全面硬盘知识

全面的硬盘知识硬盘，英文“hard-disk”简称HD。是一种储存量巨大的设备，作用是储存计算机运行时需要的数据。体现硬盘好坏的主要参数为传输率，其次的为转速、单片容量、寻道时间、缓存、噪音和S.M.A.R.T.1956年IBM公司制造出世界上第一块硬盘350RAMAC（RandomAccessMethodofAccountingandControl），它的数据为：容量5MB、盘片直径为24英寸、盘片数为50片、重量上百公斤。盘片上有一层磁性物质，被轴带着旋转，有磁头移动着存储数据，实现了随机存取。1970年磁盘诞生1973年IBM公司制造出了一台640MB的硬盘、第一次采用“温彻斯特”技术，是现在硬盘的开端，因为磁头悬浮在盘片上方，所以镀磁的盘片在密封的硬盘里可以飞速的旋转，但有好几十公斤重。1975年Soft-adjacentlayer（软接近层）专利的MR磁头结构产生1979年IBM发明了薄膜磁头，这意味着硬盘可以变的很小，速度可以更快，同体积下硬盘可以更大。1979年IBM3370诞生，它是第一款采用thin-film感应磁头及Run-Length-Limited(RLL)编码配置的硬盘，"2-7"RLL编码将能减小硬盘错误1986年IBM9332诞生，它是第一款使用更高效的1-7run-length-limited(RLL)代码的硬盘。1989年第一代MR磁头出现1991年IBM磁阻MR（MagnetoResistive)磁头硬盘出现。带动了一个G的硬盘也出现。磁阻磁头对信号变化相当敏感，所以盘片的存储密度可以得到几十倍的提高。意味着硬盘的容量可以作的更大。意味着硬盘进入了G级时代。1993年GMR(巨磁阻磁头技术)推出，这使硬盘的存储密度又上了一个台阶。认识硬盘硬盘是电脑中的重要部件，大家所安装的操作系统（如：Windows9x、Windows2k…）及所有的应用软件（如：Dreamwaver、Flash、Photoshop…）等都是位于硬盘中，或许你没感觉到吧！但硬盘确实非常重要，至少目前它还是我们存储数据的主要场所，那你对硬盘究竟了解多少了？可能你对她一窍不通，不过没关系，请见下文。一、硬盘的历史与发展从第一块硬盘RAMAC的产生到现在单碟容量高达15GB多的硬盘，硬盘也经历了几代的发展，下面就介绍一下其历史及发展。1.1956年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM350RAMAC（RandomAccessMethodofAccountingandControl），其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域，从而成功地实现了随机存储，这套系统的总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘，这些盘片表面涂有一层磁性物质，它们被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。此款RAMAC在那时主要用于飞机预约、自动银行、医学诊断及太空领域内。2.1968年IBM公司首次提出“温彻斯特/Winchester”技术，探讨对硬盘技术做重大改造的可能性。“温彻斯特”技术的精隋是：“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，但是它支持的传输速度很低，因此到了1987年左右这种接口就基本上被淘汰了，采用该接口的老硬盘容量多数都低于200MB。早期IBMPC/XT和PC/AT机器使用的硬盘就是ST－506/412硬盘或称MFM硬盘，MFM（ModifiedFrequencyModulation）是指一种编码方案。ESDI接口：即（EnhancedSmallDriveInterface）接口，它是迈拓公司于1983年开发的。其特点是将编解码器放在硬盘本身之中，而不是在控制卡上，理论传输速度是前面所述的ST-506的2…4倍，一般可达到10Mbps。但其成本较高，与后来产生的IDE接口相比无优势可言，因此在九十年代后就补淘汰了IDE及EIDE接口：IDE（IntegratedDriveElectronics）的本意实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，我们常说的IDE接口，也叫ATA（AdvancedTechnologyAttachment）接口，现在PC机使用的硬盘大多数都是IDE兼容的，只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容，对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。ATA-1(IDE)：ATA是最早的IDE标准的正式名称，IDE实际上是指连在硬盘接口的硬盘本身。ATA在主板上有一个插口，支持一个主设备和一个从设备，每个设备的最大容量为504MB，ATA最早支持的PIO-0模式（ProgrammedI/O-0）只有3.3MB/s，而ATA-1一共规定了3种PIO模式和4种DMA模式（没有得到实际应用），要升级为ATA-2，你需要安装一个EIDE适配卡。ATA-2（EIDEEnhancedIDE/FastATA）：这是对ATA-1的扩展，它增加了2种PIO和2种DMA模式，把最高传输率提高到了16.7MB/s，同时引进了LBA地址转换方式，突破了老BIOS固有504MB的限制，支持最高可达8.1GB的硬盘。如你的电脑支持ATA-2，则可以在CMOS设置中找到（LBA，LogicalBlockAddress）或（CHS，Cylinder,Head,Sector）的设置。其两个插口分别可以连接一个主设备和一个从设置，从而可以支持四个设备，两个插口也分为主插口和从插口。通常可将最快的硬盘和CD—ROM放置在主插口上，而将次要一些的设备放在从插口上，这种放置方式对于486及早期的Pentium电脑是必要的，这样可以使主插口连在快速的PCI总线上，而从插口连在较慢的ISA总线上。ATA-3(FastATA-2)：这个版本支持PIO-4，没有增加更高速度的工作模式（即仍为16.7MB/s)，但引入了简单的密码保护的安全方案，对电源管理方案进行了修改，引入了S.M.A.R.T(Self-Monitoring,AnalysisandReportingTechnology，自监测、分析和报告技术)ATA-4(UltraATA、UltraDMA、UltraDMA/33、UltraDMA/66)：这个新标准将PIO-4下的最大数据传输率提高了一倍，达到33MB/s，或更高的66MB/s。它还在总线占用上引入了新的技术，使用PC的DMA通道减少了CPU的处理负荷。要使用Ultra-ATA，需要一个空闲的PCI扩展槽，如果将UltraATA硬盘卡插在ISA扩展槽上，则该设备不可能达到其最大传输率，因为ISA总线的最大数据传输率只有8MB/s。其中的UltraATA/66（即UltraDMA/66）是目前主流桌面硬盘采用的接口类型，其支持最大外部数据传输率为66.7MB/s。SerialATA：新的SerialATA（即串行ATA），是英特尔公司在今年IDF（IntelDeveloperForum，英特尔开发者论坛）发布的将于下一代外设产品中采用的接口类型，就如其名所示，它以连续串行的方式传送资料，在同一时间点内只会有1位数据传输，此做法能减小接口的针脚数目，用四个针就完成了所有的工作（第1针发出、2针接收、3针供电、4针地线）。这样做法能降低电力消耗，减小发热量。最新的硬盘接口类型ATA-100就是SerialATA是初始规格，它支持的最大外部数据传输率达100MB/s，上面介绍的那两款IBMDeskstar75GXP及Deskstar40GV就是第一次采用此ATA-100接口类型的产品。在2001年第二季度将推出SerialATA1x标准的产品，它能提高150MB/s的数据传输率。对于SerialATA接口，一台电脑同时挂接两个硬盘就没有主、从盘之分了，各设备对电脑主机来说，都是Master，这样我们可省了不少跳线功夫。SCSI接口：SCSI就是指SmallComputerSystemInterface(小型计算机系统接口)，它最早研制于1979，原是为小型机的研制出的一种接口技术，但随着电脑技术的发展，现在它被完全移植到了普通PC上。现在的SCSI可以划分为SCSI-1和SCSI-2(SCSIWide与SCSIWindFast)，最新的为SCSI-3，不过SCSI-2是目前最流行的SCSI版本。SCSI广泛应用于如：硬盘、光驱、ZIP、MO、扫描仪、磁带机、JAZ、打印机、光盘刻录机等设备上。它的优点非常多主要表现为以下几点：1、适应面广；使用SCSI，你所接的设备就可以超过15个，而所有这些设备只占用一个IRQ，这就可以避免IDE最大外挂15个外设的限制。2、多任务；不像IDE，SCSI允许对一个设备传输数据的同时，另一个设备对其进行数据查找。这将在多任务操作系统如Linux、WindowsNT中获得更高的性能。3、宽带宽；在理论上，最快的SCSI总线有160MB/s的带宽，即Ultra160/sSCSI；这意味着你的硬盘传输率最高将达160MB/s(当然这是理论上的，实际应用中可能会低一点)。4、少CPU占用率从最早的SCSI到现在Ultra160/mSCSI，SCSI接口具有如下几个发展阶段1、SCSI-1—最早SCSI是于1979年由美国的Shugart公司（Seagate希捷公司的前身）制订的，并于1986年获得了ANSI（美国标准协会）承认的SASI(ShugartAssociatesSystemInterface施加特联合系统接口)，这就是我们现在所指的SCSI-1，它的特点是，支持同步和异步SCSI外围设备；支持7台8位的外围设备最大数据传输速度为5MB/S；支持WORM外围设备。2、SCSI-2—90年代初（具体是1992年），SCSI发展到了SCSI-2，当时的SCSI-2产品（通称为FastSCSI）是能过提高同步传输时的频率使数据传输率提高为10MB/S,原本为8位的并行数据传输称为：NarrowSCSI；后来出现了16位的并行数据传输的WideSCSI,将其数据传输率提高到了20MB/S。3、SCSI-3—1995年推出了SCSI-3，其俗称UltraSCSI，全称为SCSI-3Fast-20ParallelInterface（数据传输率为20M/S）它采用了同步传输时钟频率提高到20MHZ以提高数据传输的技术，因此使用了16位传输的Wide模式时，数据传输即可达到40MB/s。其允许接口电缆的最大长度为1.5米。4、1997年推出了Ultra2SCSI(Fast-40)，其采用了LVD（LowVoltageDifferential，低电平微分）传输模式，16位的Ultra2SCSI(LVD)接口的最高传输速率可达80MB/S,允许接口电缆的最长为12米，大大增加了设备的灵活性。5、1998年9月更高的数据传输率的Ultra160/mSCSI(Wide下的Fast-80)规格正式公布，其最高数据传输率为160MB/s，这将给电脑系统带来更高的系统性能。现有最流行的串行硬盘技术随着INTEL的915平台的发布，最新的ICH6-M也进入了我们的视野。而ICH6除了在一些电源管理特性方面有所增强外，也正式引入了SATA（串行ATA，以下简称SATA）和PCI-E概念。对于笔记本来说，从它诞生的那天起就一直使用着PATA（并行ATA，以下简称PATA）来连接硬盘，SATA的出现无疑是一项硬盘接口的革命。而如今随着INTEL的积极推动，笔记本也开始迈入SATA的阵营。关于SATA的优势，笔者相信诸位也都有了解。确实，比起PATA，SATA有着很多不可比拟的优势，而笔者将在本文中透过技术细节来多其进行分析。相信您读完本文后会对SATA有着更深入的了解。另外由于本文主要针对笔记本和台式机，所以诸如RAID等技术不在本文讨论范围之内。串行通信和并行通信再进行详细的介绍之前，我们先了解一下串行通信和并行通信的特点。一般来说，串行通信一般由二根信号线和一根地线就可完成互相的信息的传送。如下图，我们看到设备A和设备B之间的信号交换仅用了两根信号线和一根地线就完成了。这样，在一个时钟内，二个bit的数据就会被传输（每个方向一个bit，全双工），如果能时钟频率足够高，那么数据的传输速度就会足够快。如果为了节省成本，我们也可以只用一根信号线和一根地线连接。这样在一个时钟内只有一个bit被传输（半双工），我们也同样可以提高时钟频率来提升其速度。而并行通信在本质上是和串行通信一样的。唯一的区别是并行通信依靠多条数据线在一个时钟周期里传送更多的bit。下图中，数据线已经不是一条或者是两条，而是多条。我们很容易知道，如果有8根数据线的话，在同一时钟周期内传送的的数据量是8bit。如果我们的数据线足够多的话，比如PCI总线，那一个周期内就可以传送32bit的数据。在这里，笔者想提醒各位读者，对于一款产品来说，用最低的成本来满足带宽的需要，那就是成功的设计，而不会在意你是串行通信还是并行通信，也不会管你的传输技术是先进还是落后。PATA接口的速度我们知道，ATA-33的速度为33MB/S，ATA-100的速度是100MB/S。那这个速度是如何计算出来的呢？首先，我们需要知道总线上的时钟频率，比如ATA-100是25MHz，PATA的并行数据线有16根，一次能传送16bit的数据。而ATA-66以上的规范为了降低总线本身的频率，PATA被设计成在时钟的上下沿都能传输数据（类似DDR的原理），使得在一个时钟周期内能传送32bit。这样，我们很容易得出ATA-100的速度为：25M*16bit*2=800Mbps=100MByte/s。PATA的局限性在相同频率下，并行总线优于串行总线。随着当前硬盘的数据传输率越来越高，传统的并行ATA接口日益逐渐暴露出一些设计上的缺陷，其中最致命的莫过于并行线路的信号干扰问题。那各信号线之间是如何干扰的呢？1，首先是信号的反射现象。从南桥发出的PATA信号，通过扁长的信号线到达硬盘（在笔记本上对应的也有从南桥引出PATA接口，一直布线到硬盘的接口）。学过微波通信的读者肯定知道，信号在到达PATA硬盘后不可避免的会发生反弹，而反弹的信号必将叠加到当前正在被传输的信号上，导致传输中数据的完整性被破坏，引起接受端误判。所以在实际的设计中，都必须要设计相应的电路来保证信号的完整性。我们看到，从南桥发出的PATA信号一般都需要经过一个排阻才发送到PATA的设备。我们必须加上至少30个电阻（除了16根数据线，还有一些控制信号）才能有效的防止信号的反弹。而在硬盘内部，硬盘厂商会在里面接上终端电阻以防止引号反弹。这不仅对成本有所上升，也对PCB的布局也造成了困扰。当然，信号反弹在任何高速电路里都会发生，在SATA里我们也会看到终端电阻，但因为SATA的数据线比PATA少很多，并且采用了差分信号传输，所以这个问题并不突出。2，其次是信号的偏移问题理论上，并行总线的数据线的长度应该是一致的。而在实际上，这点很难得到保证。信号线长度的不一致性会导致某个信号过快/过慢到达接受端，导致逻辑误判。不仅如此，导致信号延迟的原因还有很多，比如线路板上的分布电容、信号线在高频时产生的感抗等都会引起信号的延迟。如图