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固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?

大家好,我是颜离,今天来简单了解一下机械硬盘和固态硬盘的工作方式,以及他们的优缺点和区别

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图1)

一般机械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、容量、参数等。这些信息是硬盘的基本依据,下面将逐步介绍它们的含义。硬盘背面则可以看到背部的控制电路板和接口部件等组。控制电路板上主要有硬盘BIOS、硬盘缓存和主控芯片等单元。上面的就是硬盘的接口。硬盘接口包括电源接口和数据接口。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图2)

硬盘BIOS芯片的作用,是用来存储硬盘各项数据信息的。像接口啊,容量啊这些。如果BIOS出问题,那就可能导致电脑认不出硬盘,或者认错,等等故障。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图3)

缓存芯片的作用。就是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设计的,在硬盘中,主要负责给数据提供暂存空间,提高硬盘的读写效率,把数据从内存写入硬盘时,由于硬盘较缓慢,需要等待较长的时间才能完成写入。有了缓存芯片,数据就可以先写入到缓存里,随后硬盘自己再从缓存写入到盘片。就不需要我们再傻等了。所以缓存越大就代表硬盘的性能越好。

主控芯片则是负责数据写入硬盘时和读取时的方式,等等。相当于硬盘的大脑了。一个好的主控,他就能让硬盘更快速有效的工作。找数据非常快和准确。那你说这大脑都不行了,东西放在硬盘的那个位置他都不知道了,那硬盘能好使么。

接口处的电源插座连接电源,为硬盘工作提供电力保证。数据接口是硬盘与主板、内存之间进行数据交换的通道。 此外,在硬盘表面都有个透气孔,它的作用是使硬盘内部气压与外部大气压保持一致。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图4)

某西数硬盘透气孔

打开硬盘,观察内部,可以看到:里面有磁头、盘片、马达等部件

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图5)

硬盘的盘片是硬质磁性合金盘片,就是存储数据的。厚一般在0.5mm左右, 这些盘片安装在马达的转轴上,在马达的带动下高速旋转,盘片的旋转配合磁头的摆动,就能读取盘片中每个地方的数据了。一般的机械硬盘都是由多组盘片和定位系统组成的。

那么,硬盘上的数据是如何组织与管理的呢?盘片首先在逻辑上被划分为磁道以及扇区。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图6)

盘片被划分成许多同心圆,这些同心圆轨迹叫做磁道。磁道从外向内从0开始顺序编号。硬盘的每一个盘面有几百到几千个磁道,越大容量硬盘每面的磁道数越多。当硬盘需要存放数据时候,都是从最外圈的磁道开始的。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图7)

而最靠近主轴的位置被称为启停区,这里是不存放任何数据的,硬盘不工作时,磁头停留在启停区。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图8)

磁头和盘片

当需要从硬盘读写数据时,磁盘开始旋转。磁头就会抬起,并与盘面保持一个微小的距离。这个距离越小,磁头读写数据的灵敏度就越高,这个距离大概是人类头发直径的千分之一那么多。 这种结构就会导致机械硬盘的工作环境,必须保持稳定。一旦有较强烈的震动,肯定会影响机械硬盘工作的。

所以一旦有小的尘埃进入硬盘密封腔内,与盘体发生碰撞,就可能造成数据丢失,形成坏块,甚至造成磁头和盘体的损坏。我们在非专业条件下绝对不能开启硬盘密封腔,否则,灰尘进入后会加速硬盘的损坏。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图9)

机械硬盘的所有的数据都是以扇区形式存储在硬盘上的,一个扇区就代表硬盘最小的存储单位(512节字)。在向盘片读取和写入数据时,就要以扇区为单位进行工作。那么每个磁道上就有了无数个扇区。那么硬盘是怎么读取数据的就好理解了。

举个例子:我要读取硬盘中存储的小姐姐。小姐姐在第(2)磁道,(2)扇区。那么读写磁头就会先移动到小姐姐所在的磁道上方,然后马达再带动碟片,将小姐姐送到磁头的下方进行读取。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图10)

磁头移动到磁道时的时间称为寻道时间(seek time)。而盘片把小姐姐旋转,带到读写磁头下方的这段时间,称为旋转延迟时间(rotational latencytime)。每次的读取,都需要寻道和旋转。

这还是一个小姐姐,如果多了的话,机械硬盘就要一个个找。这种存取方式就导致了机械硬盘一次性读写多数文件时的性能很差。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图11)

那么在了解了硬盘的基本原理之后,不难推算出,磁盘上数据读取和写入所花费的时间可以分为寻道时间和旋转延迟时间,以及数据从磁盘中输出和输入的时间,也就是传输时间,这三个部分。

在机械硬盘发展的这几十年里,在工作方式上,机械硬盘都是使用磁性介质作为数据存储介质,在数据读取和写入上,使用磁头+马达的方式进行机械寻址。因为机械硬盘靠机械驱动读写数据的限制,导致机械硬盘的性能提升遇到了瓶颈。特别是机械硬盘的随机读写能力,受其机械特性的限制,是一个巨大的瓶颈。随后还出现了一种叠瓦技术。它能在同样大小的磁盘上存储更多数据的技术。硬盘厂商虽然用这个技术增大的硬盘空间,但是会比较严重的影响到数据的可靠性和读写速度。大家购买机械硬盘之前,一定要记得上厂商官网来查询。具体内容这期视频就不多讲了。

那固态硬盘呢?固态硬盘Solid State Drive,固态硬盘跟机械硬盘同样有主控,缓存。但工作方式、形状、接口、等方面都是有别于机械硬盘的。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图12)

机械硬盘通过盘片来存储数据。而目前主流的SSD都是使用闪存来作为存储介质。 主控和缓存的作用和机械硬盘的作用基本相同。最主要就是存储介质和方式的不同。

机械硬盘的读取方式刚才已经简单了解过了,而固态硬盘的存取介质就是由无数个浮栅晶体管来负责。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图13)

浮栅晶体管最下面的是衬底,源极和漏极。衬底之上,有隧道氧化层、 (浮栅层)、氧化层、控制栅极。中间的浮栅层被绝缘层包围着,电子易进难出,通过对浮栅层充放电子,来对晶体管进行写入和擦除。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图14)

数据是以0和1二进制进行保存的,根据浮栅中有没有电子两种状态,一般把有电子的状态记为0,没有电子的状态记为1。

这样就可以进行数据的存取了。更改数据简单理解就是往浮栅晶体管上下方施加电压,当往下方施加电压时,电子会被吸入下方,检测不到浮栅层的电子时,数据就会被判断为1。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图15)

而往晶体管上方施压,则会将下方的电子吸回,一吸那不就出来了,啊不,是回来了。回来了就能检测到了。那这时候就会被判断为0。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图16)

官方把固态硬盘中的每个闪存芯片被称为die。如果把它放大。会看到,一个die中包含了两个plane

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图17)

plane则是由2048个block组成。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图18)

Block中的256个颗粒是由page组成的。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图19)

Page就是最小的存储
单位了,他们分别是4k/8k/或者16K等等。
我们假设1个page为16KB,

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图20)

那么根据刚才的公式就可以算出,这块颗粒的容量为16*256*2048*2等于16G。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图21)

我们再假设某个固态硬盘共有8块颗粒,每个page的容量为16K。当需要写入16K数据时,那么主控就会写入第一个颗粒中。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图22)

如果是32K,为了提高效率,主控则会将数据分成两个16K,来同时写入两个颗粒中。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图23)

那128K呢,那就可以把他拆分成8个16K,主控将会往每个颗粒中写入16k。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图24)

这样就能发挥出这个SSD主控理论最大的写入带宽,相对4KB来说最好情况下我们可以得到8倍的速度,文件大小提升了8倍,速度却还差不多。

固态硬盘这种电子擦写的过程,和电子寻址自然要比笨重的机械硬盘要快得多。而且因为结构不同,固态硬盘工作时根本没有噪音,也不怕剧烈的震动。体积小,速度快,等等都是他的优点。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图25)

但是这些固态硬盘的颗粒都是有擦写次数的限制,当超过这个次数时,这个颗粒可能就不能用了。这个最大擦写次数按颗粒的不同,还是有很大差距的。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图26)

想了解的朋友可以看看我之前的文章。同时固态硬盘有电子流失的问题,固态硬盘存储数据,如果长期不写入,会导致固态会需要更大的难度来读取,甚至无法读取。

固态硬盘真的比机械硬盘好吗?他们的工作方式都是是怎样的?(图27)

OK这就是机械硬盘和固态硬盘之间的优缺点,和工作方式了,希望我的文章对你有所帮助,我是颜离,希望大家下次一定。

内容来源:酷安@颜离和咻咻糖


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