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1、第三章 硬盘 技术 MSTE认证系列 教程培训目标学习完本课程，您应该能够： 了解硬盘的主要结构和工作原理 理解硬盘主要参数及其意义 了解不同硬盘的分类及发展趋势目录硬盘的结构及工作原理硬盘的主要 参数及技术硬盘的种类及发展趋势硬盘起源IBM RAMAC 350:50块 24英寸的盘片两个冰箱的大小5MB的容量即时访问信息的功能硬盘外部结构 固定面板 控制电路板控制电路板固定面板硬盘控制电路 主控制芯片 电机驱动和接口 高速数据缓存芯片 数据接口和电源接口高速数据缓存芯片数据接口电源接口盘片电机接口盘片电机驱动主控制芯片硬盘内部结构 磁头组件 磁头驱动机构 磁盘片 主轴组件 前端控制电路主轴组
2、件 磁头驱动机构磁盘片 磁头组件 前端控制电路硬盘的磁头 磁头是硬盘中最昂贵的部件，是硬盘技术最重要和关键的一环 采用了非接触式结构，加电后悬浮在高速旋转的磁盘表面 磁头飞行处于严格受控状态，因此需工作于平稳环境。硬盘的盘面硬盘的盘面一般用铝合金材料做基片，高速硬盘也可能用玻璃做基片。每个盘面都有 两个面 ，一般都可以存储数据，盘面号从上至下从“ 0”开始编号。硬盘的磁道当磁盘旋转时，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。外圈磁道中间磁道内圈磁道 磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段就被称为磁盘的扇区。 扇区主要由标示符和数据段两部分
3、组成。硬盘的扇区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。硬盘柱面硬盘的柱面读 /写头（每面一个）和盘面均从 0开始从顶面到底面进行编号。系统将文件存储到磁盘上时，按柱面、磁头、扇区的方式写入数据，物理寻址（ CHS寻址）时通过告诉磁盘控制器要读出扇区所在的柱面号、磁头号和扇区号进行。逻辑寻址（ LBA寻址）则是线性的寻址方式，以逻辑扇区为单位进行，提升寻址能力。硬盘读写示意图0柱面1柱面2柱面0面1面2面3面4面5面6面7面主轴0号读写头1号读写头7号读写头 6号读写头柱面磁性材料层盘片金属
4、 性粒子呈不规则状排列线圈磁芯S N已 磁化的金属性粒子未磁化的金属性粒子硬盘的磁记录原理目录硬盘的结构及工作原理硬盘的主要参数及技术硬盘的种类及发展趋势硬盘的主要参数硬盘的主要参数 描述容量 硬盘能 存储的数据量大小，以字节为基本单位转速 主轴马达转动速度，单位为 RPM（ Round Per Minute)缓存 硬盘内部盘片和外部接口之间的缓冲器平均访问时间 平均寻道时间和平均潜伏时间数据传输率 分为内部数据传输率和外部数据传输率MTBF Mean Time Between Failure，平均无故障时间硬盘的主要技术硬盘的主要技术 描述S.M.A.R.T 自监测、分析及报告技术TCQ 标
5、记命令队列NCQ 本机命令队列Duty Cycle 硬盘的工作负荷SCT 在硬盘内部划出一部分扇区做为日志记录目录硬盘的结构及工作原理硬盘的主要参数及技术硬盘的种类及发展趋势硬盘类型及 接口图示硬盘类型 ATA/IDE SCSI FC SATA SAS接口视图ATA/IDE接口硬盘简介Power连接器主 /从盘跳线40-pin连接器 ATA( Advanced Technology Attachment )高级技术附加装置 ATA硬盘是传统的桌面级硬盘，主要应用于个人PC机，也经常称为 IDE（ Integrated Drive Electronics ）硬盘 ATA接口为并行 ATA技术，下
6、一代的产品是串行ATA（ SATA）SATA接口硬盘介绍 SATA： Serial ATA (Serial Advanced Technology Attachment )串行 ATA SATA采用串行方式进行数据传输，接口速率比 IDE接口高，最低为 150MB/s，并且第二代（ SATA II ） 300MB/s接口硬盘已经 广泛使用 ， 规划内的最高 速率 (SATA III)可 达 600MB/s SATA硬盘采用点对点连接方式，支持热插拔，即插即用SCSI接口硬盘介绍 SCSI (Small Computer System Interface )小型计算机 系统接口 SCSI硬盘并发
7、处理性能优异，常应用于企业级存储领域 SCSI硬盘采用并行接口，接口速率目前发展到320MB/s，基本已经达到极限， 已经逐渐被其串行版本 SAS（ Serial Attached SCSI ）硬盘所替代80-pin 公接头FC接口硬盘介绍 FC硬盘采用 FC-AL( Fiber Channel Arbitrated Loop，光纤通道仲裁环 ) 接口模式 FC-AL是一种双端口的串行存储接口 , 目前能够提供 400MB/s速率 FC-AL支持全双工工作方式 FC-AL利用类似 SATA/SAS所用的 4芯连接，提供一种单环拓扑结构，一个控制器能访问 126个硬盘FC硬盘由于其在扩展能力、发
8、展前景、兼容性、成本等方面的限制，2010年以后已经不再生产。SAS接口硬盘介绍24 先进的磁盘 接口 继承 SCSI的稳定可靠性 全 双工、点对点数据传输 3.0/6.0Gbps接口传输速率 双端口冗余备 份 多种速率类型 支持 15,000/10,000/7,200rpm三种速率 良好的兼容性 SATA磁盘兼容 SSD磁盘的主要接口方式 服务器、存储阵列均可使用SAS线缆接口SAS磁盘磁盘接口SATA SCSI SAS FC转速（ RPM） 7,200 15,000 15,000 15,000缓存（兆） 32 16 16 16串行 /并行 串行 并行 串行 串行硬盘主流容量 2TB 300
9、GB 450/600GB 450/600GBMTBF 1,200,000 1,600,000 1,600,000 1,600,000TCQ 支持 支持 支持 支持NCQ 支持 支持 支持 支持机械硬盘 各类接口间的对比硬盘 接口技术发展 趋势SCSI-2 SCSI-3FC-AL100MB/S perPortFC-AL200MB/S perPortSynchronous SCSI 5MB/sFastWideSCSI 10/20MB/sUltra SCSI20/40MB/sUltra2 SCSI40/80MB/sUltra160SCSI160MB/sUltra320 SCSI320/MB/s SA
10、S300MB/s per portSATA SATA II SATA lllSerial ATA150MB/sSerial ATA II300MB/s串行并行SAS600MB/s per portATA ATA-1 3.3MB/sATA-2/3 16.6MB/sATA-4 33.3MB/sATA-5 66.6MB/sATA-6 100MB/sATA-7 133MB/sSerial ATA IIl600MB/sSSD硬盘介绍27 SSD随机访问速度较机械硬盘提升数十倍，在小块数据随机读写性能上远优于机械硬盘IOPS比较访问时间比较08H D D SSD访问时间2-8ms0.09ms 目前 SSD
11、盘价格较高，容量较小，因此适合随机读比例较高，响应时间要求苛刻的应用场合，例如数据库环境，存储的缓存和高性能集群的共享磁盘VS SLC每个单元承受擦写次数是 MLC单元的 10倍 MLC的芯片颗粒读写速度仅为 SLC的 1/2-1/3 相同颗粒数量， MLC的容量是 SLC的 2倍 成本上， MLC远低于 SLCVS01 0 ,0 0 02 0 ,0 0 03 0 ,0 0 04 0 ,0 0 05 0 ,0 0 0H D D SSDIO PS116045000 SSD泛指由控制单元和固态存储单元（ DRAM或 Flash芯片）组成的存储设备序号 参数 桌面级 企业级1 上电时间 8小时 /天
12、 24小时 /天2 Duty Cycle（工作负荷） 低 高（可达 100%）3 MTBF 75万小时 120万小时以上4 SCT 不支持 支持5 错误纠正功能 不支持 支持6 负载管理（用于控制机体温度及保证长时间工作可靠性）不支持 支持企业级硬盘与桌面级硬盘的区别总结 通过了解硬盘的结构和工作原理，增加对存储的了解。 影响硬盘性能的因素很多，除了硬盘本身的结构之外还和硬盘的接口相关。 不同接口的硬盘适合于不一样的应用。 企业级硬盘在性能、稳定性等因素上远优于桌面级硬盘。思考题 硬盘主要由哪些部件组成？ 以接口划分，常见的硬盘有哪些？ 和机械硬盘相比，固态硬盘具有哪些优劣性？ 企业级硬盘和桌面级硬盘的区别在哪？THANKS谢谢
