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机械硬盘

机械硬盘（Hard Disk Drive, HDD）是一种使用磁性存储介质来存储和读取数据的非易失性存储设备，广泛应用于计算机和数据存储系统中。

存储区域

为了理解机械硬盘是如何存储数据的，需要理解如下概念：

1. 磁头（Heads）：磁头是位于硬盘驱动器的读/写臂上的设备，用于读取和写入磁盘上的数据。每个盘片（硬盘通常包含多个盘片，每个盘片都有两个表面）上都有一个磁头，因此每个磁头都可以读取或写入盘片上的数据。磁头通过移动到不同的磁道（track）来寻找并访问数据。
2. Track（磁道）：磁道是磁盘上的一个同心圆环。
3. Cylinders（柱面）：柱面是硬盘上的一个数据存储区域，由相同半径位置上的多个盘片上的磁道组成。换句话说，它是所有盘片上相同半径位置的磁道的集合。
4. Sectors（扇区）：扇区是磁盘上的最小数据存储单元。磁盘通常被划分成许多扇区，每个扇区可以存储一定数量的数据。扇区的大小通常是 512 字节或 4KB。操作系统和磁盘控制器使用扇区作为数据的最小单元，以读取和写入数据。

CHS 地址

当磁盘驱动器访问磁盘中的扇区时，需要根据 CHS 地址（Cylinder-Head-Sector Address，柱面 - 磁头 - 扇区地址）定位到特定的扇区。 CHS 地址可以理解为盘块在磁盘中的编号，它通过以下三个字段来唯一标识磁盘上的一个扇区：

• 柱面号（Cylinder Number）：目标扇区在哪一个柱面上 $$\text{\small 柱面号位数} =\lceil log_2 \text{\small（柱面数量）} \rceil$$

• 磁头号：目标扇区在哪一个盘面上 $$\text{\small 磁头号位数} =\lceil log_2 \text{\small（盘面数量）} \rceil$$

• 扇区号：目标扇区具体是磁道中的哪一个扇区 $$\text{\small 扇区号位数} =\lceil log_2 \text{\small（磁道中的扇区数量）} \rceil$$

示例

假设一个磁盘有 1000 个柱面、4 个盘面、32 个扇区/磁道：

• 柱面号位数：$\lceil \log_2(1000) \rceil \approx \lceil 9.97 \rceil = 10$ 位
• 磁头号位数：$\lceil \log_2(4) \rceil = 2$ 位
• 扇区号位数：$\lceil \log_2(32) \rceil = 5$ 位
• CHS 地址总位数：$10 + 2 + 5 = 17$ 位

通过 CHS 地址（例如，C=500, H=2, S=15），磁盘驱动器可以精确定位到特定扇区。

性能指标

平均存取时间

平均存取时间是磁盘完成一次读写操作的平均耗时，由寻道时间（Seek Time）、旋转延迟（Rotational Latency）和传输时间（Read/Write Time）这三部分构成：

• 寻道时间：磁头从当前位置移动到目标磁道所需的时间，通常与磁头移动距离和致动器性能有关。
• 旋转延迟：盘片旋转使目标扇区到达磁头下方所需的时间，通常为盘片旋转半圈的平均时间，取决于转速。
• 传输时间：读取或写入目标扇区数据的实际时间，与扇区大小和数据传输率相关。

平均存取时间的计算公式为：

$$\text{\small 平均存取时间} = \text{\small 寻道时间} + \text{\small 旋转延迟时间} + \text{\small 传输时间}$$

数据传输率

数据传输率表示磁盘每秒向主机传输数据的字节数，反映硬盘的读写速度。假设磁盘转速为 $r$ 传/秒，每条磁道容量为 $N$ 字节，则数据传输率 $D_r$ 为：

$$D_{r} = rN$$

RAID

RAID 全称为独立磁盘冗余阵列（Redundant Arrar of Independent Disks） 由于磁盘存储介质数据的可靠性容易受到环境影响，而发生数据错误的代价非常大，因此需要考虑存储的容灾与恢复。

RAID 将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘，数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问，具有更好的存储性能、可靠性和安全性。

RAID 的实现涉及以下核心技术：

• 磁盘镜像：将相同数据写入多块磁盘，提高可靠性。典型如 RAID1。
• 条带化：将数据分段交叉存储在多个磁盘上，提升性能。典型如 RAID0，但不具备容错能力。
• 奇偶校验：通过冗余校验位在部分磁盘损坏时重建数据，兼顾可靠性与存储效率。用于 RAID3/5/6。
• Cache 机制：提高读写性能，但本身不增加可靠性，除非使用掉电保护的写缓存。

常见 RAID 等级如 RAID1（镜像）、RAID5（条带化 + 奇偶校验）、RAID6（双重奇偶校验）等在性能与容错能力之间做出不同权衡。

固态硬盘

固态硬盘（Solid State Drive, SSD）是一种使用闪存（NAND Flash）作为存储介质的非易失性存储设备，与传统机械硬盘（HDD）相比，SSD 在性能、耐用性和能效等方面具有显著优势。SSD 具备以下特点：

• 无机械部件：SSD 没有旋转盘片、磁头或机械臂等移动部件，它使用闪存存储芯片来存储数据。这意味着它不会受到机械故障的威胁，具有更高的耐用性。
• 更快的读写速度：SSD 的读写速度远远超过传统的机械硬盘，因为数据可以立即访问，无需等待盘片旋转和磁头寻道。这使得计算机启动更快，应用程序响应更迅速。
• 低访问时间：由于 没有机械延迟，SSD 的访问时间极低，通常在微秒级别。这有助于加快文件读取和数据检索。
• 长寿命：虽然每个存储单元有写入次数的限制，但现代 SSD 使用错误检查和纠正（ECC）技术，以延长其寿命，并且通常拥有较长的保修期。
• 无碎片化：SSD 的数据存储方式基于闪存单元，读取速度不受数据物理位置的影响，因此不会像 HDD 那样因数据碎片化而降低性能。
• 局限性：
  • 容量限制：SSD 的高容量型号（例如 4TB 以上）价格昂贵，而 HDD 在大容量存储上更具优势。
  • 写入寿命有限：尽管现代技术已大幅延长寿命，但重度写入场景下仍需关注寿命问题。

机械和固态硬盘对比

以下是从多个维度对 SSD 和 HDD 进行的详细对比：