機械硬盤與固態硬盤的介紹與市場情況

左天宇

【摘要】 本文首先介紹了機械硬盤與固態硬盤的結構和工作原理，通過原理的講解，能夠挖掘出兩者的優點和缺點，進而將他們進行比較，總結出他們各自的使用場景。最后，我們將介紹目前機械硬盤和固態硬盤的市場情況。

【關鍵字】 機械硬盤 固態硬盤 市場

一、引言

硬盤是每一臺計算機中必不可少的一部分，他存儲著電腦上絕大多數的數據，包括操作系統。并且，由于硬盤本身的構造，所有的數據是不會因為斷電而被抹去的，這是與內存相比最大的區別。

硬盤目前來看，主要分成兩類：一類是機械硬盤，另一類是固態硬盤。在以往的計算機中，硬盤都是機械硬盤，因為其容量大，價格便宜而被廣泛的運用。隨著人們對于計算機運行速度的不斷追求，固態硬盤誕生了。作為一種新興硬盤，固態硬盤絕大多數被使用在筆記本電腦中，以提高其運行速度。隨著固態硬盤的價格越來越低廉，容量越來越大，其必將在硬盤市場上占有重要的地位。本文就將介紹機械硬盤與固態硬盤的相關概念，并且分析目前的市場情況。

二、機械硬盤

2.1 機械硬盤的物理結構

機械硬盤就是傳統的普通硬盤，由盤片，盤體，磁頭，轉盤轉軸及控制電機，磁頭控制器，數據轉換器，接口和緩存等幾部分組成。機械硬盤的結構通常是指盤體的內部結構，它是一個密封的腔體。硬盤的盤片是硬質的磁性合金盤片，厚度一般在0.5mm左右。有的硬盤只裝一張盤片，有的硬盤則有多張盤片。每張盤片的容量稱為單碟容量，而硬盤的容量就是所有盤片容量的總和。

硬盤的磁頭通過特殊的系統操作后，能夠在極短的時間內精確的定位在由計算機指令制定的磁道上。磁頭上的電機都是無刷電機，但是由于盤體在運行時會高速旋轉，因此不宜搬動，否則將增加軸承的工作負荷。控制磁頭的磁頭臂只能在盤片的內外磁道之間移動。因此不管開機還是關機，磁頭永遠在盤片上。

2.2 機械硬盤邏輯結構

硬盤在邏輯上，被劃分為磁道、柱面以及扇區。如下圖1所示。

磁盤在格式化的時候被分為許多同心圓，這些同心圓的軌跡叫做磁道，從0開始，由外到內進行編號。這些同心圓并不會連續的記錄數據，而是被劃分成一段段的圓弧，每一個圓弧稱作是一個扇區，從1開始編號。

在磁頭靠近主軸接觸的表面，有一個特殊的區域，不會存放任何數據，這個區域稱為啟停區。這個區域之外就稱之為數據區。其中，數據區最遠的地方叫做0磁道。0磁道非常的重要，因為它要被用來完成硬盤的初始定位。很多硬盤0磁道損壞之后就不能被使用了。所有盤面上的統一磁道會構成一個圓柱，這個圓柱我們稱之為柱面。每個柱面上的磁頭由上而下從0開始編號。數據讀寫時，會先從同一柱面的0磁頭開始操作，然后依次向下讀寫。只有在同一柱面的所有磁頭全部讀寫完畢后，才會轉移到下一個柱面。所以，數據的讀寫是按照柱面進行的，而不是按照盤面進行，這一點是需要注意的。信息是以扇區的形式被存儲在磁盤上的，每個扇區包含512個字節的數據和一些其他的信息。系統將文件存儲到磁盤上時，是按照柱面、磁頭、扇區的方式進行的。即最先是第1磁道的第1磁頭下的所有扇區，然后是同一柱面下的下一個磁頭。在一個柱面存儲滿之后就推進到下一個柱面，直到將所有的內容寫入磁盤。將物理相鄰的若干個扇區稱為了一個簇。操作系統讀寫磁盤的基本單位是扇區，而文件系統的基本單位是簇。我們查看一個文件的屬性的時候，會看到大小和占用空間兩項，這里的占用空間就是你機器分區的簇大小，邏輯基本單位是4K，因此再小的文件也會占用4K。簇越大存儲性能越好，但是空間浪費很嚴重。

2.3 機械硬盤讀寫過程

現代硬盤尋道時，會先將讀寫磁頭沿著徑向移動，移動到要讀取的扇區的所在磁道的上方。這段時間我們稱為尋道時間。到達磁道之后，通過盤片的旋轉，使得要讀取得扇區轉到讀寫磁頭的下方，這段時間成為旋轉延遲時間。通過這兩個步驟，我們就能夠讀取用戶所要的信息了。

對于機械硬盤的結構，大致就是上述內容。

三、固態硬盤

3.1 固態硬盤的內部結構

傳統的機械硬盤，運行主要是靠機械驅動頭等必須的機械部件，在快速旋轉的磁盤上移動至訪問的位置。因此，大部分的時間會被消耗在機械移動上。相比較而言，固態硬盤沒有需要移動的部件，其主要由主控與閃存芯片組成，可以快速的訪問的任何的位置。固態硬盤使用集成的電路取代了傳統的機械移動磁盤，總的來說，其內部主要構成部件有主控，閃存和固件算法，估計結構分布如下圖：

其中，閃存負責最為重要的存儲任務，主控和固件算法來完成管理數據存儲、維護固態硬盤的性能和使用壽命等其他任務。

主控就像是計算機中的CPU，發出對固態硬盤的所有讀寫請求。可以說，主控就是固態硬盤的大腦中樞。除此之外，他還要考慮垃圾回收和耗損均衡等問題，來保證固態硬盤的整體壽命。

固態硬盤的固件算法是確保固態硬盤性能的的最重要組件。主控將使用固態硬盤中的固件算法來控制程序，包括像垃圾回收，數據加密等任務。固件算法是冗余存儲在閃存中的，因此當固態硬盤更新時，需要手動更新固件來擴大固態硬盤的功能。最后一點值得注意的是，固件算法的質量越好，整個固態硬盤的品質也就越好，而且目前具有獨立能力開發固態硬盤固件的廠商非常少。

最后一個重要的部件就是閃存。固態硬盤用戶的所有的數據都存儲在閃存中，閃存不僅決定了固態硬盤的使用壽命，而且對固態硬盤的性能影響也非常之大。閃存主要分三種，SLC、MLC和TLC閃存。他們的區別很簡單，就是他們存儲的位數不同。打個比方，同樣的晶體管數量和物理尺寸如果做成SLC，就是一個32GB的顆粒，做成MLC就是64GB的顆粒，做成TLC就是96GB的顆粒。

3.2 固態硬盤的工作原理

要知道固態硬盤的工作原理，我們需要先了解一些專業術語。在固態硬盤中，1個page為4KB，也就是最小的讀寫單位，1個block由256個page組成，1個plane由2048個block組成，2個plane組成一個die，也就是最小的芯片（4GB），多個die就可以組成1個顆粒。在往固態硬盤中寫入數據時，主控會先將所有顆粒的第一個block中依次填入數據。當所有顆粒的第一個block寫滿之后，主控會繼續往所有顆粒的第二個block中依次填入數據。以此類推，任何的數據都是以這樣的方式被寫入固態硬盤中的。明白了數據寫入的原理，那么數據讀取的原理也就顯而易見了。在此我也只是簡單解釋了一下固態硬盤的工作原理，對于更深層次原理感興趣的讀者可以自行搜索相關資料。

四、機械硬盤和固態硬盤的對比

4.1 機械硬盤的優點

機械硬盤是傳統的硬盤，因為他的工藝已經非常成熟了，所以他容量大并且價格便宜。目前來看，在臺式機中，還是以機械硬盤為主流。現在也有一些用戶選擇固態硬盤和機械硬盤一起使用，一方面保證了容量的大小，同時也能夠提高計算機的運行速度。

4.2 固態硬盤的優點

由于固態硬盤使用閃存作為存儲介質，所以其讀寫速度快，并且防震抗摔。并且，固態硬盤并沒有任何的機械工序，所以其工作時噪音非常小。此外，固態硬盤還有低功耗，工作溫度范圍大的優點。

4.3 使用場景

通常來說，在筆記本電腦中，使用固態硬盤較多，因為筆記本電腦通常僅僅做一些簡單的工作，以上網瀏覽，聯絡溝通為主，并不需要大容量的存儲。而且，筆記本電腦在不通電的情況下需要盡量做到低能耗，以提高續航，固態硬盤也有著低能耗的優點。因此，在筆記本電腦中，使用固態硬盤為優。對于臺式機，目前較為主流的是固態硬盤和機械硬盤混用的搭配。其中，固態硬盤作為系統盤，來存儲一些系統所需要的文件和數據。這樣一來，系統的開機以及核心運算的速度會提高。其他的用戶數據，因為考慮到可能占用的空間會比較多，使用固態硬盤的成本太大，所以優先考慮存儲在機械硬盤中。

五、機械硬盤和固態硬盤的未來市場

最后，我們來分析一下目前固態硬盤和機械硬盤的市場占有率。由于缺乏官方數據的支持，我們根據天貓電器城相關產品的當月銷量（2月1日到2月17日）來估算一下目前兩者目前在市場上的受歡迎程度，結果如下：

固態硬盤銷量（銷量>100）：46567

機械硬盤銷量（銷量>100）：39700

可以看到，目前固態硬盤已經開始蠶食機械硬盤的市場了。用戶更加偏好于固態硬盤，這也歸功于其較快的讀寫速度以及逐漸平民化的價格。由此可見，固態硬盤取代機械硬盤只是時間問題。

總結：現在，我們已經介紹了機械硬盤和固態硬盤的相關知識，包括其物理結構，邏輯結構和工作原理。當然，這對于復雜的硬盤來說還只是冰山一角，如果讀者對更加深奧的原理感興趣的話，可以自己使用搜索引擎尋找相關資料，也可以去希捷，三星，西部數據等硬盤大廠的官網去了解各種硬盤的相關參數。此外，我們還對比了一下機械硬盤和固態硬盤的優缺點，希望讀者能夠根據自己的需求選擇最合適的產品。總而言之，固態硬盤在未來會成為市場的主流，因此挑選一款合適的固態硬盤，是非常有必要的。

參 考 文 獻

[1] Abraham Silberschatz. Operating System Concepts [M]. 高等教育出版社， 2007.

[2] 胡嘉璽. 固態硬盤火力全開：超高速SSD應用詳解與技巧 [M]. 清華大學出版社， 2014.