硬盤結構（機械硬盤和固態硬盤）詳解

2024-08-27 23:56:50

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在 linux 系統中，文件系統是創建在硬盤上的，因此，要想徹底搞清楚文件系統的管理機制，就要從了解硬盤開始。

硬盤是計算機的主要外部存儲設備。計算機中的存儲設備種類非常多，常見的主要有光盤、硬盤、U 盤等，甚至還有網絡存儲設備 SAN、NAS 等，不過使用最多的還是硬盤。

如果從存儲數據的介質上來區分，硬盤可分為機械硬盤（Hard Disk Drive, HDD）和固態硬盤（Solid State Disk, SSD），機械硬盤采用磁性碟片來存儲數據，而固態硬盤通過閃存顆粒來存儲數據。

機械硬盤(HDD)

我們先來看看最常見的機械硬盤。機械硬盤的外觀大家可能都見過，那么機械硬盤拆開后是什么樣子的呢？如圖 1 所示。

圖 1 機械硬盤結構
機械硬盤主要由磁盤盤片、磁頭、主軸與傳動軸等組成，數據就存放在磁盤盤片中。大家見過老式的留聲機嗎？留聲機上使用的唱片和我們的磁盤盤片非常相似，只不過留聲機只有一個磁頭，而硬盤是上下雙磁頭，盤片在兩個磁頭中間高速旋轉，類似圖 2。

圖 2 磁盤盤片
也就是說，機械硬盤是上下盤面同時進數據讀取的。而且機械硬盤的旋轉速度要遠高于唱片（目前機械硬盤的常見轉速是 7200 r/min），所以機械硬盤在讀取或寫入數據時，非常害怕晃動和磕碰。另外，因為機械硬盤的超高轉速，如果內部有灰塵，則會造成磁頭或盤片的損壞，所以機械硬盤內部是封閉的，如果不是在無塵環境下，則禁止拆開機械硬盤。

機械硬盤的邏輯結構

我們已經知道數據是寫入磁盤盤片的，那么數據是按照什么結構寫入的呢？機械硬盤的邏輯結構主要分為磁道、扇區和拄面。我們來看看圖 3。

圖 3 磁道和扇區
什么是磁道呢？每個盤片都在邏輯上有很多的同心圓，最外面的同心圓就是 0 磁道。我們將每個同心圓稱作磁道（注意，磁道只是邏輯結構，在盤面上并沒有真正的同心圓）。硬盤的磁道密度非常高，通常一面上就有上千個磁道。但是相鄰的磁道之間并不是緊挨著的，這是因為磁化單元相隔太近會相互產生影響。

那扇區又是十么呢？扇區其實是很形象的，大家都見過折疊的紙扇吧，紙扇打開后是半圓形或扇形的，不過這個扇形是由每個扇骨組合形成的。在磁盤上每個同心圓是磁道，從圓心向外呈放射狀地產生分割線（扇骨），將每個磁道等分為若干弧段，每個弧段就是一個扇區。每個扇區的大小是固定的，為 512Byte。扇區也是磁盤的最小存儲單位。

柱面又是什么呢？如果硬盤是由多個盤片組成的，每個盤面都被劃分為數目相等的磁道，那么所有盤片都會從外向內進行磁道編號，最外側的就是 0 磁道。具有相同編號的磁道會形成一個圓柱，這個圓柱就被稱作磁盤的柱面，如圖 4 所示。

圖 4 柱面
硬盤的大小是使用"磁頭數 x 柱面數 x 扇區數 x 每個扇區的大小"這樣的公式來計算的。其中，磁頭數（Heads）表示硬盤共有幾個磁頭，也可以理解為硬盤有幾個盤面，然后乘以 2；柱面數（Cylinders）表示硬盤每面盤片有幾條磁道；扇區數（Sectors）表示每條磁道上有幾個扇區；每個扇區的大小一般是 512Byte。

硬盤的接口

機械硬盤通過接口與計算機主板進行連接。硬盤的讀取和寫入速度與接口有很大關系。大家都見過大禮堂吧，大禮堂中可以容納很多人，但是如果只有一扇很小的門，那么人是很難進入或出來的，這樣會造成擁堵，甚至會出現事故。機械硬盤的讀取和寫入也是一樣的，如果接口的性能很差，則同樣會影響機械硬盤的性能。

目前，常見的機械硬盤接口有以下幾種：

IDE 硬盤接口（Integrated Drive Eectronics，并口，即電子集成驅動器）也稱作 "ATA硬盤" 或 "PATA硬盤"，是早期機械硬盤的主要接口，ATA133 硬盤的理論速度可以達到 133MB/s（此速度為理論平均值），IDE 硬盤接口如圖 5 所示。

圖 5 IDE硬盤接口

SATA 接口（Serial ATA，串口），是速度更高的硬盤標準，具備了更高的傳輸速度，并具備了更強的糾錯能力。目前已經是 SATA 三代，理論傳輸速度達到 600MB/s（此速度為理論平均值），如圖 6 所示。

圖 6 SATA硬盤接口

SCSI 接口（Small Computer System Interface，小型計算機系統接口），廣泛應用在服務器上，具有應用范圍廣、多任務、帶寬大、CPU 占用率低及熱插拔等優點，理論傳輸速度達到 320MB/s，如圖 7 所示。

圖 7 SCSI硬盤接口

固態硬盤（SSD）

固態硬盤和傳統的機械硬盤最大的區別就是不再采用盤片進行數據存儲，而采用存儲芯片進行數據存儲。固態硬盤的存儲芯片主要分為兩種：一種是采用閃存作為存儲介質的；另一種是采用DRAM作為存儲介質的。目前使用較多的主要是采用閃存作為存儲介質的固態硬盤，如圖 8 所示。

圖 8 固態硬盤
固態硬盤和機械硬盤對比主要有以下一些特點，如表 1 所示。

表 1 固態硬盤和機械硬盤對比
對比項目	固態硬盤	機械硬盤
容量	較小	大
讀/寫速度	極快	—般
寫入次數	5000?100000 次	沒有限制
工作噪聲	極低	有
工作溫度	極低	較高
防震	很好	怕震動
重量	低	高
價格	高	低