSI接口，在1979年由Shugart（希捷公司前身）制订。它的特点是支持同步和异步SCSI外围设备，支持7台8位的外围设备，最大数据传输率为 5MB/s。（2）SCSI-2：它是SCSI-1的后续接口，是1992年提出，也称为 Fast SCSI。如果采用原来的8位并行数据传输则称为“Fast SCSI”，它的数据传输率为10MB/s，最大支持连接设备数为7台。后来出现了采用16位的并行数据传输模式即“Fast Wide SCSI”，它的数据传输率提高到了20MB/s，最大支持连接设备数为15台。（3）SCSI-3：它是在SCSI-2之后推出的“Ultra SCSI”控制器类型，在这个大类中也可按数据位宽的不同先后推出了两个小类。如果采用原来的8位并行数据传输时称为“Ultra SCSI”，它的数据传输率为20MB/s，最大支持连接设备数为7台。在将并行数据传输的总线带宽提高到16位后出现了“Ultra Wide SCSI”，它的传输率又成倍提高，即达到了40MB/s，最大支持连接设备数为15台。（4）Ultra2 SCSI：它是在Ultra SCSI的基础上推出的SCSI接口类型。于1997年提出，允许接口电缆的最长为12米，这大大增加了设备的灵活性；它也分为采用8位的Narrow 模式和采用16位的Wide模式。8位的Narrow 模式即为“Ultra2 SCSI”，它的传输率为40MB/s，最大支持连接设备数为7台；而采用16位的Wide模式则称为“Ultra2 Wide SCSI”，它将传输率提高到了80MB/s，最大支持连接设备数为15台。（5）Ultra160 SCSI：它是Ultra2 SCSI的更新接口，于1998年9月份提出，它支持现有的SCSI规格，使用和Ultra2 SCSI 完全一样的接口电缆及终结器，但是由于 Ultra160 SCSI采用双缘传输频率（Double Transition Clocking），而Ultra2 SCSI采用的是单缘传输频率，因此Ultra160 SCSI 的传输率是前者的两倍，即160MB/s。（6）Ultra320 SCSI：它的全称为“Ultra320 SCSI SPI-4”技术规范。Ultra320 SCSI 单通道的数据传输速率最大可达320MB/s，如果采用双通道SCSI控制器可以达到640MB/s。对于SCSI而言，接口部分有内置和外置之分，内置的数据线主要是用于连接光驱和硬盘设备，SCSI的内置数据线则有三种数据导线标准：50针、68针、80针。而外置数据接口，分别针对不同的机器设备有不同的标准，各种接口的设计各不相同，关键的接口密度也不相同，而且按照SCSI的发展，不同发展阶段的产品也有比较大的区别。ID（identify）作为SCSI 设备在SCSI 总线的唯一识别符，可选范围从0 到15，SCSI 主控制器通常占用id 7，即可以用在设备上的ID 号共有15 个。在SCSI 总线中，控制器也算一个设备， 即实际最大可连接设备数目 = 理论最大支持设备数目-1。幻灯片 29优点：适应面广，扩展性好，在一块SCSI控制卡上可同时挂接15个设备高性能，具有多任务、宽带宽、少CPU占用率等特点具有内置和外置两种支持在线热插拔缺点：磁盘容量小，目前形成商用的只用300GB，远低于SATA接口硬盘的750GB。价格昂贵，成本高安装复杂接口速率已经达到极限，最终将被串行化接口所替代幻灯片 30PATA由于其自身的技术局限性，逐步被串行总线接口协议(Serial ATA，SATA)所替代。SATA以它串行的数据发送方式得名。在数据传输的过程中，数据线和信号线独立使用，并且传输的时钟频率保持独立，因此同以往的PATA相比，SATA的传输速率可以达到并行的30倍。实际上，SATA技术并不是简单意义上的PATA技术的改进，而是一种全新的总线架构。从总线结构上，SATA 使用单个路径来传输数据序列或者按照bit来传输，第二条路径返回响应。控制信息用预先定义的位来传输，并且分散在数据中间，以打包的格式用开/关信号脉冲发送，这样就不需要另外的传输线。幻灯片 31信号接口包括7个针脚，其中一对收信号一对发信号，以及三个地脚；电源接口中包括15个针脚，其中三个3.3V电源脚，三个5V电源脚，三个12V电源脚，其它都是地脚。幻灯片 32SATA带宽为16bit，并行Ultra ATA总线每个时钟频率传输16bit数据，而SATA仅传输1bit，但是串行总线可以更高传输速度来弥补串行传输的损失。目前常见的标准有SATA-1和SATA-2两种，SATA-1定义的数据传输率可达150MB/s，这比目前最块的并行ATA(即ATA/133)所能达到133MB/s的最高数据传输率还高，而SATA-2的数据传输率达到300MB/s，最终Serial ATA 3.0将实现600MB/s的最高数据传输率。SATA的串口数据线采用了四针结构，分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据，这样的架构还能降低系统能耗和减小系统复杂性 。注： Serial ATA接口的编码机制将原本每字节所包含的8位数据(即1Byte=8bit)编码成10位数据(即1Byte=10bit)，这样一来，Serial ATA接口的每字节串行数据流就包含了10位数据，经过编码后的Serial ATA传输速率就相应地变为Serial ATA实际传输速率的十分之一，所以1.5Gb/s=150MB/s，而3.0Gb/s=300MB/s。 注：SATA-2硬盘的制定延续Phase I、Phase II两个阶段。第一阶段是在SATA的基础上加入NCQ原生指令排序、存储设备管理（Enclosure Management）、底板互连、数据分散/集中这四项新特性，主要是引进网络存储和服务器存储技术，如何改进性能技术和改进可维护的举措以及引进背板互联。第二阶段是在第一阶段的基础上进一步改进，加入了双宿主主动式故障替换、与多个硬盘高效连接、300MB/s接口带宽等特性，其主要目的是更好地满足网络存储和服务存储对更快的存储诉求。 幻灯片 33SATA接口特点：SATA接口结构简单，数据传输率高而且支持热插拔但对多任务的支持较差，在JBOD中出现故障时无法定位坏盘，控制器接口数量较少。幻灯片 34SAS (Serial Attached SCSI)即串行连接SCSI，是新一代的SCSI技术，和现在流行的Serial ATA(SATA)硬盘相同，都是采用串行技术以获得更高的传输速度，并通过缩短连结线改善内部空间等。SAS是并行SCSI接口之后开发出的全新接口。此接口的设计是为了改善存储系统的效能、可用性和扩充性，并且提供与SATA硬盘的兼容性。SAS的接口技术可以向下兼容SATA。具体来说，二者的兼容性主要体现在物理层和协议层的兼容。在物理层，SAS接口和SATA接口完全兼容，SATA硬盘可以直接使用在SAS的环境中，从接口标准上而言，SATA是SAS的一个子标准，因此SAS控制器可以直接操控SATA硬盘，但是SAS却不能直接使用在SATA的环境中，因为SATA控制器并不能对SAS硬盘进行控制；在协议层，SAS由3种类型协议组成，根据连接的不同设备使用相应的协议进行数据传输。其中串行SCSI协议(SSP)用于传输SCSI命令；SCSI管理协议(SMP)用于对连接设备的维护和管理；SATA通道协议(STP)用于SAS和SATA之间数据的传输。因此在这3种协议的配合下，SAS可以和SATA以及部分SCSI设备无缝结合。SAS系统的背板(Backplane)既可以连接具有双端口、高性能的SAS驱动器，也可以连接高容量、低成本的SATA驱动器。所以SAS驱动器和SATA驱动器可以同时存在于一个存储系统之中。但需要注意的是，SATA系统并不兼容SAS，所以SAS驱动器不能连接到SATA背板上。由于SAS系统的兼容性，使用户能够运用不同接口的硬盘来满足各类应用在容量上或效能上的需求，因此在扩充存储系统时拥有更多的弹性，让存储设备发挥最大的投资效益。在系统中，每一个SAS端口最多可以连接16256个外部设备，并且SAS采取直接的点到点的串行传输方式，传输的速率高达3Gb/s，估计以后会有6Gb/s乃至12Gb/s的高速接口出现。SAS的接口也做了较大的改进，它同时提供了3.5英寸和2.5英寸的接口，因此能够适合不同服务器环境的需求。SAS依靠SAS扩展器来连接更多的设备，目前的扩展器以12端口居多，不过根据板卡厂商产品研发计划显示，未来会有28、36端口的扩展器引入，来连接SAS设备、主机设备或者其他的SAS扩展器。和传统并行SCSI接口比较起来，SAS不仅在接口速度上得到显著提升(现在主流Ultra 320 SCSI速度为320MB/s，而SAS才刚起步速度就达到300MB/s，未来会达到600MB/s甚至更多)，而且由于采用了串行线缆，不仅可以实现更长的连接距离，还能够提高抗干扰能力，并且这种较细的线缆还可以显著改善机箱内部的散热情况。幻灯片 35SAS磁盘与SATA磁盘接口的唯一区别是SAS磁盘的冗余端口，SAS硬盘的冗余端口并不是为了支持宽链接，而是通过给它们赋予不同的SAS地址，让双端口分属两个域以防系统出现单点故障，从而提高可用性。幻灯片 36SAS接口的特点：能够向下兼容SATA，可连接多个设备，数据传输速度快。但由于技术和标准不太成熟，硬盘和控制芯片种类少导致硬盘的价格居高不下。幻灯片 37光纤通道（Fiber Channel）其实是对一组标准的称呼，这组标准用以定义通过铜缆或光缆进行串行通信从而将网络上各节点相连接所采用的机制。光纤通道标准由美国国家标准协会（American National Standards Institute，ANSI）开发，为服务器与存储设备之间提供高速连接。早先的光纤通道是专门为网络设计的，随着数据存储在带宽上的需求提高，才逐渐应用到存储系统上。光纤通道是可以提高多硬盘存储系统的速度和灵活性而设计的高性能接口。 FC硬盘名称由于通过光学物理通道进行工作，因此起名为光纤硬盘，现在也支持铜线物理通道。作为串行接口，FC-AL峰值可以达到2Gb/s甚至是4Gb/s。而且通过光学连接设备最大传输距离可以达到10km。并且通过FC-loop可以连接127个设备，所以，基于FC硬盘的存储设备通常可以连接大量硬盘来提供大容量存储空间。光纤硬盘以其优越的性能、稳定的传输，在企业存储高端应用中担当重要角色。最早普及使用的光纤接口带宽为1Gb，随后又发布了2Gb带宽光纤产品，现在最新的带宽标准是4Gb。事实上，4Gb光纤信道传输协议早在2002年就已经通过美国国家标准协会(ANSI)的光纤信道实体接口(Fiber Channel-Physical Interfaces，简称FC-PI)规范，而与此同时，10Gb光纤标准也在同一年发表，但由于10Gb光纤并不具备向下兼容的能力，用户如果希望升级到10Gb光纤平台，则必须更换所有基础设施，成本过于昂贵，一直无人问津。相较之下，4Gb是以2Gb为基础延伸的传输协议，可以向下兼容1Gb和2Gb，所使用的光纤线材、连接端口也都相同，意味着使用者在导入4Gb设备时，不需为了兼容性问题更换旧有的设备。光纤通道支持三种架构：点对点、仲裁环和交换式架构，支持多种通用的传输协议(SCSI、IP)。Fiber
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