硬盘驱动器 (HDD) 存储架构

1. 简介

硬盘驱动器 (Hard Disk Drive，简称HDD) 是一种常见的持久性存储设备。它使用磁盘作为存储介质，通过旋转磁盘和移动读写头来读取和写入数据。本文将详细介绍 HDD 的存储架构，包括内部组件、工作原理和数据组织方式。

2. HDD基础知识

2.1 HDD的基本构造

1. 磁盘：硬盘中最重要的部分就是磁盘，它是由一个或多个金属盘片组成的。每个盘片上都有两个表面，可以被读写头访问。磁盘在主轴电机的驱动下高速旋转，旋转速度通常在每分钟5400到15000转之间。
2. 读写头：读写头位于磁盘上方，由一个或多个磁头组成。每个磁头都有一个写入线圈和一个读取线圈，它们可以感应和改变磁盘表面的磁场。读写头通过悬浮在磁盘表面上的气垫来保持与磁盘之间的微小距离，以避免接触和损坏磁盘表面。
3. 磁头臂：磁头臂是一个机械结构，它连接着读写头和主轴电机。磁头臂可以在磁盘表面的不同位置之间移动，以便访问不同的磁道。磁头臂的运动由音圈电机（VCM）控制，它可以根据需要精确地移动磁头臂的位置。
4. 主轴电机：主轴电机是硬盘的核心组件之一，它负责驱动磁盘高速旋转。主轴电机通常采用无刷直流电机（BLDC）或感应电机（IM）技术，以确保高速旋转的稳定性和可靠性。
5. 控制器：硬盘控制器是硬盘的大脑，它负责处理所有的数据传输和磁盘操作。控制器通过控制磁头臂的运动、读写头的操作以及数据的传输，来实现对硬盘的访问和管理。
6. 缓存：缓存是硬盘上的高速存储器，用于临时存储要写入磁盘的数据或从磁盘读取的数据。缓存可以提高硬盘的读写性能，减少数据传输的时间。
7. 外壳：硬盘的外壳保护着内部的组件，并提供了一个防尘、防潮的环境。外壳通常由金属或塑料制成，并设计有通风孔以帮助散热。

2.2 存储容量的计算

HDD存储容量的计算通常基于以下公式： 硬盘容量 = 磁道数 × 扇区数 × 每扇区字节数 其中，磁道数是硬盘盘面上的同心圆形轨道的数量，扇区数是每个磁道上划分的区域数量，每扇区字节数是每个扇区可以存储的字节数。

以5400 RPM 、1TB的SATA硬盘为例，其物理结构如下：

1. 盘片：硬盘通常有两个或三个盘片，每个盘片表面都有一层磁性材料。
2. 磁道：每个盘片上有若干个同心圆形轨道，这些轨道被称为磁道。
3. 扇区：每个磁道上又划分为若干个区域，这些区域被称为扇区。
4. 磁头：硬盘内部有一个或多个磁头，用于读取和写入数据。
5. 柱面：每个盘片上的所有磁道形成一个圆柱面，这个圆柱面被称为柱面。 根据上述物理结构，我们可以计算出硬盘的存储容量。假设一个硬盘有2个盘片，每个盘片有1000个磁道，每个磁道有100个扇区，每个扇区可以存储512字节的数据，那么这个硬盘的存储容量为： 硬盘容量 = 2 × 1000 × 100 × 512 = 10,485,760,000字节 换算成GB，则为： 硬盘容量 = 10,485,760,000 / 1024 / 1024 / 1024 = 931.5 GB 需要注意的是，硬盘的实际可用容量通常会小于标称容量，因为硬盘制造商通常会预留一部分空间用于坏块替换、文件系统管理等用途。此外，硬盘的存储容量还会受到其他因素的影响，如磁头寻道时间、旋转延迟、数据传输速率等。

HDD标称容量与实际容量不一致的原因：

主要是由于厂家和计算机的计算方式不同所导致的。硬盘厂家是按照10进制计算，而计算机是按照2进制计算。换算规则的不同，导致实际容量会小于标称容量。以1TB硬盘为例，硬盘厂商按照1MB＝1000KB，1GB＝1000MB计算的容量为100000000000字节，而操作系统采用二进制算法1MB＝1024KB，1GB＝1024MB计算的实际容量为931.32GB。因此，产品显示的容量与标称容量之间存在一定的差异。

2.3 HDD的接口类型

按照指令集分，可以分为：

1、基于ATA指令集的IDE接口（基本退出市场）和SATA接口；

• IDE即ATA（Integrated Drive Electronics）接口是一种较早的硬盘接口类型，它通常用于连接IDE接口的硬盘、光驱、DVD/CD读写器等设备。IDE接口在台式机中广泛使用，但现在已经被SATA接口所取代。IDE硬盘的读写性能一般介于50MB/s到100MB/s之间，IOPS约为50-100。 服务器不常用原因：：随着CPU时钟频率和内存带宽的不断提升,其接口协议PATA(ParaleATA)逐渐是现出不足来。一方面，硬盘制造技术的成熟使ATA硬盘的单位价格逐渐降低,另一方面,由于采用并行总线接口,传输数据和信号的总线是复用的,因此传输速率会受到一定的限制。如果要提高传输的速率，那么传输的数据和信号往往会产生干扰，从而导致错误。

• SATA是串行ATA的缩写（Serial Advanced Technology Attachment）接口是目前最常用的硬盘接口类型。SATA接口有多种版本，最初的SATA接口传输速率为1.5Gbps，而SATA 2.0的传输速率为3.0Gbps，SATA 3.0的传输速率则提高到了6.0Gbps。这种接口类型可以用于连接硬盘、光驱、DVD/CD读写器等设备，因此广泛用于台式机和笔记本电脑中。SATA接口的优势在于其传输速率较快，而且支持热插拔。此外，SATA接口还具有较小的接口尺寸，这使得硬盘的安装变得更加简便。SATA硬盘的读写性能一般介于100MB/s到200MB/s之间，IOPS约为100-200。——服务器使用比较多

2、基于SCSI（小型计算机系统接口）指令集的并行SCSI 接口、串行SCSI（SAS）接口、串行FC接口（FCP）

• SAS，即串行连接SCSI（Serial Attached SCSI）接口是一种新型的硬盘接口类型，它是SCSI接口的一种变体。SAS硬盘是一种高性能的机械硬盘，其接口标准为SAS（向下兼容SATA），支持SAS1、SAS2、SAS3三种不同的传输速率。SAS硬盘的读写性能一般介于150MB/s到300MB/s之间，IOPS约为150-300。由于SAS接口支持多个设备的连接，因此它通常用于数据中心和服务器等需要高可靠性和高性能的场合。此外，SAS接口还支持错误检测和纠正功能，可以帮助减少数据传输中的错误和丢失。——服务器使用比较多

• SCSI（Small Computer System Interface）是一种专门为小型计算机系统设计的存储单元接口模式，可以对计算机中的多个设备进行动态分工操作，对于系统同时要求的多个任务可以灵活机动的适当分配，动态完成。 SCSI从最初的SCSI（8bit）发展到今天的Ultra 320 SCSI，速度从1.2MB/s到现在的320MB/s，有了质的飞跃，目前的主流SCSI硬盘都采用了Ultra 320 SCSI接口。SCSI硬盘也有专门支持热拔插技术的接口，与SCSI背板配合使用，可实现硬盘的热拔插。

服务器不常用原因：它出现的原因主要是因为原来的IDE接口的硬盘转速太慢，传输速率太低，因此高速的SCSl硬盘出现。其实SCSI并不是专为硬盘设计的，实际上它是一种总线型接口。独立于系统总线工作。

• FCP即串行FC接口。光纤通道的英文拼写是Fibre Channel。

服务器不常用原因：和SCIS接口一样光纤通道最初也不是为硬盘设计开发的接口技术，是专门为网络系统设计的，但随着存储系统对速度的需求，才逐渐应用到硬盘系统中。光纤通道硬盘是为提高多硬盘存储系统的速度和灵活性才开发的，它的出现大大提高了多硬盘系统的通信速度。它以点对点（或是交换）的配置方式在系统之间采用了光缆连接。

补充：

并行接口，指的是并行传输的接口，比如有0~9十个数字，用10条传输线，那么每根线只需要传输一位数字，即可完成。从理论上看，并行传输效率很高，但是由于线路上的物理原因，它的传输频率不能太高，所以实际的传输速度并不和并行度成正比，甚至可能更差。

串行接口，指的是串行传输的接口，同样是0~9十个数字，用1条传输线，那么需要传输10次，才可以完成。从理论上看，串行传输效率不高，但是由于它的数据准确性，高频率的支持，使得传输速度可以很高。

2.4 HDD尺寸

主流的硬盘中，有3.5寸和2.5寸2种，不同硬盘厂商的外形尺寸都在公差范围内，差异极小。

3.5寸：LFF，长*宽=147mm*101.85mm，企业级3.5寸硬盘的厚度一般为26.1mm 。

2.5寸：SFF，长*宽= 100.45mm*69.85mm ，企业级2.5寸硬盘的厚度一般为15mm 。

3. HDD工作原理

3.1 HDD磁性原理简介

硬盘驱动器的工作原理基于磁性材料的性质。当磁盘旋转时，读写头可以在磁盘表面移动，访问不同的磁道。当读写头检测到磁盘表面的磁信号时，它会将磁信号转换为电信号，然后传输回控制器。控制器再将电信号转换为计算机可以理解的数据格式。

3.2 访盘请求完整过程

当需要从磁盘读取数据时，系统会将数据逻辑地址传给磁盘，磁盘的控制电路按照寻址逻辑将逻辑地址翻译成物理地址，即确定要读的数据在哪个磁道，哪个扇区。

为了读取这个扇区的数据，需要将磁头放到这个扇区上方，为了实现这一点：

(1）首先必须找到柱面，即磁头需要移动对准相应磁道，这个过程叫做寻道，所耗费时间叫做寻道时间，

(2）然后目标扇区旋转到磁头下，即磁盘旋转将目标扇区旋转到磁头下。这个过程耗费的时间叫做旋转时间。

即一次访盘请求（读/写）完成过程由三个动作组成： (1）寻道（时间）：磁头移动定位到指定磁道 (2）旋转延迟（时间）：等待指定扇区从磁头下旋转经过 (3）数据传输（时间）：数据在磁盘与内存之间的实际传输

因此在磁盘上读取扇区数据（一块数据）所需时间：

    Ti/o = tseek + tla + n*twm

其中:

    tseek 为寻道时间
    tla为旋转时间
    twm 为传输时间

3.2 HDD读写过程详解

系统将文件存储到磁盘上时，按柱面、磁头、扇区的方式进行，即最先是第1磁道的第一磁头下（也就是第1盘面的第一磁道）的所有扇区，然后，是同一柱面的下一磁头，……，一个柱面存储满后就推进到下一个柱面，直到把文件内容全部写入磁盘。

文件的记录在同一盘组上存放是，应先集中放在一个柱面上，然后再顺序存放在相邻的柱面上，对应同一柱面，则应该按盘面的次序顺序存放。从上到下，然后从外到内。数据的读/写按柱面进行，而不按盘面进行。

系统也以相同的顺序读出数据。读出数据时通过告诉磁盘控制器要读出扇区所在的柱面号、磁头号和扇区号（物理地址的三个组成部分）进行。磁盘控制器则 直接使磁头部件步进到相应的柱面，选通相应的磁头，等待要求的扇区移动到磁头下。在扇区到来时，磁盘控制器读出每个扇区的头标，把这些头标中的地址信息与期待检出的磁头和柱面号做比较（即寻道），然后，寻找要求的扇区号。待磁盘控制器找到该扇区头标时，根据其任务是写扇区还是读扇区，来决定是转换写电路， 还是读出数据和尾部记录。找到扇区后，磁盘控制器必须在继续寻找下一个扇区之前对该扇区的信息进行后处理。

如果是读数据，磁头将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，控制器计算此数据的ECC码，然后，把ECC码与已记录的ECC码相比较。

如果是写数据，磁头将磁粒子的不同的电脉冲信号转换成不同的极性，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，控制器计算出此数据的ECC码，与数据一起存储。在控制器对此扇区中的数据进行必要处理期间，磁盘继续旋转。

3.3 数据编码与错误检测

HDD（硬盘驱动器）是一种非易失性存储设备，用于长期存储数据。在HDD中，数据以磁化的形式存储在磁盘表面上的磁性材料上。为了确保数据的完整性和可靠性，HDD使用了多种数据编码和错误检测技术。

1. 数据编码： a. 调制编码：在将数据写入磁盘之前，需要将其转换为磁信号。这个过程称为调制编码。常用的调制编码方法有不归零制（NRZ）、归零制（RZ）和调相制（PM）。 b. 纠错编码：为了提高数据的可靠性和容错能力，HDD使用纠错编码技术将原始数据编码为具有冗余信息的新数据。常见的纠错编码方法有奇偶校验码、循环冗余校验码（CRC）、里德-所罗门码（RS）等。
2. 错误检测： a. 磁头读取数据时，可能会受到噪声、磁化不稳定等因素的影响，导致读取到的数据与原始数据不一致。因此，HDD需要使用错误检测技术来检测并纠正这些错误。 b. 常见的错误检测方法有奇偶校验、循环冗余校验（CRC）等。奇偶校验通过在数据中添加奇偶位来检测错误，而CRC则通过计算数据的校验和并与原始校验和进行比较来检测错误。 c. 当HDD检测到错误时，通常会尝试使用纠错编码中的冗余信息来纠正错误。如果无法纠正错误，HDD会报告一个错误，并要求用户采取相应的措施，如重新读取数据或修复硬盘。

总之，HDD通过调制编码、纠错编码和错误检测等技术来确保数据的完整性和可靠性。虽然这些技术可以提高数据的可靠性，但它们并不能完全消除数据丢失的风险。

4、 硬盘驱动器的性能指标

硬盘驱动器的性能指标包括：

• 容量：硬盘驱动器的最大存储容量。
• 转速：磁盘每分钟旋转的圈数。
• 平均寻道时间：读写头从一个磁道移动到另一个磁道所需的时间。
• 平均旋转延迟时间：磁盘旋转一周所需的时间。
• 缓存大小：硬盘驱动器内部的临时存储空间。
• IOPS：每秒输入/输出操作数，衡量硬盘驱动器的读写性能。
• 带宽：硬盘驱动器在单位时间内可以传输的数据量。

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