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GlassMedia缺点缺点:w 价格昂贵价格昂贵w

2、 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AluminumMedia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磁盘表面表面主轴马达带动主轴马达带动磁盘

3、旋转磁盘旋转读写磁头在磁盘读写磁头在磁盘表面表面上方上方飞飞行行 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 磁性磁性材料层材料层(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已已磁化的金属性粒子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NSBinary 0(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

4、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 MTBFAFR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 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

5、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

6、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

7、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 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

8、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)tMTBF8760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25402525262630303434383842424646505054545858626266667070环境温度（）0 01 11.11.1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

9、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49249211281128176417642400240030363036367236724308430849444944558055806216621668526852748874888124812487608760每年上电时间0 00.50.51 11.51.52 22.52.5MTBF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

10、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 Technolo

11、gy 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 Input/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

12、）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

13、钟周期一位）*80% (8b/10b编码效率/8（每字节8位)=150MB/sSATA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2.22cm4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：Sma

14、ll 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、CPU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 SCAConnectorSCSI 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。

15、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Fanou

16、t Expander：连接64个“Edge ExpanderSAS系统的极限容量就是“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、

17、高可用性、随机读适用于中型企业的关键数据，高性能，高可扩展性，比FC价格低，并可兼容SATASATA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STXXXXXXX12345 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

18、小数部分 4-系列代号 5-Interface(接口类型)A=Ultra ATA IDE/EIDEFC=Fibre Channel光纤通道LC=热插拔Ultra160 SCSILW=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 DiamondMax 10 系列（7200rpm) 2 - 硬盘容量硬