機械硬盤(HDD)與固態硬盤(SSD)講解

機械硬盤（HDD） 最小組成單元是扇區

硬盤結構

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域，啟停區。

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

主軸旋轉時，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據的盤片位置上方。

磁頭在硬盤表面以二進制的形式讀寫數據，讀取的數據儲存在硬盤的flash芯片中，最后傳到程序中運行。

注意

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

盤片轉速以RPM為單位，現在企業一般用的是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。

數據寫入是按照柱面縱向寫入的（先第一縱，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據（尋道時間）+ 確定磁道后確定哪個扇區（旋轉時延）+ 數據讀寫傳輸的時間

縱向讀寫的話在物理上（尋道時間+旋轉時延）花費的時間要少一點

硬盤上的數據組織

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據，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。

在硬盤系統中，盤面號又叫磁頭號，因為每一個有效盤面都有一個對應的讀寫磁頭。

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

磁道從最外圈向內圈從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更多，通常用盤片上每英寸的磁道數（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。

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，數據的讀寫按柱面進行。

即磁頭讀寫數據時先在同一柱面內從0磁頭開始進行操作，依次往下在同一柱面的不同盤面（即磁頭）上進行操作。

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，而選取柱面側必須通過機械切換，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（Sector）：每個磁道被分為更小的單位，稱為扇區，劃分扇區的目的是為了使數據存儲更加條理化。

扇區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數可以不同。

通常情況下，一個扇區可以保存512字節的用戶數據，但也有一些硬盤可以被格式化為更大的扇區大小，如4KB扇區。

硬盤指標

硬盤容量

硬盤容量=柱面數*磁頭數*扇區數*扇區大小，單位為MB或GB

影響硬盤容量的因素有單碟容量和碟片數量。

硬盤緩存

為解決硬盤在讀寫數據時CPU的等待問題，在硬盤上設置適當的高速緩存

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旋轉至磁頭下方的時間（越小越好）

數據傳輸速率

內部傳輸速率：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：它指的是系統總線與硬盤緩沖區之間的數據傳輸率，與硬盤接口類型和硬盤緩存的大小有關。

硬盤IOPS和傳輸帶寬

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

傳輸帶寬（吞吐量）：單位時間成功傳輸的數據數量

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

固態硬盤（SSD） 最小存儲單元是Cell

SSD的特點

使用flash技術存儲信息，數據傳輸速度比HDD快

內部沒有機械結構因此耗電量更小、散熱小、噪音小

SSD盤使用壽命受擦寫次數影響（硬盤最小組成單元Cell不斷擦寫，當擦寫次數達到極限后，就不能繼續讀寫數據了）

SSD架構

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：負責主機到后端介質的讀寫訪問和協議轉換，表項管理、數據緩存及校驗等，是SSD的核心部件。

主機接口：主機訪問SSD的協議和物理接口，如SATA、SAS和PCIe。

DRAM：FTL（Flash translation layer，閃存轉換層）表項和數據的緩存，以提供數據訪問性能。

存儲單元：NAND FLASH 顆粒

NAND FLASH：數據存儲的物理器件，是一種非易失性隨機訪問存儲介質。

多通道并發，通道內Flash顆粒復用時序。支持TCQ/NCQ，一次響應多個IO請求。

NAND Flash

NAND 閃存顆粒采用浮柵晶體管存儲數據

內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Block或偶數Block

Block：能夠執行擦除操作的最小單元，通常由多個Page組成

Page：能夠執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，對應一個浮柵晶體管，可以存儲1bit或多bit

對NAND Flash的讀寫數據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，在寫入新數據之前必須保證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

NAND Flash顆粒根據Cell存儲不同的bit數據位分為不同的閃存介質（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閃存轉換將其轉換為PBA進行數據讀取

LBA：Logical Block Address，邏輯區塊地址

可以指某個數據區塊的地址或者某個地址上所指向的數據區塊。

PBA：Physics Block Address，物理區塊地址

FTL閃存轉換層

基本概念

FTL起著翻譯官的作用，它將Host(電腦、手機等)發送至Device(eMMC、SSD)的邏輯地址轉換為寫入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，FTL根據這個邏輯地址在邏輯映射表上建立映射關系，連接到Flash上的物理地址。

一般來說，FTL將邏輯地址處理后，建立的映射關系包含了Flash的Block編號、Page編號等，數據讀取時便根據這些信息在Flash對應的位置上找到數據，傳輸至Host。

審核編輯：湯梓紅