浅析PC硬盘内部传输速率提升方法的实现

乔岸红

摘要：硬盘是PC系统的重要组成部份，是目前数据存储的最主要存储器之一，是数据存储的主仓库。由于硬盘的性能发展缓慢，无法满足高性能处理器的数据请求，成为限制PC系统运行速度的瓶颈。从而对PC整体性能产生影响，该文总结了硬盘现有技术和工作原理的弊端，结合磁盘阵列系统的高性能，对借鉴磁盘阵列系统原理对硬盘技术进行改进以提升硬盘内部传输速率的几种方法进行可行性探讨。

关键词：硬盘性能;内部传输速率;工作原理;可行性

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)26-6381-04

Analysis of the PC Internal Transfer Rate Promotion Method

QIAO An-hong

(College of Mathematics and Information Engineering, Jiaxing University, Jiaxing 314001,China)

Abstract: The hard disk is PC system important component, is the data stored in the main memory is one of the main ware? house, data storage.As a result of the hard disk performance development is slow, can not meet the high performance processor data requests, became restricted PC system running speed bottleneck.Thus the overall PC performance impacts, this paper summa? rizes the existing technology and principle of hard disk problems, combined with the disk array system with high performance, to use the disk array system on the principle of hard disk technology to improve the internal transmission rate of several methods to conduct a feasibility study.

Key words: hard disk performance; internal data transfer rate; working principle; feasibility

学过《计算机组成原理》的人都知道根据冯·诺依曼原理，将计算机分成输入设备、存储设备、运算器、控制器和输出设备。[2]其中存储设备分为内存和外存，外存储器主要有软盘、光盘和硬盘，随着人们在计算机中保存的数据越来越多，外存储器显得越来越重要，其中硬盘的特点是容量大，速度快且不易损坏；因此硬盘成为了外存储器的最佳选择对象，也是目前最主要的外存储器设备。

温彻斯特硬盘架构经过30多年的发展，硬盘的容量（存储密度）已经有了翻天覆地地变化。而其硬盘的原理是将平行于盘片的磁场方向改变为垂直（90度），更充分地利用的储存空间，然而，GMR技术在此仍旧不负众望，出色地完成了读取和写入数据的任务[2]。硬盘容量在进步的同时，硬盘的接口技术也同样经历了夸时代的发展，主要就是传输速度翻番达到6Gbps(600MB/s)，同时向下兼容旧版规范“SATA Revision 2.6”标准，接口、数据线都没有变动[3]。目前主流硬盘仍然采用7200rpm的硬盘。作为电脑的重要组成部分，硬盘的性能在近十多年时间里一直发展缓慢，可以说已经在一定程度上限制了整个平台性能的提升。究其原因，正是由于传统机械硬盘在工作原理上的限制，导致其在性能方面的提升很容易就会遇到瓶颈，对于整个PC系统运行的效率影响非常大。本文通过对硬盘结构和工作原理的剖析，同时借鉴现有的成熟技术，分析了对现有硬盘技术进行改进的方法及其可行性，客观地预测未来硬盘技术的发展方向和提升方法。

1硬盘性能提升的障碍

1.1硬盘的架构和工作原理

1.1.1硬盘的架构

说到硬盘的性能，首先必须了解硬盘的结构和工作原理，目前所使用的硬盘都采用了温彻斯特架构。如图1所示，为硬盘的内部结构。

除了硬盘内部这些组件，硬盘还有主控芯片、缓存和电机控制芯片等电子元件和电路组成，它们被集中安装在一块PCB电路板上。

1.1.2硬盘的工作原理

概括地说，硬盘的工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，写的操作正好与此相反。另外，硬盘中还有一个存储缓冲区，这是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设的。由于硬盘的结构比软盘复杂得多，所以它的格式化工作也比软盘要复杂，分为低级格式化，硬盘分区，高级格式化并建立文件管理系统。

1.2影响硬盘性能的主要因素

为什么两者之间会有如此大的差距，通过分析，我们将找出影响硬盘性能的主要原因和硬盘性能的瓶颈：

1）转速：由于转速越快，在单位时间内经过磁头的磁区域就越多，读取或写入的数据也就越多，因此转速成为了硬盘性能最重要的参数指标。受制于成本和对散热的要求，目前主流的硬盘转速仍然停留在十年前就已经存在的7200rpm的水平，可以说基本上没有发展。

2）单碟容量和平均寻道时间：前面所说提高单碟容量不但可以增加硬盘总体容量而且还能提高平均寻道时间，同时由于存储密度地增加，在同样的转速下，单位时间内磁密度越高的硬盘，其磁头所经过的磁单元也越多，在读取或写入大量连续数据的情况下速度会快很多，但是受制于音圈马达的技术，磁头移动的速度并没有加快，盘面尺寸没有改变的情况下，寻道时间上的提升很有限，但是也看到它在前进的脚步。

3）缓存：近几年，为了提高硬盘的性能，受到内存技术的帮助，缓存不但速度更快了，甚至容量已经从几年前的2MB提升至现在的16MB,有些硬盘已经在使用64MB大容量高速缓存，发展速度飞快。

4）接口技术：随着缓存在速度和容量上的提高，接口技术的不断创新，每发布一个新的接口规范标准，其外部传输速率就提升一倍，发展速度相当快。

综上所述，硬盘的性能无非体现在外部传输速率和内部传输速率上，而通过以上分析，大家可以看到由于外部传输速率在近几年随着接口技术的发展而进步大家都是有目共睹；随着单碟容量的提升，提高了硬盘的内部传输速率，而主轴的转速限制了其发展的速度，导致内部传输速率的发展明显慢于外部传输速率很多，因此硬盘的性能瓶颈在于内部传输速率上，如何提高内部传输速率已经成为当前刻不容缓的问题了。

2提升硬盘内部传输速率的方法和可行性

目前几乎所有的机械式硬盘都采用了温彻斯特架构，既然温彻斯特硬盘已经发展到如此成熟的地步，俨然已经成为机械式硬盘的标准了，那么如何不改变现有的硬盘结构，以最小的成本最大限度地提升硬盘的内部传输率成为了各硬盘厂商和PC研究部门的重要课题。

2.1厂商如何提升硬盘内部传输速率

提升硬盘的内部传输速率也是目前硬盘厂商争夺市场和展现技术水平的一种方法，目前厂商主要依赖于提高硬盘的单碟容量来提升内部传输速率，事实证明，效果确实不错，因此硬盘容量也在近几年几乎每年都在成倍地增长，而硬盘成本控制得也相当不错。因为这是一种无需提高太多成本就能提升硬盘性能和容量的方法，而厂商也有不错的利润空间。由于磁道密度增加，磁头移动同样的距离能扫描到的磁道增加了，理论上提高了寻道时间；而磁密度增加，容量也越大，实际上，磁头扫描整个磁盘所需的时间反而会大大延长，几乎抵消了磁道密度增加带来的性能提升。只是平均寻道时间本来就已经用个位数的毫秒来计算，即使稍有偏差，人们似乎也觉察不出来，因此以扩大单碟容量来提升硬盘对连续文件的读写能力不失为一种简单有效的方法。以前也有出现过采用多个磁头对一个盘片同时进行读写的方法，但由于稳定性欠佳，故障率偏高，而且由于技术水平的原因，控制起来太过复杂，还会产生过多的文件碎片，不利于读取，因此现在已经不使用了。

2.2服务器如何提升硬盘性能

从商业应用的服务器上我们可以看到为了提高硬盘的性能，普遍采用了10000rpm或者15000rpm硬盘，更高的转速同时意味着稳定性、散热、机械损耗、能耗等方面的问题的急剧加重，生产成本和配套设备的成本也成倍地提高，因此使用在普通桌面PC系统上还不太现实。

除此之外，服务器系统还普遍采用了磁盘阵列这种多硬盘系统，原理就是让多个硬盘同时读取或写入数据以获得比单个硬盘高数倍的性能，稳定性和可靠性也提高了不少，如果只是要求提高性能，那么组建一个RAID0当然是最实惠的选择，而且它代表了所有RAID级别中最高的存储性能，其原理如图2所示[4]。在之前少数电脑主板厂商也有支持桌面硬盘组建RAID0或者RAID1磁盘阵列系统的产品上市，但是由于磁盘阵列系统至少需要两个硬盘才能组建，成本较之单个硬盘也有不少出入，因此这些产品往往只有发烧友才会选择而并没有成为市场主流。

3实验与实现方法

3.1软件模拟

软件的功能越来越强悍，以至人们认为现在的PC，只要你想要什么功能，安装相应的软件就可以了，而使用以硬件为基础，以软件进行主要控制的磁盘阵列在早些时候也有出现过。因此使用软件将单个磁盘的多个磁头模拟成磁盘阵列可行性很高，无需提高硬件生产成本，继续沿用当前的硬盘而无需任何修改，但同时会遇到以下问题，从实际使用和软件设计的角度来讲，其可行性不高，希望在不久的将来有人能够解决这些问题。

1）何时加载模拟软件

在安装操作系统之前加载该模拟软件，那么就需要像服务器一样在安装操作系统前按F6来加载第三方驱动，此软件就扮演着磁盘阵列卡驱动的角色，使用此软件将单个硬盘模拟成磁盘阵列系统的复杂程度也是非常高的，因此容量肯定不小，加载它需要一定时间。

如果是在安装操作系统之后安装该模拟软件，将会破坏硬盘上已安装的操作系统，哪怕是借鉴FAT32转换为NTFS文件系统的方法来进行分区表和文件系统进行重建，数据虽然可以保留，但是面对操作系统体积地不断增加，该过程会相当漫长，因为所有的信息都需要进行分解再重新寻找位置存放。除了系统分区，只对其他分区进行模拟的话，分区表无法建立，且会浪费掉系统分区所在磁盘面另外一面相对应区域的容量。

2）软件的载体

由于软盘逐渐退出历史舞台，光盘成为了大多数软件首先的载体。由于在安装系统时无法从光盘加载该软件，因此要求该光盘拥有启动功能，类似于目前大多数商用服务器的启动导航光盘，且由于操作系统的种类和版本日益增加，同时也增加了载体的复杂程度。

3）可靠性差

目前PC面临的最大威胁无疑来自具有破坏能力的病毒和各类木马，而该系统由于是软件模拟的虚拟磁盘阵列，一旦感染木马或者病毒，其数据安全性将受到非常大的威胁。如果存放该软件的磁道出现损坏，无法加载模拟软件，那么硬盘数据将无法读取和恢复。

3.2从硬件进行改进

硬件原理来说，由于磁头都是非独立的，因此原有的一组磁头同时同步运动的架构并不需要进行改动，也不需要同步控制器；重点在于控制磁头的同时写入和读取、数据的分解和重组，同时还要对数据进行传输。

数据的分解和重组，交由一个运算单元(假设为D)负责管理，理论上来讲和调制解调器很像，但是要简单得多，位于磁头和主缓存之间，因此可以将控制芯片和运算单元集成在磁头前置控制电路中，同时控制芯片还负责运算单元和硬盘主缓存以及运算单元和磁头之间的数据传输控制。

而多磁头同步写入和读取时需要每个磁头都需要一条数据通道，为了不让各条通道之间存在干扰，将数据通道的数据线设计成绞线通道直接通往运算单元可以很好地解决干扰问题。为了解决运算单元和磁头之间的数据同步问题，需要在运算单元和每个磁头之间(即运算单元前端)设立一个容量要求并不高的高速数据缓冲区（也叫“前置缓存”假设为E），根据磁头数决定前置缓存的数量。其原理是在写入数据时，运算单元将分解之后的数据存入前置缓存，待前置缓存满了，则运算单元暂停从主缓存读取数据，磁头继续写入，且立即从前置缓存清空已写入的数据，运算单元继续从主缓存读取数据，将其分解并存入前置缓存供磁头写入，此时要求运算单元和前置缓存的速度必须比磁头写入速度要快。由于运算单元必须比磁头速度快，在读取数据时，磁头读取的数据不可能使运算单元满负荷运行，由此可得出，在读取数据时没有前置缓存，数据可以直接从磁头传输给运算单元，线路上可以更简单，但是绕过前置缓存需要单独另外再设计一条数据通道，增加了设计上的复杂程度，且对性能提升帮助并不大，因此不作设计,其控制方式如图3所示。

图3非独立多磁头同步硬盘的控制示意图

每个设备的控制芯片都需要驱动程序来进行驱动，此次只为硬盘增加一个控制单元和一个运算单元，原理和过程非常简单，甚至连ATA主控芯片都未进行更改，因此将驱动程序集成到硬盘原有的固件（Firmware）中也是轻而易举的事情，硬盘在自检的过程中就完成了对控制芯片的驱动加载，就算是增加一个驱动IC，由于驱动IC体积非常小，电路板上还是很轻易就能够安排得下的，在安装操作系统和存储数据时就可以和使用普通硬盘一样简单，甚至无论在什么操作系统下都能很方便地使用，性能却成倍地增加了。其整个数据写入过程如图4所示。

图4[5]非独立多磁头同步硬盘的写入流程

此项技术使用完全硬件方式来实现，据推算成本增加不会超过20%，但可靠性和易用性却非常高，性能的提升显而易见，因此比其它方法实用性更高，也更容易实现。

综上所述，使用硬件控制的方式实现非独立多磁头同步硬盘系统是最理想的方法。

4结束语

从现在的发展趋势，我们对PC系统性能的要求会越来越高，由于科技的进步，PC的发展也是越来越快。而硬盘的发展步伐也是日渐加快，随着闪存颗粒成本的下降，SSD硬盘也将迎来春天，虽然性能上来讲比机械硬盘要高出很多，但是集成电路晶体管特性限制了其可擦写次数，如果不改进当前的存储方式，在高端领域无法普及，特别是对数据存取量较大且读写频率很高的商用领域。而在机械硬盘方面，由于图形化介质的技术突破，容量和性能将再一次得到飞速发展。

参考文献：

[1]胡其图.物理学与现代工程技术[M].郑州:河南科学技术出版社,1996.

[2]硬碟博士.电脑硬件课堂系列丛书(第3波)-硬盘博士开讲[M].北京:人民邮电出版社,2000:1-4.

[3]孙玉亮.SATA3.0给我们带来了什么[EB/OL].(2010-04-01).中关村在线.

[4]谢长生.计算机硬件技术基础[M].北京:人民邮电出版社,2002:106-108.