机械硬盘 固态硬盘 读写原理

机械硬盘

　　磁盘结构图：

　　　　

　　一个磁盘磁盘里面有一到多个盘片，盘片可以可以单面或者双面的。单面盘片只有一个面有磁头，双面盘片，两个面都有磁头。多盘片，双盘面的磁盘，是协同工作的，这时候他们机械臂的位置相同，盘面相对位置恒定，理论上多盘片之间可以相互【配合共同读写，但是查询了多资料，都没有先关的记录，多盘片的硬盘，也并不会成倍的提升读写性能，大概只能归结于工艺原因，并不能做到多盘片协同工作。

 

 

 　　磁盘被划分成一个一个圆环，每一个圆环就是一个磁道，圆环上的一段就是扇区，一个扇区模默认大小是512字节，也就是 0.5KB。如下图，我们格式化硬盘的时候，可以指定分配单元大小，理论上一个分配单元最小值就是一个扇区。

　　操作系统的分配单元大小叫做蔟，一个蔟由一到多个连续扇区组成，一个文件只能被连续的存储在一个或者多个蔟里面。比如我4K对齐(操作系统指定1个蔟由8个扇区构成)，那么我即便有的文件只有1个字节，那么它也会占用4K的存储空间。

　　有时候我们文件显示存储空间是0，这是操作系统优化的结果，太小的文件，占用一个蔟太浪费，我们可以公用区域老存放，这个文件知道在大一点，或者公共区域放不下了，就会直接分配单独的一个蔟存储。

　　

　　　　                        

 

 

　　

　　磁盘读写过程：

　　　　1.通过地址确定需要读取的数据所在的磁道，和扇区。

　　　　2.机械摆臂移动磁头到指定磁道位置（等待机械结构移动）

　　　　3.等到磁盘扇区转到到磁头位置开始读取（等待机械结构转动）

　　　　4.如果数数据是在相邻扇区，或者相邻的蔟，那么就能连续的读取，这种叫做顺序读取

　　　　5 .如果所需数据位于不同扇区，不同磁道，那么需要不断移动机械臂，和等待磁盘转动到指定扇区。这种就是随机读写。

 

　　　　机械硬盘随机读写慢的原因,2次等待机械机构移动到指定位置。摆臂移动时间大概是6-8毫秒，7200转的硬盘一秒钟转120圈，每圈时间8.3毫秒，平均半圈是4 毫秒的样子。所以7200转的机械银盘随机读取的平均延时在10多毫秒。

　　　　机械硬盘顺序读写速度比随机读写快80倍以上，差异巨大。

　　　　

　　　　

 

 　　叠瓦盘：

　　　　受限于磁头工艺，写磁头比读磁头要大，不能做的和写磁头一样小。读磁头只要磁道环中间一小块环就能读取数据，写磁头会磁化整个磁道。磁道两边额空间被浪费。

　　　　不能减少写磁头的大写(或者说磁化区域的大小)，那就把相邻的磁道两边没有被读但是又被写了的磁区重叠起来。这样对读完全没有影响，只是写的时候会把下一个磁道也磁化了，为了解决这种问题，只能把下一个磁道的数据缓存起来，等上一个磁道写完，在写回去，然后没隔一定数量磁道，就有一个不是跌磁道的间隔，这样知道出现这样间隔位置，都需要缓存然后一次写，多写入了很次次数据，写入效率大幅度下降。而且在工艺没有进步的基础上通过取巧带来额容量提示，不仅牺牲了写入效率，而且数据密度更高，数据间的影响更大，出问题概率更高，我之前买过一个2TB 的叠瓦盘，不到一年就坏了。这种叠瓦盘容量翻倍，缓存也会真加很多(为了缓存误写才多出来的缓存)，价格却只比TB的贵一点点，很容易吸引消费者买个大的，更容易卖出去。

 

　　　　为了数据安全，建议大家谨慎购买叠瓦盘。

 

 　　　　

 

 

 

 

　　硬盘的转速是很定吗?

　　　　1.恒定角速度，转速很定（老硬盘是这样的）

　　　　2.恒定扇区线速度，转速不恒定，也就是每个磁道的转速都不一样。

　　　　3.分区恒定角速度，比如0-100磁道速度是7200转，100-200，是7400转，磁道越高，转速越快。但是速度不是一磁道来控制的，而是一个区域的磁道都是同样的转速。

　　　　　　

　　　　　　整个磁盘都用恒定的速度，外围磁道数据就会比较稀疏，有大量的浪费，这种磁盘每个磁道的扇区数量是一样的，相对来说最外围的磁道最安全，因为数据密度低，收到磁化干扰比较小。

　　　　　　圆周率是3.14，半径增加一倍，周周增加3.14 倍,为了充分的利用外围的存储空间，可以给外围磁道划分更多额扇区，并且给与更低转速。这样的结果就是外围磁道数据相对来说读取效率变低，外围磁道转速低了，读取速度自然就慢了。

 

 　　

　　串口磁盘和并口磁盘的区别是什么，那个速度快?

　　　　并口磁盘，10多面的老接口，现在已经弃用，他的数据是并行，但是它依旧比串行的慢，原因在于多路数据同时传输会有相互干扰，一串行8为了，因为相互干扰，频率达到一定程度就上不去了。并口盘的频率只能达到100Mbps，即便它8路数据，依旧只有800Mbps，串口盘，没有多路相互干扰，频率可以做的很高，现在一般能做到6Gbps，即便只能串行，因为频率搞了，传输速也远高于并口，老的并口现在应该已经见不到，笔者重来没有见过。现在sata3 硬盘已经有逐步被走 NVMe 协议的 M2 接口替代的趋势。

　　　　

　　　　目前的 stata 3接口就是并口：并口是触电形式的。

　　　　　　

 

 

 

 

 

 

　　　　老的并口硬盘接口：如图，串口是针脚形式的

　　　　　　　　

 

 

　　　　

 

　　　　

 

 

固态硬盘：

　　　

　　　　固态银盘结构图：

　　　　　　

 

　　　　在浮姗晶体管的上面加高电压，电子穿透隧穿层，被卡在绝缘层和隧穿层之间，D-S中通电没有足够的电子就不会联通

　　　　在浮姗晶体管的下面加高电压，点穿透隧穿层到达下方，D-S中加电压，有足够电子，就会联通。

　　　　

　　　　固态硬盘的写入寿命限制，是因为隧穿层被电子仿佛通过，漏了，不能在把电子锁定在绝缘层和隧穿层中间。

 

　　　　固态硬盘都是电子移动，随机读写效率远高于机械硬盘。

　　　　

　　　　但是和顺序读写比起来，固态硬盘的随机读写慢不了多少，随件写入效率略微降低，随机读取能力也就下降一半左右。

 

 　　　 固态硬盘写入数据前西药对齐，所以哟独特的trim指令。文件删除以后，操作系统会挑选空余时间自动执行trim，而不是下次使用的时候再对齐，机械硬盘不需要对齐，直接覆盖就行了。所以机械硬盘的数据在没有覆盖之前都是可以回复了，固态硬盘一般一般在回收站里面删除以后很快就执行了trim命令，几乎不能在恢复数据了。

 

 

　　　　USB 接口速度参考：

　　　　　

 

 

 

 

　　　　 所以我们买的移动固态硬盘如果是PCIE协议，那么使用USB3.1接口是不能发挥其性能的，要发挥其性能至少需要 USB3.2甚至更高。

 

　　　　多个走PICE总线的高速固态硬盘的顺序读写能力是可以接近内存的，但是磁盘阵列多随机读写几乎没有提升，所以随机读写能力，远低于硬盘。

　　　　　　　　如raido为例，我们读取一个1G的 文件，两个磁盘同时读，每个读取512G，然后把文件合并起来，就完成了。如果我们要读1000个文件，那么需要每个磁盘读100次，然后再合起来，这里面最大的时间占用在于找文件，和合并文件，几乎没有性能提升。