“硬”道理

易　輝

本文將詳細(xì)介紹硬盤這一現(xiàn)代主要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的詳細(xì)信息。

硬盤是大部分人存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的首要選擇，畢竟我們已經(jīng)習(xí)慣了將自己的文件和照片保存在硬盤上。

硬盤只有在發(fā)出噪音令人厭煩，或故障導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)丟失后，才會(huì)引起我們的注意。但是否有人考慮過(guò)硬盤的工作原理是什么，內(nèi)部結(jié)構(gòu)又是什么?在本文中，我們會(huì)介紹硬盤這種精密儀器是如何工作的。

硬盤簡(jiǎn)史

硬盤發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)50年了，所有硬盤的鼻祖都是IBM的350存儲(chǔ)單元(或者IBM所說(shuō)的“磁盤文件”)，該設(shè)備最早在1956年用于305 Ramac計(jì)算機(jī)中，該計(jì)算機(jī)使用了50片24英寸的磁性盤片(Platter)，最多可以保存五百萬(wàn)個(gè)7-bit字符，同時(shí)使用一個(gè)磁頭進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。但在1973年，IBM發(fā)明了到現(xiàn)在依然被所有硬盤使用的技術(shù)，該技術(shù)名為3340，當(dāng)然，很多人更熟悉該技術(shù)的另一個(gè)名字：溫徹斯特驅(qū)動(dòng)器(Winchester drive)，該技術(shù)引入了Low-mass磁頭，涂有磁性材料的盤片被封裝到盒子中，通過(guò)使用兩張或四張14英寸的盤片，可實(shí)現(xiàn)35MB或70MB的存儲(chǔ)容量。

在1980年，我們見(jiàn)到了第一塊5.25英寸全高硬盤；希捷ST-506，這是第一塊用于個(gè)人電腦的硬盤?？纱鎯?chǔ)5MB數(shù)據(jù)。三年后上市的Rodime硬盤則開(kāi)始使用目前我們熱知的3.5英寸半高樣式，其中R0352型號(hào)可以在兩張3.5英寸盤片上存儲(chǔ)IOMB數(shù)據(jù)。在1988年，則出現(xiàn)了第一塊矮版(Low-profile)3.5英寸硬盤Conner PeripheralsCP3022，該硬盤可以在一張3.5英寸盤片上存儲(chǔ)21MB數(shù)據(jù)。這種形式的硬盤最終成為現(xiàn)代硬盤的標(biāo)準(zhǔn)，同年還出現(xiàn)了第一塊2.5英寸硬盤，這種硬盤當(dāng)時(shí)由名為Prairie Tek的公司發(fā)布，型號(hào)是220，可以在兩張2.5英寸盤片上存儲(chǔ)20MB數(shù)據(jù)。

在二十世紀(jì)九十年代初，IBM對(duì)于硬盤的數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式帶來(lái)了三個(gè)重要的改變。IBM Redwing是一款發(fā)布于1990年的857MB硬盤，這是第一個(gè)使用巨磁阻(MagnetoResistive，MR)磁頭的硬盤，同時(shí)這種硬盤使用了名為PRML(Patrial Response MaximumLikelihood，局部響應(yīng)最大擬然)的數(shù)據(jù)編碼方式。一年后，IBM的Pacifica大型機(jī)硬盤成了第一個(gè)在盤片表面用薄膜介質(zhì)材料取代磁性氧化物介質(zhì)的硬盤。

第一塊萬(wàn)轉(zhuǎn)硬盤是在1997年被希捷發(fā)布的，當(dāng)時(shí)發(fā)布的型號(hào)是STIgl01 Cheetah 9，該硬盤使用了8張3.5英寸盤片，可提供9.1GB存儲(chǔ)容量。一年后，該公司又發(fā)布了使用3英寸盤片的萬(wàn)轉(zhuǎn)硬盤Cheetah 18(STI 18202)，該硬盤具有12張盤片，容量是18.2GB。

同年日立還發(fā)布了速度更快的硬盤DK3EIT-91，該硬盤的轉(zhuǎn)速高達(dá)12，000rpm，而在1999年，IBM發(fā)布了世界上第一塊微硬盤。

二十世紀(jì)末。希捷發(fā)布的更高速的Cheetah X15硬盤速度已經(jīng)達(dá)到15，000rpm，容量為18.3GB。

隨著容量的提升，硬盤的接口也在持續(xù)改進(jìn)，不僅并行ATA標(biāo)準(zhǔn)的速度越來(lái)越高，而且在2003年，串行ATA工作組還發(fā)布了串行ATA(SATA)1.0a標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開(kāi)始逐漸普及，而現(xiàn)在大部分新系統(tǒng)中都已經(jīng)開(kāi)始使用SATA接口。

與此同時(shí)，記錄技術(shù)也在改進(jìn)，在2005年，東芝發(fā)布了世界上第一款使用“垂直記錄”技術(shù)的1.8英寸商用硬盤，不過(guò)希捷是第一家將使用該技術(shù)的2.5英寸和3.5英寸硬盤投入市場(chǎng)的廠商(都是在2006年)。正是有了該技術(shù)，磁性介質(zhì)上的比特密度才可以更高，同時(shí)也因?yàn)橛辛嗽摷夹g(shù)。日立在2007年發(fā)布了第一塊TB級(jí)的硬盤(iTB)。同時(shí)在2007年也首次出現(xiàn)了基于閃存的固態(tài)硬盤，也就是SSD。

硬盤如何工作?

硬盤存儲(chǔ)和訪問(wèn)數(shù)據(jù)的工作方式類似磁帶。在磁盤上，通過(guò)磁盤表面小塊區(qū)域內(nèi)磁性的變化即可記錄數(shù)據(jù)，而磁盤表面則涂有一層鈷鉑合金。這種小塊區(qū)域可以理解為磁條，可以指向一個(gè)或兩個(gè)方向，而北極則指向盤片旋轉(zhuǎn)的方向，或相反方向。

在大部分新型硬盤中，磁介質(zhì)的排列方向是垂直的，這樣北極可能面向或背向盤片表面。

磁介質(zhì)的方向代表了這個(gè)比特上保存的數(shù)據(jù)的二進(jìn)制“1”，或“0”，在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭需要施加更強(qiáng)的磁力以改變磁介質(zhì)的極性，而讀取數(shù)據(jù)時(shí)則需要檢測(cè)磁介質(zhì)的當(dāng)前狀態(tài)。

每張盤片的上表面都有一個(gè)可移動(dòng)的磁頭，同時(shí)一塊硬盤中的所有磁頭都是通過(guò)同一個(gè)動(dòng)臂(Actuator)驅(qū)動(dòng)的，這樣做可以讓同一時(shí)間里訪問(wèn)同一磁道，以及訪問(wèn)所有盤片的操作更高效。為了讀寫數(shù)據(jù)，磁頭和盤片表面之間的距離必須非常近，通常這個(gè)距離只有0.0003mm。為了能夠盡可能靠近盤片表面，但不至于有物理上的接觸，磁頭需要通過(guò)盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣墊獲得浮力。磁頭可以在物理上接觸到盤片的唯一時(shí)機(jī)是硬盤被關(guān)閉，或發(fā)生非常嚴(yán)重的意外，例如硬盤跌落的時(shí)候。

大部分現(xiàn)代硬盤會(huì)將磁頭?？吭诖疟P上一塊專用的保留區(qū)域內(nèi)，這個(gè)區(qū)域叫做?？繀^(qū)(Landing Zone)。

要讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，控制器必須等待相應(yīng)的扇區(qū)正好旋轉(zhuǎn)到磁頭的下方。另外還需要監(jiān)控磁頭的位置，以進(jìn)行糾錯(cuò)，而遇到的任何錯(cuò)誤都將被反饋回內(nèi)部的循環(huán)系統(tǒng)，以確保硬盤總是能正確讀寫。

磁頭本身是由磁阻材料制造的，這意味著磁頭的電阻會(huì)隨著靠近的磁性區(qū)域的變化發(fā)生變化，因此隨著盤片在磁頭下方的移動(dòng)，磁頭的電阻就能代表盤片上當(dāng)前位置存儲(chǔ)的“0”和“1”。在將數(shù)據(jù)寫入到硬盤時(shí)，要寫入的數(shù)據(jù)會(huì)被應(yīng)用給磁頭，并在磁頭下方的盤片表面上創(chuàng)建出相應(yīng)極性的磁力線。

數(shù)據(jù)是以扇區(qū)和磁道為基礎(chǔ)保存的(簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，磁道指所有同軸柱面，同時(shí)會(huì)根據(jù)特定長(zhǎng)度分為不同扇區(qū))。這些劃分都是在進(jìn)行低級(jí)格式化的時(shí)候進(jìn)行的，同時(shí)還需要對(duì)每個(gè)扇區(qū)的開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)進(jìn)行記錄。

扇區(qū)可以包含固定數(shù)量的字節(jié)，通常是512或256個(gè)，這些扇區(qū)組合到一起就形成了簇。實(shí)際的文件存儲(chǔ)操作以及其他工作，例如空間的分配等都懸由高級(jí)格式化以及操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)的。

IDE和ATA

在訪問(wèn)硬盤上的數(shù)據(jù)時(shí)，信息會(huì)通過(guò)硬盤自己的IDE(Integrated DriveElectronics，集成設(shè)備電路)控制器進(jìn)行傳輸，而當(dāng)年在第一塊硬盤上，我們必須在電腦中安裝獨(dú)立的控制器卡，而且當(dāng)時(shí)的硬

盤本身智能程度也并不高。IDE控制器可以理解為硬盤的大腦，硬盤需要通過(guò)EIDE(EnhancedIDE，增強(qiáng)的IDE)SATA接口連接到主板，這些接口則是由主板上的控制器芯片控制的。

在SATA標(biāo)準(zhǔn)被廣泛采用之前，用于描述硬盤接口最常用的術(shù)語(yǔ)是IDE以及ATA，這兩個(gè)代表同一個(gè)含義。因?yàn)槲鞑繑?shù)據(jù)創(chuàng)造了“IDE”這個(gè)稱呼，因此其他制造商只能使用不同的名稱，因此ATA(AT Attachment，AT連接)就應(yīng)運(yùn)而生了。AT(Advanced Technology，高級(jí)技術(shù))代表IBM PC／AT中的AT總線架構(gòu)。

事實(shí)上，ATA接口有7種不同的版本。同時(shí)都可以向后兼容，不同版本的主要區(qū)別在于連接的速度。

SATA和SCSI

發(fā)布于2003年的第一個(gè)SATA標(biāo)準(zhǔn)最大支持150MBps的數(shù)據(jù)傳輸率，相比ATA-7標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)速度并不是很快，但現(xiàn)在，即將發(fā)布的下一代SATA標(biāo)準(zhǔn)的速率將達(dá)到3，0GBps(300MBps)，這種更快速度的標(biāo)準(zhǔn)曾被叫做是SATAⅡ，但這其實(shí)只是負(fù)責(zé)制定SATA標(biāo)準(zhǔn)的工作組的名稱。為了避免誤解，該工作組已經(jīng)更名為SATA-IO。

SATA數(shù)據(jù)線使用4Pin的連接線，而不是ATA數(shù)據(jù)線的80Pin模式，很明顯，這樣數(shù)據(jù)線也可以更細(xì)。

另外，SATA的低電壓也意味著數(shù)據(jù)線可以做得很長(zhǎng)。同時(shí)SATA塑構(gòu)的其他優(yōu)勢(shì)還包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)支持，這樣就避免了像ATA硬盤那樣需要設(shè)置主從模式。

SCSI(Small ComputerSystem Interface，小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口)硬盤通常只屬于服務(wù)器或工作站，而且目前這類接口已經(jīng)不怎么常用了，因?yàn)榇谶B接SCSI(SAS)硬盤(見(jiàn)下文)已經(jīng)開(kāi)始主導(dǎo)這一領(lǐng)域。

串口連接SCSI

SAS是服務(wù)器環(huán)境上最新一代的接口，也是SCSI的繼任者，可提供所有高端功能，例如Multi Initiator支持，以及全雙工通訊，同時(shí)這種接口要比SATA更小。SAS可支持SAS和SATA硬盤，因此SATA硬盤也可以連接到SAS控制器，但SAS硬盤無(wú)法連接到SATA控制器。

SAS和SATA類似，最高可工作在3Gbps的速度下，同時(shí)該接口具有擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)器尋址功能，這使得SAS可以在每個(gè)接口上最多支持4，032個(gè)設(shè)備，這要比SCSI或SATA多不少。

硬盤的未來(lái)

雖然有些人認(rèn)為閃存硬盤是未來(lái)的趨勢(shì)，但有些工程師卻不這樣認(rèn)為。對(duì)于非常熱衷于新技術(shù)的人，則有一些自己的新奇想法。其中之一是熱輔助記錄(TAR，Thermally Assisted Recording)，該技術(shù)需要在磁頭寫人數(shù)據(jù)位置使用激光對(duì)記錄介質(zhì)進(jìn)行加熱，這樣只需要使用很少的磁性介質(zhì)即可提升存儲(chǔ)密度。另一種提升密度的方法是使用圖案化磁記錄介質(zhì)(Pattemed Media)。

在目前的硬盤中，每個(gè)記錄的比特都是由盤片表面上很多隨機(jī)磁介質(zhì)組成的，而在圖案化磁記錄介質(zhì)中，磁介質(zhì)層是按照高度一致的島嶼(IsIand)排列而成，每個(gè)島嶼可以存儲(chǔ)一個(gè)比特。不過(guò)確定的是，無(wú)論如何宣揚(yáng)硬盤大限已至。其實(shí)硬盤的生命力還有很長(zhǎng)。