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计算机组装与维修
第五章 外存储器
知识要点
硬盘驱动器的分类和基本结构。
硬盘驱动器的工作原理和性能指标。
典型硬盘的产品及厂商。
磁盘存储机制。
固态硬盘。
移动存储器。
5.1 硬盘结构和性能指标
硬盘的结构 硬盘的分类
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
硬盘的主要性能指标
硬盘的工作原理
5.3 硬盘厂商及其代表产品
希捷（Seagate）
西部数据公司（Western Digital Corp.）
5.4 移动存储器
闪盘
移动硬盘
使用移动存储设备的注意事项
支持AMD CPU的主板
5.5 固态硬盘（SSD）
5.6 硬件助手
硬磁盘驱动器（Hard Disk Driver，HDD），简称HD，是一种速度快、容量大的外部存储设备。由一个或多个金属碟片组成，被密封、固定在硬盘驱动器中，因此称为硬盘。硬盘数据不会因断电丢失数据，是计算机主要的存储媒介之一。在计算机存储设备中，硬盘是使用率最高、最主要的存储介质，它担负着与内存交换信息的任务。
5.1 硬盘结构和性能指标
5.1.1 硬盘的结构
内部结构：硬盘（Hard Disk）大容量的外部存储器，其内部有复杂且高精度的机械结构。
通常是将磁性物质附着在金属盘片上，并将盘片安装到主轴电动机上，当硬盘开始工作时，主轴电动机将带动盘片一起转动，盘片表面悬浮的磁头在电路和传动臂的控制下进行移动，并在指定位置进行数据读写操作。
5.1 硬盘结构和性能指标
5.1.1 硬盘的结构
外部结构：外部结构比较简单，其正面硬盘正面贴有产品标签，主要包括厂家信息和产品信息，如商标、型号、序列号、生产日期、容量、参数和主从设置方法等。 背面是集成主控芯片的PCB电路板，后侧则是硬盘的电源接口和数据接口。
5.1 硬盘结构和性能指标
5.1.2 硬盘的分类
硬盘产品按内部盘片直径大小可分
5.25英寸
3.5英寸
2.5英寸
1.8英寸
1英寸
5.1 硬盘结构和性能指标
5.1.2 硬盘的分类按照接口类型分类
IDE 硬盘用于早期的个人计算机中
SCSI 主要应用于服务器
SATA 在个人计算机领域中已经替代了IDE接口
IDE接口硬盘
5.1 硬盘结构和性能指标
5.1.2 硬盘的分类
SCSI接口硬盘
SATA接口硬盘
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标-容量
　　容量（Volume）是硬盘最重要的性能指标，容量以GB和TB为单位（早期的硬盘容量小，用MB）
1956年9月，IBM公司制造的世界上第一块硬盘只有5MB，而现在，数TB容量的硬盘也已普及到个人计算机。目前常见的硬盘容量有1TB、2TB、3TB、4TB，随着硬盘技术的发展，更大容量的硬盘将不断推出。
硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1GB=1000 MB，因此，在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值小。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标－转速
转速（Rotational speed或Spindle speed）是指硬盘盘片每分钟转动的圈数，单位为rpm，有时也用r/min表示，转速是决定硬盘内部数据传输速率的决定性因素之一，同时也是区分硬盘档次的主要标志。
从IDE到SCSI硬盘的主轴转速经历了2400rpm、3600rpm、4500rpm、5400rpm、7200rpm的过程。目前主流硬盘的转速为7200rpm，更高的转速会带来发热量高、抗振性下降等问题，所以很少有硬盘采用更高的转速。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标-数据传输率（单位：MB/s）
内部传输率（Internal Transfer Rate）
内部传输率也称为持续传输率（Sustained Transfer Rate），是指磁介质到硬盘缓存间的最大数据传输率，其与硬盘的旋转速度成正比。
外部传输率（External Transfer Rate）外部传输率也称为突发数据传输率或接口数据传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标-数据传输率（单位：MB/s）
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标－平均访问时间（单位：ms）
平均访问时间指磁头从起始位置到达目标磁道、目标扇区所需要的时间。
平均访问时间包括硬盘的寻道时间和等待时间，即平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间。
硬盘的平均寻道时间指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需要的时间，通常在8～12ms。
硬盘的等待时间又称为潜伏期（Latency），是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。平均等待时间为盘片旋转一周所需时间的1/2，一般应在4ms以下。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标－磁道
数据存入盘片之前要划分存储区域。磁道是以盘片圆心为圆心划分出多个同心圆，划出来的每个圆环都被称作磁道。磁道由外向内从０开始编号。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标－扇区
把划分好的磁道沿径向划分为多个扇形存储区域，这样的扇形存储区域就是扇区，每一个扇区可存放的数据量为0～512B。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标-缓存
缓存是硬盘控制器上的内存（DRAM）芯片，是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器（像蜂巢）。其单位为MB，是硬盘与外部总线交换数据的场所。主流硬盘的缓存都大于64MB。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标-单碟容量
单碟容量是指硬盘单个盘片的存储容量，由单位记录密度（每平方英寸）决定，通过提高单碟容量，可以提高总容量、缩短寻道时间和等待时间，并极大地降低单位容量存储的成本。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标-磁头数
磁头的作用是读取或者修改盘片上磁性介质的状态，每一个磁面都会有一个磁头。电脑开机状态下盘片处于高速旋转状态，由于对磁头采取了精巧的空气动力学设计，磁头处于与盘面数据区保持一定高度的“飞行状态”，既不与盘面接触造成磨损，又能可靠地读取数据。
硬盘的磁头数与硬盘体内的盘片数有关。由于每个盘片均有2个磁面，每面都应有1个磁头，因此，磁头数一般为盘片数的2倍。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标-柱面
硬盘通常由重叠的一组盘片（1～８片）构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外道向内道从“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称为硬盘的柱面。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标-交错因子
交错因子就是每两个连续逻辑扇区之间所间隔的物理扇区数。交错因子是硬盘低级格式化时，需要给定的一个主要参数，取值范围在1﹕1～5﹕1，具体数值视硬盘类型而定。交错因子对硬盘的存取速度有很大影响。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标- MTBF
　　MTBF即连续无故障工作时间，它指硬盘从开始使用到出现故障的最长时间，单位是小时。该指标关系到硬盘的使用寿命，一般硬盘的MTBF至少为30 000～40 000小时。如果硬盘按每天工作10小时计算，其寿命至少也有8年之久。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标-NCQ技术
　　NCQ（Native Command Queuing，全速命令排队）是一种使硬盘内部优化工作负荷执行顺序的技术，通过对内部队列中的命令进行重新排序实现智能数据传输管理，改善硬盘因机械部件而受到的各种性能制约，该技术从SATA2开始使用。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标-簇（块）
　　簇（块）是操作系统中最小的逻辑存储单位。操作系统与磁盘打交道的最小单位是磁盘块。
Windows系统 NTFS文件系统中叫做簇
Linux系统 Ext4文件系统中叫做块
每个簇或者块可以包括2、4、8、16、32、64……2n个扇区。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.1 硬盘的主要性能指标-簇（块）
在FAT16文件系统中，操作系统（DOS）可以管理216 、也就是65536个逻辑存储单元（簇）。每个簇的最大空间是64个扇区、也就是 64×512B= 32KB 存储单位。
所以操作系统可以管理的磁盘空间=
216×64×512B=216×24×22×512B=2GB
这就是上世纪90年代“专业人士”们所说的分区大小不能超过2GB限制的由来。
232×210×512B=22×230×210×512B=2TB 每个簇最多由1024个扇区组成
可计算出FAT32文件系统的单个分区最大容量为2TB
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.2 硬盘的工作原理-数据存放机制
为读写和管理需要，在硬盘盘片上划分出多个存储单元。首先从外向里在盘片上划出多个同心圆，也就是磁道，最外圈是0磁道。之后是沿直径方向划出多个扇形区域，就是所谓的扇区，从1开始编号，每个扇区最多可存放512B数据。
每片盘的正反面都可以存取数据，多片盘时会有2倍于盘片数的面数，面的编号也是从0开始的，如0面0道1扇。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.2 硬盘的工作原理-硬盘寻道过程
现在的硬盘采用的都是“温彻斯特”技术。磁头、磁盘及运动机构是密封在盘体内的。
在硬盘加电后主轴电机高速旋转，磁头在音圈马达、永磁铁和控制电路的共同作用下从磁头启停区移出并进入到磁盘表面。在此过程中磁头在强大气流的作用下（空气动力学原理）以飞行状态悬浮在磁盘表面上方，并不与磁盘表面相接触，其飞行高度为0.1～0.3μm。
音圈马达控制碰头臂使磁头沿磁盘表面做径向运动实现定位磁道，这就是寻道过程。
5.2 硬盘驱动器性能指标和工作原理
5.2.2 硬盘的工作原理-定位到扇区
想要提取数据就要把磁头定位到指定的面、磁道、扇区。磁道的选取是靠磁头臂的动作来实现的。
而扇区的选取过程非常简单，在寻道结束后，盘片在主轴电机的带动下目标扇区会自动旋转至磁头下方，此时由控制电路发出读取（或写入）的指令来完成读 / 写操作。

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