什么是「机械硬盘」？它由哪些部分组成？ |
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什么是「机械硬盘」？它由哪些部分组成？
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原文链接：如何选购机械硬盘？ - 小大熊猫的回答 - 知乎 1.什么是机械硬盘？ 机械硬盘（硬盘/磁盘驱动器，Hard Disk Drive，简称HDD）一般指温彻斯特硬盘，一种由电机、在电机驱动下高速旋转的圆盘（磁碟/磁盘）以及悬浮在磁碟上方的磁头等机构组成的，以磁信号存储信息的一种非易失性存储器。[1]  磁道：当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道（Track）。 柱面：在有多个盘片构成的盘组中，由不同盘片的面，但处于同一半径圆的多个磁道组成的一个圆柱面（Cylinder）。 扇区：磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是硬盘的扇区（Sector）。硬盘的第一个扇区，叫做引导扇区。[1] 2.机械硬盘有哪些特点？ 与软盘驱动器和光盘驱动器不同，机械硬盘的盘片为铝制（曾经有过玻璃盘片）且无法取出。由于机械硬盘的盘片转速极快（常见消费级机械硬盘的转速在5400rpm到7200rpm之间），磁头与盘片之间的距离极小，机械硬盘对灰尘和震动极其敏感（机械硬盘内部为高度无尘环境，自行拆开盘体会导致硬盘报废）。 空气硬盘的盘体上设有带过滤措施的气孔，用于平衡硬盘工作时产生的热量导致的内外气压差。而氦气硬盘则为密封设计。由于氦气密度极小，阻力和震动较小，可以进一步缩小盘片间距，从而能够封装更多盘片以提高硬盘容量。[1] 容量较大，价格低廉，在断电情况下能长时间保存数据。顺序读写速度较快。随机读写性能很弱，IOPS低，响应时间较长。工作时存在一定噪音，读写时噪音会加剧。对震动敏感，发生跌落碰撞容易损坏。 3.机械硬盘有哪些主要参数？ 物理外形：按照尺寸可分为2.5英寸和3.5英寸两种。盘体厚度也是一个重要参数。磁碟半径一般与硬盘物理外形尺寸相近（2.5英寸和3.5英寸）。电气标准：主要为SATA接口，企业级机械硬盘还有采用SAS接口的。数据协议：主要有IDE和AHCI两种。前者已被淘汰，但现在的机械硬盘仍可工作在IDE模式下。缓存容量：机械硬盘板载DRAM缓存的大小，多在32MB到256MB之间。一些企业级机械硬盘还配备了NAND闪存作为缓存。单碟容量：单片磁碟的容量，很大程度上决定了机械硬盘的性能。盘片数量：封装的磁碟数，受机械硬盘物理外形限制，通常不超过8片。盘片转速：工作时盘片的旋转速度，通常在5400rpm到7200rpm之间。磁记录技术：按照磁性粒子的方向可分为LMR和PMR两种，按照磁道有无重叠可分为CMR和SMR两种。扇区大小：分为512Byte和4KiB两种。后者被称为高级格式化，是现在的机械硬盘的主流标准。机械硬盘的性能衡量指标有顺序读写速度、随机读写性能和响应时间等。 顺序读写速度与磁碟半径、单碟容量、盘片转速和读写位置有关。越快越好。顺序读写速度与单碟容量和盘片转速成正相关。磁碟半径越大，读写位置越靠近磁碟外圈，磁头与目标读写位置之间的相对线速度越快，顺序读写速度也就越快。随机读写性能通常用IOPS (Input/output Per Second)表征，即每秒的读写次数。越大越好。响应时间包括寻道时间、旋转延迟时间和传输时间。越小越好。寻道时间指磁头径向移动到目标磁道所需时间，通常取平均值。寻道时间与磁碟半径成正相关。常见消费级机械硬盘的寻道时间一般在10ms数量级。旋转延迟时间指磁碟目标位置旋转到磁头位置所需时间，通常取平均值（即半个旋转周期）。传输时间指完成传输所请求的数据所需要的时间，与前两者相比可忽略不计。[2]机械硬盘的可靠性衡量指标有位错误率、故障率、工作强度（年负载量和可用率）、工作和非工作状态下的耐受温度、冲击加速度和振动加速度等。 无法纠正的位错误率（Uncorrectable Bit Error Rate (UBER)）工作循环次数（Load/Unload cycles）年故障率（Annual failure rate (AFR)）平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures (MTBF)）可用率（Availability (hrs/day x days/wk)）用户需要关注的参数还有工作电压（2.5英寸机械硬盘需要+5V供电，3.5英寸机械硬盘需要+5V和+12V供电）、工作功耗（分为典型值和空闲功耗）和售后保障（保修时间）等。 4.几个概念：LMR与PMR，CMR与SMR 水平磁记录（Longitudinal Magnetic Recording，简称LMR）垂直磁记录（Perpendicular Magnetic Recording，简称PMR）传统磁记录（Conventional Magnetic Recording，简称CMR）叠瓦磁记录（Shingled Magnetic Recording，简称SMR）其中LMR和PMR是对立概念，CMR和SMR是对立概念。 首先是LMR和PMR，其区别在于磁性粒子的方向，LMR硬盘的磁性粒子方向与磁碟面平行，PMR硬盘的磁性粒子方向与磁碟面垂直。由于PMR能大幅提高磁碟的存储密度，目前PMR硬盘已经完全取代了市面上的LMR硬盘。 然后是CMR和SMR，其区别在于磁道（Track）有无重叠，CMR硬盘的磁道是完全分离的，SMR硬盘的相邻磁道存在重叠，就像屋顶的瓦片一样。通常磁道的宽度随着磁头上的读取器和写入器的尺寸的缩小而缩减，由于磁头尺寸已经达到物理极限，在没有新的存储技术的情况下，磁碟的存储密度将难以继续提高。在这种情况下，SMR另辟蹊径，采取重叠磁道的方式来提高存储密度。[3]   虽然SMR有效地提高了磁碟的存储密度，但是由于磁道重叠，在对磁道进行写入操作时，相邻的下一条磁道也会受到影响。因此在对包含有效信息的磁道进行写入时，必须对后续磁道进行重写。而磁头上的读取器的尺寸小于写入器，读取操作不会受到相邻磁道的影响。[3]  因此，SMR硬盘将磁道进行分组，由多条连续磁道组成段（Band）。段是SMR硬盘进行顺序写入的基本单元，对应的逻辑概念是区域（Zone），区域内的数据写入只能以顺序方式进行，而数据读取则可以随机进行。同时，SMR硬盘在磁碟上划分有“传统区”（Conventional Zone），在这些区域内磁道按照CMR方式排列，从而保证随机写入的实现。[4]  为了更好地为写入提供缓冲，采用SMR技术的硬盘通常会配备更大的DRAM缓存（通常为128MB或256MB，与一个区域的大小相当）。为了减少“脏盘”情况带来的不利影响，SMR硬盘与采用NAND闪存为存储介质的固态硬盘一样引入了TRIM技术。 对于普通消费者，CMR与SMR的区别在于SMR能提高25%的存储密度（同一代磁碟和相同的磁碟数），即以相近的价格提供多25%的容量。但是SMR硬盘在进行写入时，一旦需要进行数据迁移和垃圾回收，写入速度就会大幅下降。因此SMR硬盘不适合用于写入密集型场景。 5.如何选购机械硬盘？ 机械硬盘行业门槛较高且已经十分成熟，几大机械硬盘制造商的产品并无太大差距，可以直接按照厂商划分的产品线进行选择。 如何选购机械硬盘？ - 小大熊猫的回答 - 知乎 主要机械硬盘制造商：希捷、西部数据（包括曾经的HGST）和东芝。 对于3.5英寸机械硬盘，由于价格差距并不明显，除非是用于冷数据备份（如归档）等特殊用途，日常使用应尽可能避免选择采用SMR技术的机械硬盘。 对于2.5英寸机械硬盘，除非选择500GB型号，否则基本只有SMR硬盘可选。 6.普通用户有必要选择企业级机械硬盘吗？ 分情况。企业级机械硬盘主要有两大类，一类是高转速2.5英寸机械硬盘，一类是常规转速3.5英寸机械硬盘。 高转速2.5英寸企业级机械硬盘：转速达到10krpm或15krpm，大多采用SAS接口。常规转速3.5英寸企业级机械硬盘：转速通常为7200rpm，有SATA接口和SAS接口两类。前者价格昂贵，由于转速较高，噪音也较大。此外家用电脑通常并不支持SAS硬盘，需要额外购买SAS接口的阵列卡或HBA卡。 与消费级产品相比，企业级机械硬盘的优势主要在于可靠性，例如UBER和可用率。 无法纠正的位错误率（UBER）：消费级机械硬盘通常为1 sector in 10^14 bits，企业级机械硬盘可达1 sector in 10^15 bits。可用率（Availability）：消费级机械硬盘通常为8x5，企业级机械硬盘可达24x7。虽然高转速2.5英寸企业级机械硬盘的响应时间较短，但是与消费级机械硬盘仍处于同一数量级。在固态硬盘快速普及的今天，这些企业级机械硬盘甚至在容量/价格比上都没有明显优势。因此对于普通用户，只有价格相对合适的采用SATA接口的常规转速3.5英寸企业级机械硬盘比较值得购买。 8.如何选购固态硬盘？ 目前哪些品牌/型号的 SSD（固态硬盘）比较值得购买？ - 小大熊猫的回答 - 知乎 |
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