硬盘存储之基础知识

1、存储技术与产品基础 存储硬盘基础知识 目录 硬件结构 工作原理 主要参数 硬盘接口及发展介绍 目前主要使用的硬盘及 型号编码 硬件结构硬件结构 主轴马达主轴马达 (Spindle Motor) 音圈马达音圈马达 (Voice Coil Motor) 磁头磁头 基座基座(Base Plate) 磁头停放区磁头停放区 (Parking Zone) 盘片盘片 (Media) 传动部件传动部件 接口接口 硬件结构：玻璃盘片和铝合金盘片硬件结构：玻璃盘片和铝合金盘片 玻璃盘片玻璃盘片 优点优点 w 存储密度高存储密度高,容量大容量大 w 磁盘寿命长磁盘寿命长 w 抗冲击的可靠性高抗冲击的可靠性高 Gla

2、s s Medi a 缺点缺点: w 价格昂贵价格昂贵 w 要使用磁头加载要使用磁头加载/卸载技术卸载技术 铝合金盘片铝合金盘片 优点优点 w 技术成熟技术成熟 w 价格便宜价格便宜 Aluminu m Media 缺点缺点 w 对冲击较为敏感对冲击较为敏感 w 对温度较为敏感对温度较为敏感 硬件结构：硬盘磁头技术硬件结构：硬盘磁头技术 磁头(Head) 磁道(Track) 柱面(Cylinder) 扇区(Sector) 扇区 1磁道 n磁道 0磁道 硬件结构：磁头与柱面硬件结构：磁头与柱面 硬件结构：硬盘受撞击硬件结构：硬盘受撞击 15 of 23 硬件结构：磁道硬件结构：磁道 1磁道 n磁

3、道 硬件结构：扇区硬件结构：扇区 扇区 工作原理工作原理 磁盘表面磁盘表面 主轴马达带动主轴马达带动 磁盘旋转磁盘旋转 读写磁头在磁盘读写磁头在磁盘 表面上方飞行表面上方飞行 硬盘最基本的功能就是存储电脑資料, 并且当需要時读取出來供电脑运算与处理 磁场资料磁场资料 读写磁头读写磁头 磁记录原理磁记录原理 磁性材料层磁性材料层 (Magnetic Film) 金属金属性粒子呈性粒子呈 不规则状排列不规则状排列 盘盘 片片 线圈线圈(Coil) 磁芯磁芯(Core) S N 已磁化的金属性粒子已磁化的金属性粒子 未磁化的金属性粒子未磁化的金属性粒子 磁记录原理磁记录原理 NS Binary 0

4、(同性同性) Binary 1 (异性异性) 线圈线圈(Coil) 磁芯磁芯(Core) 磁性材料层磁性材料层 (Magnetic Film) 盘盘 片片 硬盘主要参数硬盘主要参数 容量 转速 缓存 平均访问时间 寻道时间 内部数据传输率 外部数据传输率 S.M.A.R.T.技术 DFT技术 MTBF AFR 硬盘主要参数：容量硬盘主要参数：容量 容量(Capacity) 磁头(Head) 磁道(Track) 柱面(Cylinder) 扇区(Sector) 格式化容量 =柱面数 X 每磁道扇区数 X 磁 头数 X 扇区字节数 扇区 1磁道 n磁道 0磁道 硬盘主要参数：转速硬盘主要参数：转速

5、硬盘主轴马达转速 单位为每分钟转速 (rpm) 主轴马达转速越快，就越快存取资料 目前大多数硬盘主轴马达转速： 5,400及7,200RPM(ATA), 7,200、10,000、及15000RPM （SCSI） 硬盘主要参数硬盘主要参数 -缓存缓存 缓存 缓存是硬盘与外部总线交换数据的场所 硬盘上的记忆晶片用来暂时存放数据以增强硬 盘性能 EDO、SDRAM 硬盘主要参数硬盘主要参数平均访问时间平均访问时间 l平均访问时间：硬盘磁头找到目标数据的平均时间。 l平均寻道时间：硬盘磁头从一个柱面移动到另一个 柱 面所需要的平均时间。 l平均潜伏时间(等待时间)：当磁头移动到数据所在 的磁道后，等

6、待目标扇区可用的平均时间。平均潜 伏时间一般取盘片旋转一周所需时间的一半 平均访问时间 = 平均寻道时间 + 平均潜伏时间 硬盘主要参数硬盘主要参数-寻道时间寻道时间 磁头寻找资料所在轨道所需的时间 单位为毫秒 (千分之秒) 时间越短表示读写资料的速度越快 最大寻道时间： 从最内道到最外道或从最外道到最内道所需时间 最小寻道时间： 磁头从所在磁道移动到相邻磁道所需时间 平均寻道时间=（最大寻道时间+最小寻道时间）/3 磁场资料磁场资料 读写磁头读写磁头 硬盘主要参数硬盘主要参数-内部数据传输率内部数据传输率 读写磁头读写磁头 磁盘表面磁盘表面 磁场资料磁场资料 缓存缓存 数据从磁盘表面传输到硬

7、盘的缓存的速率 单位为每秒百万位元 (Mbits/sec) 硬盘主要参数硬盘主要参数-外部数据传输率外部数据传输率 缓存缓存Cache) 数据由缓存经由介质传输到系统主机的速率 单位为 (Mbytes/sec) 一定比内部数据传输速率快 介面介面(Interface) S.M.A.R.T.技术技术 Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology 最早由Compaq 和 IBM推动, 目的是尽可能预测硬盘 的可靠性，在硬盘损坏之前给用户警告 很多由硬盘部件功能性衰减的问题是可以预测的，通 过以下参数 磁头飞行高度 信息输出效率 旋转启动时间

8、寻道失败率 寻道时间的效率 DFT技术技术 DFT（Drive Fitness Test，驱动器健康检测） IBM公司为其PC硬盘开发的数据保护技术,通过使用 DFT程序访问IBM硬盘里的DFT微代码对硬盘进行检 测。 DFT软件是一个独立的不依赖操作系统的软件，它可 以在用户其他任何软件失效的情况下运行。 可靠性指标可靠性指标-MTBF 现场运行 生产 阶段 耗损失效期 偶然失效期早期失效期 使用寿命 入(t) t MTBF 8760 年返修率 温度对可靠性指标的影响温度对可靠性指标的影响 通常，硬盘的工作环境温度为2540 252526263030343438384242464650505

9、4545858626266667070 环境温度（） 0 0 0.10.1 0.20.2 0.30.3 0.40.4 0.50.5 0.60.6 0.70.7 0.80.8 0.90.9 1 1 1.11.1 温度应力因子 通常硬盘：2400小时/年（6.5小时/天）（见下表） 商用硬盘：4000小时/年（11小时/天） 高可靠性硬盘：8766小时/年（24小时/天） 上电时间对可靠性指标的影响上电时间对可靠性指标的影响 492492 11281128 17641764 24002400 30363036 36723672 43084308 49444944 55805580 62166216

10、 68526852 74887488 81248124 87608760 每年上电时间 0 0 0.50.5 1 1 1.51.5 2 2 2.52.5 MTBF倍数 Annualized Failure Rate (AFR) MTBF值：数字游戏？ 举例：一个失效率是在“一年365天、一天24小时不间断”循 环工作条件下测出的，另一个是在“每天8小时不间断”循环 工作条件下测出的，两款产品的性能高低一下子就比较出来。 AFR，“按年计算的失效率” ，与MTBF不同的是，AFR能够 更合理地反映磁盘驱动器的失效率。 AFR值是根据制造商每年回收的不合格产品占年度总产量的比 例计算出来的，企业级

11、磁盘驱动器产品的AFR值一般都会控制 在1%以下 硬盘接口及发展介绍硬盘接口及发展介绍 ATA接口 SATA接口 SCSI接口 SAS接口 FC接口 What are IDE？ IDE-Integrated Drive Electronics 电子集成驱动器 Power 连接器连接器 M/S 跳线跳线 40-pin 连接器连接器 What are ATA？ ATA：Advanced Technology Attachment 高级技术附加装置 7个版本： ATA-1-ATA-7（ATA 133）速率基本上走到了极限 ATA数据传输模式数据传输模式 PIO模式：模式：Programming In

12、put/Output Model 通过CPU执行I/O端口指令来进行数据的读写的数据交换模式 DMA模式：模式：Direct Memory Access 直接内存访问直接内存访问 不经过CPU而直接从内存了存取数据的数据交换模式 Ultra DMA：Ultra Direct Memory Access 高级直高级直 接内存访问接内存访问 增加了CRC（Cyclic Redundancy Check循环冗余码校验）技 术，提高数据传输过程中的准确 What are SATA？ SATA： Serial Advanced Technology Attachment 串行ATA 这是一种完全不同于并

13、行ATA的新型硬盘接口类型，由于采 用串行方式传输数据而得名。具有结构简单、支持热插拔、 传输速率快的优点 2000年Intel联合IBM、Maxtor、Seagate等厂商合作开发 2002年Serial ATA 1.0标准 150MB/s 2005年Serial ATA II 300MB/s SATA传输机制传输机制 利用单个路径串行一位一位传送数据，用另外一条路 径给发送端返回接收确认的信号 1500MHZ内嵌时钟*1（每个时钟周期一位）*80% (8b/10b编码效率/8（每字节8位)=150MB/s SATA与与PATA对比对比 SATAPATA 数据电缆连接刀片和梁式插头结构，4根

14、信 号线，3根地线 引脚与插口结构，80根线 电源电缆连接刀片和梁式结构，15针 3.3V/5V/12V电源连接器，宽 度为2.22cm 4针“D形”5V/12V电源连 接器，宽度为2.25cm 硬盘连接每个通道1个硬盘（点对点连 接） 每个通道2个硬盘（总线主/ 从方式） 热插拔特性可热插拔，也可以插入背板或 设备插槽 无热插拔特性 传输速率目前SATAII为300MB/s外部最大传输率133MB/s 线缆长度1米18英寸 What are SCSI？ SCSI：Small Computer System Interface 小型计算机系统接口 。 特点特点：应用范围广、多任务、带宽大、CP

15、U占用率低，以及热插拔。 SCSI必须要有专门的SCSI控制器，也就是一块SCSI控制卡，才能 支持SCSI设备 What are SCSI？ 80-pin Male SCA Connector SCSI 与与ATA 区别区别 ATA： 桌面桌面/笔记本笔记本 ATA磁盘中，如果用户提出数据传输请求，CPU先对该命令作 出响应后再传达给主板南桥或板载磁盘控制芯片上，之后再通 过ATA总线将数据操作命令传递给硬盘的主控芯片。 SCSI： 企业级企业级 在SCSI系统有一块专门的SCSI控制芯片。负责管理SCSI总线 外，还承担设备读写的控制职能，管理所有SCSI相关的读写 请求、总线控制和数据传

16、输职能，CPU要做的工作只是将起 始命令传递给SCSI控制芯片，之后便可彻底抛开不管做其他 事情。 What are SAS？ SAS接口是SCSI的升级，为串行传输模式。SAS是一种点对点、全双 工、双端口的接口，支持在SATA兼容的电缆和连接器上传输SCSI协议 SAS的两大主要技术的两大主要技术 差分信号技术 SAS的两大主要技术的两大主要技术 差分信号技术 SAS的两大主要技术的两大主要技术 串行总线技术 SAS的扩展性的扩展性 Edge Expander：连接64个SAS/串行ATA存储设备 Fanout Expander：连接64个“Edge Expander SAS系统的极限容量

17、就是“64644096”个终端设备 What are FC？ FC-AL(光纤通道仲裁环Fibre Channel Arbitrated Loop)，是一 种双端口的串行存储接口，支持全双工工作方式。利用类似于 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 40-pin Male FC-SCA II Connector 典型连接方式典型连接方式 各接口的对比各接口的对比 各种类型应用各种类型应用 接口应用说明 FC适用于在线、高可 用性、随机读 适用于大型企业的关键数据，价格昂贵 SAS适用于在线、高可 用性、随机读 适用于中型企业的关键数据，高性能，

18、高可扩展性，比FC价格低，并可兼 容SATA SATA适用于近线、一般 可用性，连续读 低价格、高容量 磁带适用于离线高容量，可离线保存 目前主要使用的硬盘目前主要使用的硬盘 Hitachi www. Seagate Fujitsu Maxtor Seagate 硬盘及型号编码硬盘及型号编码 STXXXXXXX 12345 1-ST Seagate Technology (希捷) 2-Form Factor (外型规格) 1=3.5英寸，半高，1.6英寸(41mm) 3=3.5英寸，扁平型，1英寸(25.4mm) 3-硬盘容量(GB) 前两位代表整数部分 最后一位代表小数部分 4-系列代号 5-Interface(接口类型) A=Ultra ATA IDE/EIDE FC=Fibre Channel光纤通道 LC=热插拔Ultra160 SCSI LW=非热插拔Ultra160 SCSI ST380011A ST336607LC ST373405FC Maxtor 硬盘及型号编码硬盘及型号编码 X XXXX X X 1 2 3 4 1 - 系列型号系列型号 9 DiamondMax 系列 (5400rpm) 3 DiamondMax VL 系列(5400rpm) 5 DiamondMax Plus 系列 (7200rpm) 6 DiamondM