【科普】科普：硬盘使用手册

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硬盘，就是我们平时用来存储数据的媒介。我们在Windows看到的C盘、D盘等通常都是硬盘。



那么硬盘本来是长什么样子的呢？通常，台式机硬盘是这个样子的：（下图是3.5寸机械硬盘，图片来自网络。）



而笔记本硬盘则是这个样子的：（下图是2.5寸机械硬盘，图片来自网络。）



硬盘一般是两种接口的：IDE接口和SATA接口。其中IDE接口使用一种带状的IDE线（这么宽的东西，我简直不想把它说成是“线”……）

而SATA接口则使用SATA线。

SATA线这种小而细的线因为传输速度比IDE线快很多，因此已经取代了IDE接口，成为现在硬盘接口的标准。现在买的新主板一般都有4到6个SATA接口。PCI和PCI-E扩展槽可以用来扩展主板的SATA接口，使其能接更多的硬盘。
SATA接口的硬盘，可以看到这样的接口：



现在的硬盘基本都是SATA硬盘，无论笔记本硬盘还是台式机硬盘都是这个接口。因此笔记本硬盘能插在台式机上，而台式机硬盘因为太大，插笔记本不合适。虽然也能插上。（台式机硬盘就是个大砖头，又重又大。）
所谓的移动硬盘，说白了就是笔记本硬盘加个好看的塑料壳，然后弄个SATA转USB的转接器。这样插上USB线就能识别了。（事实上现在新出的华硕主板支持硬盘热插拔，大家完全可以敞着机箱，用固态硬盘当U盘使，只是要记得带着SATA线。这样就屌了。然后Windows就能给你来一个“安全删除硬件”，把硬盘拔了。）


硬盘的正面通常有各种和厂家相关的信息，序列号，以及大小、转速等。
当然也写着“Warranty Void if XXXXX”（翻译过来就是“如果你XXXXX了就不保修了！”）。
正面通常用6颗螺丝固定。螺丝既不是扁口的又不是梅花的，而是六角星形的。只能用特殊的工具打开。（图片来自网络。）



硬盘的背面是这个样子的：（图片来自网络。）

背面有控制芯片，负责控制硬盘内部的磁头移动、磁盘转动、读写数据并和电脑主板交互。
这个控制芯片的ROM是可烧写的，烧写口在硬盘接口旁边的四个针脚那里（其中两个针脚短接后硬盘速度被限制到1.5 GB/s，不短接则是3.0 GB/s的速度，实际没那么快。然后另外两个针脚是用来烧写控制芯片的。用串口就能烧写。可以用COM口，也可以用USB转COM的工具来完成。）


硬盘正面有六颗六角星形的螺丝，这些螺丝只能用特殊的工具打开。如果你不是在无尘环境下将其拆开的话——那这个硬盘就废了，只能当镜子照照，不久它表面镀的铁就会生锈。盘片有铝合金的，也有玻璃的，表面镀了一层铁磁性物质，用于存储数据。平时硬盘的盘片是放在一个充满惰性气体的环境中的。很久以前有真空的硬盘，但是现在没有了。
拆开后，是这个样子：（图片来自网络。）

其中盘片中有很多磁道，每个磁道由不同数量的扇区组成。一个硬盘一般有不止一个盘片。


硬盘在运行的时候，盘片是不停地转动的，有的是每秒五千转，有的是每秒七千转，也有每秒一万转的。因此，这样的硬盘摔倒、磕到、碰到的时候很容易坏。
运行中的硬盘很脆弱，而没有运行中的硬盘则“稍微不那么脆弱一些了”。运转中的硬盘尽量别动它，否则容易坏，因此不建议抱着笔记本电脑到处乱跑。（当然如果你的笔记本装的是固态硬盘的话随你，你就算扔它也不会弄坏硬盘，顶多把屏幕弄出裂痕。奥，对了，有个三星的笔记本它的显卡和南桥芯片是虚焊的，所以不能扔，扔了的话，BIOS的POST就会卡在五分之四的位置不动。）
当一个硬盘在运转的时候你动到它了，那么磁头容易划到盘片上。这个时候盘片上就会产生划痕。然后这个划痕就会破坏一个磁道，也就是坏道。坏道会导致文件丢失。
当一个硬盘在运转的时候发出有规律的咔哒声，这意味着这个硬盘要废了。应当赶紧停止对它的使用，趁它还能读取数据的时候，把它的数据拷到别的硬盘上。搞不好的话，硬盘死了，数据也没了，哭去吧你。


当你需要从硬盘中读取文件的时候，硬盘需要先把磁头弄到正确的位置上，这个过程叫“寻道”。“寻道”，就是磁臂移动，磁头指向硬盘中正确的磁道，然后读取其中的数据。这个寻道的过程是非常缓慢的。但是一旦它找到了正确的磁道，读取的速度也还是可以的。那么这里就要说一下文件碎片了。所谓文件碎片，说白了就是一个文件的内容被存到了不同的磁道上，因此当电脑要读取这个文件的时候，它就要进行很多次寻道。然后这个过程就非常的花时间了……
清理磁盘碎片的原理，就是把分散存储的文件集中存储到一个位置，这样硬盘只需要最少一次寻道就能读取整个文件。
硬盘每次寻道的时候都会咔的响一声。正常现象。
FAT32文件系统在这个方面就显得很不好，因为它的FAT表在分区开始处，而资料则在硬盘的不同位置散布着，系统每次读取文件的时候都要先读取FAT表再读取文件，因此会有多次寻道操作。而NTFS文件系统则表现优秀，能快速读取文件。


机械硬盘速度慢，是因为它有机械方面的运动，需要转动盘片，还需要转动磁头，这个过程就慢了。
系统并不是每次需要文件数据的时候都去读硬盘，而是会在内存中建立硬盘缓冲区，尽量减少读写硬盘的次数，来提高应用程序的运行速度。这种工作，就是操作系统的职责。应用程序只需要找系统“要”文件，系统就“给”。背后所做的工作都由操作系统来完成。而操作系统则借助驱动程序来和硬件进行具体的交互。在DOS下，使用Windows提供的smartdrv可以实现硬盘缓存，提高硬盘的读写效率。


由于硬盘使用的是磁，作为存储介质，因此任何强磁性物体都会破坏硬盘上的数据。应尽量使硬盘远离有磁性的物体。
有传言说机械硬盘是中国人发明的……


以上是有关机械硬盘的资料。

接下来介绍固态硬盘。

它使用类似U盘的存储芯片，也就是FLASH芯片来存储东西。一个固态硬盘有一个控制芯片，和一个以上的FLASH芯片。FLASH存储颗粒分三种：SLC，MLC，TLC。其中SLC寿命最长，容量最小，速度最快，价格最高。TLC最便宜，容量最大，速度最慢，寿命最短。MLC则是中等水平。原理是：SLC使用一个存储单元存储一个二进制位，而MLC用一个存储单元存储两个二进制位，TLC用一个存储单元存储三个二进制位。这样一来，SLC的存储颗粒负担最小，因此速度最快，寿命最高。


固态硬盘目前有这样的几种接口：SATA接口，mSATA口，PCI-E口，NGFF口。其中SATA接口的固态硬盘可以像普通机械硬盘一样直接插上就能使用，而mSATA接口的固态硬盘体积小很多，通常用在笔记本电脑。PCI-E接口的固态硬盘速度非常快。NGFF口的固态硬盘也很快，但是需要插到有NGFF接口的电脑上。装了“英特尔快速存储技术”驱动的Windows都认不出NGFF接口的固态硬盘，这是BUG，不是固态硬盘的问题，而且“英特尔快速存储技术”也没什么用（相当于硬盘缓存），可以卸载。


由于固态硬盘是用FLASH颗粒存储数据的，因此它并不需要像机械硬盘那样“寻道”，没有任何机械方面的操作，因此速度比机械硬盘快很多。当然价格也高。
顺序读取和顺序写入的速度，对于某些速度快的机械硬盘来说，应该能赶上固态硬盘的速度。但是随机读取、随机写入的速度，固态硬盘就有很大的优势了。


固态硬盘的控制芯片会自动让整个固态硬盘平均使用每个存储颗粒来存储不同的数据，保证它们的寿命基本相同。
使用固态硬盘的时候，不需要进行文件碎片整理，因为固态硬盘本来就不需要寻道时间，因此整理文件碎片也不能加快它的访问。反而会降低它的寿命。
固态硬盘需要定期进行4K对齐优化，对齐后，它的访问速度将得到大幅提高。


固态硬盘使用FLASH颗粒进行存储，而不是磁，因此固态硬盘不会因为强磁性物体而破坏其中的数据。但是也要尽量避免接触磁性物体。


相比较机械硬盘，固态硬盘的寿命略短。不过即使这样，它的寿命也足够你把它用到你有钱换新的了。
固态硬盘拆开的样子：（图片来自网络）








以上是有关固态硬盘的资料。

RAID：硬盘阵列。
这个并不是什么稀奇的技术。目前流行的RAID有RAID0、RAID1、RAID0+1、RAID5.
大家的电脑都可以用上RAID，只要有不止一个硬盘。

RAID0：
原理是将扇区编号分散到不同的硬盘，进行“条带状”编号。（图片来自百度）

这有什么好呢？当然是减少了每个硬盘的压力。比如我要写入一个1G的文件到一个硬盘阵列，这个硬盘阵列由两个硬盘组成，那么每个硬盘只需要写入0.5G的数据就可以了。而当我要读取一个2G的文件的时候，每个硬盘也只需要处理1G就可以了。总体速度相当于最慢的那个硬盘的N倍（N==硬盘数量）
但是RAID0的缺点是，一旦一个硬盘坏了，那么玩完。数据全丢。
总结：RAID0能让硬盘提速N倍，同时也能把硬盘的总容量累加起来。

Win7可以组软RAID0.方法：http://www.0xaa55.com/thread-874-1-1.html


RAID1：
原理是让多个硬盘全部保存一样的数据。

写入速度基本没有提升，而读取速度则提升了（类似于RAID0，一个硬盘只需要读取一部分）。RAID1的优势在于它用硬盘做备份，可以大幅度保证数据的安全性。
RAID1并不能提升硬盘的容量，只提升读取速度。

Win7也可以组RAID1.方法和组RAID0差不多，只是选的是“新建镜像卷”而不是“新建带区卷”。

RAID0+1：
相当于把RAID0的硬盘阵列用RAID1的方式进行备份。


RAID5：
分布式奇偶校验的独立磁盘结构
它的奇偶校验码存在于所有磁盘上，RAID5的读出效率很高，写入效率一般，块式的集体访问效率不错。因为奇偶校验码在不同的磁盘上，所以提高了可靠性。但是它对数据传输的并行性解决不好，而且控制器的设计也相当困难。在RAID 5中有“写损失”，即每一次写操作，将产生四个实际的读/写操作，其中两次读旧的数据及奇偶信息，两次写新的数据及奇偶信息。

相关资料：
http://baike.baidu.com/subview/74284/5114399.htm
http://baike.baidu.com/view/723957.htm
http://baike.baidu.com/view/63423.htm

TrueCrypt

这图不是你画的吧……这么专业……

0xAA55

TrueCrypt 发表于 2014-10-13 18:21
这图不是你画的吧……这么专业……

百度的。

贪婪

受教了。被怪我挖坟。

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贪婪 发表于 2015-6-24 17:41
受教了。被怪我挖坟。

然而我并不介意

Breeze

学习了。这是这个版块少有的我能看懂的文章