机械硬盘(HDD)与固态硬盘(SSD)讲解

机械硬盘（HDD） 最小组成单元是扇区

硬盘结构

硬盘工作原理

起初，读/写磁头停靠在盘片在主轴附件的一个特殊区域，启停区。

主轴连接所有盘片，并连接到一个马达上。主轴电机以恒定的速度旋转，带动盘片旋转。

主轴旋转时，读/写磁头和盘片间有个很微小的空气间隙，称磁头飞行高度。

读/写磁头被安装在磁头臂顶端，磁头臂带动磁头移动到需要被写入或取出数据的盘片位置上方。

磁头在硬盘表面以二进制的形式读写数据，读取的数据储存在硬盘的flash芯片中，最后传到程序中运行。

注意

盘片进行数据存储，控制电路控制盘片高速旋转，磁头臂控制磁头进行读/写（每个盘片有两个读写磁头，分别位于两个表面）

盘片转速以RPM为单位，现在企业一般用的是10K~15K（此时硬盘一般是在真空中运行的）

盘片上有盘面（两面），盘面上有磁道，磁道上有扇区。

数据写入是按照柱面纵向写入的（先第一纵，然后第二纵这样）

为什么纵向读写

读写时需要确定在哪个磁道读写数据（寻道时间）+ 确定磁道后确定哪个扇区（旋转时延）+ 数据读写传输的时间

纵向读写的话在物理上（寻道时间+旋转时延）花费的时间要少一点

硬盘上的数据组织

盘面：硬盘的每一个盘片都有两个盘面，每个盘面都能存储数据，成为有效盘片。

每一个有效盘面都有一个盘面号，按从上到小的顺序从0开始依次编号。

在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号，因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。

磁道（Track）：磁道是在盘片上围绕在主轴周围的同心环，数据被记录在磁道上。

磁道从最外圈向内圈从0开始顺序编号。

硬盘的每一个盘面有300~1024个磁道，新式大容量硬盘每面的磁道数更多，通常用盘片上每英寸的磁道数（TPI，也称磁道密度）来衡量盘片上磁道排列的紧密程度。

磁道是肉眼看不见的，只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化区。

柱面（Cylinder）：在同一个硬盘中所有盘片（包含上下两个盘面）具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为硬盘的柱面。

每个柱面上的磁头由上而下从0开始编号，数据的读写按柱面进行。

即磁头读写数据时先在同一柱面内从0磁头开始进行操作，依次往下在同一柱面的不同盘面（即磁头）上进行操作。

只有同一柱面所有的磁头全部读写完成后磁头才转移到写一个柱面，因为选取磁头只需通过电子切换即可，而选取柱面侧必须通过机械切换，即寻道。

通常硬盘中磁头的位置由柱面号来说明，而不是用磁道号来说明。

扇区（Sector）：每个磁道被分为更小的单位，称为扇区，划分扇区的目的是为了使数据存储更加条理化。

扇区是硬盘中可以单独寻址的最小存储单元。不同硬盘磁道的扇区数可以不同。

通常情况下，一个扇区可以保存512字节的用户数据，但也有一些硬盘可以被格式化为更大的扇区大小，如4KB扇区。

硬盘指标

硬盘容量

硬盘容量=柱面数*磁头数*扇区数*扇区大小，单位为MB或GB

影响硬盘容量的因素有单碟容量和碟片数量。

硬盘缓存

为解决硬盘在读写数据时CPU的等待问题，在硬盘上设置适当的高速缓存

平均访问时间

平均寻道时间：指硬盘的磁头从初始位置移动到盘面指定磁道所需的时间（越小越好）

平均等待时间：指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间（越小越好）

数据传输速率

内部传输速率：指理情况下磁头读写硬盘时的最高速率

外部传输速率/接口传输速率：它指的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。

硬盘IOPS和传输带宽

IOPS：每秒的输入输出量（读写次数）；理论上可以计算出硬盘的最大IOPS，即IOPS=1000ms/（寻道时间+旋转延迟）

传输带宽（吞吐量）：单位时间成功传输的数据数量

并行传输和串行传输

并行：传输效率高，但是传输距离不长，传输频率不高；（一般10多米左右）

串行：传输速率不高，但是可以通过传输频率来提高整体传输速度（随意一般串行比并行的传输速率要高）

影响性能的因素

固态硬盘（SSD） 最小存储单元是Cell

SSD的特点

使用flash技术存储信息，数据传输速度比HDD快

内部没有机械结构因此耗电量更小、散热小、噪音小

SSD盘使用寿命受擦写次数影响（硬盘最小组成单元Cell不断擦写，当擦写次数达到极限后，就不能继续读写数据了）

SSD架构

SSD主要是由存储单元（主要是闪存颗粒）和控制单元组成

控制单元：SSD控制器、主机接口、DRAM等

SSD控制器：负责主机到后端介质的读写访问和协议转换，表项管理、数据缓存及校验等，是SSD的核心部件。

主机接口：主机访问SSD的协议和物理接口，如SATA、SAS和PCIe。

DRAM：FTL（Flash translation layer，闪存转换层）表项和数据的缓存，以提供数据访问性能。

存储单元：NAND FLASH 颗粒

NAND FLASH：数据存储的物理器件，是一种非易失性随机访问存储介质。

多通道并发，通道内Flash颗粒复用时序。支持TCQ/NCQ，一次响应多个IO请求。

NAND Flash

NAND 闪存颗粒采用浮栅晶体管存储数据

内部存储单元组成包括：LUN、Plane、Block、Page、Cell

LUN：能够独立封装的最小物理单元，通常包含多个plane

Plane：拥有独立的Page寄存器，通常包含1K或2K奇数Block或偶数Block

Block：能够执行擦除操作的最小单元，通常由多个Page组成

Page：能够执行编程和读操作的最小单元，通常大小为16KB

Cell：Page中的最小操作擦写读单元，对应一个浮栅晶体管，可以存储1bit或多bit

对NAND Flash的读写数据的操作主要涉及擦除（Erase）、编程（Program）和读（Read）

Nand flsh为非易失性介质，在写入新数据之前必须保证Block被擦除过，对Block擦除一次后再写入一次称为一次P/E Cycle

闪存介质

NAND Flash颗粒根据Cell存储不同的bit数据位分为不同的闪存介质（主要有四种）

地址映射管理

主机通过LBA访问SSD，SSD主控通过FTL闪存转换将其转换为PBA进行数据读取

LBA：Logical Block Address，逻辑区块地址

可以指某个数据区块的地址或者某个地址上所指向的数据区块。

PBA：Physics Block Address，物理区块地址

FTL闪存转换层

基本概念

FTL起着翻译官的作用，它将Host(电脑、手机等)发送至Device(eMMC、SSD)的逻辑地址转换为写入Flash的物理地址(地址映射管理)。

工作原理

Host给定一个逻辑地址，FTL根据这个逻辑地址在逻辑映射表上建立映射关系，连接到Flash上的物理地址。

一般来说，FTL将逻辑地址处理后，建立的映射关系包含了Flash的Block编号、Page编号等，数据读取时便根据这些信息在Flash对应的位置上找到数据，传输至Host。

审核编辑：汤梓红