硬盘的基础知识

　　在构成计算机系统的积木当中，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。

　　你如果再买个硬盘或者你打算自己动手DIY一台新电脑，正在准备装个好硬盘。当你看完本章后，你一定会成为一个专家。

　　

　　第一节 硬盘基础

　　

　　计算机的硬盘主要由碟片、磁头、磁头臂、磁头臂服务定位系统和底层电路板、数据保护系统以及接口等组成。计算机硬盘的技术指标主要围绕在盘片大小、盘片多少、单碟容量、磁盘转速、磁头技术、服务定位系统、接口、二级缓存等参数上。我们在这里介绍一些和硬盘相关的技术知识，以便大家可以对硬盘更加了解，在挑选硬盘时更加胸有成竹。

　　

　　1．碟片和磁头

　　硬盘的所有数据都存储在碟片上，碟片是由硬质合金组成的盘片。磁头在和旋转的碟片相接触过程中，通过感应碟片上磁场的变化来读取数据。

　　在硬盘中，碟片的单碟容量和磁头技术是相互制约、相互促进的。硬盘的磁头是用线圈缠绕在磁芯上制成的，最初的磁头是读写合一的，通过电流变化去感应信号的幅度。对于大多数计算机来说，在与硬盘交换数据的过程中，读操作远远快于写操作，而且读/写是两种不同特性的操作，这样就促使硬盘厂商开发一种读/写分离磁头。在1991年，IBM提出了它基于磁阻（MR）技术的读磁头技术――各项异性磁

　　

　　阻技术（Anisotropic Magneto Resistive，AMR）,但是由于技术和市场等诸多原因，直到1997年AMR才真正成为市场的主流技术。目前，AMR技术可以支持3.3GB/平方英寸的记录密度。随着技术的发展，AMR技术磁头已经基本被比其灵敏度高2倍以上的GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）磁头技术所取代。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。前3个层控制着磁头的电阻。在栓层中，磁场强度是固定的,并且磁场方向被相临的交换层所保持。而且自由层的磁场强度和方向则是随着转到磁头下面的磁盘表面的微小磁化区所改变的，这种磁场强度和方向的变化导致明显的磁头电阻变化，在一个固定的信号电压下面，就可以拾

　　取供硬盘电路处理的信号。希捷正在开发的OAW（光学辅助温式技术）是未来磁头技术发展的方向，OAW技术可以在1英寸宽内写入105000以上的磁道，单碟容量有望突破36GB。单碟容量的提高不仅可以提高硬盘总容量、降低平均寻道时间，又可以降低成本、提高性能，所以建议购买时对单碟容量大的硬盘优先考虑。现在主流硬盘的单碟容量大都在4GB～8GB之间，对于普通家庭用户来讲，选择有2～3张碟片（即8GB～20GB）的硬盘是有着较高的性价比的，更低容量的硬盘不值得推荐。

　　除了磁头技术的日新月异之外，磁记录技术也是影响硬盘性能非常关键的一个因素。当磁记录密度达到某一程度后，两个信号之间相互干扰的现象就会非常严重。为了解决这一问题，人们在硬盘的设计中加入了PRML技术。所谓的PRML（局部响应最大拟然，Partial Response Maximum Likelihood）读取通

　　

　　道方式可以简单地分成两个部分。首先是将磁头从盘片上所读取的信号加以数字化，并将未达到标准的信号加以舍弃，而没有将信号输出。这个部分便称为局部响应。最大拟然部分则是拿数字化后的信号模型与PRML芯片本身的信号模型库加以对比，找出最接近、失真度最小的信号模型，再将这些信号重新组合而直接输出数据。使用PRML方式，不需要像脉冲检测方式那样高的信号强度，也可以避开因为信号记录太密集而产生的相互干扰的现象。

　　磁头技术的进步，再加上目前记录材料技术和处理技术的发展，将使硬盘的存储密度提升到每平方英寸10GB以上，这将意味着可以实现40GB或者更大的硬盘容量。

　　

　　2．接口技术

　　当今主流硬盘的接口界面有两种：EIDE（Enhanced Integrated Device Electronics，EIDE接口又称ATAPI接口）和SCSI（Small Computer System Interface），当然此外还有IEEE 1394、USB和FC-AL(FiberChannel-Arbitrated Loop)光纤通道接口的产品，只是很少见。接口技术和硬盘的主控制电路以及使用的传输协议均有关，是硬盘综合技术的外部表现。现在普通家庭与商业用户广泛使用的还都是基于Ultra DMA/33（又称UDMA/33）标准的EIDE接口的硬盘，它的优势在于性价比高、普及率广。SCSI接口硬盘的优势是其在进行多任务处理的时候，由于其读写硬盘数据的协议相对IDE硬盘更加先进，因此具有比较快的速度。但是SCSI接口硬盘需要专门的芯片来支持，一般这种芯片都制成了单独的SCSI卡出售。SCSI硬盘的价格一般比普通的同容量IDE硬盘贵50％，还需要单独的SCSI卡，故目前主

　　

　　要应用在服务器、工作站领域，个人装机较少用到，我们在这里不作详细讨论。

　　近几个月来，支持UDMA/66协议的EIDE接口硬盘、主板以及转换卡等相关产品在市场上大量涌现出来。由于UDMA/66硬盘的速度增加了一倍，而价格只比原来UDMA/33硬盘的价格贵一二十元，因此UDMA/66从一出现起就显出流行之势。硬盘接口标准直接对应于硬盘的最大外部数据传输率，即硬盘的高速缓冲与计算机之间的最高瞬时数据传输率。顾名思义，UDMA/66的数据率可达66MB/s,是UDMA/33的两倍。UDMA/66接口还提高了传输数据的完整性，因为它使用了独特的传输线和CRC(Cyclical Redundancy Check,循环冗余校验)技术，原来的40针IDE电缆线变成了80针。它在40根IDE信号线与地线之间又增加了40根地线，因此也就有效地减低了信号之间的干扰现象，还能向下兼容。从技术角度来看，UDMA/66的硬盘只是在接口电路方面有所变化（但接口依然是40pin，与原来兼容），而在硬盘的机械部分同UDMA/33的产品是一样的。

　　

　　

　　由于UDMA/66硬盘逐渐流行，因此很多主板、转换卡生产厂家也纷纷推出相关产品来支持UDMA/66的硬盘。市场首先支持UDMA/66的主板芯片组是威盛的Apollo Pro 133。由于此芯片组是通过南桥芯片对IDE接口进行控制的，几乎没有增加成本，但是由于在CPU的占用率上还没有太大的降低，硬盘速度提高不明显。同时由于Intel的原因，市场占有率最高的基于BX芯片组的主板本身是不支持UDMA/66的，很多主板厂商为了达到支持UDMA/66硬盘的目的，在主板上增加了一个专用的芯片。升技新发布的几款支持UDMA/66的主板（如BE6）就是采用的是BX芯片组＋HighPoint HPT 366芯片来实现对UDMA/66的支持；技嘉的BX2000和微星的BX Master主板也有异曲同工之处，只不过采用了Promise公司的芯片。此外，这种芯片还可以作成单独的UDMA/66卡，直接插在PCI槽上，让不支持UDMA/66的主板能完全发挥UDMA/66硬盘的速度。目前市场上这种卡有两种：一个是升技的Hot Rod 66卡，另一个是Promise的转换卡。

　　

　　

　　

　　

　　3．主轴转速

　　转速是硬盘内部传输率的决定因素之一，也是区别硬盘档次的重要标志。如今主流硬盘的转速多为5400rpm（转/分钟）、7200rpm和10000rpm。7200转的硬盘已经成为主流，但5400rpm的硬盘仍具有性价比高的优势。我们在购买硬盘的时候会发现，硬盘的速度每提升一个档次，其价格往往会增加20％左右，当然其性能也会有所提高。

　　

　　4．缓存

　　缓存（Cache）是硬盘与外部总线交换数据的场所。硬盘的读过程是经过磁信号转换成电信号后，通过缓存的一次次填充与清空、再填充、再清空才一步步地按照PCI总线周期送出去，所以缓存的作用不容小视，缓存的容量与速度直接关系到硬盘的传输速度。缓存为静态存储器，与我们认识的内存（动态存储器）不同，无须定期刷新，它的容量有128KB、256KB、512KB，甚至2MB等规格。缓存是一些高速的DRAM，类型为EDO DRAM或SDRAM，有写通式和回写式两种。前者在读硬盘时，系统先检查请求指令，看所要的数据是否在缓存里有，若有则称为命中，缓存就送出相应的数据，不必再访问磁盘中的数据了，这样可以明显改善性能；而写通式为只读数据。现在多数硬盘使用的都是可读写数据的回写式高速缓存，它比写通式缓存更能提高性能。缓存也是购买硬盘的一个主要的依据，现在主流硬盘的缓存一般都大于512KB，甚至达到2MB。如Maxtor和IBM的新款硬盘中都有采用2MB缓存的产品，性能较以前有着明显的提高。

　　

　　5．平均寻道时间、平均访问时间和平均潜伏时间

　　平均寻道时间（Average Seek Time）是指磁头移动到数据所在磁道需要的时间，这是衡量硬盘机械能力的重要指标，一般在5ms～13ms之间，平均寻道时间大于10ms的硬盘不宜购买。平均潜伏时间（Average Latency Time）是指相应数据所在的扇区转到磁头下的时间，一般在1ms～6ms之间。平均访问时间（Average Access Time）则是平均寻道时间与平均潜伏时间之和，它是最能够代表硬盘找到某一数据所用的时间的了。

　　6．数据传输率

　　数据传输率分为外部传输率(External Transfer Rate)和内部传输率(Internal Transfer Rate)。通常也称外部传输率为突发数据传输率(Burstdata Transfer Rate)或接口传输率，是指从硬盘的缓存中向外输出数据的速度。目前，采用UDMA/66技术的外部传输率已经达到了66.6MB/s；内部传输率也称最大或最小持续传输率(Sustained Transfer Rate)，是指硬盘在盘片上读写数据的速度，现在的主流硬盘大多在20MB/s到30MB/s之间。由于硬盘的内部传输率要小于外部传输率，所以内部传输率的高低才是评价一个硬盘整体性能的决定性因素，因此只有内部传输率才可以作为衡量硬盘性能的真正标准。一般来说，在硬盘的转速相同时，单碟容量越大则硬盘的内部传输率越大；在单碟容量相同时，转速高的硬盘内部传输率也高；在转速与单碟容量相差不多的情况下，新推出的硬盘由于处理技术先进，所以它的内部传输率也会较高。

　　

　　7．MTBF（连续无故障时间）

　　这是指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间，单位是小时。一般硬盘的MTBF至少在3万或4万小时。这项指标在一般的产品广告或常见的技术特性表中并不提供，需要时可专门上网到具体生产该款硬盘的公司网址中查询。

　　

　　8．噪音与防震技术

　　噪音虽然不是衡量硬盘性能的标准，但是经常听到硬盘乱响毕竟不是一件让人舒心的事，而“液态轴承马达”就可以解决这一问题。它使用的是黏膜液油轴承，以油膜代替滚珠，可有效地降低因金属磨擦而产生的噪声和发热问题。同时液油轴承也可有效地吸收震动，使硬盘的抗震能力由一般的一二百个G提高到了一千多G，由此硬盘的寿命与可靠性也可以得到提高，但是现在市场上的普通硬盘还没能应用这一技术。昆腾在火球七代（EX）系列之后的硬盘都应用了SPS震动保护系统；迈拓在金钻二代上应用了ShockBlock防震保护系统，其设计思路与SPS相似，都是分散冲击能量，尽量避免磁头和盘片的撞击，但它能承受的最大冲击力近1000G；希捷的金牌系列硬盘中SeaShield系统是由减震材料制成的保护软罩外加磁头臂与盘片间的防震设计来实现的，其防震能力也能达到300G。

　　

　　9．数据保护系统

　　除了现在硬盘所共有的S.M.A.R.T.（自监测、分析、报告技术）数据保护系统以外，各硬盘厂商也都有自己的一套先进的技术：西部数据（WD）的数据卫士能在硬盘工作的空余时间里每8个小时自动扫描、检测、修复盘片的各扇区，这完全是自动的，无需用户干预与控制；昆腾在火球八代硬盘中首次内建了DPS（数据保护系统），在硬盘的前300MB内存放操作系统等重要信息，DPS可在系统出现问题后的90秒内自动检测恢复系统数据，若不行则用DPS软盘启动后它会自动分析故障，尽量保证数据不丢失；MaxSafe是迈拓在金钻二代上应用的技术，它的核心是将附加的ECC校验位保存在硬盘上，使读写过程都经过校验以保证数据的完整性。此外希捷和IBM也都分别有自己的数据保护系统：DST（驱动器自我检测）和DFT（驱动器健康检测），这对于保存在硬盘中数据的安全性是有着重要意义的。