机械硬盘和固态硬盘结构和工作原理的对比

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  • 2021-09-23 11:59:23

近年来随着互联网技术的发展,尤其是移动互联网的发展,短视频时代的来临,每个人都是信息的产生者和传播者,数据量爆发式的增长,这就对数据存储提出了更高的要求,本小节,我们就来了解一下企业中的存储数据的最主要的存储介质----硬盘。

硬盘类型大致分为两大类,一类是机械硬盘,一类是固态硬盘,而在了解这两者之前,我们不得不提到硬盘的发展史,而这个历史开篇当然是机械硬盘。

一、机械硬盘

时间回到60多年前,在1956年世界上第一块可以被称为硬盘的设备诞生了,这就是IBM 350 RAMAC---今后机械硬盘(HDD)的鼻祖,与现在的硬盘相比,这个硬盘可真的是个大家伙,它的体积与两台冰箱差不多,内部有50个直径为24英寸的盘片,重量超过一吨而容量只有可怜的5MB。

但是其出现代表着存储介质抛弃了原始的穿孔纸和磁带,进入了硬盘的时代。

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IBM 350 RAMAC

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IBM 3340

有了第一块硬盘的基础,之后的硬盘在体积上变得越来越小巧,1973年 IBM公司推出了首款温彻斯特(Winchester)硬盘IBM 3340,简称温盘。这种硬盘已经不再像RAMAC硬盘体积庞大,性能低效,具备了和现代的机械硬盘相同的工作原理和物理结构,都是磁头从旋转的盘片上读取磁信号来获取数据,并且磁头和盘片驱动设备等都是被密封在盒子里。

随后的几年里,硬盘的体积不断刷新记录,70年代还都是些14英寸、8英寸的大块头,到了80年代很快啊一下子就涌现了5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸的硬盘。与体积一起变化的还有不断引入的新技术,使得机械硬盘开始成为主流的设备。1997年IBM的GMR(Giant Magneto Resistive,巨磁阻)技术,它使磁头灵敏度进一步提升,大幅度提高了硬盘的工作效率和储存密度,机械硬盘快速发展,率先普及。

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GMR巨磁阻效应磁头

2007年,硬盘已经进入了以TB为单位的容量时代。垂直技术的出现,再一次提高了硬盘的存储密度。在2007年,日立推出了第一款TB级别容量的硬盘,相比于世界上第一块硬盘IBM RAMAC,容量足足翻了好几十万倍,可惜的是这确实成了机械硬盘最后的辉煌。之后机械硬盘的发展就陷入了瓶颈,从2007年至今机械硬盘除了在容量上有变化外,几乎再也没有什么技术上的飞跃了。

在2011年这个时间点,作为全球最大机械硬盘配件生产地的泰国,爆发了洪水,让各个机械硬盘的厂商都开始严重缺货,硬盘的价格大幅度上涨,更多的消费者开始倾向于购买固态硬盘(SSD)来使用,整个固态硬盘的发展进入起飞阶段。

工作原理

机械硬盘的结构大致包括:盘片、磁头臂、读/写磁头、主轴、硬盘接口和控制电路等。

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硬盘的储存原理是简单来说就是通过控制电路来控制读写头去改变盘片表面上极细微的磁性粒子簇的N、S极性来加以储存。

硬盘的数据是存储在盘片上的,盘片划分有很多的扇区做为最小的存储单元,在盘片上漂浮着读写磁头,通过盘片的高速旋转和读写磁头在盘片上移动来读取盘片上指定位置的数据,大家都知道黑胶唱片机,机械硬盘的工作原理就和它非常相似。

开始,读写磁头停靠在主轴附近的位置---启停区,主轴上连接多块盘片,并连接在一个马达上,马达转动带动主轴和盘片高速的旋转产生气流,使得磁头漂浮盘片的上空,磁头在磁头臂上,磁头臂带动磁头移动到指定位置通过读取磁性颗粒的极性N,S来读取存储的数据。

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硬盘上的数据组织

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硬盘上的数据是如何来进行组织存放的呢?其架构关系如图所示,在这有必要了解一下一些基本的概念。

1、盘面

首先硬盘的每个盘片都有两个盘面,上下盘面,一般来说每个盘面都是可以存放数据的。每一个盘面都对应一个盘面号,根据顺序从上往下从0开始编号。盘面号又被称为磁头号,因为每个盘面都需要一个磁头来进行数据的读取和写入。

2、磁道(Track)

磁盘在格式化时被划分成许多同心圆,这些同心圆叫做磁道(Track)。磁道从外到内从0开始顺序编号。这些同心圆磁道不是连续记录数据,而是被划分成一段段的圆弧,圆弧的角速度一样,但是由于距离圆心的长度(径长)不一样,线速度不一样,外圈的线速度比内圈的线速度大,因此在相同的转速下,外圈的读写速度比内圈的快。每段圆弧就是一个扇区,扇区是从1开启编号,是读写的最小单元。

3、柱面(Cylinder)

所有盘面上同一磁道构成一个圆柱,称为柱面(Cylinder),数据的读写是按照柱面来进行的,数据在存放的时候从上往下,依次在同一柱面的不同盘面上写入数据,在同一柱面的所有盘面都写入数据后,磁头才会移动到一个柱面进行数据的写入。

注意这里的数据的写入是按照柱面来的,不是按照盘面进行的,因为在选取不同的磁头的时候进行的是电子切换,而选取柱面必须通过移动磁头进行机械切换。如果是按照盘面来进行数据存储的话,会频繁的切换柱面(机械切换),耗时久读写性能差。

4、扇区(Sector)

磁道上划分为一段一段圆弧,称为扇区,划分扇区的目的就是为了使数据存储更加条理化,就像一个大的仓库要划分为不同的房间一样。一般扇区可以保存512字节的用户数据。

当需要读取某个数据时,系统会将数据的逻辑地址发送给磁盘,磁盘的控制电路把逻辑地址翻译成物理地址,确定要读的数据在哪个磁道,哪个扇区----实际上就是通过磁头找到扇区的过程。

确定柱面,磁头需要移动到相应的磁道上,这个过程叫做寻道,耗费的时间是寻道时间。

确定扇区,找到了磁道,接下来就是确定磁道上哪个扇区,也就是需要等待盘片旋转,将目标扇区旋转到磁头下,消耗的时间是旋转时间。

传输数据,确定了扇区就可以通过改变读写磁头的极性写入数据。

总结:一次访问的请求大概需要由三个动作完成

寻道:磁头旋转到指定的磁道

旋转延迟:等待指定扇区旋转到磁头下

数据传输,数据在磁盘和内存之间传输。

二、固态硬盘

固态硬盘出现也很早,但是因为20世纪末机械硬盘快速发展而被遗忘。早期的固态硬盘是拿RAM内存作为存储介质,RAM的优点是读写速度快,但是缺点也非常的明显,RAM是易失性存储介质,电一断数据就没了,而且价格也非常的昂贵。随着技术的发展之后的固态盘开始使用闪存(Flash)作为存储单元。Flash是一种非易失性存储介质,在断电的情况下,也可以保存数据。

工作原理

固态盘简单来说就是一块电路板,构成固态硬盘的存储单元闪存Flash其实是由一个个浮栅晶体管构成的,每一个晶体管对应存储空间里的一个存储单元(Cell),常见的Cell有4种类型分别是SLC、MLC、TLC、QLC

SLC (Single Level Cell),单层式存储单元,在SLC中,1个Cell能够存储1位数据。

MLC (Multi Level Cell),多层式存储单元,在MLC中,1个Cell能够存储2位数据。

TLC (Triple Level Cell),三层式存储单元,在TLC中,1个Cell可以存储3位数据。

QLC(Quad Level Cell),四层式存储单元,在QLC中,1个Cell可以存储4位数据。因此同等容量下SLC需要的Cell数量最多成本最昂贵。我们可以简单来理解一下这三者的区别,固态硬盘就是一个超大的仓库,仓库中有很多的存储单元,一个存储单元就是一个货架,SLC类型的货架上只摆放一个货物,MLC类型的货架上可以摆放两种货物,TLC类型的货架上可以摆放三种货物,QLC类型的货架上可以摆放四种类型的货物。

SLC类型的货架上只摆放了一种货物,找到货物的时间最快,QLC类型的货架上摆放了四种货物,找货物还需要挨个检索一遍耗费时间长,并且QLC类型的货架使用存储的货物多,使用的频率高容易出错,也更容易损坏。所以使用的寿命QLC最短,SLC最长,性能SLC最好,QLC最差。

接下来我们来看一下浮栅晶体管是如何保存数据的,计算机的数据最终都是二进制0和1的两种形式,磁盘是使用磁性颗粒的极性来保存1或0,在固态盘中就采用电荷来保存1和0两种状态。比如电荷充满电表示0,放电后表示1。

固态盘在存储单元中通过输入不同的电子的数量改变和读取每一个单元的导电性能,来实现对数据的读和写,简单的说固态硬盘的写入就是改变浮栅晶体管中电子数量的过程,读取就是向晶体管施加电压获取不同导电状态识别数据的过程。

固态硬盘在写入数据的时候不是直接覆盖原有的数据,而是要先擦除然后写入,每个存储单元中进行擦除写入后会残留的电荷,改变其电阻。比如拿铅笔在白纸上写字之后拿橡皮擦除,对纸擦写的次数多了,最终纸会被擦破,浮栅晶体管也是一样的,擦写到达一定次数后也就不能使用了。

三、两者对比

最后我们来看一下两种硬盘的对比:

对比发现SDD,性能、体积、噪音、震动等方面都优于HDD。虽然在容量、价格和数据安全性等方面比机械硬盘差了那么点,但SSD取代HDD,将是不可阻挡。

如今,机械硬盘碟片技术和磁头技术方面都没有突破性的发展,更多的只是在靠堆叠盘片获得容量上的增长。想要突破创新,难。

反之SSD在体积上,性能上容量上各方面都在不断的突破,相信在不远的未来,SSD会全面取代HDD。HDD会像磁带,软盘一样逐渐的消失在人们的视线中。


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