硬盤知識培訓(xùn)

1、HDD Function TestDQA3anne 2014.8.122目錄HDD定義物理結(jié)構(gòu)工作原理基本參數(shù)硬盤分區(qū)相關(guān)技術(shù)（NCQ、S.M.A.R.T、RAID）SSD1.HDD定義 HDD，Hard Disk Driver的縮寫，即硬盤驅(qū)動(dòng)器的英文名。硬盤是電腦主要的存儲媒介之一，由一個(gè)或者多個(gè)鋁製或者玻璃製的碟片組成。碟片外覆蓋有鐵磁性材料。 硬盤有固態(tài)硬盤（SSD）、機(jī)械硬盤（HDD）、混合硬盤（SSHD）；SSD採用閃存顆粒來存儲，HDD採用磁性碟片來存儲，SSHD（ Solid State Hybrid Drive ）是把磁性硬盤和閃存集成到一起的一種硬盤。32.HDD的物理結(jié)構(gòu)

2、硬盤結(jié)構(gòu) 4硬盤外部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)外殼控制電路板接口磁頭組件磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)盤片主軸組件2.1 HDD的外部結(jié)構(gòu)52.1 HDD的外部結(jié)構(gòu)62.1 HDD的外部結(jié)構(gòu)外殼 硬盤的外殼與底板結(jié)合成一個(gè)密封的整體，正面的外殼保證了硬盤盤片和機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行，在固定面板上貼有產(chǎn)品標(biāo)籤，上面印有產(chǎn)品型號、產(chǎn)品序列號等信息?？刂齐娐钒?大多數(shù)的硬盤控制電路板採用貼片式焊接，它包括主軸調(diào)速電路、磁頭驅(qū)動(dòng)與伺服定位電路、讀寫電路、高速緩存以及接口電路等。電路板上還有一塊ROM芯片，裏面固化的程序可以對硬盤進(jìn)行初始化，執(zhí)行加電和啟動(dòng)主軸電機(jī)、加電初始尋道、定位以及故障檢測等。接口 數(shù)據(jù)線接口：硬盤數(shù)據(jù)與主板控制芯片之間

3、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換的通道 電源接口：與主機(jī)電源相連接，為硬盤的正常工作提供電力保證 跳線接口：用來設(shè)置硬盤和光驅(qū)的啟動(dòng)順序72.2 HDD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)82.2 HDD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)9硬盤結(jié)構(gòu)示意圖3.硬盤的工作原理 硬盤的工作原理是利用特定的磁粒子的極性來記錄數(shù)據(jù)。磁頭在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，將磁粒子的不同極性轉(zhuǎn)換成不同的電脈衝信號，再利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將這些原始信號變成電腦可以使用的數(shù)據(jù)，寫的操作正好與此相反。另外硬盤中還有一個(gè)存儲緩衝區(qū)，這是爲(wèi)了協(xié)調(diào)硬盤與主機(jī)在數(shù)據(jù)處理速度上的差異而設(shè)的。硬盤的格式化工作分為低級格式化、硬盤分區(qū)、高級格式化并建立文件管理系統(tǒng)。 硬盤驅(qū)動(dòng)器加電正常工作后，利用控制電路中的單片機(jī)初

4、始化模塊進(jìn)行初始化工作，此時(shí)磁頭置於盤片中心位置，初始化完成后主軸電機(jī)將啟動(dòng)并以高速旋轉(zhuǎn)，裝載磁頭的小車機(jī)構(gòu)移動(dòng)，將浮動(dòng)磁頭置於盤片表面的00道，處於等待指令的啟動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)接口電路接收到微機(jī)系統(tǒng)傳來的指令信息，通過前置放大控制電路，驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)發(fā)出磁信號，根據(jù)感應(yīng)阻值變化的磁頭對盤片數(shù)據(jù)信息進(jìn)行正確定位，并將接收到的數(shù)據(jù)信息解碼，通過放大控制電路傳輸?shù)慕涌陔娐罚仞伣o主機(jī)系統(tǒng)完成指令操作。結(jié)束硬盤操作的斷電狀態(tài)，在反力矩彈簧的作用下浮動(dòng)磁頭駐留到盤面中心。103.硬盤的工作原理硬盤工作原理11 磁盤磁頭前置放大器局部回應(yīng)最大擬然（PRML）接口控制器伺服解調(diào)器定時(shí)專用集成電路微控制器數(shù)字信號處

5、理器定位驅(qū)動(dòng)器主軸電機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)器音圈電機(jī)伺服控制器/電機(jī)速度控制器組合高速緩存計(jì)算機(jī)4.HDD的基本參數(shù)12容量目前硬盤的容量有36GB、40GB、60GB、75GB、80GB、120GB、150GB、160GB、200GB、250GB、300GB、320GB、400GB、500GB、640GB、750GB、1TB、1.5TB、2TB、2.5TB、3TB、4TB等多種規(guī)格轉(zhuǎn)速硬盤每分鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，單位是rpm（每分鐘的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)），有4200rpm、5400rpm、5900rpm、7200rpm、10000rpm、15000rpm等幾種規(guī)格。轉(zhuǎn)速愈高通常數(shù)據(jù)傳輸速率愈好，但同時(shí)噪音、耗電量和發(fā)熱量

6、也較高平均尋道時(shí)間指磁頭從起始位置到達(dá)目標(biāo)磁道位置，並且從目標(biāo)磁道找到要讀取的數(shù)據(jù)磁區(qū)所需時(shí)間。單位是ms，有5.2ms、8.5ms、8.9ms、12ms等規(guī)格傳輸速率硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率是指硬盤讀寫數(shù)據(jù)的速度。包括磁頭把數(shù)據(jù)從盤片讀入緩存的速度，以及磁頭把數(shù)據(jù)從緩存寫入盤片的速度?？捎脕碓u價(jià)硬盤的讀寫速度和整體緩存硬盤控制器上的一塊內(nèi)存芯片，具有極快的存取速度，它是硬盤內(nèi)部存儲和外界接口之間的緩衝器。主要有2MB、8MB、16MB、32MB、64MB等規(guī)格4.1.HDD的尺寸不同尺寸的HDD適用于不同的機(jī)型 13廣泛用於單反數(shù)碼相機(jī)廣泛用於超薄筆記本電腦，移動(dòng)硬盤及蘋果播放器。廣泛用於筆記本電腦

7、，桌面一體機(jī)，移動(dòng)硬盤及便擕式硬盤播放器。多用于臺式機(jī)硬盤 1.0英寸3.5英寸 2.5英寸 1.8 英寸3.1.HDD的尺寸HDD尺寸 144.2.接口從整體的角度上，HDD常用接口有SATA、 IDE、 SCSI、SAS和光纖通道。 15nameInterface TypeconnectionapplicationsATAAdvanced Technology AttachmentParallel80-pinInternal StorageSATASerial ATASerial7-pinATA RAID,Server&high-end work-station storageSCSISm

8、all Computer System InterfaceParallel68-pinInternal/externalMid-range&Enterprise serversSASSerial Attached SCSISerial7-pinMid-range&Enterprise serversFCFibre ChannelSerialCopper/opticalInternal/externalSAN&Enterprise servers4.2.接口164.2.接口目前接觸最多的就是SATA接口硬盤 SATA以連續(xù)串行的方式傳送數(shù)據(jù)，可以在較少的位寬下使用較高的工作平率來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l

9、寬。SATA以此只會(huì)傳送1位數(shù)據(jù)，這樣能減少SATA接口的針腳數(shù)目，使連接電纜數(shù)目變少，效率也會(huì)更高。實(shí)際上，SATA僅用四支針腳就能完成所有的工作，分別用於連接電纜、連接地線、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，這樣的架構(gòu)能降低系統(tǒng)能耗，減小系統(tǒng)複雜性。 常見接口傳輸速度比較： 17PCI-E 1.0 X1500MB/SATA-3333.3MB/sSATA1.0150MB/SPCI-E 1.0 X21GB/SATA-6666.7MB/sSATA2.0300MB/SPCI-E 1.0 X42GB/SATA-100100MB/sSATA3.0600MB/SPCI-E 1.0 X84GB/SATA-133133M

10、B/seSATA300MB/S4.2.接口新一代接口NGFF 爲(wèi)了適應(yīng)超級本和便攜本的需求，MSATA誕生了，但是目前擁有一個(gè)比它更小巧和傳輸速率更快的NGFF接口，NGFF接口又稱為M2接口，作為Intel為超級本量身定做的新一代接口標(biāo)準(zhǔn)，其尺寸僅為42mm22mm，單面佈置NAND顆粒的話厚度為2.75mm，雙面的話厚度則是3.85mm，而目前mSATA接口的尺寸為51mm30mm，單面厚度就達(dá)到4.85mm。NGFF接口相對mSATA來說體積進(jìn)一步減小，更加節(jié)省空間。 184.2.接口NGFF接口相比mSATA接口優(yōu)勢：1. 尺寸更小2. NGFF SSD可通過增加長度來增加容量，NGF

11、F標(biāo)準(zhǔn)的SSD的寬度、厚度都是相同的，只有長度不同，而NGFF總共討論了20mm、42mm、60mm、80mm以及120mm，其中42mm、60mm及80mm版本最有可能成為最終標(biāo)準(zhǔn)，越長代表有限的空間能裝下的閃存顆粒越多，那容量也越大3. 相比mSATA支持接口規(guī)範(fàn)更多樣化，制定的NGFF又兩種接口：Socket2和Socket3，前者支持SATA、PCI-E2接口的SSD、WWAN及其他非存儲設(shè)備。 Socket3支持專為高性能存儲設(shè)計(jì)，可支持PCI-E4接口，體積更小的同時(shí)頻寬高達(dá)4GB/s。相比與mSATA所支持的SATA接口規(guī)範(fàn)，NGFF更多樣化，擁有更高的理論接口傳輸速度。4. 相

12、比mSATA，傳輸速度更快。195.硬盤分區(qū) 硬盤的分區(qū)實(shí)質(zhì)上是對硬盤的一種格式化，然後才能使用硬盤保存各種信息。創(chuàng)建分區(qū)時(shí)，就已經(jīng)設(shè)置好了硬盤的各項(xiàng)參數(shù)，指定了硬盤主引導(dǎo)記錄（Master Boot Record）和引導(dǎo)記錄備份的存放位置。而對於文件系統(tǒng)以及其他操作系統(tǒng)管理硬盤所需要的信息則是通過Format命令來實(shí)現(xiàn)。在分區(qū)時(shí)必須把硬盤的主分區(qū)設(shè)定為活動(dòng)分區(qū)，才能夠通過硬盤啟動(dòng)系統(tǒng)。 205.硬盤分區(qū)硬盤的主引導(dǎo)記錄（MBR）是不屬於任何一個(gè)操作系統(tǒng)的，它先于所有的操作系統(tǒng)而被調(diào)入內(nèi)存，并發(fā)揮作用，然後才將控制權(quán)交給主分區(qū)內(nèi)的操作系統(tǒng)，并用主分區(qū)信息表來管理硬盤。計(jì)算機(jī)啟動(dòng)過程涉及以下順序

13、中發(fā)生的幾個(gè)步驟 BIOS運(yùn)行開機(jī)自檢（POST） BIOS 分區(qū)尋找啟動(dòng)設(shè)備，這通常是在硬盤上 從硬盤啟動(dòng)時(shí)BIOS加載MBR MBR確定活動(dòng)分區(qū) 從活動(dòng)分區(qū)MBR加載引導(dǎo)扇區(qū) 引導(dǎo)扇區(qū)初始化加載的操作系統(tǒng) 215.硬盤分區(qū)硬盤分區(qū) 主分區(qū)數(shù) + 擴(kuò)展分區(qū)數(shù) 4 DOS的分區(qū)命令FDISK允許用戶創(chuàng)建一個(gè)擴(kuò)展分區(qū)，並且在擴(kuò)展分區(qū)內(nèi)再創(chuàng)立最多23個(gè)邏輯分區(qū)。 PS：在windows 7和windows vista中系統(tǒng)自帶的分區(qū)工具要分出3個(gè)主分區(qū)后才能有邏 輯分區(qū)選項(xiàng)22硬盤非DOS分區(qū)主分區(qū)擴(kuò)展分區(qū)將硬盤中的一塊區(qū)域單獨(dú)劃分出來供另一個(gè)操作系統(tǒng)使用，對主分區(qū)的操作系統(tǒng)來講，是一塊被劃分出去

14、的存儲空間硬盤的啟動(dòng)分區(qū)，通常位於硬碟的最前面一塊區(qū)域中，構(gòu)成邏輯C磁盤。邏輯分區(qū)DOS分區(qū)被計(jì)算機(jī)作為獨(dú)立的物理設(shè)備使用5.硬盤分區(qū)分區(qū)格式 不同操作系統(tǒng)下磁盤格式不同，windows下磁片格式主要FAT16、FAT32、NTFS等23支持最大分區(qū)2GB，最大文件2GBFAT16支持最大分區(qū)124.55GB，除非不再使用”scandisk”，最大文件4GBFAT32New Technology File System，支持最大分區(qū)2TB，最大文件2TBNTFS6.1相關(guān)技術(shù)NCQNCQ（Native Command Queuing），原生指令排序，原先是改善服務(wù)器硬盤存取控制技術(shù)，應(yīng)用在SC

15、SI和SATA1.0/2.0/3.0接口硬盤讀寫的加速技術(shù)，其接口開啟磁盤陣列RAID亦有所提升。透過硬盤固件、硬盤控制器以及操作系統(tǒng)三者的相互配合，改善硬盤內(nèi)部磁區(qū)的讀取順序，可以提高硬盤效能，亦能輕微減輕硬盤損耗的速率。一般硬碟使用的硬碟格式通常為Windows 98核心所使用的FAT32系列，或是Windows NT所使用的NTFS，此種硬碟格式在存取資料時(shí)，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)散亂的情況，導(dǎo)致一個(gè)文件被不規(guī)則的分散成許多的區(qū)塊存放於磁盤上面，時(shí)間一久，文件散亂的程度會(huì)日趨嚴(yán)重，由於傳統(tǒng)的硬碟讀取方式，會(huì)從文件的開頭依序讀取到結(jié)尾，若文件散亂的程度愈嚴(yán)重，則讀取頭需要來回移動(dòng)的距離就越長，導(dǎo)致硬碟

16、讀寫效能逐漸下降。一旦發(fā)生這樣的問題，解決方案便是使用磁碟重組軟體來進(jìn)行硬碟重組，將散亂的文件重新排列為連續(xù)的區(qū)塊，但由於執(zhí)行磁碟重組可能會(huì)需要搬動(dòng)大量的磁碟區(qū)塊，如果太常執(zhí)行磁碟重組，除了會(huì)提高系統(tǒng)負(fù)載，亦將會(huì)縮短磁碟機(jī)的使用壽命，NCQ即為了解決此種情況而誕生。 啟用NCQ技術(shù)的硬碟，在讀取文件時(shí)，會(huì)依照文件在硬碟上的分佈，將存取的順序作最有效率的排序，以減少機(jī)械臂移動(dòng)的距離，進(jìn)而達(dá)到省時(shí)以及延長硬碟壽命的效果。246.1相關(guān)技術(shù)NCQ啟用NCQ技術(shù)的硬碟，在讀取文件時(shí)，會(huì)依照文件在硬碟上的分佈，將存取的順序作最有效率的排序，以減少機(jī)械臂移動(dòng)的距離，進(jìn)而達(dá)到省時(shí)以及延長硬碟壽命的效果。於

17、SATA II NCQ 協(xié)定中，新增3個(gè)功能： Race-free status return mechanism： 硬碟在完成任一指令後，可以無須再進(jìn) 行Handshake即可繼續(xù)另一個(gè)指令，以便 讓多個(gè)指令快速接序或同時(shí)執(zhí)行。 Interrupt aggregation： 硬碟由於以NCQ模式執(zhí)行多個(gè)指令，所以 原本每一個(gè)指令完成後必須中斷以便讓系統(tǒng) 接續(xù)處理的模式，轉(zhuǎn)成可以在多個(gè)指令完成 後再一次提出(interrupt) ，故接口控制器(host controller) 對於多個(gè)指令只須處理一次中斷即可。 First party DMA（FPDMA）： 當(dāng)硬碟完成資料讀取後，無須靠 h

18、ost controller 的DMA動(dòng)作取得特定內(nèi)存位置，而是由硬碟本身建立 DMA setup FIS（Frame Information Block）直接對 host controller 送出內(nèi)存存取通知，如此無須驅(qū)動(dòng)程式的運(yùn)作，可以有效提升存取效率。256.2相關(guān)技術(shù)S.M.A.R.TS.M.A.R.T.，全稱為Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology，即自我監(jiān)測、分析及報(bào)告技術(shù)。是一種自動(dòng)的硬碟狀態(tài)檢測與預(yù)警系統(tǒng)和規(guī)範(fàn)。透過在硬碟硬體內(nèi)的檢測指令對硬碟的硬體如磁頭、盤片、馬達(dá)、電路的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控、記錄並與廠商所設(shè)定的預(yù)設(shè)

19、安全值進(jìn)行比較，若監(jiān)控情況將或已超出預(yù)設(shè)安全值的安全範(fàn)圍，就可以透過主機(jī)的監(jiān)控硬體或軟體自動(dòng)向用戶作出警告並進(jìn)行輕微的自動(dòng)修復(fù)，以提前保障硬碟數(shù)據(jù)的安全。除一些出廠時(shí)間極早的硬碟外，現(xiàn)在大部分硬碟均配備該項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)所需資料被存放在硬碟物理盤面最前面的磁道中，由硬碟製作商將相關(guān)管理程式和數(shù)據(jù)寫入該磁道中，包括加解密程式，自監(jiān)控程式，自修復(fù)程式等，主機(jī)的監(jiān)控軟體可以透過SMART RETURN STATUS的命令讀取S.M.A.R.T.資訊，且這些資訊不允許被用戶修改。266.3.RAID技術(shù) 獨(dú)立硬盤冗餘陣列（RAID），簡稱硬盤陣列。其基本思想就是把多個(gè)相對便宜的硬盤組合起來，成為一個(gè)硬盤

20、陣列組，使性能達(dá)到甚至超過一個(gè)價(jià)格昂貴、容量巨大的硬盤。RAID把多個(gè)硬盤組合成為一個(gè)邏輯扇區(qū)，操作系統(tǒng)會(huì)把它當(dāng)做一個(gè)硬盤。RAID分為RAID0,RAID1,RAID1E,RAID5,RAID6,RAID7,RAID10, RAID50,RAID60。 RAID把多個(gè)硬碟組合成為一個(gè)邏輯扇區(qū)，操作系統(tǒng)只會(huì)把它當(dāng)作一個(gè)硬盤。RAID常被使用在服務(wù)器電腦上，并常使用完全相同的硬盤作為組合。 27RAID0也稱為帶區(qū)集。它將兩個(gè)以上的磁盤串連起來，成為一個(gè)大容量的磁盤。在存放數(shù)據(jù)時(shí)，分段后分散存儲在這些磁盤中，因?yàn)樽x寫時(shí)都可以并行處理，所以在所有的級別中，RAID0的速度是最快的。RAID1稱為磁

21、盤鏡像，原理是在主硬盤上存放數(shù)據(jù)的同時(shí)也在鏡像硬盤上寫一樣的數(shù)據(jù)。當(dāng)主硬盤損壞時(shí)，鏡像硬盤代替主硬盤的工作。6.3.RAID技術(shù)28 至少需要三顆硬盤，把數(shù)據(jù)和相對應(yīng)的奇偶校驗(yàn)信息存儲到組 成RAID5的各個(gè)硬盤上，且奇偶校驗(yàn)信息和相對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別存 儲于不同的磁盤上先鏡射再分區(qū)數(shù)據(jù)，再將所有硬盤分為兩組，視為RAID0的最低組合，而將兩組硬盤各自視為RAID0運(yùn)作先分區(qū)再將數(shù)據(jù)鏡射到兩組分區(qū)，它將所有硬盤分為兩組，變 成RAID1的最低組合，而將兩組硬盤各自視為RAID0運(yùn)作6.3.RAID技術(shù)磁盤陣列比較表29RAIDRAID等級等級最少最少硬盤硬盤最大最大容錯(cuò)容錯(cuò)可用可用容量容量安全性安

22、全性目的目的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)020n一個(gè)硬盤異常，全部硬盤都會(huì)異常追求最大容量、速度影片剪接高速緩存用途12n-11最高一個(gè)正常即可追求最大安全性個(gè)人企業(yè)備案531n-1高追求最大容量、最小預(yù)算個(gè)人企業(yè)備案104n/2n/2高綜合RAID0/1優(yōu)點(diǎn)，理論速度較快大型資料庫、服務(wù)器6.3.RAID技術(shù) 英特爾快速存儲技術(shù)是一個(gè)基於windows的應(yīng)用程序，為支持的操作系統(tǒng)提供高性能SATA和SATA RAID能力。此應(yīng)用程序需操作系統(tǒng)和硬件組件的支持。要實(shí)現(xiàn)RAID必須要有兩個(gè)以上硬盤驅(qū)動(dòng)器，且系統(tǒng)BIOS必須包括SATA RAID選項(xiàng)。 若需系統(tǒng)支持RAID，需在安裝系統(tǒng)前先在BIOS中啟用R

23、AID，并創(chuàng)建RAID卷。 步驟如下所示：進(jìn)BIOS將SATA Conntroller改為RAID Mode，將windows 8 logo Disable按F10保存后，在開機(jī)自檢（POST）時(shí)出現(xiàn)如下提示306.3.RAID技術(shù)進(jìn)入用戶介面 316.3.RAID技術(shù)進(jìn)入用戶介面 326.3.RAID技術(shù) AE67，AF18，ACB3等機(jī)種也可以在BIOS種創(chuàng)建RAID卷，進(jìn)入BIOS，確認(rèn)SATA controller為RAID Mode，創(chuàng)建步驟如下：Select Intel(R) Rapid Storage Technology336.3.RAID技術(shù)Select Create RAI

24、D Volume346.3.RAID技術(shù)Select Create RAID Volume 英特爾快速RAID技術(shù)提供創(chuàng)建RAID0、RAID1、RAID5和RAID10卷的能力。數(shù)據(jù)跨兩個(gè)或多個(gè)磁盤分佈以提供數(shù)據(jù)冗餘或提高數(shù)據(jù)儲存性能。356.3.RAID技術(shù)選擇要組成RAID的兩張SSD，并選擇Strip Size。我們會(huì)根據(jù)不同應(yīng)用類型、不同性能需求、不同驅(qū)動(dòng)器的不同特點(diǎn)，不存在一個(gè)普遍適用的“最佳條帶大小”，所以我們可以自己定義條帶大小。366.3.RAID技術(shù)創(chuàng)建完成后如下圖所示376.3.RAID技術(shù)測試完畢后需刪除硬盤中的RAID卷，否則會(huì)影響下次使用 387.SSD 固態(tài)硬盤（Solid State Disk）用固態(tài)電子存儲芯片陣列而製成的硬盤，由控制單元和