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机械硬盘的构造及性能考量
作者: 关关 2018-01-05 11:40 【关关谈存储】

今天写一篇接地气的文章,常见的机械硬盘内部构造是怎样的,以及哪些因素决定了硬盘的性能。

硬盘的结构

先上图。硬盘主要由盘片、盘片驱动器、磁头及控制装置组成。盘片由较轻质的金属(如铝)或玻璃制成,表面再涂上一层磁性材料。盘片的光洁度极高,远远超过我们生活中使用的镜子。硬盘都是密封的,内部非常干净,哪怕是一丝肉眼看不见的灰尘也会给盘面带来致命的损伤。


盘片上存储的信息是由磁头写入的,在一张盘片的正反两面都会有一个磁头进行读写。磁头是硬盘中最昂贵、最精密的部分。磁头装在磁头支架上,它们像梳子的齿一般伸进各自负责的盘片间隔中。磁头支架在特殊的电机驱动下,可以使磁头在盘片上不同的地方来回移动。盘片在高速旋转时会带动盘表面的空气,空气作用在磁头上产生一个浮力使磁头与盘面保持一个极微小的距离。这样既可有效进行读写,也不会磨损盘面。



每个盘片被划分为若干个同心圆,每个同心圆就是一个磁道(track),多张盘片相同位置的磁道组成一个柱面(cylinder),盘片中有多少个磁道,就有多少个柱面。每个磁道又被划分为若干个扇区(sector),扇区就是磁头读写的最小单位。当我们输入了要读写某个信息的命令时,磁头驱动电机就会移动磁头在盘片上寻找适当的位置进行工作,这就是整个硬盘的工作原理。


硬盘的存储容量=磁头数×磁道(柱面)数×每道扇区数×每道扇区字节数

需要说明的是,早期硬盘所有磁道的扇区数量是一致的,但外部磁道的周长要远大于内部磁道,这样带来的问题是外部磁道的数据密度低,存在浪费。现代大容量硬盘对此做出改进,外部磁道的扇区数量要多于内部磁道,相同角速度下外部磁道的读写速度要高于内部磁道。所以,为了更好地使用硬盘,数据应优先放在外部磁道上。

性能考量

硬盘的性能指标主要由以下三个参数决定:

寻道时间:在磁道之间移动磁头所花费的时间

旋转延迟:盘片将正确扇区旋转至磁头下的时间

传输速率:磁盘的带宽

因此,硬盘完成一个I/O消耗的时间=寻道时间+旋转延迟+数据传输时间

寻道时间以毫秒(ms)来计算,不同磁盘的寻道时间不同,对于一块15000转/分钟 的3.5英寸SAS盘,其平均寻道时间是3.8ms,减少磁盘寻道时间能增强性能。I/O类型也会影响寻道时间,连续I/O拥有最少的寻道时间,因为磁头可以在盘片上连续操作,而随机I/O就相对有较长的寻道时间,因为磁头始终需要在不同的磁道间切换。

旋转延迟以毫秒(ms)来计算,通常以平均值表示,更高转速的磁盘其延迟更小。如一块每分钟10000转的磁盘,转一圈的时间为6ms,则平均旋转延迟为3ms。

传输速率以MB/s来计算,指在盘片上读写数据的快慢。数据传输速率又可以分成内部传输速率和外部传输速率。内部速率指将数据由盘片传输至磁盘内部缓存的速率,外部速率指将数据由磁盘接口传输至主机总线的速率。

结语

从接口划分,硬盘可分为SATA盘、SAS盘、FC盘、SCSI盘等;从转速上看,既有5400转/分钟、7200转/分钟的SATA盘,也有10000转/分钟、15000转/分钟的SAS盘、FC盘;从形态上看,本文主要介绍了机械硬盘相关内容,但当前固态盘也占据了相当大的市场份额。简单来说,固态盘由控制芯片、缓存、大量的闪存芯片组成,没有了机械硬盘的磁头、马达、盘片等部件,后续文章再详细介绍。


标签:存储资源管理 

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