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第7章硬盘驱动器 要求了解硬盘驱动器的分类和组成结构 掌握硬盘驱动器的工作原理及主要性能指标 了解主流硬盘的型号 掌握硬盘驱动器的安装和BIOS设置 制作启动盘 硬盘的分区和高级格式化 7 1硬盘驱动器的分类 1 按盘径尺寸分类 有5 25 3 5 常用 2 5 1 8英寸 图7 1硬盘的外观 硬盘与主板的接口可分为IDE SATA SCSI三种 1 IDE接口 IntegratedDriveElectronics 集成驱动设备 指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器 主要用于硬盘与计算机的连接 多个IDE设备共享带宽 工作模式分DMA33 传输速率33MB S DMA66 DMA100最高DMA133 一般主板支持4个IDE 跳线区分 945及以下的芯片组支持 IDE接口硬盘主要用于普通台式机 符合ATA规范 也称ATA接口 外观如图7 2 2 按接口类型分类 SerialATA 简称SATA SATA接口 采用点对点的传输模式 每个SATA设备独享通道带宽 SATA1 0数据传输速率的有效带宽峰值为150MB s SATA2 0标准的数据传输速率为300MB s 支持NCQ 原生指令队列 SATA3 0标准的数据传输速率为600MB s SATA接口硬盘主要用于普通台式机 SATA接口硬盘的外观如图7 3所示 图7 3SATA接口及数据连接线 2 SerialATA接口 SATA SATA2 0的NCQ技术 NCQ NativeCommandQueuing 原生命令队列 技术可以对读写硬盘的指令执行顺序进行优化 避免像传统硬盘那样机械地按照接收指令的先后顺序移动磁头读写硬盘的不同位置 与此相反 它会在接收命令后对其进行排序 排序后的磁头将以高效率的顺序进行寻址 从而避免磁头反复移动带来的损耗 延长硬盘寿命 SCSI SmallComputerSystemInterface 小型计算机系统接口 最初是为小型机研制的一种接口技术 现在它被完全移植到了普通微机上 传输速率160MB S CPU占用率低至10 适用多任务的服务器 图7 4所示是希捷Cheetah15K3的SCSI硬盘及其接口 它是第六代SCSI硬盘 主轴转速为15000r min 转 分 36 7GB容量 物理接口是68针 接口界面采用了UltraSCSI320规范 3 SCSI接口 7 2硬盘驱动器的组成结构 1 硬盘的外部结构硬盘从外观上看 由电源接口 数据接口 控制电路板 固定盖板 安装螺孔等组成 相同类型的硬盘结构都是相似的 如图7 5所示 左图是IDE接口的硬盘 右图是SATA接口的硬盘 图7 5硬盘的外部结构 电源接口 电源接口与主机电源相连 为硬盘工作提供能源 IDE硬盘的电源接口为4针接口 而SATA硬盘的电源接口为15针 有些较早的ATX电源没有这类电源插头 通常需要采用SATA电源转接线与传统电源线转接 如图7 6所示 数据接口 数据接口是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换的纽带 根据连接方式的差异 分为IDE SATA等接口 IDE接口为40根针 数据线分40线和80线两种 如图7 7a所示 SATA硬盘使用7针端口 如图7 7b所示 图7 7IDE的数据线和SATA的数据线 目前常用的两种接口的硬盘比较 硬盘IDE接口与SATA接口的比较 IDE ATA 电源线 4针 数据线 40线 80线 传输速率66MB S 最高DMA133133MB S 共用带宽 SATA 电源线 15针 可由转接线转成4针 数据线 7线 4线传输速率SATA1 0150MB S SATA2 0300MB S 点对点传输 独占带宽 SATA接口需要Intel865和915档次以上芯片组的支持 965以上芯片组不支持IDE 控制电路板 控制电路板采用贴片式元件焊接 包括主轴调速电路 磁头驱动与伺服定位电路 读写电路 控制与接口电路 ROM芯片 缓存RAM等 固定盖板 硬盘的固定盖板面板上标注有产品的型号 产地 设置数据等 它与底板结合成一个密封的整体 以保证硬盘盘片和机构的稳定运行 安装螺孔 用于硬盘的安装 对于3 5in的产品 固定盖板和侧面都有安装孔 可以方便灵活地安装 2 硬盘的内部结构 硬盘内部结构由固定面板 控制电路板 盘头组件 盘片 接口及附件等几大部分组成 如图7 8所示 浮动磁头组件 读取数据信号 控制电路 信号放大 控制 传送 盘片 是存储数据的载体 多采用金属薄膜磁盘 液态轴承 以油膜代替滚珠 无磨损 抗震 7 3硬盘驱动器的工作原理 硬盘系统由硬盘驱动器 适配器及连接电缆三部分组成 初始化完成后 主轴电机启动并高速旋转 装载磁头的小车机构移动 将浮动磁头置于盘片表面的00道 存储区由盘片 面 磁道 同心圆 扇区组成 多个盘面的相同磁道形成硬盘的 磁柱面 7 4硬盘驱动器的主要性能指标 1 容量 Capacity 主流硬盘容量160 500GB 影响硬盘容量的因素为单片容量和盘片数量 计算机中按1GB 1024MB 硬盘厂家按1GB 1000MB所以在计算机中显示出来的硬盘容量一般情况下要比硬盘容量的标称值小 2 平均寻道时间 averageseektime 从初始位置移动到数据所在磁道所需要的时间 ms 3 平均潜伏时间 Averagelatency 磁头移动到数据所在磁道后 等待所要数据块到来所需的时间 ms 4 单磁道时间 SingleTrackSeek 相邻磁道的移动时间 ms 5 全程访问时间 MaxFullSeek 磁头开始移动至找到数据块所需的时间 ms 6 平均访问时间 AverageAccess 磁头找到指定数据的平均时间 是平均寻道时间与平均潜伏时间之和 ms 7 硬盘内部数据传输率 磁头到硬盘缓存区的数据传输率 目前速度可达60MB S 而SATAII外部数据传输率为300MB S 硬盘数据传输率示意图如图7 12所示 图7 12硬盘内部数据传输率与外部数据传输率示意图 8 外部数据传输率 ExternalTransferRate 外部数据传输率指从硬盘缓冲区读取数据的速率 可达300MB s或更高 比内部数据传输快 在硬盘特性表中常以数据接口速率代替 单位为MB s 由于外部数据传输速率受内部数据传输速率制约 所以无法达到标称的速率 9 主轴转速 rotationalspeed 主轴转速是指硬盘内主轴的转动速度 目前硬盘的主轴转速一般为7200r min 部分IDE接口的硬盘和笔记本硬盘的转速为5400r min SCSI硬盘的主轴转速一般可达7200 10000r min 而最高转速的SCSI硬盘转速高达15000r min 10 缓存 BufferMemory 硬盘缓存是指在硬盘内部的高速存储器 其作用是提供一个数据的缓冲区域 把从硬盘读取的数据暂时保存 然后一次性传输出去 或者把从总线传输来的数据暂时保存 然后逐渐写入硬盘 解决CPU与硬盘之间巨大的速度差异 目前 硬盘缓存的容量通常为512KB 2MB 8MB 16MB或更大 11 硬盘表面温度 硬盘工作时 封壳的温度 12 平均故障间隔时间 硬盘开始运行到出现故障的时间间隔 一般5年左右 13 单碟容量 硬盘中的存储碟片一般有1 4片 3 5in的单碟容量可达80GB 14 数据保护技术 S M A R T自监测 分析 报告技术 RAID RedundantArrayoflndependentDisks 独立磁盘冗余阵列 有时也简称磁盘阵列 DiskArray 是一种把多块独立的硬盘 物理硬盘 按不同的方式组合起来形成一个硬盘组 逻辑硬盘 从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供数据备份技术 7 5硬盘RAID技术 1 RAID0提高速度性能 数据安全性不变 图7 13RAID0存储方式 RAID0存储方式如图7 13所示 2 RAID1安全性提高 性能不变 RAID1存储方式如图7 14左所示 3 RAID0 1性能提高 安全性加强 RAID0 1存储方式如图7 14右所示 4 JBOD增大容量 JBOD JustaBunchofDrives 简单硬盘串联 也称作数据迭加 图7 14 SATA硬盘在设置RAID模式时 一般都需要安装主板芯片组厂商所提供的驱动 需要进行BIOS设置 7 6固态硬盘介绍 固态硬盘 SolidStateDisk或SolidStateDrive 也称作电子硬盘或者固态电子盘 是由控制单元和固态存储单元 DRAM或FLASH芯片 组成的硬盘 固态硬盘的接口规范和定义 功能及使用方法上与普通硬盘的相同 在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致 由于固态硬盘没有普通硬盘的旋转介质 因而抗震性极佳 其芯片的工作温度范围很宽 40 85摄氏度 目前广泛应用于军事 车载 工控 视频监控 网络监控 网络终端 电力 医疗 航空等 导航设备等领域 目前由于成本较高 正在逐渐普及到DIY市场 SATA接口的固态硬盘 1 固态硬盘分类 1 采用闪存 FLASH芯片 作为存储介质的固态硬盘 这种固态硬盘的优点是便于移动 而且数据保护不受电源控制 能适应于各种环境 但是使用年限不长 为了延长寿命 控制芯片采用校验和智能磨损平衡技术算法 使得每个存储单元的写入次数可以平均分摊 达到延长使用寿命的目的 2 采用DRAM作为存储介质的固态硬盘它仿效传统硬盘的设计 可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理 并提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器 实际上 它是一种高性能的存储器 而且使用寿命很长 美中不足的是需要独立电源来保护数据安全 目前应用范围较窄 2 固态硬盘的优点 相对于普通硬盘 1 启动快 没有电机加速旋转的过程 不怕碰撞 冲击 振动 2 不用磁头 快速随机读取 读延迟极小 基于DRAM的固态硬盘写入速度极快 在系统启动时间上两者几乎有将近一半的差距 3 相对固定的读取时间 由于寻址时间与数据存储位置无关 因此磁盘碎片不会影响读取时间 4 无噪音 因为没有机械马达和风扇 工作时噪音值为0分贝且发热量较低 但某些高端或大容量产品装有风扇 因此仍会产生噪音 5 工作温度范围更大 典型的硬盘驱动器只能在5到55摄氏度范围内工作 而大多数固态硬盘可在 10 70摄氏度工作 一些工业级的固态硬盘还可在 40 85摄氏度 甚至更大的温度范围下工作 6 低容量的固态硬盘比同容量硬盘体积小 重量轻 但这一优势随容量增大而逐渐减弱 直至256GB 固态硬盘仍比相同容量的普通硬盘轻 3 固态硬盘的缺点 1 成本高 每单位容量价格是传统硬盘的5 10倍 基于闪存 甚至200 300倍 基于DRAM 2 容量低 目前固态硬盘最大容量远低于传统硬盘 固态硬盘的容量仍在迅速增长 据称IBM已测试过4TB的固态硬盘 3 固态硬盘更易受到某些外界因素的不良影响 如断电 基于DRAM的固态硬盘尤甚 磁场干扰 静电等 7 7主流硬盘介绍 目前 市场上主流是7200转 分 SATA或SATA300串口桌面硬盘 容量80GB 160GB 250 320 500GB等表7 1列出了目前市场上的主流产品的技术参数 表7 17200r min桌面硬盘技术参数一览 主流硬盘参数举例 厂商希捷 Seagate 系列Barracuda7200 10 型号ST3320620AS 固件版本3 AAK 盘片尺寸3 5 接口SATA2 3Gb s 盘片数量2 单碟容量188GB 转速7200rpm 平均潜伏期4 16ms 标称寻道时间8 5ms 读 写 缓存容量16MB 7 8硬盘驱动器的选购 硬盘的选购与其他产品一样 以 够用 为原则 如果考虑得更长远一点 就是想到以后的升级等问题 在购买硬盘时以主流产品为主 近期一般指 容量为160GB 500GB 转速为7200r min 数据缓存为2MB或16MB 接口类型为SATA2 平均寻道时间低于9 0ms 一般情况下 可以结合 够用就好 和 考虑升级 两个因素选择硬盘 7 9实习 实习1 IDE接口硬盘驱动器的安装 1 将硬盘固定在安装架上水平放置时 电路面朝下 标签面向上 如图7 15所示 图7 15硬盘跳线图 2 连接硬盘电源线在电源插座与数据线插座之间有4组跳线插针 可根据硬盘上的标签和使用需要进行跳线 如图7 16所示 图7 16硬盘主 从跳线插座 3 连接硬盘数据线80芯专用数据线连接主硬盘 如图7 17所示 图7 1780芯数据线 先将IDE线的蓝色插头插在主板上的IDE1插座中 如图7 18所示 然后再将黑色IDE插头插到硬盘上的IDE插座中 硬盘线的有色边对准插座的第一脚 如图7 19所示 图7 18主板上IDE接口图7 19连接硬盘数据线 实习2 SATA接口硬盘的安装 SATA硬盘与IDE硬盘一样 需要连接数据线和电源线 SATA数据线为扁长形 见图7 20 直接连接主板