機械硬盤(HDD)與固態(tài)硬盤(SSD)講解

機械硬盤（HDD） 最小組成單元是扇區(qū)

硬盤結(jié)構(gòu)

硬盤工作原理

起初，讀/寫磁頭?？吭诒P片在主軸附件的一個特殊區(qū)域，啟停區(qū)。

主軸連接所有盤片，并連接到一個馬達(dá)上。主軸電機以恒定的速度旋轉(zhuǎn)，帶動盤片旋轉(zhuǎn)。

主軸旋轉(zhuǎn)時，讀/寫磁頭和盤片間有個很微小的空氣間隙，稱磁頭飛行高度。

讀/寫磁頭被安裝在磁頭臂頂端，磁頭臂帶動磁頭移動到需要被寫入或取出數(shù)據(jù)的盤片位置上方。

磁頭在硬盤表面以二進(jìn)制的形式讀寫數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)儲存在硬盤的flash芯片中，最后傳到程序中運行。

注意

盤片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，控制電路控制盤片高速旋轉(zhuǎn)，磁頭臂控制磁頭進(jìn)行讀/寫（每個盤片有兩個讀寫磁頭，分別位于兩個表面）

盤片轉(zhuǎn)速以RPM為單位，現(xiàn)在企業(yè)一般用的是10K~15K（此時硬盤一般是在真空中運行的）

盤片上有盤面（兩面），盤面上有磁道，磁道上有扇區(qū)。

數(shù)據(jù)寫入是按照柱面縱向?qū)懭氲模ㄏ鹊谝豢v，然后第二縱這樣）

為什么縱向讀寫

讀寫時需要確定在哪個磁道讀寫數(shù)據(jù)（尋道時間）+ 確定磁道后確定哪個扇區(qū)（旋轉(zhuǎn)時延）+ 數(shù)據(jù)讀寫傳輸?shù)臅r間

縱向讀寫的話在物理上（尋道時間+旋轉(zhuǎn)時延）花費的時間要少一點

硬盤上的數(shù)據(jù)組織

盤面：硬盤的每一個盤片都有兩個盤面，每個盤面都能存儲數(shù)據(jù)，成為有效盤片。

每一個有效盤面都有一個盤面號，按從上到小的順序從0開始依次編號。

在硬盤系統(tǒng)中，盤面號又叫磁頭號，因為每一個有效盤面都有一個對應(yīng)的讀寫磁頭。

磁道（Track）：磁道是在盤片上圍繞在主軸周圍的同心環(huán)，數(shù)據(jù)被記錄在磁道上。

磁道從最外圈向內(nèi)圈從0開始順序編號。

硬盤的每一個盤面有300~1024個磁道，新式大容量硬盤每面的磁道數(shù)更多，通常用盤片上每英寸的磁道數(shù)（TPI，也稱磁道密度）來衡量盤片上磁道排列的緊密程度。

磁道是肉眼看不見的，只是盤面上以特殊形式磁化了的一些磁化區(qū)。

柱面（Cylinder）：在同一個硬盤中所有盤片（包含上下兩個盤面）具有相同編號的磁道形成一個圓柱，稱之為硬盤的柱面。

每個柱面上的磁頭由上而下從0開始編號，數(shù)據(jù)的讀寫按柱面進(jìn)行。

即磁頭讀寫數(shù)據(jù)時先在同一柱面內(nèi)從0磁頭開始進(jìn)行操作，依次往下在同一柱面的不同盤面（即磁頭）上進(jìn)行操作。

只有同一柱面所有的磁頭全部讀寫完成后磁頭才轉(zhuǎn)移到寫一個柱面，因為選取磁頭只需通過電子切換即可，而選取柱面?zhèn)缺仨毻ㄟ^機械切換，即尋道。

通常硬盤中磁頭的位置由柱面號來說明，而不是用磁道號來說明。

扇區(qū)（Sector）：每個磁道被分為更小的單位，稱為扇區(qū)，劃分扇區(qū)的目的是為了使數(shù)據(jù)存儲更加條理化。

扇區(qū)是硬盤中可以單獨尋址的最小存儲單元。不同硬盤磁道的扇區(qū)數(shù)可以不同。

通常情況下，一個扇區(qū)可以保存512字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)，但也有一些硬盤可以被格式化為更大的扇區(qū)大小，如4KB扇區(qū)。

硬盤指標(biāo)

硬盤容量

硬盤容量=柱面數(shù)*磁頭數(shù)*扇區(qū)數(shù)*扇區(qū)大小，單位為MB或GB

影響硬盤容量的因素有單碟容量和碟片數(shù)量。

硬盤緩存

為解決硬盤在讀寫數(shù)據(jù)時CPU的等待問題，在硬盤上設(shè)置適當(dāng)?shù)母咚倬彺?/p>

平均訪問時間

平均尋道時間：指硬盤的磁頭從初始位置移動到盤面指定磁道所需的時間（越小越好）

平均等待時間：指磁頭已處于要訪問的磁道，等待所要訪問的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)至磁頭下方的時間（越小越好）

數(shù)據(jù)傳輸速率

內(nèi)部傳輸速率：指理情況下磁頭讀寫硬盤時的最高速率

外部傳輸速率/接口傳輸速率：它指的是系統(tǒng)總線與硬盤緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，與硬盤接口類型和硬盤緩存的大小有關(guān)。

硬盤IOPS和傳輸帶寬

IOPS：每秒的輸入輸出量（讀寫次數(shù)）；理論上可以計算出硬盤的最大IOPS，即IOPS=1000ms/（尋道時間+旋轉(zhuǎn)延遲）

傳輸帶寬（吞吐量）：單位時間成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量

并行傳輸和串行傳輸

并行：傳輸效率高，但是傳輸距離不長，傳輸頻率不高；（一般10多米左右）

串行：傳輸速率不高，但是可以通過傳輸頻率來提高整體傳輸速度（隨意一般串行比并行的傳輸速率要高）

影響性能的因素

固態(tài)硬盤（SSD） 最小存儲單元是Cell

SSD的特點

使用flash技術(shù)存儲信息，數(shù)據(jù)傳輸速度比HDD快

內(nèi)部沒有機械結(jié)構(gòu)因此耗電量更小、散熱小、噪音小

SSD盤使用壽命受擦寫次數(shù)影響（硬盤最小組成單元Cell不斷擦寫，當(dāng)擦寫次數(shù)達(dá)到極限后，就不能繼續(xù)讀寫數(shù)據(jù)了）

SSD架構(gòu)

SSD主要是由存儲單元（主要是閃存顆粒）和控制單元組成

控制單元：SSD控制器、主機接口、DRAM等

SSD控制器：負(fù)責(zé)主機到后端介質(zhì)的讀寫訪問和協(xié)議轉(zhuǎn)換，表項管理、數(shù)據(jù)緩存及校驗等，是SSD的核心部件。

主機接口：主機訪問SSD的協(xié)議和物理接口，如SATA、SAS和PCIe。

DRAM：FTL（Flash translation layer，閃存轉(zhuǎn)換層）表項和數(shù)據(jù)的緩存，以提供數(shù)據(jù)訪問性能。

存儲單元：NAND FLASH 顆粒

NAND FLASH：數(shù)據(jù)存儲的物理器件，是一種非易失性隨機訪問存儲介質(zhì)。

多通道并發(fā)，通道內(nèi)Flash顆粒復(fù)用時序。支持TCQ/NCQ，一次響應(yīng)多個IO請求。

NAND Flash

NAND 閃存顆粒采用浮柵晶體管存儲數(shù)據(jù)

內(nèi)部存儲單元組成包括：LUN、Plane、Block、Page、Cell

LUN：能夠獨立封裝的最小物理單元，通常包含多個plane

Plane：擁有獨立的Page寄存器，通常包含1K或2K奇數(shù)Block或偶數(shù)Block

Block：能夠執(zhí)行擦除操作的最小單元，通常由多個Page組成

Page：能夠執(zhí)行編程和讀操作的最小單元，通常大小為16KB

Cell：Page中的最小操作擦寫讀單元，對應(yīng)一個浮柵晶體管，可以存儲1bit或多bit

對NAND Flash的讀寫數(shù)據(jù)的操作主要涉及擦除（Erase）、編程（Program）和讀（Read）

Nand flsh為非易失性介質(zhì)，在寫入新數(shù)據(jù)之前必須保證Block被擦除過，對Block擦除一次后再寫入一次稱為一次P/E Cycle

閃存介質(zhì)

NAND Flash顆粒根據(jù)Cell存儲不同的bit數(shù)據(jù)位分為不同的閃存介質(zhì)（主要有四種）

地址映射管理

主機通過LBA訪問SSD，SSD主控通過FTL閃存轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為PBA進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取

LBA：Logical Block Address，邏輯區(qū)塊地址

可以指某個數(shù)據(jù)區(qū)塊的地址或者某個地址上所指向的數(shù)據(jù)區(qū)塊。

PBA：Physics Block Address，物理區(qū)塊地址

FTL閃存轉(zhuǎn)換層

基本概念

FTL起著翻譯官的作用，它將Host(電腦、手機等)發(fā)送至Device(eMMC、SSD)的邏輯地址轉(zhuǎn)換為寫入Flash的物理地址(地址映射管理)。

工作原理

Host給定一個邏輯地址，F(xiàn)TL根據(jù)這個邏輯地址在邏輯映射表上建立映射關(guān)系，連接到Flash上的物理地址。

一般來說，F(xiàn)TL將邏輯地址處理后，建立的映射關(guān)系包含了Flash的Block編號、Page編號等，數(shù)據(jù)讀取時便根據(jù)這些信息在Flash對應(yīng)的位置上找到數(shù)據(jù)，傳輸至Host。

審核編輯：湯梓紅