计算机硬件-硬盘实现原理

背景

上次我们讲了存储，今天主要讲硬盘的实现原理。

硬盘，主要分磁盘和固态硬盘。这个是根据存储介质分类的。

磁盘 实现原理

为什么磁可以存储数据？

磁性材料可以用于存储数据，因为它们能够保持磁场的方向，而这个方向可以被用来表示二进制数据。这种特性使磁盘等设备成为数据存储的理想选择。

数据存储在磁盘上是基于磁性材料的磁性特性。在磁盘上，通常有一个薄而平坦的磁性涂层，例如氧化铁或钴合金。这种涂层可以被磁化，即改变其磁场方向。

这种磁化过程可以通过磁头实现，磁头是一种能够产生磁场并检测磁场变化的设备。当磁头接触磁性涂层时，它可以改变涂层的磁场方向，代表着数据的二进制位，比如0和1。这样，磁盘可以存储大量的二进制数据。

为了读取数据，磁头再次扫描涂层，检测磁场方向，并将其转换为数字数据，这样计算机就能理解并处理这些数据。

总的来说，磁可以存储数据是因为磁性材料可以保持磁场方向，而这种方向可以用来表示和存储数字信息，形成计算机能够读取和处理的数据。

磁盘是怎么写数据的？

磁盘是通过磁场的变化来写入数据的。这个过程涉及到磁头产生磁场并改变磁性材料的磁化方向。

具体来说，磁盘表面有一个薄而平坦的磁性涂层，通常是氧化铁或钴合金等。磁头位于磁盘的读/写头部分，可以产生强磁场，并通过改变其磁极的极性来写入数据。

写入数据的过程可以分为以下步骤：

1. 磁头定位：首先，磁头会定位到磁盘的特定磁道和扇区，确定要在哪里写入数据。

2. 磁场改变：磁头产生一个强磁场，然后将这个磁场传递到磁性涂层上。这个磁场的强弱和方向会改变涂层上的磁化方向。

3. 改变磁性材料的磁化方向：磁性涂层的磁化方向被改变，根据所产生的磁场的极性。这种改变代表了要写入的数据，通常是二进制的0和1。

4. 数据记录：磁头会在磁盘上留下磁场变化的痕迹，这样就记录了数据。磁性涂层的磁化方向的变化代表了特定的二进制数据。

通过这种方式，数据就被写入到磁盘上，而后可以通过读取磁场的变化来再次访问和读取这些数据。整个过程是由计算机硬件控制的，通常在操作系统和硬件之间通过设定好的接口进行交互。

磁盘是怎么读数据的？

磁盘读取数据的过程涉及磁头通过磁性涂层上的磁场变化来检测并翻译成可识别的数字数据。这个过程包括磁头定位、磁场检测和数据转换等步骤。

以下是磁盘读取数据的基本步骤：

1. 磁头定位： 磁头首先会定位到磁盘的特定磁道和扇区，以准备开始读取数据。

2. 磁场检测： 一旦磁头位于正确位置，它开始感知和检测磁盘上的磁场变化。这些磁场变化是在写入数据时所产生的。

3. 磁场解释： 磁头将检测到的磁场变化转换成电信号。这些电信号的强度和方向表示了涂层上的磁场的特定模式，这个模式对应特定的二进制数据。

4. 数据解码： 这些电信号随后会被磁盘驱动器中的电路转换为可识别的数字信号，这个数字信号就是实际存储的二进制数据。

5. 数据传输到计算机： 最终，这些数字信号被传送到计算机，由计算机的硬件和操作系统进行进一步处理，以便应用程序能够正确读取和使用这些数据。

通过这些步骤，磁盘可以将存储在磁性涂层上的数据转换为计算机能够理解和处理的数字信息。这种读取过程是磁盘用于检索存储的数据的基本原理。

小结

磁盘也叫机械硬盘，因为读写数据的时候用到了机械臂。

固态硬盘 实现原理

固态硬盘（Solid State Drive，SSD）是一种使用闪存存储技术的数据存储设备，相对于传统的机械硬盘，它没有活动部件，因此具有更快的读写速度、更低的能耗和更高的耐用性。以下是固态硬盘实现原理的简要解释：

1. 闪存存储技术： 固态硬盘使用闪存芯片存储数据。这些芯片通常是基于 NAND 或 NOR 闪存技术，它们通过电子存储数据，而不是机械部件的运动。

2. NAND闪存和存储单元： NAND 闪存采用非易失性存储技术，每个存储单元可以存储多个位（通常是1、2、3或4位）。这些存储单元按照页和块的组织方式进行写入和读取。

3. 页、块和擦除： 数据写入时以页为单位进行，但要擦除数据，必须以块为单位。这种特性影响了数据写入、更新和删除的效率。

4. 读写操作： 读取和写入操作是通过改变存储单元的电荷状态来实现的。读取时，检测电荷状态以识别数据；写入时，改变电荷状态以存储新数据。

5. 垃圾回收和写放大： 由于 NAND 闪存的特性，擦除和写入操作可能会引起额外的写入操作，称为写放大。垃圾回收是一种管理和优化写入操作的技术，以减少写放大效应。

6. 控制器： 固态硬盘的控制器负责管理数据的读写、垃圾回收、坏块管理等功能。它也负责与计算机系统通信，确保数据的正确传输和完整性。

7. 缓存： 固态硬盘通常包含一个缓存，用于临时存储读取和写入的数据，以提高读写速度和性能。

总的来说，固态硬盘实现原理基于闪存存储技术，通过控制器和管理算法实现高效的数据读写、垃圾回收和性能优化。

闪存存储技术 实现原理

闪存存储技术是固态硬盘（SSD）的核心，它使用了特定类型的非易失性存储器来存储数据。以下是闪存存储技术的实现原理：

1. 多层单元结构： 闪存存储器中的基本存储单元是一个电荷存储结构，通常由多个层叠的存储单元组成。这种多层单元结构允许在同一物理空间内存储多位数据，通常是2、3或4位。

2. 电荷存储： 闪存中的存储单元是通过控制电荷状态来表示数据的。每个存储单元可以存储不同电荷量，这对应于不同的数据状态，如0和1。

3. 擦除和写入： 写入数据时，通过加入或移除电荷来改变存储单元的电荷状态，从而表示所需的数据。写入时，存储单元被置为特定电荷状态，表示所需的数据。

4. 页、块和擦除： 数据的写入和擦除操作是以"页"和"块"的单位进行的。写入时，数据以页为单位写入，但要擦除数据，必须以块为单位进行擦除。擦除操作将整个块的存储单元置为初始状态，以准备接受新的数据。

5. NAND和NOR闪存： NAND 和 NOR 是两种主要的闪存存储技术。它们的区别主要在于存储单元的排列和访问方式，以及擦除和写入的特性。

6. NAND闪存的特点：

   • NAND 闪存的存储单元以 NAND 门的结构排列。
   • NAND 闪存读取速度较快，写入速度也较快，但擦除速度较慢。
   • 擦除时需要擦除整个块，这可能引起写放大效应。

7. NOR闪存的特点：

   • NOR 闪存的存储单元以 NOR 门的结构排列。
   • NOR 闪存的读取速度较慢，写入速度也较慢，但擦除速度较快。
   • 擦除时可以针对单个存储单元进行擦除。

综合来说，闪存存储技术通过电荷状态的变化来表示和存储数据，允许高效地读写数据。 NAND 和 NOR 闪存是两种主要的实现方式，各自具有特定的优点和适用场景。

小结

闪存这个名字不好理解，看了不知所云。

其实就是用了芯片。以前磁盘是基于磁，现在是基于芯片，所以应该叫芯片硬盘。

固态硬盘比机械硬盘的优点?

固态硬盘（Solid State Drive，SSD）相对于传统的机械硬盘（Hard Disk Drive，HDD）具有多个优点，这些优点使得固态硬盘成为现代计算机系统中的首选存储设备之一。以下是固态硬盘相对于机械硬盘的主要优点：

1. 更快的读写速度： 固态硬盘采用闪存存储技术，消除了机械硬盘的机械运动部件，因此具有更快的读写速度。这可以显著缩短启动时间、应用程序加载时间和文件传输时间。

2. 低访问时间： 由于固态硬盘不涉及机械部件的移动，访问数据的时间更短，这对于高要求的应用程序和任务非常重要。

3. 抗震抗振： 固态硬盘没有机械运动部件，因此对震动和冲击的抵抗能力更强，这使其在移动设备和笔记本电脑中更可靠。

4. 低能耗和发热： 与机械硬盘相比，固态硬盘能耗更低，发热也更少。这不仅有助于延长笔记本电脑的电池寿命，还有助于降低系统温度。

5. 静音运行： 固态硬盘没有机械运动部件，因此运行时非常安静，不会产生机械硬盘的旋转、读写头移动等噪音。

6. 高耐用性： 闪存存储技术使得固态硬盘更耐用，因为它不会受到机械运动引起的损坏或磨损。这也意味着固态硬盘更持久，更适合长期使用。

7. 小巧轻便： 固态硬盘通常比机械硬盘更小巧轻便，这对于轻薄型笔记本电脑和便携设备尤其重要。

综合来说，固态硬盘以其快速的读写速度、低访问时间、高耐用性、低能耗和抗震抗振等优点成为现代计算机系统中的首选存储设备。

---

说白了，就是速度快。这个是最大的优点，不快的话，为什么要搞一个新的东西出来？有病吗？

其次，还有一个很大的优点，就是安静，没有声音。以前电脑，不管是台式机，还是笔记本，老是呜呜的声音，声音很大，主要原因就是风扇的原因和磁盘的马达驱动机械臂疯狂旋转的声音。现在好了，声音小了很多，尤其是苹果电脑，基本上一点声音都没有，一方面是因为固态硬盘，一方面是因为苹果自研arm芯片功耗低就不需要一直风扇疯狂转动散热，所以苹果电脑运行的时候非常安静，基本上没有声音。