左天宇

【摘要】 本文首先介紹了機(jī)械硬盤(pán)與固態(tài)硬盤(pán)的結(jié)構(gòu)和工作原理，通過(guò)原理的講解，能夠挖掘出兩者的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，進(jìn)而將他們進(jìn)行比較，總結(jié)出他們各自的使用場(chǎng)景。最后，我們將介紹目前機(jī)械硬盤(pán)和固態(tài)硬盤(pán)的市場(chǎng)情況。

【關(guān)鍵字】 機(jī)械硬盤(pán) 固態(tài)硬盤(pán) 市場(chǎng)

一、引言

硬盤(pán)是每一臺(tái)計(jì)算機(jī)中必不可少的一部分，他存儲(chǔ)著電腦上絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)，包括操作系統(tǒng)。并且，由于硬盤(pán)本身的構(gòu)造，所有的數(shù)據(jù)是不會(huì)因?yàn)閿嚯姸荒ㄈサ?，這是與內(nèi)存相比最大的區(qū)別。

硬盤(pán)目前來(lái)看，主要分成兩類：一類是機(jī)械硬盤(pán)，另一類是固態(tài)硬盤(pán)。在以往的計(jì)算機(jī)中，硬盤(pán)都是機(jī)械硬盤(pán)，因?yàn)槠淙萘看螅瑑r(jià)格便宜而被廣泛的運(yùn)用。隨著人們對(duì)于計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的不斷追求，固態(tài)硬盤(pán)誕生了。作為一種新興硬盤(pán)，固態(tài)硬盤(pán)絕大多數(shù)被使用在筆記本電腦中，以提高其運(yùn)行速度。隨著固態(tài)硬盤(pán)的價(jià)格越來(lái)越低廉，容量越來(lái)越大，其必將在硬盤(pán)市場(chǎng)上占有重要的地位。本文就將介紹機(jī)械硬盤(pán)與固態(tài)硬盤(pán)的相關(guān)概念，并且分析目前的市場(chǎng)情況。

二、機(jī)械硬盤(pán)

2.1 機(jī)械硬盤(pán)的物理結(jié)構(gòu)

機(jī)械硬盤(pán)就是傳統(tǒng)的普通硬盤(pán)，由盤(pán)片，盤(pán)體，磁頭，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)軸及控制電機(jī)，磁頭控制器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，接口和緩存等幾部分組成。機(jī)械硬盤(pán)的結(jié)構(gòu)通常是指盤(pán)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)密封的腔體。硬盤(pán)的盤(pán)片是硬質(zhì)的磁性合金盤(pán)片，厚度一般在0.5mm左右。有的硬盤(pán)只裝一張盤(pán)片，有的硬盤(pán)則有多張盤(pán)片。每張盤(pán)片的容量稱為單碟容量，而硬盤(pán)的容量就是所有盤(pán)片容量的總和。

硬盤(pán)的磁頭通過(guò)特殊的系統(tǒng)操作后，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)精確的定位在由計(jì)算機(jī)指令制定的磁道上。磁頭上的電機(jī)都是無(wú)刷電機(jī)，但是由于盤(pán)體在運(yùn)行時(shí)會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，因此不宜搬動(dòng)，否則將增加軸承的工作負(fù)荷?？刂拼蓬^的磁頭臂只能在盤(pán)片的內(nèi)外磁道之間移動(dòng)。因此不管開(kāi)機(jī)還是關(guān)機(jī)，磁頭永遠(yuǎn)在盤(pán)片上。

2.2 機(jī)械硬盤(pán)邏輯結(jié)構(gòu)

硬盤(pán)在邏輯上，被劃分為磁道、柱面以及扇區(qū)。如下圖1所示。

磁盤(pán)在格式化的時(shí)候被分為許多同心圓，這些同心圓的軌跡叫做磁道，從0開(kāi)始，由外到內(nèi)進(jìn)行編號(hào)。這些同心圓并不會(huì)連續(xù)的記錄數(shù)據(jù)，而是被劃分成一段段的圓弧，每一個(gè)圓弧稱作是一個(gè)扇區(qū)，從1開(kāi)始編號(hào)。

在磁頭靠近主軸接觸的表面，有一個(gè)特殊的區(qū)域，不會(huì)存放任何數(shù)據(jù)，這個(gè)區(qū)域稱為啟停區(qū)。這個(gè)區(qū)域之外就稱之為數(shù)據(jù)區(qū)。其中，數(shù)據(jù)區(qū)最遠(yuǎn)的地方叫做0磁道。0磁道非常的重要，因?yàn)樗挥脕?lái)完成硬盤(pán)的初始定位。很多硬盤(pán)0磁道損壞之后就不能被使用了。所有盤(pán)面上的統(tǒng)一磁道會(huì)構(gòu)成一個(gè)圓柱，這個(gè)圓柱我們稱之為柱面。每個(gè)柱面上的磁頭由上而下從0開(kāi)始編號(hào)。數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)，會(huì)先從同一柱面的0磁頭開(kāi)始操作，然后依次向下讀寫(xiě)。只有在同一柱面的所有磁頭全部讀寫(xiě)完畢后，才會(huì)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)柱面。所以，數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)是按照柱面進(jìn)行的，而不是按照盤(pán)面進(jìn)行，這一點(diǎn)是需要注意的。信息是以扇區(qū)的形式被存儲(chǔ)在磁盤(pán)上的，每個(gè)扇區(qū)包含512個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和一些其他的信息。系統(tǒng)將文件存儲(chǔ)到磁盤(pán)上時(shí)，是按照柱面、磁頭、扇區(qū)的方式進(jìn)行的。即最先是第1磁道的第1磁頭下的所有扇區(qū)，然后是同一柱面下的下一個(gè)磁頭。在一個(gè)柱面存儲(chǔ)滿之后就推進(jìn)到下一個(gè)柱面，直到將所有的內(nèi)容寫(xiě)入磁盤(pán)。將物理相鄰的若干個(gè)扇區(qū)稱為了一個(gè)簇。操作系統(tǒng)讀寫(xiě)磁盤(pán)的基本單位是扇區(qū)，而文件系統(tǒng)的基本單位是簇。我們查看一個(gè)文件的屬性的時(shí)候，會(huì)看到大小和占用空間兩項(xiàng)，這里的占用空間就是你機(jī)器分區(qū)的簇大小，邏輯基本單位是4K，因此再小的文件也會(huì)占用4K。簇越大存儲(chǔ)性能越好，但是空間浪費(fèi)很嚴(yán)重。

2.3 機(jī)械硬盤(pán)讀寫(xiě)過(guò)程

現(xiàn)代硬盤(pán)尋道時(shí)，會(huì)先將讀寫(xiě)磁頭沿著徑向移動(dòng)，移動(dòng)到要讀取的扇區(qū)的所在磁道的上方。這段時(shí)間我們稱為尋道時(shí)間。到達(dá)磁道之后，通過(guò)盤(pán)片的旋轉(zhuǎn)，使得要讀取得扇區(qū)轉(zhuǎn)到讀寫(xiě)磁頭的下方，這段時(shí)間成為旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間。通過(guò)這兩個(gè)步驟，我們就能夠讀取用戶所要的信息了。

對(duì)于機(jī)械硬盤(pán)的結(jié)構(gòu)，大致就是上述內(nèi)容。

三、固態(tài)硬盤(pán)

3.1 固態(tài)硬盤(pán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤(pán)，運(yùn)行主要是靠機(jī)械驅(qū)動(dòng)頭等必須的機(jī)械部件，在快速旋轉(zhuǎn)的磁盤(pán)上移動(dòng)至訪問(wèn)的位置。因此，大部分的時(shí)間會(huì)被消耗在機(jī)械移動(dòng)上。相比較而言，固態(tài)硬盤(pán)沒(méi)有需要移動(dòng)的部件，其主要由主控與閃存芯片組成，可以快速的訪問(wèn)的任何的位置。固態(tài)硬盤(pán)使用集成的電路取代了傳統(tǒng)的機(jī)械移動(dòng)磁盤(pán)，總的來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部主要構(gòu)成部件有主控，閃存和固件算法，估計(jì)結(jié)構(gòu)分布如下圖：

其中，閃存負(fù)責(zé)最為重要的存儲(chǔ)任務(wù)，主控和固件算法來(lái)完成管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、維護(hù)固態(tài)硬盤(pán)的性能和使用壽命等其他任務(wù)。

主控就像是計(jì)算機(jī)中的CPU，發(fā)出對(duì)固態(tài)硬盤(pán)的所有讀寫(xiě)請(qǐng)求?？梢哉f(shuō)，主控就是固態(tài)硬盤(pán)的大腦中樞。除此之外，他還要考慮垃圾回收和耗損均衡等問(wèn)題，來(lái)保證固態(tài)硬盤(pán)的整體壽命。

固態(tài)硬盤(pán)的固件算法是確保固態(tài)硬盤(pán)性能的的最重要組件。主控將使用固態(tài)硬盤(pán)中的固件算法來(lái)控制程序，包括像垃圾回收，數(shù)據(jù)加密等任務(wù)。固件算法是冗余存儲(chǔ)在閃存中的，因此當(dāng)固態(tài)硬盤(pán)更新時(shí)，需要手動(dòng)更新固件來(lái)擴(kuò)大固態(tài)硬盤(pán)的功能。最后一點(diǎn)值得注意的是，固件算法的質(zhì)量越好，整個(gè)固態(tài)硬盤(pán)的品質(zhì)也就越好，而且目前具有獨(dú)立能力開(kāi)發(fā)固態(tài)硬盤(pán)固件的廠商非常少。

最后一個(gè)重要的部件就是閃存。固態(tài)硬盤(pán)用戶的所有的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在閃存中，閃存不僅決定了固態(tài)硬盤(pán)的使用壽命，而且對(duì)固態(tài)硬盤(pán)的性能影響也非常之大。閃存主要分三種，SLC、MLC和TLC閃存。他們的區(qū)別很簡(jiǎn)單，就是他們存儲(chǔ)的位數(shù)不同。打個(gè)比方，同樣的晶體管數(shù)量和物理尺寸如果做成SLC，就是一個(gè)32GB的顆粒，做成MLC就是64GB的顆粒，做成TLC就是96GB的顆粒。

3.2 固態(tài)硬盤(pán)的工作原理

要知道固態(tài)硬盤(pán)的工作原理，我們需要先了解一些專業(yè)術(shù)語(yǔ)。在固態(tài)硬盤(pán)中，1個(gè)page為4KB，也就是最小的讀寫(xiě)單位，1個(gè)block由256個(gè)page組成，1個(gè)plane由2048個(gè)block組成，2個(gè)plane組成一個(gè)die，也就是最小的芯片（4GB），多個(gè)die就可以組成1個(gè)顆粒。在往固態(tài)硬盤(pán)中寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，主控會(huì)先將所有顆粒的第一個(gè)block中依次填入數(shù)據(jù)。當(dāng)所有顆粒的第一個(gè)block寫(xiě)滿之后，主控會(huì)繼續(xù)往所有顆粒的第二個(gè)block中依次填入數(shù)據(jù)。以此類推，任何的數(shù)據(jù)都是以這樣的方式被寫(xiě)入固態(tài)硬盤(pán)中的。明白了數(shù)據(jù)寫(xiě)入的原理，那么數(shù)據(jù)讀取的原理也就顯而易見(jiàn)了。在此我也只是簡(jiǎn)單解釋了一下固態(tài)硬盤(pán)的工作原理，對(duì)于更深層次原理感興趣的讀者可以自行搜索相關(guān)資料。

四、機(jī)械硬盤(pán)和固態(tài)硬盤(pán)的對(duì)比

4.1 機(jī)械硬盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)

機(jī)械硬盤(pán)是傳統(tǒng)的硬盤(pán)，因?yàn)樗墓に囈呀?jīng)非常成熟了，所以他容量大并且價(jià)格便宜。目前來(lái)看，在臺(tái)式機(jī)中，還是以機(jī)械硬盤(pán)為主流?，F(xiàn)在也有一些用戶選擇固態(tài)硬盤(pán)和機(jī)械硬盤(pán)一起使用，一方面保證了容量的大小，同時(shí)也能夠提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。

4.2 固態(tài)硬盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)

由于固態(tài)硬盤(pán)使用閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)，所以其讀寫(xiě)速度快，并且防震抗摔。并且，固態(tài)硬盤(pán)并沒(méi)有任何的機(jī)械工序，所以其工作時(shí)噪音非常小。此外，固態(tài)硬盤(pán)還有低功耗，工作溫度范圍大的優(yōu)點(diǎn)。

4.3 使用場(chǎng)景

通常來(lái)說(shuō)，在筆記本電腦中，使用固態(tài)硬盤(pán)較多，因?yàn)楣P記本電腦通常僅僅做一些簡(jiǎn)單的工作，以上網(wǎng)瀏覽，聯(lián)絡(luò)溝通為主，并不需要大容量的存儲(chǔ)。而且，筆記本電腦在不通電的情況下需要盡量做到低能耗，以提高續(xù)航，固態(tài)硬盤(pán)也有著低能耗的優(yōu)點(diǎn)。因此，在筆記本電腦中，使用固態(tài)硬盤(pán)為優(yōu)。對(duì)于臺(tái)式機(jī)，目前較為主流的是固態(tài)硬盤(pán)和機(jī)械硬盤(pán)混用的搭配。其中，固態(tài)硬盤(pán)作為系統(tǒng)盤(pán)，來(lái)存儲(chǔ)一些系統(tǒng)所需要的文件和數(shù)據(jù)。這樣一來(lái)，系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)以及核心運(yùn)算的速度會(huì)提高。其他的用戶數(shù)據(jù)，因?yàn)榭紤]到可能占用的空間會(huì)比較多，使用固態(tài)硬盤(pán)的成本太大，所以優(yōu)先考慮存儲(chǔ)在機(jī)械硬盤(pán)中。

五、機(jī)械硬盤(pán)和固態(tài)硬盤(pán)的未來(lái)市場(chǎng)

最后，我們來(lái)分析一下目前固態(tài)硬盤(pán)和機(jī)械硬盤(pán)的市場(chǎng)占有率。由于缺乏官方數(shù)據(jù)的支持，我們根據(jù)天貓電器城相關(guān)產(chǎn)品的當(dāng)月銷量（2月1日到2月17日）來(lái)估算一下目前兩者目前在市場(chǎng)上的受歡迎程度，結(jié)果如下：

固態(tài)硬盤(pán)銷量（銷量>100）：46567

機(jī)械硬盤(pán)銷量（銷量>100）：39700

可以看到，目前固態(tài)硬盤(pán)已經(jīng)開(kāi)始蠶食機(jī)械硬盤(pán)的市場(chǎng)了。用戶更加偏好于固態(tài)硬盤(pán)，這也歸功于其較快的讀寫(xiě)速度以及逐漸平民化的價(jià)格。由此可見(jiàn)，固態(tài)硬盤(pán)取代機(jī)械硬盤(pán)只是時(shí)間問(wèn)題。

總結(jié)：現(xiàn)在，我們已經(jīng)介紹了機(jī)械硬盤(pán)和固態(tài)硬盤(pán)的相關(guān)知識(shí)，包括其物理結(jié)構(gòu)，邏輯結(jié)構(gòu)和工作原理。當(dāng)然，這對(duì)于復(fù)雜的硬盤(pán)來(lái)說(shuō)還只是冰山一角，如果讀者對(duì)更加深?yuàn)W的原理感興趣的話，可以自己使用搜索引擎尋找相關(guān)資料，也可以去希捷，三星，西部數(shù)據(jù)等硬盤(pán)大廠的官網(wǎng)去了解各種硬盤(pán)的相關(guān)參數(shù)。此外，我們還對(duì)比了一下機(jī)械硬盤(pán)和固態(tài)硬盤(pán)的優(yōu)缺點(diǎn)，希望讀者能夠根據(jù)自己的需求選擇最合適的產(chǎn)品。總而言之，固態(tài)硬盤(pán)在未來(lái)會(huì)成為市場(chǎng)的主流，因此挑選一款合適的固態(tài)硬盤(pán)，是非常有必要的。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Abraham Silberschatz. Operating System Concepts [M]. 高等教育出版社， 2007.

[2] 胡嘉璽. 固態(tài)硬盤(pán)火力全開(kāi)：超高速SSD應(yīng)用詳解與技巧 [M]. 清華大學(xué)出版社， 2014.