權少亭 周慧寧 商歡 李超 燕昊 何娜

摘要：硬盤作為計算機最主要的存儲設備，技術指標在不斷地變化和發(fā)展更新，近幾年更是出現(xiàn)了突破傳統(tǒng)硬盤技術的固態(tài)硬盤產品，該文從硬盤的結構、技術指標、數(shù)據(jù)保護技術、工作原理等方面逐一介紹，對比了不同硬盤的優(yōu)缺點，通過對硬盤數(shù)據(jù)傳輸性能的實測分析，探討了優(yōu)化使用不同硬盤；提高硬盤傳輸速率的方法，給出了硬盤使用過程中的注意事項，最終達到合理使用硬盤，保證數(shù)據(jù)安全的目的。

關鍵詞：硬盤；數(shù)據(jù)信息；技術參數(shù)；傳輸速率；應用

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）20-0217-02

隨著信息技術和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，計算機用戶數(shù)量不斷增加，計算機應用日益廣泛，硬盤作為計算機的主要組成部件和存放用戶數(shù)據(jù)信息的基地，其重要性不言而喻，因此了解硬盤的結構和工作原理，合理使用硬盤，才能充分發(fā)揮硬盤的性能，有效保證數(shù)據(jù)安全，使計算機更好地服務于用戶。

1 硬盤概述

硬盤是計算機最為重要的存儲設備，存放著用戶所有的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)的價值遠遠高于硬盤本身，同時硬盤又是計算機的主要組成部分，其性能的好壞直接影響計算機的運行速度和用戶的操作體驗。

1.1 硬盤分類及結構

硬盤按照其工作形式的不同分為兩種，機械硬盤HDD（Hard Disk Drive）和固態(tài)硬盤SSD（Solid State Drive）。機械硬盤即傳統(tǒng)的普通硬盤，主要由盤片、盤片轉軸、磁頭組件、磁頭驅動機構、控制電路組成。固態(tài)硬盤類似于U盤技術，全電子結構，沒有機械運動部件，采用集成電路存儲技術，由控制單元和存儲單元組成。

1.2 硬盤的接口方式

硬盤接口是硬盤與計算機主板的連接部件，作用是在硬盤緩存和計算機之間進行數(shù)據(jù)傳輸，硬盤接口直接決定著程序運行速度和系統(tǒng)性能，隨著硬盤技術的發(fā)展，硬盤的接口也在不斷地變化，主要有IDE、SATA、SCSI、SAS幾種[3]。

IDE接口，Integrated Device Electronics，即電子集成驅動器，是指把控制器與盤體集成在一起的硬盤驅動器，俗稱并口，使用一根40芯的扁平電纜連接硬盤與主板，在硬盤外部傳輸速度最快可達133MB/S，隨著接口技術的發(fā)展，目前此類型的硬盤接口已經被淘汰。

SATA接口，Serial Advanced Technology Attachment，又稱串行接口，SATA總線使用嵌入式時鐘信號，具備更強的糾錯能力，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，串行接口結構簡單，支持熱插拔，是現(xiàn)在計算機硬盤主流的接口類型。SATA1.0定義的數(shù)據(jù)傳輸速率為150MB/S；SATA2.0和3.0分別為300MB/S、600MB/S，三種接口外觀一樣，向下完全兼容，只有硬盤接口和主板接口同時滿足，硬盤才能獲得最佳的讀取速度，這點在固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)傳輸中有明顯差異。機械硬盤由于內部數(shù)據(jù)讀取存在瓶頸，三種接口的傳輸速率幾乎一樣。

SCSI接口，Small Computer System Interface，即小型計算機系統(tǒng)接口，一種連接計算機和外部設備的接口，支持硬盤、光驅、掃描儀等多種設備，SCSI硬盤配合專用的SCSI接口卡使用，由于其良好的性能，在服務器和工作站上被普遍采用。

SAS接口，Serial Attached SCSI，即串行SCSI，是一種新型的磁盤接口，SAS接口結合了SATA和SCSI兩者的優(yōu)勢，兼容SATA接口硬盤，具有更高的數(shù)據(jù)傳輸性能，擴展性和可靠性，是現(xiàn)階段服務器和存儲設備的主流接口。

1.3 硬盤的技術指標

硬盤轉速（Spindle Speed），是硬盤內電機主軸的旋轉速度，即硬盤盤片在一分鐘內完成的最大轉數(shù)，硬盤轉速是硬盤主要的性能參數(shù)，以每分鐘多少轉來表示，單位RPM，Revolutions Per minute的縮寫，轉速越大，等待時間就越短，硬盤性能就越好。一般普通機械硬盤的轉速為5400RPM、7200RPM；服務器硬盤的轉速為10000RPM、15000RPM；固態(tài)硬盤由于沒有電機，所以不存在轉速的屬性，如果按平均尋道時間衡量，相當于6～7萬轉的硬盤。

硬盤緩存（Cache），緩存是為了平衡高速設備和低速設備之間的速度差異而存在的，它是硬盤與外部總線交換數(shù)據(jù)的場所，是兩者之間的緩沖器，具有極快的存取速度，由于硬盤的內部數(shù)據(jù)傳輸速度和外部總線的傳輸速度不同，緩存起到了內部和外部數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠胶庾饔?，緩存的大小直接關系到硬盤的傳輸速度，能夠大幅度提高硬盤的整體性能，但也不是越大越好，由于緩存機制和算法的限制，緩存過大硬盤性能非但不能提高，反而會降低硬盤讀取數(shù)據(jù)的命中率，導致硬盤讀取速度不穩(wěn)定。例如一般容量為1TB，轉速為7200RPM的機械硬盤，緩存64MB就已經足夠了。

硬盤數(shù)據(jù)傳輸速率（Data Transfer Rate），包括外部數(shù)據(jù)傳輸速率（External Transfer Rate，又稱突發(fā)傳輸速率）和內部數(shù)據(jù)傳輸速率（Internal Transfer Rate）兩種，外部數(shù)據(jù)傳輸速率是指計算機通過數(shù)據(jù)總線從硬盤內部緩存區(qū)中所讀取數(shù)據(jù)的最大速率，是外部設備和硬盤之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，由總線速度和硬盤接口類型決定。內部數(shù)據(jù)傳輸速率是指硬盤與緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，是硬盤整體性能的關鍵指標，比如硬盤本身不同分區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，取決于硬盤轉速和盤片的線性密度。ATA100中的100就代表這塊硬盤的外部數(shù)據(jù)傳輸速率理論值是100MB/S，由于目前主流的計算機機械硬盤的內部數(shù)據(jù)傳輸速率為70-90MB/S，而且連續(xù)工作時可能更低，所以機械硬盤的傳輸瓶頸還在內部傳輸速率上。隨著硬盤技術的發(fā)展，固態(tài)硬盤又受到外部數(shù)據(jù)傳輸速率的限制，為了充分發(fā)揮固態(tài)硬盤性能，又要與傳統(tǒng)的機械硬盤接口兼容通用，出現(xiàn)了SATA3.0接口，還有傳輸速率更大的M.2、U.2、PCI-E等接口類型。

1.4 硬盤數(shù)據(jù)保護技術

S.M.A.R.T（Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology），自我監(jiān)測、分析及報告技術，是在硬盤系統(tǒng)保留區(qū)內，由硬盤廠商寫入的內部管理程序。通過硬盤上的監(jiān)測指令和主機上的監(jiān)測軟件對硬盤各個組件的運行情況、歷史記錄及預設的安全值進行對比分析。若監(jiān)控情況超出預設的預設值的安全范圍，就可以通過主機的監(jiān)控硬件或軟件自動向用戶做出警告并進行輕微的自動修復，可以對硬盤數(shù)據(jù)提供有效的保護，并且能夠預先告警讓用戶及時更換硬盤，以減少數(shù)據(jù)丟失的風險。

SPS（Shock Protection System），震動保護系統(tǒng)，在硬盤受到撞擊時，保持磁頭不受震動，使磁頭和磁頭臂停泊在盤片上，沖擊能量被硬盤其他部分吸收，這樣能有效地提高硬盤的抗震性能，使硬盤在運輸、使用及安裝的過程中最大限度地免受震動的損壞。

2 硬盤工作原理

機械硬盤采用磁介質來存儲數(shù)據(jù)，盤片表面涂有磁性介質，在盤片的存儲面上有一個磁頭，磁頭運動時與盤片并未發(fā)生接觸，兩者之間的距離比頭發(fā)絲的直徑還小，在這種狀態(tài)下，磁頭不會與盤片發(fā)生磨損，同時可達到讀取數(shù)據(jù)的目的[1]。磁頭關聯(lián)在一個磁頭控制器上，由磁頭控制器負責磁頭的運動。磁頭可沿盤片的半徑方向運動，加上盤片每分鐘幾千轉的高速旋轉，磁頭就可以定位在盤片的指定位置上進行數(shù)據(jù)的讀寫操作。

固態(tài)硬盤采用全芯片存儲，存儲單元負責存儲數(shù)據(jù)，控制單元負責讀取、寫入數(shù)據(jù)。由于固態(tài)硬盤沒有普通硬盤的機械結構，因而系統(tǒng)能夠在低于1ms的時間內對任意位置存儲單元完成輸入/輸出操作。固態(tài)硬盤也不存在機械硬盤的尋道問題，當CPU要讀取或存儲數(shù)據(jù)時，接口電路把CPU發(fā)來的信息翻譯成地址碼（對應機械硬盤是控制電機、磁頭動作），然后定位，進行讀寫。由于沒有了磁頭、盤片這類機械結構，固態(tài)硬盤在尋道上幾乎是即時響應。

3 硬盤數(shù)據(jù)傳輸性能

3.1 兩種硬盤的優(yōu)缺點

固態(tài)硬盤數(shù)據(jù)讀取速度快，是機械硬盤的3～5倍，可達到500M/S左右，抗震能力強、功耗低、運行聲音小、發(fā)熱量少，其結構決定了不會發(fā)生機械故障，工作溫度范圍大，大多數(shù)固態(tài)硬盤可在-10℃～70℃范圍內工作，體積小、重量輕，但是固態(tài)硬盤有寫入次數(shù)的限制，容量小，普遍在64GB-512GB之間， 價格明顯高于機械硬盤，固態(tài)硬盤由于沒有機械部件，不會發(fā)生機械故障，但電路損壞或數(shù)據(jù)刪除后，數(shù)據(jù)無法恢復。相比于固態(tài)硬盤，機械硬盤的容量大，基本在500GB-4TB之間，價格便宜，寫入次數(shù)無限制，機械硬盤發(fā)生故障，可借助數(shù)據(jù)恢復軟件讀取磁層柱面信息來恢復數(shù)據(jù)。由于存在馬達轉速的瓶頸因素，數(shù)據(jù)讀取性能低，功耗大，運行噪音大，發(fā)熱明顯，不能受外界沖壓、擠壓或震動，攜帶不方便。

3.2 硬盤數(shù)據(jù)傳輸性能測試

為了分析影響硬盤傳輸性能的因素，消除數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，提升硬盤數(shù)據(jù)的讀寫速度，通過對不同硬盤在不同連接方式下的數(shù)據(jù)讀取速度進行實測，測試的配置信息如下，得到的結果數(shù)據(jù)如表1所示。

主機型號：聯(lián)想啟天M4500，主板接口SATA3.0（紅色），SATA2.0（橙色）。

機械硬盤：西部數(shù)據(jù)500GB，接口SATA 6GB/S，緩存16M，轉速7200rpm。

固態(tài)硬盤：金士頓240GB，接口SATA 6GB/S。

操作系統(tǒng)：Windows7-64位旗艦版。

測試軟件：硬盤/固態(tài)硬盤實用程序HD Tune Pro5.70。

根據(jù)測試得出的結果數(shù)據(jù)，機械硬盤在不同的主板接口類型和SATA模式下，由于硬盤內部數(shù)據(jù)傳輸速度的限制，平均數(shù)據(jù)傳輸速率的變化不大，都保持在90MB/S左右，但在主板SATA3.0接口上，突發(fā)傳輸速率表現(xiàn)更優(yōu)秀。固態(tài)硬盤在主板SATA3.0接口；AHCI模式下的平均數(shù)據(jù)傳輸速率最高達到387.9MB/S，存取時間與機械硬盤相比差異明顯，SATA模式對固態(tài)硬盤的數(shù)據(jù)傳輸速度有微弱的影響。固態(tài)硬盤比機械硬盤的平均數(shù)據(jù)傳輸速度提高約3倍以上，在使用固態(tài)硬盤時需要特別注意主板接口類型、SATA模式設置、選用高質量的SATA線纜，這樣才能消除傳輸瓶頸，充分發(fā)揮出硬盤本身的讀寫性能。

4 硬盤應用注意事項

硬盤讀寫過程中的微弱震動、突然斷電都可能導致硬盤的意外損壞，尤其是機械硬盤，所以硬盤工作時盡量避免磕碰震動。要養(yǎng)成正確的關機習慣，硬盤處于工作狀態(tài)時不要強行掉電或關機，等硬盤停止轉動，指示燈熄滅后再關閉電源。硬盤存放的物理環(huán)境應該干燥通風，遠離灰塵，避免溫度過高或濕度過大[2]。固態(tài)和機械硬盤的使用壽命大約5年，超過年限后發(fā)生故障的風險較大，為防止硬盤損壞引起的數(shù)據(jù)丟失，可定期對硬盤數(shù)據(jù)進行備份操作，并妥善保管備份介質，也可通過網(wǎng)絡進行硬盤數(shù)據(jù)的備份。

硬盤工作中如果有異響；或出現(xiàn)藍屏死機、應用程序無響應的情況，應立即停止使用查明原因，并做好數(shù)據(jù)的轉移，對硬盤定期進行碎片整理操作，可提高硬盤的訪問速度，延長硬盤壽命。

權衡機械硬盤和固態(tài)硬盤的利弊，可以使用SSD+HDD的混合硬盤存儲方案[4]，固態(tài)硬盤作為主盤，安裝操作系統(tǒng)和應用程序，機械硬盤作為從盤，存儲用戶重要數(shù)據(jù)，兼顧兩者優(yōu)勢，在帶來速度體驗的同時，也能夠提供大容量數(shù)據(jù)存儲需求，同時也能有效的保證數(shù)據(jù)的安全性。

5 結束語

硬盤技術的發(fā)展，帶來了產品的迭代更新和性能的不斷突破，或許在不久的將來，機械硬盤會像軟盤、磁帶一樣消失在人們的視線中。不管是企業(yè)還是個人計算機，在充分了解不同硬盤工作原理和性能的同時，養(yǎng)成良好的操作使用習慣，關注硬盤的健康狀態(tài)，優(yōu)化應用硬盤，最大限度發(fā)揮出硬盤的性能，當硬盤出現(xiàn)故障征兆時，及時采取保護措施，盡可能挽救硬盤中的數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1]周建峰. 數(shù)據(jù)存儲、恢復與安全應用實踐[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[2]王洪彪. 基于提高計算機硬盤使用效率的研究[J]. 電腦知識與技術. 2012（4）：2829-2830.

[3]吳有才，王改芳. 計算機硬盤數(shù)據(jù)接口技術淺析[J]. 網(wǎng)絡與信息工程，2015（21）：63-64.

[4]王偉. 計算機硬盤的優(yōu)化方法[J]. 軟件導刊， 2012（4）：17-18.