- 硬碟術語詳解 - 一個知識帖

2006.6.19

台式機硬碟

　　台式機硬碟就是最為常見的PC機內部使用的存儲設備。隨著用戶對個人PC性能的需求日益提高，台式機硬碟也在朝者大容量、高速度、低噪音的方向發展，單碟容量逐年提高，主流轉速也達到7200RPM，甚至還有了10000RPM的SATA介面的硬碟。台式機硬碟的廠商主要有希捷、邁拓、西部數據、日立、三星等，市場競爭很激烈。

筆記本硬碟

　　筆記本硬碟顧名思義就是應用於筆記本的存儲設備，筆記本強調的是其便攜性和移動性，因此筆記本硬碟必須在體積、穩定性、功耗上達到很高的要求，而且防震性能要好。

　　筆記本電腦硬碟和台式機硬碟從產品結構和工作原理看，並沒有本質的區別，筆記本硬碟最大的特點就是體積小巧，目前標準產品的直徑僅為2.5英寸（還有1.8英寸甚至更小的），厚度也遠低於3.5英寸硬碟。一般厚度僅有8.5mm－12.5mm，重量在一百克左右，堪稱小巧玲瓏。由於筆記本電腦內部空間狹小、散熱不便，且電池能量有限，再加上移動中難以避免的磕碰，對其部件的體積、功耗和堅固性等提出了很高的要求。筆記本硬碟本身就設計了比台式機硬碟更好的防震功能，在遇到震動時能夠暫時停止轉動保護硬碟。

　　筆記本硬碟由於受到碟片直徑小、功耗限制、防震等制約因素，在性能上相對要落後於台式機硬碟。在桌面系統中，硬碟電機主軸轉速7200轉稱為主流，萬轉的硬碟也已推出，而在筆記本中還是以4200轉為主，部分新品則使用5400轉的硬碟，主要是因為筆記本硬碟空間狹小，而且採用高速電機必然會帶來更大的功耗和發熱量。而在緩存容量方面筆記本硬碟也略微少於台式機硬碟。轉速和緩存都低，自然數據傳輸率方面也就較低了。介面方面筆記本硬碟基本與台式機發展持平，市場上主流的筆記本硬碟都採用了ATA100的介面標準，富士通公司也已經推出了業界首款2.5英寸的SATA硬碟。

　　目前筆記本電腦硬碟的發展方向就是外形更小、質量更輕、容量更大。東芝率先開發生產了一種1.8英寸規格的硬碟，在一些輕薄筆記本上採用。不過目前1.8英寸的產品在零售市場上極為罕見。這種超小型硬碟要通過一個轉介面才能用在目前採用2.5寸硬碟的筆記本電腦上。除了1.8寸的硬碟，更小的1英寸HDD(Micro Drive)，容量已達到了4GB，其外觀和介面為CF TYPEⅡ型卡，傳送模式為Ultra DMA mode 2。實際傳輸速度達到了5MB/sec左右。碟片轉數為3600rpm，緩存容量128KB。當然，這種硬碟目前還只能作為一種輔助的存儲設備。

　　筆記本電腦硬碟上往往保存有重要數據，再加上筆記本電腦的移動特性，其安全性能是很重要的指標。現在的硬碟都支持S.M.A.R.T(自動檢測、分析及報告)技術，使用S．M．A．R．T技術，可有效保護你的硬碟。 可預測的硬驅故障是由硬驅性能逐漸惡化引起的。實際上，硬驅故障的60％都是機械性質的，對此類故障，S.M.A.R.T可一顯身手。S.M.A.R.T可以對數據提供有效的廉價保護，有助於減少數據丟失的風險，並且預先報警能讓你安排及時更換硬碟。

　　此外現在很多筆記本電腦硬碟還採用了SPS技術，SPs（ShockProtectionSystem）即震動保護系統。使硬碟在受到撞擊時，保持磁頭不受震動，磁頭和磁頭臂停泊在碟片上，衝擊能量被硬碟其他部分吸收，這樣能有效地提高硬碟的抗震性能，使硬碟在運輸、使用及安裝的過程中最大限度地免受震動的損壞。有些產品更是採用了第二代保護系統（SPSII），可以更有效的防止由於外界的震動所引起的硬碟損壞。

伺服器硬碟

　　伺服器硬碟在性能上的要求要遠遠高於台式機硬碟，這是受伺服器大數據量、高負荷、高速度等要求所決定的。伺服器硬碟一般採用SCSI介面，高端還有採用光纖通道介面的，極少的低端伺服器採用台式機上的ATA硬碟，性能受到很大影響。

伺服器硬碟具有如下三個特點。

1、速度快

　　伺服器硬碟轉速很高，7200轉、10000轉的產品已經相當普及，甚至還有達到15000轉的。它還配備了較大的回寫式緩存，一般為2MB、4MB、8MB或16MB，甚至還有64MB的產品。平均訪問時間比較短；外部傳輸率和內部傳輸率更高。

2、可靠性高

　　因為伺服器硬碟幾乎是24小時不停地運轉，承受著巨大的工作量。可以說，硬碟如果出了問題，後果不堪設想。除了採用家用硬碟具備的S.M.A.R.T技術(自監測、分析和報告技術)，硬碟廠商都採用了各自獨有的先進技術來保證數據的安全。為了避免意外的損失，伺服器硬碟一般都能承受300G到1000G的衝擊力。

　　為了提高可靠性，伺服器多採用了廉價冗餘磁碟陣列(RAID)技術。RAID技術相當於把一份數據複製到其他硬碟上，如果其中一個硬碟損壞了，可以從另一個恢複數據。

3、帶寬大

　　多數伺服器採用了數據吞吐量大、CPU佔有率極低的SCSI硬碟。SCSI硬碟必須通過SCSI介面才能使用，有的伺服器主板集成了SCSI介面，有的安有專用於大約有10-50人同時在正常上班時間隨機訪問伺服器或工作站。在此種情況下建議選擇SCSI介面硬碟。

　　高性能伺服器和工作站主要面向執行關鍵任務且工作負荷很重的文件伺服器，其負荷相當於50多人在一天24小時內同時進行訪問，同時還面向視頻、動畫製作等有高要求的工作站。在這些場合建議使用高端SCSI。

硬碟類型的選擇

　　普通家用或小型企業的台式機用戶對硬碟性能的需求相對較低，也極少會對存儲系統提出高性能的要求，因此一般建議使用ATA、SATA介面硬碟，部分個人音頻或視頻工作者可以考慮採用SCSI介面。

　　中型伺服器和工作站主要面向工作負荷較輕或中等的企業環境，其負荷相當於大約有10-50人同時在正常上班時間隨機訪問伺服器或工作站。在此種情況下建議選擇SCSI介面硬碟。

　　高性能伺服器和工作站主要面向執行關鍵任務且工作負荷很重的文件伺服器，其負荷相當於50多人在一天24小時內同時進行訪問，同時還面向視頻、動畫製作等有高要求的工作站。在這些場合建議使用高端SCSI。

硬碟的容量是以MB（兆）和GB（千兆）為單位的，早期的硬碟容量低下，大多以MB（兆）為單位，1956年9月IBM公司製造的世界上第一台磁碟存儲系統只有區區的5MB，而現今硬碟技術飛速的發展數百GB容量的硬碟也以進入到家庭用戶的手中。硬碟的容量有40GB、60GB、80GB、100GB、120GB、160GB、200GB、500GB，硬碟技術還在繼續向前發展，更大容量的硬碟還將不斷推出。

　　在購買硬碟之後，細心的人會發現，在操作系統當中硬碟的容量與官方標稱的容量不符，都要少於標稱容量，容量越大則這個差異越大。標稱40GB的硬碟，在操作系統中顯示只有38GB；80GB的硬碟只有75GB；而120GB的硬碟則只有114GB。這並不是廠商或經銷商以次充好欺騙消費者，而是硬碟廠商對容量的計算方法和操作系統的計算方法有所不同而造成的，不同的單位轉換關係造成的。

　　眾所周知，在計算機中是採用二進位，這樣造成在操作系統中對容量的計算是以每1024為一進位的，每1024位元組為1KB，每1024KB為1MB，每1024MB為1GB；而硬碟廠商在計算容量方面是以每1000為一進位的，每1000位元組為1KB，每1000KB為1MB，每1000MB為1GB，這二者進位上的差異造成了硬碟容量「縮水」。以120GB的硬碟為例：
廠商容量計算方法：120GB＝120,000MB＝120，000，000KB＝120，000，000，000位元組
換算成操作系統計算方法：120，000，000，000位元組/1024＝117,187,500KB/1024＝114，440.91796875MB＝114GB

　　同時在操作系統中，硬碟還必須分區和格式化，這樣系統還會在硬碟上佔用一些空間，提供給系統文件使用，所以在操作系統中顯示的硬碟容量和標稱容量會存在差異。

單碟容量（storage per disk），是硬碟相當重要的參數之一，一定程度上決定著硬碟的檔次高低。硬碟是由多個存儲碟片組合而成的，而單碟容量就是一個存儲碟所能存儲的最大數據量。硬碟廠商在增加硬碟容量時，可以通過兩種手段：一個是增加存儲碟片的數量，但受到硬碟整體體積和生產成本的限制，碟片數量都受到限制，一般都在5片以內；而另一個辦法就是增加單碟容量。

　　舉個例子來說，單碟容量為60GB的希捷酷魚五系列和單碟容量為80GB的希捷7200.7系列，如果都用2個碟片那麼總容量將有40GB的差異，可見單碟容量對硬碟容量的影響。

　　同時，硬碟單碟容量的增加不僅僅可以帶來硬碟總容量的提升，而且也有利於生產成本的控制，提高硬碟工作的穩定性。單碟容量的增加意味著廠商要在同樣大小的碟片上建立更多的磁軌數（數據存儲在碟片的磁軌中），雖然這在技術難度上對廠商要求很高，但碟片磁軌密度（單位面積上的磁軌數）提高，代表著數據密度的提高，這樣在硬碟工作時碟片每轉動一周，磁頭所能讀出的數據就越多，所以在相同轉速的情況下，硬碟單碟容量越大其內部數據傳輸速率就越快。另外單碟容量的提高使單位面積上的磁軌條數也有所提高，這樣硬碟尋道時間也會有所下降。

　　另外單碟容量的增加也能在一定程度上節省產品成本，舉個例子來說，同樣的120GB的硬碟，如果採用單碟容量40GB的碟片，那麼將要有三張碟片和六個磁頭；而採用單碟容量80GB的碟片，那麼只需要兩張碟片和三個磁頭（碟片正反兩面都可以存儲數據，一面需要一個磁頭），這樣就能在儘可能節省更多的成本的條件下提高硬碟的總容量。單碟容量的增加也對磁頭提出了更高的要求 。

　　單碟容量的提升是隨著硬碟技術的逐漸提高的，在2000年時出現了單碟容量40GB的硬碟產品，但直到2001中旬才全面在市場中普及。到了2002年IBM、西部數據、希捷、三星都相繼推出了單碟容量60GB的硬碟產品，最早單碟60GB容量的硬碟是三星於2002年5月推出的SpinPoint V60系列硬碟，其後的一個月內西部數據、希捷就發布了酷魚V和魚子醬系列7200rpm硬碟。

　　最早的單碟容量80GB的硬碟產品是Maxtor於2002年10月發布的DiamondMax Plus 9，希捷也緊隨其後推出了酷魚7200.7系列與5400.1系列單碟80GB的硬碟。

　　希捷在2003年的9月發布了單碟容量達100GB酷魚7200.7 PLus 200GB硬碟，而2004年9月，希捷(Seagate)又發布了酷魚7200.8(Barracuda 7200.8)系列硬碟，單碟容量為133GB，使得硬碟單碟容量又達到了一個新的高度，相較於以前的最高單碟容量100GB，整整提高了33%。更高的單碟容量也就意味著更高的數據存儲密度、更大的總容量、更高的性能和更低的成本。但人們對於硬碟存儲空間的需求是不滿足的，單碟容量的發展是不會就此止步的，更高容量的硬碟產品將不久之後出現在我們的視野中。

2006.7.7

碟片是硬碟中承載數據存儲的介質，硬碟是由多個碟片疊加在一起，互相之間由墊圈隔開。硬碟碟片是以堅固耐用的材料為盤基，其上在附著磁性物質，表面被加工的相當平滑。因為碟片在硬碟內部高速旋轉（有5400轉、7200轉、10000轉，甚至15000轉），因此製作碟片的材料硬度和耐磨性要求很高，所以一般採用合金材料，多數為鋁合金。

　　硬碟碟片是隨著硬碟的發展而不斷進步的，早期的硬碟碟片都是使用塑料材料作為盤基，然後再在塑料盤基上塗上磁性材料就構成了硬碟的碟片。後來隨著硬碟轉速和容量的提高又出現的金屬盤基的碟片，金屬材料的盤基具有更高的記錄密度、更強的硬度，在安全性上也要強於塑料盤基。目前市場中主流的硬碟都是採用鋁材料的金屬盤基。

　　而IBM等廠商還推出過以石英玻璃為盤基的「玻璃碟片」，但初期的玻璃碟片在發熱等技術方面處理的並不得當，導致部分產品使用中極易出現故障。但玻璃碟片是一種比鋁更為堅固耐用的碟片材質，碟片高速運轉時的穩定性和可靠性都有所提高，而且玻璃碟片表面更為平滑，技術上還是領先於金屬碟片的。

　　由於碟片上的記錄密度巨大，而且碟片工作時的高速旋轉，為保證其工作的穩定，數據保存的長久，碟片都是密封在硬碟內部。萬萬不可自行拆卸硬碟，在普通環境下空氣中的灰塵，都會對硬碟造成永久傷害，更不能用器械或手指碰觸碟片。

硬碟磁頭是硬碟讀取數據的關鍵部件，它的主要作用就是將存儲在硬碟碟片上的磁信息轉化為電信號向外傳輸，而它的工作原理則是利用特殊材料的電阻值會隨著磁場變化的原理來讀寫碟片上的數據，磁頭的好壞在很大程度上決定著硬碟碟片的存儲密度。目前比較常用的是GMR（Giant Magneto Resisive）巨磁阻磁頭，GMR磁頭的使用了磁阻效應更好的材料和多層薄膜結構，這比以前的傳統磁頭和MR（Magneto Resisive）磁阻磁頭更為敏感，相對的磁場變化能引起來大的電阻值變化，從而實現更高的存儲密度 。

　　磁頭是硬碟中對碟片進行讀寫工作的工具，是硬碟中最精密的部位之一。磁頭是用線圈纏繞在磁芯上製成的。硬碟在工作時，磁頭通過感應旋轉的碟片上磁場的變化來讀取數據；通過改變碟片上的磁場來寫入數據。為避免磁頭和碟片的磨損，在工作狀態時，磁頭懸浮在高速轉動的碟片上方，而不與碟片直接接觸，只有在電源關閉之後，磁頭會自動回到在碟片上的固定位置（稱為著陸區，此處碟片並不存儲數據，是碟片的起始位置）。

　　由於磁頭工作的性質，對其磁感應敏感度和精密度的要求都非常高。早先的磁頭採用鐵磁性物質，在磁感應敏感度上不是很理想，因此早期的硬碟單碟容量都比較低，單碟容量大則碟片上磁軌密度大，磁頭感應程度不夠，就無法準確讀出數據。這就造成早期的硬碟容量都很有限。隨著技術的發展，磁頭在磁感應敏感度和精密度方面都有了長足的進步。

　　最初磁頭是讀、寫功能一起的，這對磁頭的製造工藝、技術都要求很高，而對於個人電腦來說，在與硬碟交換數據的過程中，讀取數據遠遠快於寫入數據，讀、寫操作二者的特性也完全不同，這也就導致了讀、寫分離的磁頭，二者分別工作、各不干擾。

薄膜感應（TEI）磁頭

　　在1990年至1995年間，硬碟採用TFI讀/寫技術。TFI磁頭實際上是繞線的磁芯。碟片在繞線的磁芯下通過時會在磁頭上產生感應電壓。TFI讀磁頭之所以會達到它的能力極限，是因為在提高磁靈敏度的同時，它的寫能力卻減弱了。

各向異性磁阻（AMR）磁頭

　　AMR（Anisotropic Magneto Resistive）90年代中期，希捷公司推出了使用AMR磁頭的硬碟。AMR磁頭使用TFI磁頭來完成寫操作，但用薄條的磁性材料來作為讀元件。在有磁場存在的情況下，薄條的電阻會隨磁場而變化，進而產生很強的信號。硬碟譯解由於磁場極性變化而引起的薄條電阻變化，提高了讀靈敏度。AMR磁頭進一步提高了面密度，而且減少了元器件數量。由於AMR薄膜的電阻變化量有一定的限度，AMR技術最大可以支持3.3GB/平方英寸的記錄密度，所以AMR磁頭的靈敏度也存在極限。這導致了GMR磁頭的研發。

GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）

　　GMR磁頭繼承了TFI磁頭和AMR磁頭中採用的讀/寫技術。但它的讀磁頭對於磁碟上的磁性變化表現出更高的靈敏度。GMR磁頭是由4層導電材料和磁性材料薄膜構成的：一個感測層、一個非導電中介層、一個磁性的栓層和一個交換層。GMR感測器的靈敏度比AMR磁頭大3倍，所以能夠提高碟片的密度和性能。

　　硬碟的磁頭數取決於硬碟中的碟片數，碟片正反兩面都存儲著數據，所以一個碟片對應兩個磁頭才能正常工作。比如總容量80GB的硬碟，採用單碟容量80GB的碟片，那只有一張碟片，該碟片正反面都有數據，則對應兩個磁頭；而同樣總容量120GB的硬碟，採用二張碟片，則只有三個磁頭，其中一張碟片的一面沒有磁頭。

硬碟介面是硬碟與主機系統間的連接部件，作用是在硬碟緩存和主機內存之間傳輸數據。不同的硬碟介面決定著硬碟與計算機之間的連接速度，在整個系統中，硬碟介面的優劣直接影響著程序運行快慢和系統性能好壞。不同的硬碟介面採用不同的數據傳輸規範，所能提供的數據傳輸速度也不相同。傳輸規範是硬碟最為重要的參數之一。以前主流的台式機硬碟介面為IDE介面，現在則以SATA介面為主，高端工作站伺服器則會有SCSI介面和SAS介面。

內部數據傳輸率（Internal Transfer Rate）是指硬碟磁頭與緩存之間的數據傳輸率，簡單的說就是硬碟將數據從碟片上讀取出來，然後存儲在緩存內的速度。內部傳輸率可以明確表現出硬碟的讀寫速度，它的高低才是評價一個硬碟整體性能的決定性因素，它是衡量硬碟性能的真正標準。有效地提高硬碟的內部傳輸率才能對磁碟子系統的性能有最直接、最明顯的提升。目前各硬碟生產廠家努力提高硬碟的內部傳輸率，除了改進信號處理技術、提高轉速以外，最主要的就是不斷的提高單碟容量以提高線性密度。由於單碟容量越大的硬碟線性密度越高，磁頭的尋道頻率與移動距離可以相應的減少，從而減少了平均尋道時間，內部傳輸速率也就提高了。雖然硬碟技術發展的很快，但內部數據傳輸率還是在一個比較低（相對）的層次上，內部數據傳輸率低已經成為硬碟性能的最大瓶頸。目前主流的家用級硬碟，內部數據傳輸率基本還停留在70~90 MB/s左右，而且在連續工作時，這個數據會降到更低。

　　數據傳輸率的單位一般採用MB/s或Mbit/s，尤其在內部數據傳輸率上官方數據中更多的採用Mbit/s為單位。此處有必要講解一下兩個單位二者之間的差異：

　　MB/s的含義是兆位元組每秒，Mbit/s的含義是兆比特每秒，前者是指每秒傳輸的位元組數量，後者是指每秒傳輸的比特位數。MB/s中的B字母是Byte的含義，雖然與Mbit/s中的bit翻譯一樣，都是比特，也都是數據量度單位，但二者是完全不同的。Byte是位元組數，bit是位數，在計算機中每八位為一位元組，也就是1Byte＝8bit，是1：8的對應關係。因此1MB/s等於8Mbit/s。因此在在書寫單位時一定要注意B字母的大小寫，尤其有些人還把Mbit/s簡寫為Mb/s，此時B字母的大小真可以稱為失之毫釐，謬以千里。

　　上面這是一般情況下MB/s與Mbit/s的對應關係，但在硬碟的數據傳輸率上二者就不能用一般的MB和Mbit的換算關係（1B=8bit）來進行換算。比如某款產品官方標稱的內部數據傳輸率為683Mbit/s，此時不能簡單的認為683除以8得到85.375，就認為85MB/s是該硬碟的內部數據傳輸率。因為在683Mbit中還包含有許多bit（位）的輔助信息，不完全是硬碟傳輸的數據，簡單的用8來換算，將無法得到真實的內部數據傳輸率數值。

很專業，長見識

硬碟數據傳輸率的英文拼寫為Data Transfer Rate，簡稱DTR。硬碟數據傳輸率表現出硬碟工作時數據傳輸速度，是硬碟工作性能的具體表現，它並不是一成不變的而是隨著工作的具體情況而變化的。在讀取硬碟不同磁軌、不同扇區的數據；數據存放的是否連續等因素都會影響到硬碟數據傳輸率。因為這個數據的不確定性，所以廠商在標示硬碟參數時，更多是採用外部數據傳輸率(External Transfer Rate)和內部數據傳輸率（Internal Transfer Rate）。

　　外部數據傳輸率(External Transfer Rate)，一般也稱為突發數據傳輸或介面傳輸率。是指硬碟緩存和電腦系統之間的數據傳輸率，也就是計算機通過硬碟介面從緩存中將數據讀出交給相應的控制器的速率。平常硬碟所採用的ATA66、ATA100、ATA133等介面，就是以硬碟的理論最大外部數據傳輸率來表示的。ATA100中的100就代表著這塊硬碟的外部數據傳輸率理論最大值是100MB/s；ATA133則代表外部數據傳輸率理論最大值是133MB/s；SATA1.0介面的硬碟外部理論數據最大傳輸率可達150MB/s，而SATAII介面的硬碟外部理論數據最大傳輸率可達300MB/s。這些只是硬碟理論上最大的外部數據傳輸率，在實際的日常工作中是無法達到這個數值的，而是更多的取決於內部數據傳輸率。