硬碟效能的技術指標

硬碟效能的技術指標，包括硬碟容量、硬碟速度、硬碟轉速、介面、快取、硬碟單碟容量等。

硬碟介面

ATA 全名為Advanced Technology Attachment，是用傳統的40-pin 並口數據線連接主機板與硬碟的，外部介面速度最大為133MB/s ，因為並口線的抗干擾性太差，且排線佔空間，不利電腦散熱，將逐漸被 SATA所取代。

IDE

IDE的英文全稱為“Integrated Drive Electronics”，即“電子整合驅動器”，俗稱PATA並口。

SATA

使用SATA（Serial ATA）埠的硬碟又叫串列埠硬碟，是未來PC機硬碟的趨勢。 2001年，由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、邁拓這幾大廠商組成的Serial ATA委員會正式確立了Serial ATA 1.0規範，2002年，雖然串行ATA的相關設備還未正式上市，但Serial ATA委員會已搶先確立了Serial ATA 2.0規範。 Serial ATA採用串列連接方式，串列ATA匯流排使用嵌入式時脈訊號，具備了更強的糾錯能力，與以往相比其最大的差異在於能對傳輸指令（不只是資料）進行檢查，如果發現錯誤會自動矯正，這在很大程度上提高了資料傳輸的可靠性。串行介面還具有結構簡單、支援熱插拔的優點。

SATA2

希捷在SATA的基礎上加入NCQ本機指令陣列技術，並提高了磁碟速率。

SCSI 全稱為Small Computer System Interface（小型機系統介面），歷經多世代的發展，從早期的SCSI-II，到目前的Ultra320 SCSI 以及Fiber-Channel （光纖通道），接頭類型也有多種。 SCSI 硬碟廣為工作站級個人電腦以及伺服器所使用，因為它的轉速快，可達 15000 rpm，且資料傳輸時佔用 CPU 運算資源較低，但是單價也比同樣容量的 ATA 及 SATA 硬碟昂貴。

SAS（Serial Attached SCSI）是新世代的SCSI技術，和SATA硬碟相同，都是採取序列式技術以獲得更高的傳輸速度，可達到3Gb/s。此外也透過縮小連接線改善系統內部空間等。

此外，由於SAS硬碟可以與SATA硬碟共用相同的背板，因此在同一個SAS儲存系統 中，可以用SATA硬碟來取代部分昂貴的SCSI硬碟，節省整體的儲存成本。

硬碟尺寸

5.25吋硬碟；早期用於桌上型電腦，已退出歷史舞台。

3.5吋桌上型電腦硬碟；風頭正勁，廣泛用作各式電腦。

2.5吋筆記型電腦硬碟；廣泛用於筆記型電腦，桌上型一體機，行動硬碟及便攜式硬碟播放器。

1.8吋微型硬碟；廣泛用於超薄筆記型電腦，行動硬碟及蘋果播放器。

1.3吋微型硬碟；產品單一，三星獨有技術，僅用於三星的行動硬碟。

1.0吋微型硬碟；最早由IBM公司開發， MicroDrive微硬碟（簡稱MD）。因符合CFII標準，所以廣泛用於單眼數位相機。

0.85吋微型硬碟；產品單一，日立獨有技術，已知僅用於日立的一款硬碟手機。

硬碟的物理結構

1、磁頭

硬碟內部結構磁頭是硬碟中最昂貴的元件，也是硬碟技術中最重要、最關鍵的一環。傳統的磁頭是讀寫合一的電磁感應式磁頭，但是，硬碟的讀、寫卻是兩種截然不同的操作，為此，這種二合一磁頭在設計時必須要同時兼顧到讀/寫兩種特性，因而造成了硬碟設計上的限制。而MR磁頭（Magnetoresistive heads），即磁阻磁頭，採用的是分離式的磁頭結構：寫入磁頭仍採用傳統的磁感應磁頭（MR磁頭不能進行寫入操作），讀取磁頭則採用新型的MR磁頭，即所謂的感應寫入、磁阻讀。這樣，在設計時就可以針對兩者的不同特性分別進行最佳化，以獲得最佳的讀/寫效能。另外，MR磁頭是透過阻值變化而非電流變化去感應訊號幅度，因而對訊號變化相當敏感，讀取資料的準確度也隨之提高。而且由於讀取的訊號幅度與磁軌寬度無關，故磁軌可以做得很窄，從而提高了盤片密度，達到200MB/英吋2，而使用傳統的磁頭只能達到20MB/英吋2，這也是MR磁頭被廣泛應用的最主要原因。目前，MR磁頭已被廣泛應用，而採用多層結構和磁阻效應更好的材料製作的GMR磁頭（Giant Magnetoresistive heads）也逐漸普及。

2、磁軌

當磁碟旋轉時，磁頭若保持在一個位置上，則每個磁頭都會在磁碟表面劃出一個圓形軌跡，這些圓形軌跡就叫做磁軌。這些磁道用肉眼是根本看不到的，因為它們僅是盤面上以特殊方式磁化了的一些磁化區，磁碟上的信息便是沿著這樣的軌道存放的。相鄰磁軌之間並不是緊鄰的，這是因為磁化單元相隔太近時磁性會相互產生影響，同時也為磁頭的讀寫帶來困難。一張1.44MB的3.5吋軟盤，一面有80個磁軌，而硬碟上的磁軌密度則遠大於此值，通常一面有成千上萬個磁軌。

3、磁區

磁碟上的每個磁軌被等分為若干個弧段，這些弧段就是磁碟的磁區，每個磁區區可以存放512個位元組的信息，磁碟機在向磁碟讀取和寫入資料時，要以磁區為單位。 1.44MB3.5吋的軟碟，每個磁軌分為18個磁區。

4、柱面

硬碟通常由重疊的一組磁碟片構成，每個盤面都被分割成數目相等的磁軌，並從外緣的「0」開始編號，具有相同編號的磁軌形成一個圓柱，稱為磁碟的柱面。磁碟的柱面數與一個盤面上的磁軌數是相等的。由於每個盤面都有自己的磁頭，因此，盤面數等於總的磁頭數。所謂硬碟的CHS，即Cylinder（柱面）、Head（磁頭）、Sector（扇區），只要知道了硬碟的CHS的數目，即可確定硬碟的容量，硬碟的容量=柱面數*磁頭數*扇區數*512B。

硬碟的邏輯結構

##1. 硬碟參數釋疑

到目前為止, 人們常說的硬碟參數還是古老的CHS(Cylinder/Head/Sector)參數。那為什麼要使用這些參數，它們的意義是什麼?它們的取值範圍是什麼?

很久以前， 硬碟的容量還非常小的時候，人們採用與軟碟類似的結構生產硬碟。也就是硬碟盤片的每一條磁軌都具有相同的磁區數。由此產生了所謂的3D參數 (Disk Geometry). 既磁頭數(Heads)，柱面數(Cylinders)，扇區數(Sectors)，以及相應的尋址方式。

其中：

磁頭數(Heads)表示硬碟總共有幾個磁頭,也就是有幾面磁碟片, 最大為255 (用8 個二進位位元儲存);

柱面數(Cylinders) 表示硬碟每一面盤片上有幾條磁軌,最大為1023(用10 個二進位位儲存);

磁區數(Sectors) 表示每一條磁軌上有幾個磁區, 最大為63(用6個二進位位元儲存);

每個磁區一般是512個位元組, 理論上講這不是必須的,但好像沒有取別的值的。

所以磁盤最大容量為：

255 * 1023 * 63 * 512 / 1048576 = 7.837 GB ( 1M =1048576 Bytes )或硬盤廠商常用的單位：

255 * 1023 * 63 * 512 / 1000000 = 8.414 GB ( 1M =1000000 Bytes )

在CHS 尋址方式中，磁頭，柱面，扇區的取值範圍分別為0到Heads - 1。00到Cylinders - 1。 1 到 Sectors (注意是從 1 開始)。

2. 基本Int 13H 調用簡介

BIOS Int 13H 調用是BIOS提供的磁碟基本輸入輸出中斷調用，它可以完成磁碟(包括硬碟和軟碟)的重位，讀寫，校驗，定位，診，格式化等功能。它使用的就是 CHS 尋址方式， 因此最大識能存取 8 GB 左右的硬碟 (本文中如不作特殊說明，均以 1M = 1048576 位元組為單位)。

3. 現代硬碟結構簡介

在老式硬碟中，由於每個磁軌的磁區數相等，所以外道的記錄密度要遠低於內道， 因此會浪費很多磁碟空間(與軟碟一樣)。為了解決這個問題，進一步提高硬碟容量，人們改用等密度結構生產硬碟。也就是說，外圈磁軌的磁區比內圈磁軌多，採用此結構後，硬碟不再具有實際的3D參數，尋址方式也改為線性定址，也就是以磁區為單位進行定址。

為了與使用3D尋址的老軟體相容(如使用BIOSInt13H介面的軟體)， 在硬碟控制器內部安裝了一個位址翻譯器，由它負責將老式3D參數翻譯成新的線性參數。這也是為什麼現在硬碟的3D參數可以有多種選擇的原因(不同的工作模式，對應不同的3D參數， 如 LBA，LARGE，NORMAL)。

4. 擴充 Int 13H 簡介

雖然現代硬碟都已經採用了線性尋址，但是由於基本Int13H 的製約，使用BIOS Int 13H 介面的程序，如DOS 等還只能存取8 G以內的硬碟空間。為了打破這個限制， Microsoft 等幾家公司製定了擴展Int 13H 標準(Extended Int13H)，採用線性尋址方式訪問硬碟， 所以突破了8 G的限制，而且還加入了對可拆卸介質(如活動硬碟) 的支援。

硬碟的基本參數

一、容量

作為電腦系統的資料記憶體，容量是硬碟最主要的參數。

硬碟的容量以兆位元組（MB）或千兆位元組（GB）為單位，1GB=1024MB。但硬碟廠商在標稱硬碟容量時通常取1G=1000MB，因此我們在BIOS中或在格式化硬碟時看到的容量會比廠商的標稱值小。

硬碟的容量指標也包含硬碟的單碟容量。所謂單碟容量是指硬碟單晶片的容量，單碟容量越大，單位成本越低，平均存取時間也越短。

對於使用者而言，硬碟的容量就像記憶體一樣，永遠只會嫌少不會嫌多。 Windows作業系統帶給我們的除了更簡單的操作外，還帶來了檔案大小與數量的日益膨脹，一些應用程式動輒就要吃掉上百兆的硬碟空間，而且還有不斷增大的趨勢。因此，在購買硬碟時適當的超前是明智的。近兩年主流硬碟是80G，而160G以上的大容量硬碟也開始逐漸普及。

一般情況下硬碟容量越大，單位位元組的價格就越便宜，但是超出主流容量的硬碟略微例外。時至2008年12月初，1TB（1000GB）的希捷硬碟中關村報價是￥700元，500G的硬碟大概是￥320元。

二、轉速

轉速(Rotationl Speed 或Spindle speed)，是硬碟內馬達主軸的旋轉速度，也就是硬碟片在一分鐘內所能完成的最大轉數。轉速的快慢是標示硬碟檔次的重要參數之一，它是決定硬碟內部傳輸速率的關鍵因素之一，在很大程度上直接影響硬碟的速度。硬碟的轉速越快，硬碟尋找檔案的速度就越快，相對的硬碟的傳輸速度也就提高了。硬碟轉速以每分鐘多少轉來表示，單位表示為RPM，RPM是Revolutions Per minute的縮寫，是轉/每分鐘。 RPM值越大，內部傳輸速率就越快，存取時間就越短，硬碟的整體效能也越好。

硬碟的主軸馬達帶動盤片高速旋轉，產生浮力使磁頭飄浮在盤片上方。要將所要存取資料的磁區帶到磁頭下方，轉速越快，等待時間也越短。因此轉速在很大程度上決定了硬碟的速度。

家用的普通硬碟的轉速一般有5400rpm、7200rpm幾種，高轉速硬碟也是現在台式機用戶的首選；而對於筆記本用戶則是4200rpm、5400rpm為主，雖然已經有公司發布了7200rpm的筆記型電腦硬碟，但在市場中還較為少見；伺服器使用者對硬碟效能要求最高，伺服器中所使用的SCSI硬碟轉速基本上都採用10000rpm，甚至還有15000rpm的，效能要超出家用產品很多。較高的轉速可縮短硬碟的平均尋道時間和實際讀寫時間，但隨著硬碟轉速的不斷提高也帶來了溫度升高、馬達主軸磨損加大、工作噪音增大等負面影響。筆電硬碟轉速低於桌上型電腦硬碟，一定程度上是受到這個因素的影響。筆記本內部空間狹小，筆電硬碟的尺寸（2.5吋）也被設計的比桌上型電腦硬碟（3.5吋）小，轉速提高造成的溫度上升，對筆電本身的散熱性能提出了更高的要求；噪音變大，又必須採取必要的降噪措施，這些都對筆記本硬碟製造技術提出了更多的要求。同時轉速的提高，而其它的維持不變，則意味著馬達的功耗將增大，單位時間內消耗的電力就越多，電池的工作時間縮短，這樣筆記本的便攜性就受到影響。所以筆記本硬碟一般都採用相對較低轉速的4200rpm硬碟。

轉速是隨著硬碟馬達的提高而改變的，現在液態軸承馬達（Fluid dynamic bearing motors）已全面代替了傳統的滾珠軸承馬達。液態軸承馬達通常是應用於精密機械工業上，它使用的是黏膜液油軸承，以油膜代替滾珠。這樣可以避免金屬面的直接摩擦，將噪音及溫度減至最低；同時油膜可有效吸收震動，使抗震能力提高；更可減少磨損，提高壽命。

三、平均存取時間

平均存取時間(Average Access Time)是指磁頭從起始位置到達目標磁軌位置，並且從目標磁軌上找到要讀寫的資料扇區所需的時間。

平均存取時間反映了硬碟的讀寫速度，它包括了硬碟的尋道時間和等待時間，即：平均存取時間=平均尋道時間 平均等待時間。

硬碟的平均尋道時間(Average Seek Time)是指硬碟的磁頭移動到碟面指定磁軌所需的時間。這個時間當然越小越好，目前硬碟的平均尋道時間通常在8ms到12ms之間，而SCSI硬碟則要小於或等於8ms。

硬碟的等待時間，又叫潛伏期(Latency)，是指磁頭已處於要存取的磁軌，等待所要存取的磁區旋轉至磁頭下方的時間。平均等待時間為盤片旋轉一週所需的時間的一半，一般應在4ms以下。

四、傳輸速率

傳輸速率(Data Transfer Rate) 硬碟的資料傳輸率是指硬碟讀寫資料的速度，單位為兆位元組每秒（MB/s）。硬碟資料傳輸率又包括了內部資料傳輸率和外部資料傳輸率。

內部傳輸率(Internal Transfer Rate) 也稱為持續傳輸率(Sustained Transfer Rate)，它反映了硬碟緩衝區未用時的效能。內部傳輸率主要依賴硬碟的旋轉速度。

外部傳輸率（External Transfer Rate）也稱為突發資料傳輸率（Burst Data Transfer Rate）或介面傳輸率，它標稱的是系統匯流排與硬碟緩衝區之間的資料傳輸率，外部資料傳輸率與硬碟介面類型和硬碟快取的大小有關。

目前Fast ATA介面硬碟的最大外部傳輸率為16.6MB/s，而Ultra ATA介面的硬碟則達到33.3MB/s。

使用SATA（Serial ATA）埠的硬碟又叫串列式硬碟，是未來PC機硬碟的趨勢。 2001年，由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、邁拓這幾大廠商組成的Serial ATA委員會正式確立了Serial ATA 1.0規範。 2002年，雖然串行ATA的相關設備還未正式上市，但Serial ATA委員會已搶先確立了Serial ATA 2.0規範。 Serial ATA採用串列連接方式，串列ATA匯流排使用嵌入式時脈訊號，具備了更強的糾錯能力，與以往相比其最大的差異在於能對傳輸指令（不只是資料）進行檢查，如果發現錯誤會自動矯正，這在很大程度上提高了資料傳輸的可靠性。串行介面還具有結構簡單、支援熱插拔的優點。

串聯硬碟是一種完全不同於平行ATA的新硬碟介面類型，由於採用串列方式傳輸資料而知名。相對於並行ATA來說，就具有非常多的優勢。首先，Serial ATA以連續串列的方式傳送數據，一次只會傳送1位元資料。這樣能減少SATA介面的針腳數目，使連接電纜數目變少，效率也會更高。實際上，Serial ATA 僅用四支針腳就能完成所有的工作，分別用於連接電纜、連接接地線、發送數據和​​接收數據，同時這樣的架構還能降低系統能耗和減小系統複雜性。其次，Serial ATA的起點更高、發展潛力更大，Serial ATA 1.0定義的數據傳輸率可達150MB/s，比最快的平行ATA（即ATA/133）所能達到133MB/s的最高數據傳輸率還高，而在Serial ATA 2.0的資料傳輸率達到300MB/s，最終SATA將實現600MB/s的最高資料傳輸率。

五、快取

快取（Cache memory）是硬碟控制器上的記憶體晶片，具有極快的存取速度，它是硬碟內部儲存和外界介面之間的緩衝器。由於硬碟的內部資料傳輸速度和外界介面傳輸速度不同，快取在其中扮演一個緩衝的角色。快取的大小與速度是直接關係到硬碟的傳輸速度的重要因素，能夠大幅提升硬碟整體效能。當硬碟存取零碎資料時需要不斷地在硬碟與記憶體之間交換數據，有大緩存，則可以將那些零碎資料暫存在快取中，減小外系統的負荷，也提高了資料的傳輸速度。

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