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硬盘

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硬盘
2.5英寸SATA硬盘驱动器的内部
研发日期1956年9月4日[1]
研发者IBM的Rey Johnson
连接至主机板通过：
“硬盘”的各地常用名称
中国大陆硬盘、机械硬盘
台湾硬碟
拆卸并贴有标签的1997年硬盘，位于镜子上方

硬盘驱动器（英语：Hard Disk Drive，缩写：HDD），简称硬盘（hard disk）或硬驱（hard drive），又称“机械硬盘”或“传统硬碟”[a]，是电脑上使用坚硬的旋转磁性盘片为基础的非依电性存储器，它在平整的磁性表面存储和检索数字数据，数据通过离磁性表面很近的磁头由电磁流来改变极性的方式被写入到磁盘上，数据可以通过盘片被读取，原理是磁头经过盘片的上方时盘片本身的磁场导致读取线圈中电气讯号改变。硬盘的读写是采用半随机存取的方式，可以以任意顺序读取硬盘中的资料[2]，但读取不同位置的资料速度不相同。硬盘包括一至数片高速转动的盘片以及放在执行器悬臂上的磁头。

早期的硬盘储存介质是可替换的，不过现在硬盘的储存介质一般不能更换，碟片与磁头是一起被密封在硬盘驱动器内。硬盘有一个有着过滤措施的气孔，用来平衡工作时产生的热量导致的硬盘内外的气压差。

硬盘是由IBM在1956年开始使用[3]，在1960年代初成为通用式电脑中主要的辅助存放装置（英语：secondary storage），随著技术的进步，硬盘也成为服务器及个人电脑的主要组件。

接口

数据接口

硬盘读取状态
硬盘内部的碟片在通电后开始高速转动

硬盘按数据接口不同，大致分为ATA（又称IDE）和SATA以及SCSI和SAS。接口速度不是实际硬盘数据传输的速度，目前普通硬盘的实际数据传输速度一般不超过300MB/s。

ATA

全称Advanced Technology Attachment，是用传统的40-pin并口数据线连接主板与硬盘的，接口速度最大为133MB/s，因为并口线的抗干扰性太差，且排线占用空间较大，不利电脑内部散热，已被SATA所取代。

SATA

全称Serial ATA，也就是使用串口的ATA接口，特点是抗干扰性强，对数据线的要求比ATA低很多，且支持热插拔等功能。SATA-II的接口速度为300MiB/s，而新的SATA-III标准可达到600MiB/s的传输速度。SATA的数据线也比ATA的细得多，有利于机箱内的空气流通，整理线材也比较方便。

SCSI

全称Small Computer System Interface（小型机系统接口），经历多代的发展，从早期的SCSI-II，到目前的Ultra320 SCSI以及Fiber-Channel（光纤通道），接口型式也多种多样。SCSI硬盘广为工作站级个人电脑以及服务器所使用，因此会使用较为先进的技术，如碟片转速15000rpm的高转速，且资料传输时CPU占用率较低，但是单价也比相同容量的ATA及SATA硬盘更加昂贵。

SAS

全称Serial Attached SCSI，是新一代的SCSI技术，可兼容SATA硬盘，同样支援热插拔，采用序列式技术以获得更高的传输速度，可达到12Gb/s，碟片转速也较快。而较小的连接线，可改善系统内部空间空气流通。通常应用于伺服器等企业级产品。

此外，由于SAS硬盘可以与SATA硬盘共享同样的背板，因此在同一个SAS存储系统中，可以用SATA硬盘来取代部分昂贵的SAS硬盘，节省整体的存储成本。但SATA存储系统并不能连接SAS硬盘。

FC

全称Fibre Channel（光纤通道接口），拥有此接口的硬盘在使用光纤联接时具有热插拔性、高速带宽（4Gb/s或8Gb/s或16Gb/s）、远程连接等特点；内部传输速率也比普通硬盘更高。但其价格高昂，因此FC接口通常只用于高端服务器领域。

电源接口

一颗希捷硬盘电源接口处的Molex徽标
电脑内部硬盘电源线，白色的是D形4针电源接口，黑色的是SATA电源线

3.5寸台式机硬盘：ATA接口的硬盘一般使用D形4针电源接口（俗称“大4pin”），由Molex公司设计并持有专利；SATA硬盘则使用SATA电源线。

2.5寸的笔记本电脑硬盘，可直接由数据口供电，不需要额外的电源接口。在插上外接的便携式硬盘盒之后，由计算机外部的USB接口提供电力来源，而单个USB接口供电约为4~5V 500mA，若移动硬盘盒用电需求较高，有时需要接上两个USB接口才能使用，否则，需要外接电源供电。但如今多数新型硬盘盒（使用2.5寸或以下硬盘）已可方便地使用单个USB口供电。

结构

磁道（Track）
柱面（Cylinder）
扇区（Sector）
磁头（Heads）
盘片（Platters）
每个碟片都有两面，因此也会相对应每碟片有2个磁头。
A：磁道
B：扇面
C：扇区
D：簇（扇区组）
在硬盘上定位某一数据记录位置—C扇区，使用三维定位。
硬碟的执行器臂组件

物理结构

参见：柱面-磁头-扇区

硬盘的物理结构一般由磁头与碟片、电动机、主控芯片与排线等部件组成；当主电动机带动碟片旋转时，副电动机带动一组（磁头）到相对应的碟片上并确定读取正面还是反面的碟面，磁头悬浮在碟面上画出一个与碟片同心的圆形轨道（磁道或称柱面），这时由磁头的磁感线圈感应碟面上的磁性与使用硬盘厂商指定的读取时间或数据间隔定位扇区，从而得到该扇区的数据内容；

  • 磁轨

当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道（Track）。资料储存手段从LMR进展到PMR这中又有CMR、SMR等技术。

  • 柱面

在有多个盘片构成的盘组中，由不同盘片的面，但处于同一半径圆的多个磁道组成的一个圆柱面（Cylinder）。

  • 磁区

磁盘上的每个磁轨被等分为若干个弧段，这些弧段便是硬碟的磁区（Sector）。硬碟的第一个磁区，叫做引导扇区。

避免故障

硬碟碟片转速极快，与碟片的距离极小；因此硬碟内部是无尘状态，硬碟有过滤器过滤进入硬碟的空气。为了避免磁头碰撞碟片，厂商设计出各种保护方法；目前硬碟对于地震有很好的防护力（1990年代的一些硬碟，若在使用中碰到略大的地震，就很可能损坏），防摔能力也大幅进步，电源关闭及遇到较大震动时磁头会立刻移到安全区（近期的硬碟也开始防范突然断电的情况）；而许多笔记型电脑厂商也开发出各种笔记本电脑结构来加强硬碟的防摔性。但硬碟在通电时耐摔度会降低（旋转逆动性）、也只能温和的移动，许多人也已经养成在关闭硬碟后30秒至一分钟内、不会移动硬碟（及笔记本电脑）的习惯。

2010年后氦气封装技术量产，以往的硬碟填充介质为空气，不过容易受到空气影响，因此碟片之间距离不能进一步缩小，而氦气的密度比起空气小上许多，而且性质稳定，使用它来当介质，使盘体和磁头的阻力和震动相对变小，因此碟片之间的距离能进一步缩小，所以同样的空间下能够装下更多的碟片，采用氦气封装的好处除了容量变大外[4]，温度和耗电能够再降低，因此耐用度和稳定性能够再提升。但如果内部气体发生泄漏，会导致磁盘更容易地损坏和难以常规性的修复（非原厂的数据恢复无法提供氦气的重新封装及组件修复）。

逻辑结构

主条目：文件系统

操作系统对硬盘进行读写时需要用到文件系统把硬盘的扇区组合成簇，并建立文件和树形目录制度，使操作系统对其存取和查找变得容易，这是因为操作系统直接对数目众多的扇区进行寻址会十分麻烦。

MBR和GPT

主条目：主引导记录和全局唯一标识分区表

主开机纪录（Master Boot Record，缩写：MBR），又叫做主引导磁区，是电脑开机后存取硬碟时所必须要读取的首个磁区，主引导磁区记录著硬碟本身的相关讯息以及硬碟各个分割的大小及位置讯息，是资料讯息的重要入口。如果它受到破坏，硬碟上的基本资料结构讯息将会遗失，需要用繁琐的方式试探性的重建资料结构讯息后才可能重新存取原先的资料，对于那些磁区为512位元组的磁碟，MBR分割表不支援容量大于2.2TB（2.2×1012位元组）的磁区[5]。

全局唯一标识分区表（GUID Partition Table，缩写：GPT）是一个实体硬盘的分区表的结构布局的标准。它是可扩展固件接口（EFI）标准（被Intel用于替代个人计算机的BIOS）的一部分。GPT分配64bits给逻辑块地址，因而使得最大分区大小为264-1个扇区。对于每个扇区大小为512字节的磁盘，相当于9.4ZB（9.4 x 1021字节）[5][6]或8 ZiB-512字节（9,444,732,965,739,290,426,880字节或 18,446,744,073,709,551,615（264-1）个扇区x 512（29）字节每扇区）。

尺寸

带一个小提手的笔记型电脑用SATA接口2.5英寸东芝硬碟

硬碟机的尺寸和用途可分为：

  • 0.85英寸，多用于手机等便携装置中，目前已停产。
  • 1英寸（微型硬碟，MicroDrive），多用于数码相机（CF type II介面），目前已停产。
  • 1.8英寸，多用于笔记型电脑及外置硬碟盒中，目前已停产。
  • 2.5英寸，多用于笔记型电脑及外置硬碟盒中。采用2.5寸硬碟的外置硬碟盒一般不需外接电源。
  • 3.5英寸，多用于桌上型电脑中。但采用3.5"硬碟的外置硬碟盒一般都需外接电源，因为耗电量超过USB的供电上限，且3.5寸硬盘需要12v电压。
  • 5.25英寸，多为早期桌上型电脑使用，已停产。
  • 10.5英寸。
  • 14英寸，如NEC DKU800。
5.25英寸硬盘与3.5英寸硬盘的尺寸比较

主要参数

除了接口和尺寸以外，硬盘还有以下参数：

容量 硬盘最主要的参数，目前硬盘的容量有36GB、40GB、45GB、60GB、75GB、80GB、120GB、150GB、160GB、200GB、250GB、256GB、300GB、320GB、400GB、500GB、640GB、750GB、1TB、1.5TB、2TB、2.5TB、3TB、4TB、5TB、6TB、8TB、10TB、12TB、14TB、16TB、18TB、22TB等多种规格，但会有计算误差，详见档案大小转换。
转速 硬盘每分钟旋转的圈数，单位是rpm（Revolutions Per Minute，每分钟的转动数），有4200rpm、5400rpm、5900rpm、7200rpm、10000rpm、15000rpm、18000rpm等规格。一般来讲转速愈高通常资料传输速率愈好，但同时噪音、耗电量和发热量也越高。
缓存 主要有2MB、8MB、16MB、32MB、64MB、128MB、256MB等规格。
平均寻道时间 单位是ms（毫秒），有5.2ms、8.5ms、8.9ms、12ms等。
内部传输速度 包括磁头把数据从盘片读入缓存的速度，以及磁头把数据从缓存写入盘片的速度。可用来评价硬盘的读写速度和整体性能[7]。

除此之外还有电压、电流等参数。固态硬盘还有主控、颗粒类型（SLC、MLC、TLC、QLC）等参数。

机械硬盘里一般3.5寸硬盘需要5V和12V电压，2.5寸硬盘只需5V电压，但因为有机械结构，因此功耗通常比固态硬盘要高；固态硬盘的电压一般则为5V或3.3V，同时固态硬盘功耗通常较低（功耗2.5W左右，电流500mA左右），相比机械硬盘更节能。

发展史

时间 发展内容
1956年 IBM的IBM 305 RAMAC（英语：IBM 305 RAMAC）是现代硬碟的雏形，它相当于两个冰箱的体积，不过其储存容量只有5MB。
1973年 这一年IBM 3340问世，它拥有“温彻斯特”这个绰号，来源于它的两个30MB储存单元，恰好是当时出名的“温彻斯特来福枪”的口径和填弹量。至此，硬碟的基本架构被确立。
1980年 两位前IBM员工创立的公司开发出5.25英寸规格的5MB硬碟ST506，这是首款面向桌上型电脑的产品，而该公司正是希捷科技公司（Seagate）。
1980年代末 IBM推出MR（Magneto Resistive磁阻）技术令磁头灵敏度大大提升，使盘片的储存密度较之前的20Mbpsi（bit/每平方英寸）提高数十倍，该技术为硬碟容量的巨大提升奠定基础。1991年，IBM应用该技术推出首款3.5英寸的1GB硬碟。
1970年到1991年 硬碟碟片的储存密度以每年25%~30%的速度增长；从1991年开始增长到60%～80%；至今，速度提升到100%甚至是200%。从1997年开始的惊人速度提升得益于IBM的GMR（Giant Magneto Resistive，巨磁阻）技术，它使磁头灵敏度进一步提升，进而提高储存密度。
1993年 康诺（Conner Peripherals）推出CP30344硬碟容量是340MB。
1995年 为了配合Intel的LX芯片组，昆腾与Intel携手发布UDMA 33接口——EIDE标准将原来接口数据传输率从16.6MB/s提升到33MB/s同年，希捷开发出液态轴承（FDB，Fluid Dynamic Bearing）马达。所谓的FDB就是指将陀螺仪上的技术引进到硬碟生产中，用厚度相当于头发直径十分之一的油膜取代金属轴承，减轻硬碟噪音与发热量。
1996年 希捷收购康诺（Conner Peripherals）。
1998年2月 UDMA 66规格面世。
2000年10月 迈拓（Maxtor）收购昆腾。
2003年1月 日立宣布完成20.5亿美元的收购IBM硬碟事业部计画，并成立日立环球储存科技公司（Hitachi Global Storage Technologies, Hitachi GST）。
2005年 日立环储和希捷都宣布将开始大量采用磁盘垂直写入技术（perpendicular recording），该原理是将平行于盘片的磁场方向改变为垂直（90度），更充分地利用储存空间。
2005年12月21日 希捷宣布收购迈拓（Maxtor）。
2007年1月 日立环球储存科技宣布将会发售全球首只1Terabyte的硬碟，比原先的预定时间迟了一年多。硬碟的售价为399美元，平均每美分可以购得27.5MB硬碟空间。
2011年3月 威腾电子以43亿美元的价格，收购日立环球储存科技[8]。
2011年4月 希捷宣布与三星强化策略伙伴关系，传统的硬碟逐渐地被固态硬碟所取代。[9]。
2011年12月 希捷宣布收购三星旗下的硬盘业务[10]。

现存主要硬盘制造商

电脑配件图中7是硬碟安装位置

参见

注释

  1. ^ 为了与后来出现的固态驱动器相区分。

参考资料

  1. ^ IBM 350 disk storage unit. [2013-10-04]. （原始内容存档于2008-05-31）. 
  2. ^ 硬碟單位成本不斷降低，磁帶系統還有未來嗎?. [2013-10-04]. （原始内容存档于2013-10-04）. 
  3. ^ IBM Archives: IBM 350 disk storage unit. [2012-10-19]. （原始内容存档于2008-05-31）. 
  4. ^ ithome-氦氣封裝結合成熟磁錄技術. [2017-11-09]. （原始内容存档于2017-11-10）. 
  5. ^ 5.0 5.1 FAQ: Drive Partition Limits (pdf). UEFI Forum. [2010-06-09]. （原始内容存档 (PDF)于2013-03-22）. 
  6. ^ Bill Boswell. FAQ: Drive Partition Limits. Redmondmag.com. 2002-07-01 [2010-06-09]. （原始内容存档于2010-10-01）. GPT disks also support very large partitions thanks to a 64-bit Logical Block Address scheme. A logical block corresponds to one sector, or 512 bytes, yielding a maximum theoretical capacity of eight zettabytes, 
  7. ^ 硬盘：内部数据传输率. 中关村在线. [2013-06-13]. （原始内容存档于2013-01-03）. 
  8. ^ Western Digital砸43億美元收購Hitachi GST. [2011-03-08]. （原始内容存档于2011-03-10）. 
  9. ^ 希捷宣布与三星强化策略伙伴关系[永久失效链接]
  10. ^ 希捷宣布完成收购三星硬盘业务. 新浪科技. [2013-02-14]. （原始内容存档于2014-03-14）. 

外部链接

硬碟制造商

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