機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤的工作原理和區(qū)別-文檔

1、機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤的工作原理 首先了解一下機(jī)械硬盤的工作原理1機(jī)械硬盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜上圖是一款機(jī)械硬盤結(jié)構(gòu)圖。機(jī)械硬盤的結(jié)構(gòu)基本都是一樣的：電路板上的主控制器芯片負(fù)責(zé)與芯片組之間的通信并且控制硬盤內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)；盤片是用磁性材料做成的，固定在硬盤中部的馬達(dá)上旋轉(zhuǎn)；磁頭則沿著盤片的徑向移動(dòng)。磁頭讀取、寫入數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)在盤片上方移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程也叫硬盤尋道的過(guò)程至于“尋道”，則是和盤片的結(jié)構(gòu)有關(guān)。結(jié)構(gòu)圖盤片結(jié)構(gòu)盤片上劃分為一圈一圈的同心圓環(huán)，每個(gè)圓環(huán)即一個(gè)磁道。早期的機(jī)械硬盤從圓心出發(fā)向四周發(fā)散出角間距相等的一系列直線（當(dāng)然實(shí)際上沒(méi)有直線存在），直線與同心圓線圍成的最小區(qū)域就是一個(gè)扇區(qū)（如上圖）。這樣的劃分，在硬

2、盤的容量不大的年代還是簡(jiǎn)單易行，但是隨著硬盤技術(shù)的進(jìn)步，磁道的劃分越來(lái)越密集，必然導(dǎo)致外圈的扇區(qū)物理長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)圈的扇區(qū)，造成浪費(fèi)。所以現(xiàn)在的硬盤都不用圓心發(fā)散的直線來(lái)劃分扇區(qū)了，而是從外圈磁道開始取一定長(zhǎng)度作為一個(gè)扇區(qū)，然后從外向里一個(gè)一個(gè)編號(hào)下去。這個(gè)編號(hào)就是扇區(qū)的地址，我們要確定文件在哪里全靠這個(gè)地址。扇區(qū)都有固定的大小，一般是512字節(jié)，現(xiàn)在的支持先進(jìn)格式化的硬盤都采用4096字節(jié)作為一個(gè)扇區(qū)了。從以上敘述中，我們已經(jīng)可以看到，機(jī)械硬盤要讀出數(shù)據(jù)，必須要磁頭找到對(duì)應(yīng)的磁道和扇區(qū)（對(duì)于多碟的機(jī)械硬盤首先需要確定柱面），這全部依靠磁頭的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)（磁頭本身是依靠盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流來(lái)懸

3、浮的）。馬達(dá)等等機(jī)械裝置的反應(yīng)速度畢竟不快，所以機(jī)械硬盤會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間用于尋道操作（每次尋道大約10ms左右）。尤其是對(duì)于零碎的小文件讀寫來(lái)說(shuō)，由于文件所在扇區(qū)不連續(xù)，需要不斷地要進(jìn)行尋道，這樣就產(chǎn)生很悲劇的性能。但是對(duì)于持續(xù)讀寫來(lái)說(shuō)，由于不需要進(jìn)行不斷地尋道，所以不存在尋道時(shí)間。所以機(jī)械硬盤的隨機(jī)讀寫能力很差（不超過(guò)0.1MB每秒），但是持續(xù)讀寫能力并不差（而且隨著單碟容量的提升和磁盤陣列的組建，持續(xù)讀寫速度可以比固態(tài)硬盤更快）。到這里你們或許要問(wèn)：為什么使用固態(tài)硬盤的電腦 普遍比使用機(jī)械硬盤的電腦反應(yīng)快呢？ 這是因?yàn)?，系統(tǒng)分區(qū)在日常中進(jìn)行的讀寫操作絕大部分都是隨機(jī)文件讀寫，這正是機(jī)械硬盤

4、的軟肋所在，因?yàn)闄C(jī)械硬盤在這種情況下花費(fèi)在尋道這件事上的時(shí)間非常多，其他硬件不得不停下來(lái)等待。如果你使用機(jī)械硬盤作為非系統(tǒng)盤，那么性能和固態(tài)硬盤的差別不大比如一部電影放在SSD和HDD上去播放，這個(gè)沒(méi)什么區(qū)別。提高HDD性能的方法之一是組建磁盤陣列。磁盤陣列有多種類型，而且有些陣列是為了保證數(shù)據(jù)的安全，作為自動(dòng)備份而組建的，這一類我們暫時(shí)不去談。通常用于提高性能的磁盤陣列是RAID 0.比如，使用4塊硬盤組建RAID 0之后，當(dāng)有數(shù)據(jù)從芯片組傳輸給硬盤，這個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)被自動(dòng)劃分成4部分，每個(gè)硬盤各自存儲(chǔ)一部分，這樣的話理想狀態(tài)下RAID 0下寫入速度翻倍；讀取也是類似的原理，每個(gè)硬盤各自拿出各自的

5、數(shù)據(jù)，理想狀態(tài)下讀取速度也是翻倍的。磁盤陣列：RAID 0但是RAID 0對(duì)于機(jī)械硬盤隨機(jī)讀寫并沒(méi)有什么明顯作用。所以要憑借組建RAID 0來(lái)提高系統(tǒng)盤的性能，很困難。但是RAID 0的原理卻也是應(yīng)用在我們之后要講到的SSD上的。 不得不說(shuō)的U盤2為什么要說(shuō)U盤？因?yàn)閁盤和固態(tài)硬盤是類似的結(jié)構(gòu)。這張圖是雷克沙16G的U盤拆解圖。其實(shí)U盤的最重要部件就兩個(gè)：主控制器芯片，還有NAND閃存顆粒。主控制器芯片負(fù)責(zé)與芯片組進(jìn)行通信，并且負(fù)責(zé)操作NAND顆粒；而NAND顆粒本身就是一個(gè)存儲(chǔ)器件。你可以將其理解成為很多電容器組合成的裝置。 固態(tài)硬盤的原理3這張圖是Crucial M4-CT128M4SSD

6、2固態(tài)硬盤拆解之后的電路板。對(duì)比上面的雷克沙U盤拆解圖，你發(fā)現(xiàn)了什么？沒(méi)錯(cuò)，結(jié)構(gòu)和那個(gè)U盤很像，只不過(guò)NAND閃存芯片更多而已。附上這個(gè)電路板的背面照片。重點(diǎn)是那顆DRAM緩存顆粒。除去這個(gè)顆粒之外，其他的結(jié)構(gòu)和U盤完全類似。1、NAND顆粒NAND顆粒之間的關(guān)系，類似于RAID 0。那么固態(tài)硬盤可以看做是“由U盤組成的RAID 0”。NAND是半導(dǎo)體存儲(chǔ)顆粒的一種（還有其他的種類，比如NOR（NOR的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行，應(yīng)用程序可以直接在flash閃存內(nèi)運(yùn)行,不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中）但是NOR不用在這些東西上）。至于這個(gè)顆粒的物理結(jié)構(gòu)是如何，這個(gè)暫時(shí)不用深究。我們需要關(guān)心的是NAND如何

7、存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，NAND可以視作是由很多很多個(gè)電容器組成的集成電路。NAND分為SLC（Single Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell）、TLC（Trinary-Level Cell）等等（目前只有這三種）。從名字就可以看出區(qū)別：SLC是“單層”，MLC是“雙層”，TLC是“三層”。事實(shí)上可以這樣理解：SLC是指分別將電容器的充電狀態(tài)（有電荷）和放電狀態(tài)（無(wú)電荷）視為0和1；MLC則是電荷全滿、電荷2/3、電荷1/3、無(wú)電荷這四種狀態(tài)，定義成00、01、10、11；TLC則是又增加了幾個(gè)中間值，有000至111這八種定義。那么SLC的一個(gè)Cell（一個(gè)

8、“電容器”）只能存儲(chǔ)1bit，MLC是2bit，TLC則是3bit。同時(shí)也很自然地可以明白，SLC可以很清楚地判斷一個(gè)cell里面到底是0還是1；但是MLC就不太容易判斷了，因?yàn)椴煌康碾姾杀硎静煌臄?shù)據(jù)，電荷稍有流失就會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)；TLC出錯(cuò)的幾率更大。所以從穩(wěn)定性而言，SLC最佳，MLC次之，TLC最差。另外這些Cell都是有“惰性”的，連續(xù)充電放電若干次之后就無(wú)法保存電荷了，造成數(shù)據(jù)出錯(cuò)。從這個(gè)方面而言，SLC也是最耐充放電的，MLC次之，TLC最差。所以SLC使用壽命最長(zhǎng)，MLC次之，TLC最差。就充放電速度而言，SLC最簡(jiǎn)單，速度也最快；結(jié)構(gòu)越復(fù)雜速度也越慢，所以MLC次之，TLC最慢

9、。從上一段總結(jié)出，無(wú)論是速度還是穩(wěn)定性，SLC都是最佳的選擇，MLC次之，TLC最差。但是我們也知道了同樣的一個(gè)“電容器”，SLC存儲(chǔ)的信息只有MLC的1/2，也是TLC的1/4，所以SLC的成本也是最高，而且無(wú)法做成容量很大的芯片。目前SLC的NAND產(chǎn)品大多數(shù)用于企業(yè)級(jí)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器上，民用以MLC和TLC為多。繼續(xù)講NAND。數(shù)據(jù)在NAND中不能沒(méi)有組織，否則無(wú)論什么設(shè)備都不能讀出這些數(shù)據(jù)究竟是什么。類似于機(jī)械硬盤的扇區(qū)，固態(tài)硬盤也有自己最小的文件存儲(chǔ)單位，叫做Page。目前的NAND顆粒，Page的大小并不一致，但是也只有兩種：4KB或者8KB（1KB=1024字節(jié)）。Page相當(dāng)于一

10、組規(guī)律化組合的“電容器”。機(jī)械硬盤上的文件必須占用整數(shù)個(gè)扇區(qū)；固態(tài)硬盤也是類似，任何文件占用的空間必須是整數(shù)個(gè)Page。這個(gè)與文件系統(tǒng)無(wú)關(guān)，屬于硬件層面。Page上面的一層組織是Block。128個(gè)或者256個(gè)Page組成一個(gè)Block。拿CrucialM4-CT128M4SSD2來(lái)說(shuō)，它的NAND顆粒的一個(gè)Page是4KB，128個(gè)Page組成一個(gè)Block（一組固定的規(guī)律性組合的Page），所以一個(gè)Block是512KB。上一段已經(jīng)說(shuō)過(guò)，NAND的最小寫入單位是Page，任何文件都必須占用整數(shù)個(gè)Page。這里的Block也有類似作用：任何的擦除（“電容器”放電）都必須是整數(shù)個(gè)Block。也

11、就是說(shuō)你要擦除NAND里面存儲(chǔ)的信息，每次最少擦除一個(gè)Block，也可以擦除任意整數(shù)（當(dāng)然不能是負(fù)數(shù)）個(gè)Block；但是你想擦除單獨(dú)某個(gè)Page，那么對(duì)不起，辦不到。一定數(shù)量（2的冪次方）的Block構(gòu)成更高一級(jí)的結(jié)構(gòu)Plane，然后一般是兩個(gè)Plane組成一個(gè)Die，這個(gè)就是我們看到的一個(gè)芯片了。借用一張圖來(lái)說(shuō)明NAND的組織結(jié)構(gòu)（圖中的這個(gè)NAND的Block由256個(gè)Page組成，所以一個(gè)Block是1024KB）：NAND有個(gè)特性：你要讀取NAND中的信息，那么速度會(huì)很快；但是如果你要給NAND寫入信息，尤其是NAND原有的信息需要覆蓋的時(shí)候，速度會(huì)非常非常慢。但是無(wú)論是讀還是寫，操作

12、系統(tǒng)本身甚至于電腦本身都是無(wú)法控制NAND芯片的。操作NAND芯片需要借助于主控制器芯片。主控芯片也是影響SSD性能的最重要因素之一。根據(jù)NAND的物理結(jié)構(gòu)，NAND是通過(guò)絕緣層存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。當(dāng)你要寫入數(shù)據(jù)，需要施加電壓并形成一個(gè)電場(chǎng)，這樣電子就可以通過(guò)絕緣體進(jìn)入到存儲(chǔ)單元，此時(shí)完成寫入數(shù)據(jù)。如果要?jiǎng)h除存儲(chǔ)單元(數(shù)據(jù))，則要再次施加電壓讓電子穿過(guò)絕緣層，從而離開存儲(chǔ)單元。所以，NAND閃存在重新寫入新數(shù)據(jù)之前必須要?jiǎng)h除原來(lái)數(shù)據(jù)。NAND FLASH的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存原理閃存的存儲(chǔ)單元為三端器件，與場(chǎng)效應(yīng)管有相同的名稱：源極、漏極和柵極。柵極與硅襯底之間有二氧化硅絕緣層，用來(lái)保護(hù)浮置柵極中的電荷不會(huì)泄漏。采用這種結(jié)構(gòu)，使得存儲(chǔ)單元具有了電荷保持能力，就像是裝進(jìn)瓶子里的水，當(dāng)你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以閃存具有記憶能力。2、主控芯片任何存儲(chǔ)設(shè)備都有主控制器芯片的，否則主板南橋芯片（或者intel現(xiàn)在使用的單芯片組）無(wú)法直接與存儲(chǔ)層進(jìn)行通信。從開篇講