机械硬盘和固态硬盘的工作原理和区别文档技术总结.pptx

机械硬盘和固态硬盘的工作原理首先了解一下机械硬盘的工作原理 1 机械硬盘结构复杂上图是一款机械硬盘结构图。机械硬盘的结构基本都是一样的: 电路板上的主控制器芯片负责与芯片组之间的通信并且控制硬盘内部的运转; 盘片是用磁性材料做成的,固定在硬盘中部的马达上旋转; 磁头则沿着盘片的径向移动。磁头读取、写入数据时会在盘片上方移动,移动过程也叫硬盘寻道的过程至于“寻道”,则是和盘片的结构有关。结构图盘片结构盘片上划分为一圈一圈的同心圆环,每个圆环即一个磁道。早期的机械硬盘从圆心出发向四周发散出角间距相等的一系列直线(当然实际上没有直线存在),直线与同心圆线围成的最小区域就是一个扇区(如上图)。这样的划分,在硬盘的容量不大的年代还是简单易行,但是随着硬盘技术的进步,磁道的划分越来越密集,必然导致外圈的扇区物理长度远远大于内圈的扇区,造成浪费。所以现在的硬盘都不用圆心发散的直线来划分扇区了,而是从外圈磁道开始取一定长度作为一个扇区,然后从外向里一个一个编号下去。这个编号就是扇区的地址,我们要确定文件在哪里全靠这个地址。扇区都有固定的大小,一般是 512 字节,现在的支持先进格式化的硬盘都采用 4096 字节作为一个扇区了。从以上叙述中,我们已经可以看到,机械硬盘要读出数据,必须要磁头找到对应的磁道和扇区(对于多碟的机械硬盘首先需要确定柱面),这全部依靠磁头的驱动马达来驱动(磁头本身是依靠盘片旋转产生的气流来悬浮的)。马达等等机械装置的反应速度毕竟不快,所以机械硬盘会浪费大量的时间用于寻道操作(每次寻道大约 10ms 左右)。尤其是对于零碎的小文件读写来说,由于文件所在扇区不连续,需要不断地要进行寻道,这样就产生很悲剧的性能。但是对于持续读写来说,由于不需要进行不断地寻道,所以不存在寻道时间。所以机械硬盘的随机读写能力很差(不超过 每秒),但是持续读写能力并不差(而且随着单碟容量的提升和磁盘阵列的组建,持续读写速度可以比固态硬盘更快)。到这里你们或许要问:为什么使用固态硬盘的电脑普遍比使用机械硬盘的电脑反应快呢? 这是因为,系统分区在日常中进行的读写操作绝大部分都是随机文件读写,这正是机械硬盘的软肋所在,因为机械硬盘在这种情况下花费在寻道这件事上的时间非常多,其他硬件不得不停下来等待。如果你使用机械硬盘作为非系统盘,那么性能和固态硬盘的差别不大——比如一部电影放在 SSD 和 HDD 上去播放,这个没什么区别。提高 HDD 性能的方法之一是组建磁盘阵列。磁盘阵列有多种类型,而且有些阵列是为了保证数据的安全,作为自动备份而组建的,这一类我们暂时不去谈。通常用于提高性能的磁盘阵列是 RAID 0. 比如,使用 4块硬盘组建 RAID 0 之后,当有数据从芯片组传输给硬盘,这个数据会被自动划分成 4部分,每个硬盘各自存储一部分,这样的话理想状态下 RAID 0 下写入速度翻倍;读取也是类似的原理,每个硬盘各自拿出各自的数据,理想状态下读取速度也是翻倍的。磁盘阵列: RAID 0 但是 RAID 0 对于机械硬盘随机读写并没有什么明显作用。所以要凭借组建 RAID 0 来提高系统盘的性能,很困难。但是 RAID 0 的原理却也是应用在我们之后要讲到的 SSD 上的。不得不说的 U盘2 为什么要说 U盘?因为 U盘和固态硬盘是类似的结构。这张图是雷克沙 16G 的U盘拆解图。其实 U盘的最重要部件就两个:主控制器芯片,还有 NAND 闪存颗粒。主控制器芯片负责与芯片组进行通信, 并且负责操作 NAND 颗粒;而 NAND 颗粒本身就是一个存储器件。你可以将其理解成为很多电容器组合成的装置。固态硬盘的原理 3 这张图是 Crucial M4-CT128M4SSD2 固态硬盘拆解之后的电路板。对比上面的雷克沙 U盘拆解图,你发现了什么? 没错,结构和那个 U盘很像,只不过 NAND 闪存芯片更多而已。附上这个电路板的背面照片。重点是那颗 DRAM 缓存颗粒。除去这个颗粒之外,其他的结构和 U盘完全类似。 1、 NAND 颗粒 NAND 颗粒之间的关系,类似于 RAID 0 。那么固态硬盘可以看做是“由U盘组成的 RAID 0 ”。 NAND 是半导体存储颗粒的一种(还有其他的种类,比如 NOR ( NOR 的特点是芯片内执行,应用程序可以直接在 flash 闪存内运行,不必再把代码读到系统 RAM 中) 但是 NOR 不用在这些东西上)。至于这个颗粒的物理结构是如何,这个暂时不用深究。我们需要关心的是 NAND 如何存储和读取数据。