硬盘驱动器

硬盘驱动器是电机械数据存储装置，其存储和检索数字数据使用磁性存储和一个或多个刚性的快速旋转盘片涂覆有磁性材料。盘片与磁头配对，通常布置在移动的致动器臂上，用于在盘片表面读取和写入数据。数据以随机访问方式访问，这意味着单个块数据可以以任何顺序存储和检索。HDD是一种非易失性存储器，即使断电也能保留存储的数据。现代HDD通常采用小矩形盒的形式。

通过引入IBM在1956年，的HDD为优势二次存储用于设备通用计算机在60年代初开始。硬盘在现代服务器和个人计算机时代保持这一地位，尽管大量生产的个人计算设备，如手机和平板电脑，依赖于闪存存储设备。历史上有超过224家公司生产HDD，尽管经过广泛的行业整合，大多数设备由希捷、东芝和西部数据制造。.硬盘驱动器在服务器生产的存储量（每年艾字节）中占主导地位。尽管产量增长缓慢（以EB出货量），但销售收入和单位出货量正在下降，因为固态驱动器(SSD)具有更高的数据传输率、更高的面存储密度、更好的可靠性，和更低延迟和访问时间。

SSD的收入，其中大部分使用NAND闪存，略高于HDD的收入。截至2017年，闪存产品的收入是硬盘驱动器收入的两倍多。虽然SSD的每比特成本高出四到九倍，但在速度、功耗、小尺寸、高容量和耐用性很重要的应用中，它们正在取代HDD。SSD的每比特成本正在下降，并且相对于HDD的价格溢价已经缩小。

HDD的主要特性是其容量和性能。容量以对应于1000次幂的单位前缀指定：1太字节(TB)驱动器的容量为1,000GB(GB；其中1GB=10亿(109)字节)。通常，用户无法使用HDD的某些容量，因为它被文件系统和计算机操作系统使用，以及可能用于纠错和恢复的内置冗余。还有关于存储容量的混淆，因为硬盘制造商以十进制千兆字节（1000的幂）表示容量，而最常用的操作系统报告容量为1024的幂，这导致数字比宣传的要小。性能通过在磁头上移动到一个磁道或柱面（平均访问时间）将花费所需扇区时的头部（平均下移动所需的时间指定的等待时间，这是物理的函数转速在转每分钟），最后是数据传输的速度（数据速率）。

现代硬盘驱动器的两种最常见的外形尺寸是3.5英寸（用于台式计算机）和2.5英寸（主要用于笔记本电脑）。HDD通过标准接口电缆连接到系统，例如PATA（并行ATA）、SATA（串行ATA）、USB或SAS（串行连接SCSI）电缆。

限制访问HDD上数据的时间的因素主要与旋转磁盘和移动磁头的机械特性有关，包括：

• 寻道时间是衡量磁头组件行进到包含数据的磁盘磁道所花费的时间。
• 产生旋转延迟是因为当请求数据传输时所需的磁盘扇区可能不在磁头正下方。根据平均延迟为旋转周期二分之一的统计关系，平均旋转延迟如表所示。
• 的位速率或数据传输速率（一旦头处于正确的位置）产生延迟，这是块的传送的数目的函数;通常相对较小，但在传输大型连续文件时可能会很长。

如果为了节能而停止驱动盘，也可能发生延迟。

碎片整理是一种通过将相关项目移动到磁盘上物理接近的区域来最小化检索数据延迟的过程。一些计算机操作系统会自动执行碎片整理。尽管自动碎片整理旨在减少访问延迟，但在该过程进行期间性能会暂时降低。

访问数据的时间可以通过增加旋转速度（从而减少延迟）或减少查找时间来缩短。增加面密度通过增加数据速率和增加一组磁头下的数据量来增加吞吐量，从而潜在地减少给定数据量的搜索活动。访问数据的时间跟不上吞吐量的增长，而吞吐量本身也跟不上位密度和存储容量的增长。

当前的硬盘驱动器通过几种总线类型之一连接到计算机，包括并行ATA、串行ATA、SCSI、串行连接SCSI(SAS)和光纤通道。某些驱动器，尤其是外部便携式驱动器，使用IEEE1394或USB。所有这些接口都是数字的；驱动器上的电子设备处理来自读/写头的模拟信号。当前的驱动器为计算机的其余部分提供了一致的接口，独立于内部使用的数据编码方案，也独立于驱动器中磁盘和磁头的物理数量。

通常，驱动器内部电子设备中的DSP从读取头获取原始模拟电压，并使用PRML和Reed-Solomon纠错对数据进行解码，然后将该数据发送出标准接口。该DSP还xxx通过错误检测和纠正检测到的错误率，并执行坏扇区重新映射、自我监控、分析和报告技术的数据收集以及其他内部任务。

现代接口使用单根数据/控制电缆将驱动器连接到主机接口。每个驱动器还有一条额外的电源线，通常直接连接到电源单元。较旧的接口具有用于数据信号和驱动控制信号的单独电缆。

• 小型计算机系统接口(SCSI)，最初为ShugartAssociates系统接口命名为SASI，在1990年代中期成为服务器、工作站、CommodoreAmiga、AtariST和AppleMacintosh计算机的标准配置，到那时大多数型号已过渡到更新的接口.数据电缆的长度限制允许使用外部SCSI设备。
• 集成驱动电子(IDE)，后来标准化为AT附件(ATA，别名PATA(ParallelATA)，在SATA引入时追溯添加)将HDD控制器从接口卡移至磁盘驱动器。这有助于标准化主机/控制器接口，降低主机设备驱动程序的编程复杂性，并降低系统成本和复杂性。40针IDE/ATA连接在数据电缆上一次传输16位数据。数据线最初是40芯，但后来更高的速度要求导致了“超DMA”（UDMA）模式，使用80芯电缆和额外的电线以减少高速串扰。
• EIDE是对原始IDE标准的非官方更新（由WesternDigital提供），主要改进是使用直接内存访问(DMA)在磁盘和计算机之间传输数据而无需CPU参与，后来采用了改进按照官方的ATA标准。通过直接在内存和磁盘之间传输数据，DMA消除了CPU逐字节复制字节的需要，因此允许它在数据传输发生时处理其他任务。
• 光纤通道(FC)是企业市场上并行SCSI接口的继承者。它是一个串行协议。在磁盘驱动器中，通常使用光纤通道仲裁环路(FC-AL)连接拓扑。FC比单纯的磁盘接口具有更广泛的用途，它是存储区域网络(SAN)的基石。最近还开发了该领域的其他协议，如iSCSI和以太网上的ATA。令人困惑的是，驱动器通常使用铜双绞线作为光纤通道，而不是光纤。后者传统上保留给较大的设备，例如服务器或磁盘阵列控制器。
• 串行连接SCSI(SAS)。SAS是用于设备的新一代串行通信协议，旨在实现更高速度的数据传输并与SATA兼容。SAS使用机械兼容的数据和电源连接器连接到标准的3.5英寸SATA1/SATA2HDD，许多面向服务器的SASRAID控制器也能够寻址SATAHDD。SAS使用串行通信而不是传统SCSI设备中的并行方法，但仍使用SCSI命令。
• 串行ATA(SATA)。SATA数据线有一对数据线用于向设备差分传输数据，另一对用于从设备差分接收，就像EIA-422一样。这需要串行传输数据。在RS485、LocalTalk、USB、FireWire和差分SCSI中使用了类似的差分信号系统。.SATAI至III旨在兼容并使用SAS命令的子集和兼容接口。因此，SATA硬盘驱动器可以连接到SAS硬盘驱动器控制器并由其控制（有一些小的例外，例如兼容性有限的驱动器/控制器）。然而，它们不能反过来连接——SATA控制器不能连接到SAS驱动器。