“硬”道理

易　輝

本文將詳細介紹硬盤這一現代主要數據存儲技術的詳細信息。

硬盤是大部分人存儲數據的首要選擇，畢竟我們已經習慣了將自己的文件和照片保存在硬盤上。

硬盤只有在發出噪音令人厭煩，或故障導致重要數據丟失后，才會引起我們的注意。但是否有人考慮過硬盤的工作原理是什么，內部結構又是什么?在本文中，我們會介紹硬盤這種精密儀器是如何工作的。

硬盤簡史

硬盤發明到現在已經超過50年了，所有硬盤的鼻祖都是IBM的350存儲單元(或者IBM所說的“磁盤文件”)，該設備最早在1956年用于305 Ramac計算機中，該計算機使用了50片24英寸的磁性盤片(Platter)，最多可以保存五百萬個7-bit字符，同時使用一個磁頭進行數據的讀寫。但在1973年，IBM發明了到現在依然被所有硬盤使用的技術，該技術名為3340，當然，很多人更熟悉該技術的另一個名字：溫徹斯特驅動器(Winchester drive)，該技術引入了Low-mass磁頭，涂有磁性材料的盤片被封裝到盒子中，通過使用兩張或四張14英寸的盤片，可實現35MB或70MB的存儲容量。

在1980年，我們見到了第一塊5.25英寸全高硬盤；希捷ST-506，這是第一塊用于個人電腦的硬盤。可存儲5MB數據。三年后上市的Rodime硬盤則開始使用目前我們熱知的3.5英寸半高樣式，其中R0352型號可以在兩張3.5英寸盤片上存儲IOMB數據。在1988年，則出現了第一塊矮版(Low-profile)3.5英寸硬盤Conner PeripheralsCP3022，該硬盤可以在一張3.5英寸盤片上存儲21MB數據。這種形式的硬盤最終成為現代硬盤的標準，同年還出現了第一塊2.5英寸硬盤，這種硬盤當時由名為Prairie Tek的公司發布，型號是220，可以在兩張2.5英寸盤片上存儲20MB數據。

在二十世紀九十年代初，IBM對于硬盤的數據訪問方式帶來了三個重要的改變。IBM Redwing是一款發布于1990年的857MB硬盤，這是第一個使用巨磁阻(MagnetoResistive，MR)磁頭的硬盤，同時這種硬盤使用了名為PRML(Patrial Response MaximumLikelihood，局部響應最大擬然)的數據編碼方式。一年后，IBM的Pacifica大型機硬盤成了第一個在盤片表面用薄膜介質材料取代磁性氧化物介質的硬盤。

第一塊萬轉硬盤是在1997年被希捷發布的，當時發布的型號是STIgl01 Cheetah 9，該硬盤使用了8張3.5英寸盤片，可提供9.1GB存儲容量。一年后，該公司又發布了使用3英寸盤片的萬轉硬盤Cheetah 18(STI 18202)，該硬盤具有12張盤片，容量是18.2GB。

同年日立還發布了速度更快的硬盤DK3EIT-91，該硬盤的轉速高達12，000rpm，而在1999年，IBM發布了世界上第一塊微硬盤。

二十世紀末。希捷發布的更高速的Cheetah X15硬盤速度已經達到15，000rpm，容量為18.3GB。

隨著容量的提升，硬盤的接口也在持續改進，不僅并行ATA標準的速度越來越高，而且在2003年，串行ATA工作組還發布了串行ATA(SATA)1.0a標準，該標準已經開始逐漸普及，而現在大部分新系統中都已經開始使用SATA接口。

與此同時，記錄技術也在改進，在2005年，東芝發布了世界上第一款使用“垂直記錄”技術的1.8英寸商用硬盤，不過希捷是第一家將使用該技術的2.5英寸和3.5英寸硬盤投入市場的廠商(都是在2006年)。正是有了該技術，磁性介質上的比特密度才可以更高，同時也因為有了該技術。日立在2007年發布了第一塊TB級的硬盤(iTB)。同時在2007年也首次出現了基于閃存的固態硬盤，也就是SSD。

硬盤如何工作?

硬盤存儲和訪問數據的工作方式類似磁帶。在磁盤上，通過磁盤表面小塊區域內磁性的變化即可記錄數據，而磁盤表面則涂有一層鈷鉑合金。這種小塊區域可以理解為磁條，可以指向一個或兩個方向，而北極則指向盤片旋轉的方向，或相反方向。

在大部分新型硬盤中，磁介質的排列方向是垂直的，這樣北極可能面向或背向盤片表面。

磁介質的方向代表了這個比特上保存的數據的二進制“1”，或“0”，在寫入數據時，磁頭需要施加更強的磁力以改變磁介質的極性，而讀取數據時則需要檢測磁介質的當前狀態。

每張盤片的上表面都有一個可移動的磁頭，同時一塊硬盤中的所有磁頭都是通過同一個動臂(Actuator)驅動的，這樣做可以讓同一時間里訪問同一磁道，以及訪問所有盤片的操作更高效。為了讀寫數據，磁頭和盤片表面之間的距離必須非常近，通常這個距離只有0.0003mm。為了能夠盡可能靠近盤片表面，但不至于有物理上的接觸，磁頭需要通過盤片旋轉產生的氣墊獲得浮力。磁頭可以在物理上接觸到盤片的唯一時機是硬盤被關閉，或發生非常嚴重的意外，例如硬盤跌落的時候。

大部分現代硬盤會將磁頭停靠在磁盤上一塊專用的保留區域內，這個區域叫做停靠區(Landing Zone)。

要讀取或寫入數據，控制器必須等待相應的扇區正好旋轉到磁頭的下方。另外還需要監控磁頭的位置，以進行糾錯，而遇到的任何錯誤都將被反饋回內部的循環系統，以確保硬盤總是能正確讀寫。

磁頭本身是由磁阻材料制造的，這意味著磁頭的電阻會隨著靠近的磁性區域的變化發生變化，因此隨著盤片在磁頭下方的移動，磁頭的電阻就能代表盤片上當前位置存儲的“0”和“1”。在將數據寫入到硬盤時，要寫入的數據會被應用給磁頭，并在磁頭下方的盤片表面上創建出相應極性的磁力線。

數據是以扇區和磁道為基礎保存的(簡單來說，磁道指所有同軸柱面，同時會根據特定長度分為不同扇區)。這些劃分都是在進行低級格式化的時候進行的，同時還需要對每個扇區的開始和結束點進行記錄。

扇區可以包含固定數量的字節，通常是512或256個，這些扇區組合到一起就形成了簇。實際的文件存儲操作以及其他工作，例如空間的分配等都懸由高級格式化以及操作系統負責的。

IDE和ATA

在訪問硬盤上的數據時，信息會通過硬盤自己的IDE(Integrated DriveElectronics，集成設備電路)控制器進行傳輸，而當年在第一塊硬盤上，我們必須在電腦中安裝獨立的控制器卡，而且當時的硬

盤本身智能程度也并不高。IDE控制器可以理解為硬盤的大腦，硬盤需要通過EIDE(EnhancedIDE，增強的IDE)SATA接口連接到主板，這些接口則是由主板上的控制器芯片控制的。

在SATA標準被廣泛采用之前，用于描述硬盤接口最常用的術語是IDE以及ATA，這兩個代表同一個含義。因為西部數據創造了“IDE”這個稱呼，因此其他制造商只能使用不同的名稱，因此ATA(AT Attachment，AT連接)就應運而生了。AT(Advanced Technology，高級技術)代表IBM PC／AT中的AT總線架構。

事實上，ATA接口有7種不同的版本。同時都可以向后兼容，不同版本的主要區別在于連接的速度。

SATA和SCSI

發布于2003年的第一個SATA標準最大支持150MBps的數據傳輸率，相比ATA-7標準，這個速度并不是很快，但現在，即將發布的下一代SATA標準的速率將達到3，0GBps(300MBps)，這種更快速度的標準曾被叫做是SATAⅡ，但這其實只是負責制定SATA標準的工作組的名稱。為了避免誤解，該工作組已經更名為SATA-IO。

SATA數據線使用4Pin的連接線，而不是ATA數據線的80Pin模式，很明顯，這樣數據線也可以更細。

另外，SATA的低電壓也意味著數據線可以做得很長。同時SATA塑構的其他優勢還包括點對點支持，這樣就避免了像ATA硬盤那樣需要設置主從模式。

SCSI(Small ComputerSystem Interface，小型計算機系統接口)硬盤通常只屬于服務器或工作站，而且目前這類接口已經不怎么常用了，因為串口連接SCSI(SAS)硬盤(見下文)已經開始主導這一領域。

串口連接SCSI

SAS是服務器環境上最新一代的接口，也是SCSI的繼任者，可提供所有高端功能，例如Multi Initiator支持，以及全雙工通訊，同時這種接口要比SATA更小。SAS可支持SAS和SATA硬盤，因此SATA硬盤也可以連接到SAS控制器，但SAS硬盤無法連接到SATA控制器。

SAS和SATA類似，最高可工作在3Gbps的速度下，同時該接口具有擴展的驅動器尋址功能，這使得SAS可以在每個接口上最多支持4，032個設備，這要比SCSI或SATA多不少。

硬盤的未來

雖然有些人認為閃存硬盤是未來的趨勢，但有些工程師卻不這樣認為。對于非常熱衷于新技術的人，則有一些自己的新奇想法。其中之一是熱輔助記錄(TAR，Thermally Assisted Recording)，該技術需要在磁頭寫人數據位置使用激光對記錄介質進行加熱，這樣只需要使用很少的磁性介質即可提升存儲密度。另一種提升密度的方法是使用圖案化磁記錄介質(Pattemed Media)。

在目前的硬盤中，每個記錄的比特都是由盤片表面上很多隨機磁介質組成的，而在圖案化磁記錄介質中，磁介質層是按照高度一致的島嶼(IsIand)排列而成，每個島嶼可以存儲一個比特。不過確定的是，無論如何宣揚硬盤大限已至。其實硬盤的生命力還有很長。