左天宇

【摘要】 本文首先介紹了機(jī)械硬盤與固態(tài)硬盤的結(jié)構(gòu)和工作原理，通過原理的講解，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景。最后，我們將介紹目前機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤的市場情況。

【關(guān)鍵字】 機(jī)械硬盤 固態(tài)硬盤 市場

一、引言

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

硬盤目前來看，主要分成兩類：一類是機(jī)械硬盤，另一類是固態(tài)硬盤。在以往的計算機(jī)中，硬盤都是機(jī)械硬盤，因?yàn)槠淙萘看?，價格便宜而被廣泛的運(yùn)用。隨著人們對于計算機(jī)運(yùn)行速度的不斷追求，固態(tài)硬盤誕生了。作為一種新興硬盤，固態(tài)硬盤絕大多數(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)硬盤的價格越來越低廉，容量越來越大，其必將在硬盤市場上占有重要的地位。本文就將介紹機(jī)械硬盤與固態(tài)硬盤的相關(guān)概念，并且分析目前的市場情況。

二、機(jī)械硬盤

2.1 機(jī)械硬盤的物理結(jié)構(gòu)

機(jī)械硬盤就是傳統(tǒng)的普通硬盤，由盤片，盤體，磁頭，轉(zhuǎn)盤轉(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)械硬盤的結(jié)構(gòu)通常是指盤體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是一個密封的腔體。硬盤的盤片是硬質(zhì)的磁性合金盤片，厚度一般在0.5mm左右。有的硬盤只裝一張盤片，有的硬盤則有多張盤片。每張盤片的容量稱為單碟容量，而硬盤的容量就是所有盤片容量的總和。

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

2.2 機(jī)械硬盤邏輯結(jié)構(gòu)

硬盤在邏輯上，被劃分為磁道、柱面以及扇區(qū)。如下圖1所示。

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

在磁頭靠近主軸接觸的表面，有一個特殊的區(qū)域，不會存放任何數(shù)據(jù)，這個區(qū)域稱為啟停區(qū)。這個區(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挥脕硗瓿捎脖P的初始定位。很多硬盤0磁道損壞之后就不能被使用了。所有盤面上的統(tǒng)一磁道會構(gòu)成一個圓柱，這個圓柱我們稱之為柱面。每個柱面上的磁頭由上而下從0開始編號。數(shù)據(jù)讀寫時，會先從同一柱面的0磁頭開始操作，然后依次向下讀寫。只有在同一柱面的所有磁頭全部讀寫完畢后，才會轉(zhuǎn)移到下一個柱面。所以，數(shù)據(jù)的讀寫是按照柱面進(jìn)行的，而不是按照盤面進(jìn)行，這一點(diǎn)是需要注意的。信息是以扇區(qū)的形式被存儲在磁盤上的，每個扇區(qū)包含512個字節(jié)的數(shù)據(jù)和一些其他的信息。系統(tǒng)將文件存儲到磁盤上時，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磁頭。在一個柱面存儲滿之后就推進(jìn)到下一個柱面，直到將所有的內(nèi)容寫入磁盤。將物理相鄰的若干個扇區(qū)稱為了一個簇。操作系統(tǒng)讀寫磁盤的基本單位是扇區(qū)，而文件系統(tǒng)的基本單位是簇。我們查看一個文件的屬性的時候，會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占用4K。簇越大存儲性能越好，但是空間浪費(fèi)很嚴(yán)重。

2.3 機(jī)械硬盤讀寫過程

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

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

三、固態(tài)硬盤

3.1 固態(tài)硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤，運(yùn)行主要是靠機(jī)械驅(qū)動頭等必須的機(jī)械部件，在快速旋轉(zhuǎn)的磁盤上移動至訪問的位置。因此，大部分的時間會被消耗在機(jī)械移動上。相比較而言，固態(tài)硬盤沒有需要移動的部件，其主要由主控與閃存芯片組成，可以快速的訪問的任何的位置。固態(tài)硬盤使用集成的電路取代了傳統(tǒng)的機(jī)械移動磁盤，總的來說，其內(nèi)部主要構(gòu)成部件有主控，閃存和固件算法，估計結(jié)構(gòu)分布如下圖：

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

主控就像是計算機(jī)中的CPU，發(fā)出對固態(tài)硬盤的所有讀寫請求?？梢哉f，主控就是固態(tài)硬盤的大腦中樞。除此之外，他還要考慮垃圾回收和耗損均衡等問題，來保證固態(tài)硬盤的整體壽命。

固態(tài)硬盤的固件算法是確保固態(tài)硬盤性能的的最重要組件。主控將使用固態(tài)硬盤中的固件算法來控制程序，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在閃存中的，因此當(dāng)固態(tài)硬盤更新時，需要手動更新固件來擴(kuò)大固態(tài)硬盤的功能。最后一點(diǎn)值得注意的是，固件算法的質(zhì)量越好，整個固態(tài)硬盤的品質(zhì)也就越好，而且目前具有獨(dú)立能力開發(fā)固態(tài)硬盤固件的廠商非常少。

最后一個重要的部件就是閃存。固態(tài)硬盤用戶的所有的數(shù)據(jù)都存儲在閃存中，閃存不僅決定了固態(tài)硬盤的使用壽命，而且對固態(tài)硬盤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)別很簡單，就是他們存儲的位數(shù)不同。打個比方，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)硬盤的工作原理

要知道固態(tài)硬盤的工作原理，我們需要先了解一些專業(yè)術(shù)語。在固態(tài)硬盤中，1個page為4KB，也就是最小的讀寫單位，1個block由256個page組成，1個plane由2048個block組成，2個plane組成一個die，也就是最小的芯片（4GB），多個die就可以組成1個顆粒。在往固態(tài)硬盤中寫入數(shù)據(jù)時，主控會先將所有顆粒的第一個block中依次填入數(shù)據(jù)。當(dāng)所有顆粒的第一個block寫滿之后，主控會繼續(xù)往所有顆粒的第二個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入固態(tài)硬盤中的。明白了數(shù)據(jù)寫入的原理，那么數(shù)據(jù)讀取的原理也就顯而易見了。在此我也只是簡單解釋了一下固態(tài)硬盤的工作原理，對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)械硬盤和固態(tài)硬盤的對比

4.1 機(jī)械硬盤的優(yōu)點(diǎn)

機(jī)械硬盤是傳統(tǒng)的硬盤，因?yàn)樗墓に囈呀?jīng)非常成熟了，所以他容量大并且價格便宜。目前來看，在臺式機(jī)中，還是以機(jī)械硬盤為主流?，F(xiàn)在也有一些用戶選擇固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤一起使用，一方面保證了容量的大小，同時也能夠提高計算機(jī)的運(yùn)行速度。

4.2 固態(tài)硬盤的優(yōu)點(diǎn)

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

4.3 使用場景

通常來說，在筆記本電腦中，使用固態(tài)硬盤較多，因?yàn)楣P記本電腦通常僅僅做一些簡單的工作，以上網(wǎng)瀏覽，聯(lián)絡(luò)溝通為主，并不需要大容量的存儲。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)硬盤為優(yōu)。對于臺式機(jī)，目前較為主流的是固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤混用的搭配。其中，固態(tài)硬盤作為系統(tǒng)盤，來存儲一些系統(tǒng)所需要的文件和數(shù)據(jù)。這樣一來，系統(tǒng)的開機(jī)以及核心運(yùn)算的速度會提高。其他的用戶數(shù)據(jù)，因?yàn)榭紤]到可能占用的空間會比較多，使用固態(tài)硬盤的成本太大，所以優(yōu)先考慮存儲在機(jī)械硬盤中。

五、機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤的未來市場

最后，我們來分析一下目前固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤的市場占有率。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）來估算一下目前兩者目前在市場上的受歡迎程度，結(jié)果如下：

固態(tài)硬盤銷量（銷量>100）：46567

機(jī)械硬盤銷量（銷量>100）：39700

可以看到，目前固態(tài)硬盤已經(jīng)開始蠶食機(jī)械硬盤的市場了。用戶更加偏好于固態(tài)硬盤，這也歸功于其較快的讀寫速度以及逐漸平民化的價格。由此可見，固態(tài)硬盤取代機(jī)械硬盤只是時間問題。

總結(jié)：現(xiàn)在，我們已經(jīng)介紹了機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤的相關(guān)知識，包括其物理結(jié)構(gòu)，邏輯結(jié)構(gòu)和工作原理。當(dāng)然，這對于復(fù)雜的硬盤來說還只是冰山一角，如果讀者對更加深奧的原理感興趣的話，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)等硬盤大廠的官網(wǎng)去了解各種硬盤的相關(guān)參數(shù)。此外，我們還對比了一下機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤的優(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)硬盤在未來會成為市場的主流，因此挑選一款合適的固態(tài)硬盤，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)硬盤火力全開：超高速SSD應(yīng)用詳解與技巧 [M]. 清華大學(xué)出版社， 2014.