浅析计算机硬盘技术发展与优化应用

权少亭 周慧宁 商欢 李超 燕昊 何娜

摘要：硬盘作为计算机最主要的存储设备，技术指标在不断地变化和发展更新，近几年更是出现了突破传统硬盘技术的固态硬盘产品，该文从硬盘的结构、技术指标、数据保护技术、工作原理等方面逐一介绍，对比了不同硬盘的优缺点，通过对硬盘数据传输性能的实测分析，探讨了优化使用不同硬盘；提高硬盘传输速率的方法，给出了硬盘使用过程中的注意事项，最终达到合理使用硬盘，保证数据安全的目的。

关键词：硬盘；数据信息；技术参数；传输速率；应用

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）20-0217-02

随着信息技术和互联网的发展，计算机用户数量不断增加，计算机应用日益广泛，硬盘作为计算机的主要组成部件和存放用户数据信息的基地，其重要性不言而喻，因此了解硬盘的结构和工作原理，合理使用硬盘，才能充分发挥硬盘的性能，有效保证数据安全，使计算机更好地服务于用户。

1 硬盘概述

硬盘是计算机最为重要的存储设备，存放着用户所有的数据信息，这些数据的价值远远高于硬盘本身，同时硬盘又是计算机的主要组成部分，其性能的好坏直接影响计算机的运行速度和用户的操作体验。

1.1 硬盘分类及结构

硬盘按照其工作形式的不同分为两种，机械硬盘HDD（Hard Disk Drive）和固态硬盘SSD（Solid State Drive）。机械硬盘即传统的普通硬盘，主要由盤片、盘片转轴、磁头组件、磁头驱动机构、控制电路组成。固态硬盘类似于U盘技术，全电子结构，没有机械运动部件，采用集成电路存储技术，由控制单元和存储单元组成。

1.2 硬盘的接口方式

硬盘接口是硬盘与计算机主板的连接部件，作用是在硬盘缓存和计算机之间进行数据传输，硬盘接口直接决定着程序运行速度和系统性能，随着硬盘技术的发展，硬盘的接口也在不断地变化，主要有IDE、SATA、SCSI、SAS几种[3]。

IDE接口，Integrated Device Electronics，即电子集成驱动器，是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，俗称并口，使用一根40芯的扁平电缆连接硬盘与主板，在硬盘外部传输速度最快可达133MB/S，随着接口技术的发展，目前此类型的硬盘接口已经被淘汰。

SATA接口，Serial Advanced Technology Attachment，又称串行接口，SATA总线使用嵌入式时钟信号，具备更强的纠错能力，提高了数据传输的可靠性，串行接口结构简单，支持热插拔，是现在计算机硬盘主流的接口类型。SATA1.0定义的数据传输速率为150MB/S；SATA2.0和3.0分别为300MB/S、600MB/S，三种接口外观一样，向下完全兼容，只有硬盘接口和主板接口同时满足，硬盘才能获得最佳的读取速度，这点在固态硬盘数据传输中有明显差异。机械硬盘由于内部数据读取存在瓶颈，三种接口的传输速率几乎一样。

SCSI接口，Small Computer System Interface，即小型计算机系统接口，一种连接计算机和外部设备的接口，支持硬盘、光驱、扫描仪等多种设备，SCSI硬盘配合专用的SCSI接口卡使用，由于其良好的性能，在服务器和工作站上被普遍采用。

SAS接口，Serial Attached SCSI，即串行SCSI，是一种新型的磁盘接口，SAS接口结合了SATA和SCSI两者的优势，兼容SATA接口硬盘，具有更高的数据传输性能，扩展性和可靠性，是现阶段服务器和存储设备的主流接口。

1.3 硬盘的技术指标

硬盘转速（Spindle Speed），是硬盘内电机主轴的旋转速度，即硬盘盘片在一分钟内完成的最大转数，硬盘转速是硬盘主要的性能参数，以每分钟多少转来表示，单位RPM，Revolutions Per minute的缩写，转速越大，等待时间就越短，硬盘性能就越好。一般普通机械硬盘的转速为5400RPM、7200RPM；服务器硬盘的转速为10000RPM、15000RPM；固态硬盘由于没有电机，所以不存在转速的属性，如果按平均寻道时间衡量，相当于6～7万转的硬盘。

硬盘缓存（Cache），缓存是为了平衡高速设备和低速设备之间的速度差异而存在的，它是硬盘与外部总线交换数据的场所，是两者之间的缓冲器，具有极快的存取速度，由于硬盘的内部数据传输速度和外部总线的传输速度不同，缓存起到了内部和外部数据传输的平衡作用，缓存的大小直接关系到硬盘的传输速度，能够大幅度提高硬盘的整体性能，但也不是越大越好，由于缓存机制和算法的限制，缓存过大硬盘性能非但不能提高，反而会降低硬盘读取数据的命中率，导致硬盘读取速度不稳定。例如一般容量为1TB，转速为7200RPM的机械硬盘，缓存64MB就已经足够了。

硬盘数据传输速率（Data Transfer Rate），包括外部数据传输速率（External Transfer Rate，又称突发传输速率）和内部数据传输速率（Internal Transfer Rate）两种，外部数据传输速率是指计算机通过数据总线从硬盘内部缓存区中所读取数据的最大速率，是外部设备和硬盘之间的数据传输速率，由总线速度和硬盘接口类型决定。内部数据传输速率是指硬盘与缓存之间的数据传输速率，是硬盘整体性能的关键指标，比如硬盘本身不同分区之间的数据传输率，取决于硬盘转速和盘片的线性密度。ATA100中的100就代表这块硬盘的外部数据传输速率理论值是100MB/S，由于目前主流的计算机机械硬盘的内部数据传输速率为70-90MB/S，而且连续工作时可能更低，所以机械硬盘的传输瓶颈还在内部传输速率上。随着硬盘技术的发展，固态硬盘又受到外部数据传输速率的限制，为了充分发挥固态硬盘性能，又要与传统的机械硬盘接口兼容通用，出现了SATA3.0接口，还有传输速率更大的M.2、U.2、PCI-E等接口类型。

1.4 硬盘数据保护技术

S.M.A.R.T（Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology），自我监测、分析及报告技术，是在硬盘系统保留区内，由硬盘厂商写入的内部管理程序。通过硬盘上的监测指令和主机上的监测软件对硬盘各个组件的运行情况、历史记录及预设的安全值进行对比分析。若监控情况超出预设的预设值的安全范围，就可以通过主机的监控硬件或软件自动向用户做出警告并进行轻微的自动修复，可以对硬盘数据提供有效的保护，并且能够预先告警让用户及时更换硬盘，以减少数据丢失的风险。

SPS（Shock Protection System），震动保护系统，在硬盘受到撞击时，保持磁头不受震动，使磁头和磁头臂停泊在盘片上，冲击能量被硬盘其他部分吸收，这样能有效地提高硬盘的抗震性能，使硬盘在运输、使用及安装的过程中最大限度地免受震动的损坏。

2 硬盘工作原理

机械硬盘采用磁介质来存储数据，盘片表面涂有磁性介质，在盘片的存储面上有一个磁头，磁头运动时与盘片并未发生接触，两者之间的距离比头发丝的直径还小，在这种状态下，磁头不会与盘片发生磨损，同时可达到读取数据的目的[1]。磁头关联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。

固态硬盘采用全芯片存储，存储单元负责存储数据，控制单元负责读取、写入数据。由于固态硬盘没有普通硬盘的机械结构，因而系統能够在低于1ms的时间内对任意位置存储单元完成输入/输出操作。固态硬盘也不存在机械硬盘的寻道问题，当CPU要读取或存储数据时，接口电路把CPU发来的信息翻译成地址码（对应机械硬盘是控制电机、磁头动作），然后定位，进行读写。由于没有了磁头、盘片这类机械结构，固态硬盘在寻道上几乎是即时响应。

3 硬盘数据传输性能

3.1 两种硬盘的优缺点

固态硬盘数据读取速度快，是机械硬盘的3～5倍，可达到500M/S左右，抗震能力强、功耗低、运行声音小、发热量少，其结构决定了不会发生机械故障，工作温度范围大，大多数固态硬盘可在-10℃～70℃范围内工作，体积小、重量轻，但是固态硬盘有写入次数的限制，容量小，普遍在64GB-512GB之间， 价格明显高于机械硬盘，固态硬盘由于没有机械部件，不会发生机械故障，但电路损坏或数据删除后，数据无法恢复。相比于固态硬盘，机械硬盘的容量大，基本在500GB-4TB之间，价格便宜，写入次数无限制，机械硬盘发生故障，可借助数据恢复软件读取磁层柱面信息来恢复数据。由于存在马达转速的瓶颈因素，数据读取性能低，功耗大，运行噪音大，发热明显，不能受外界冲压、挤压或震动，携带不方便。

3.2 硬盘数据传输性能测试

为了分析影响硬盘传输性能的因素，消除数据传输瓶颈，提升硬盘数据的读写速度，通过对不同硬盘在不同连接方式下的数据读取速度进行实测，测试的配置信息如下，得到的结果数据如表1所示。

主机型号：联想启天M4500，主板接口SATA3.0（红色），SATA2.0（橙色）。

机械硬盘：西部数据500GB，接口SATA 6GB/S，缓存16M，转速7200rpm。

固态硬盘：金士顿240GB，接口SATA 6GB/S。

操作系统：Windows7-64位旗舰版。

测试软件：硬盘/固态硬盘实用程序HD Tune Pro5.70。

根据测试得出的结果数据，机械硬盘在不同的主板接口类型和SATA模式下，由于硬盘内部数据传输速度的限制，平均数据传输速率的变化不大，都保持在90MB/S左右，但在主板SATA3.0接口上，突发传输速率表现更优秀。固态硬盘在主板SATA3.0接口；AHCI模式下的平均数据传输速率最高达到387.9MB/S，存取时间与机械硬盘相比差异明显，SATA模式对固态硬盘的数据传输速度有微弱的影响。固态硬盘比机械硬盘的平均数据传输速度提高约3倍以上，在使用固态硬盘时需要特别注意主板接口类型、SATA模式设置、选用高质量的SATA线缆，这样才能消除传输瓶颈，充分发挥出硬盘本身的读写性能。

4 硬盘应用注意事项

硬盘读写过程中的微弱震动、突然断电都可能导致硬盘的意外损坏，尤其是机械硬盘，所以硬盘工作时尽量避免磕碰震动。要养成正确的关机习惯，硬盘处于工作状态时不要强行掉电或关机，等硬盘停止转动，指示灯熄灭后再关闭电源。硬盘存放的物理环境应该干燥通风，远离灰尘，避免温度过高或湿度过大[2]。固态和机械硬盘的使用寿命大约5年，超过年限后发生故障的风险较大，为防止硬盘损坏引起的数据丢失，可定期对硬盘数据进行备份操作，并妥善保管备份介质，也可通过网络进行硬盘数据的备份。

硬盘工作中如果有异响；或出现蓝屏死机、应用程序无响应的情况，应立即停止使用查明原因，并做好数据的转移，对硬盘定期进行碎片整理操作，可提高硬盘的访问速度，延长硬盘寿命。

权衡机械硬盘和固态硬盘的利弊，可以使用SSD+HDD的混合硬盘存储方案[4]，固态硬盘作为主盘，安装操作系统和应用程序，机械硬盘作为从盘，存储用户重要数据，兼顾两者优势，在带来速度体验的同时，也能够提供大容量数据存储需求，同时也能有效的保证数据的安全性。

5 结束语

硬盘技术的发展，带来了产品的迭代更新和性能的不断突破，或许在不久的将来，机械硬盘会像软盘、磁带一样消失在人们的视线中。不管是企业还是个人计算机，在充分了解不同硬盘工作原理和性能的同时，养成良好的操作使用习惯，关注硬盘的健康状态，优化应用硬盘，最大限度发挥出硬盘的性能，当硬盘出现故障征兆时，及时采取保护措施，尽可能挽救硬盘中的数据。

参考文献：

[1]周建峰. 数据存储、恢复与安全应用实践[M].北京：中国铁道出版社，2015.

[2]王洪彪. 基于提高计算机硬盘使用效率的研究[J]. 电脑知识与技术. 2012（4）：2829-2830.

[3]吴有才，王改芳. 计算机硬盘数据接口技术浅析[J]. 网络与信息工程，2015（21）：63-64.

[4]王伟. 计算机硬盘的优化方法[J]. 软件导刊， 2012（4）：17-18.