机械硬盘与固态硬盘的介绍与市场情况

左天宇

【摘要】 本文首先介绍了机械硬盘与固态硬盘的结构和工作原理，通过原理的讲解，能够挖掘出两者的优点和缺点，进而将他们进行比较，总结出他们各自的使用场景。最后，我们将介绍目前机械硬盘和固态硬盘的市场情况。

【关键字】 机械硬盘 固态硬盘 市场

一、引言

硬盘是每一台计算机中必不可少的一部分，他存储着电脑上绝大多数的数据，包括操作系统。并且，由于硬盘本身的构造，所有的数据是不会因为断电而被抹去的，这是与内存相比最大的区别。

硬盘目前来看，主要分成两类：一类是机械硬盘，另一类是固态硬盘。在以往的计算机中，硬盘都是机械硬盘，因为其容量大，价格便宜而被广泛的运用。随着人们对于计算机运行速度的不断追求，固态硬盘诞生了。作为一种新兴硬盘，固态硬盘绝大多数被使用在笔记本电脑中，以提高其运行速度。随着固态硬盘的价格越来越低廉，容量越来越大，其必将在硬盘市场上占有重要的地位。本文就将介绍机械硬盘与固态硬盘的相关概念，并且分析目前的市场情况。

二、机械硬盘

2.1 机械硬盘的物理结构

机械硬盘就是传统的普通硬盘，由盘片，盘体，磁头，转盘转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口和缓存等几部分组成。机械硬盘的结构通常是指盘体的内部结构，它是一个密封的腔体。硬盘的盘片是硬质的磁性合金盘片，厚度一般在0.5mm左右。有的硬盘只装一张盘片，有的硬盘则有多张盘片。每张盘片的容量称为单碟容量，而硬盘的容量就是所有盘片容量的总和。

硬盘的磁头通过特殊的系统操作后，能够在极短的时间内精确的定位在由计算机指令制定的磁道上。磁头上的电机都是无刷电机，但是由于盘体在运行时会高速旋转，因此不宜搬动，否则将增加轴承的工作负荷。控制磁头的磁头臂只能在盘片的内外磁道之间移动。因此不管开机还是关机，磁头永远在盘片上。

2.2 机械硬盘逻辑结构

硬盘在逻辑上，被划分为磁道、柱面以及扇区。如下图1所示。

磁盘在格式化的时候被分为许多同心圆，这些同心圆的轨迹叫做磁道，从0开始，由外到内进行编号。这些同心圆并不会连续的记录数据，而是被划分成一段段的圆弧，每一个圆弧称作是一个扇区，从1开始编号。

在磁头靠近主轴接触的表面，有一个特殊的区域，不会存放任何数据，这个区域称为启停区。这个区域之外就称之为数据区。其中，数据区最远的地方叫做0磁道。0磁道非常的重要，因为它要被用来完成硬盘的初始定位。很多硬盘0磁道损坏之后就不能被使用了。所有盘面上的统一磁道会构成一个圆柱，这个圆柱我们称之为柱面。每个柱面上的磁头由上而下从0开始编号。数据读写时，会先从同一柱面的0磁头开始操作，然后依次向下读写。只有在同一柱面的所有磁头全部读写完毕后，才会转移到下一个柱面。所以，数据的读写是按照柱面进行的，而不是按照盘面进行，这一点是需要注意的。信息是以扇区的形式被存储在磁盘上的，每个扇区包含512个字节的数据和一些其他的信息。系统将文件存儲到磁盘上时，是按照柱面、磁头、扇区的方式进行的。即最先是第1磁道的第1磁头下的所有扇区，然后是同一柱面下的下一个磁头。在一个柱面存储满之后就推进到下一个柱面，直到将所有的内容写入磁盘。将物理相邻的若干个扇区称为了一个簇。操作系统读写磁盘的基本单位是扇区，而文件系统的基本单位是簇。我们查看一个文件的属性的时候，会看到大小和占用空间两项，这里的占用空间就是你机器分区的簇大小，逻辑基本单位是4K，因此再小的文件也会占用4K。簇越大存储性能越好，但是空间浪费很严重。

2.3 机械硬盘读写过程

现代硬盘寻道时，会先将读写磁头沿着径向移动，移动到要读取的扇区的所在磁道的上方。这段时间我们称为寻道时间。到达磁道之后，通过盘片的旋转，使得要读取得扇区转到读写磁头的下方，这段时间成为旋转延迟时间。通过这两个步骤，我们就能够读取用户所要的信息了。

对于机械硬盘的结构，大致就是上述内容。

三、固态硬盘

3.1 固态硬盘的内部结构

传统的机械硬盘，运行主要是靠机械驱动头等必须的机械部件，在快速旋转的磁盘上移动至访问的位置。因此，大部分的时间会被消耗在机械移动上。相比较而言，固态硬盘没有需要移动的部件，其主要由主控与闪存芯片组成，可以快速的访问的任何的位置。固态硬盘使用集成的电路取代了传统的机械移动磁盘，总的来说，其内部主要构成部件有主控，闪存和固件算法，估计结构分布如下图：

其中，闪存负责最为重要的存储任务，主控和固件算法来完成管理数据存储、维护固态硬盘的性能和使用寿命等其他任务。

主控就像是计算机中的CPU，发出对固态硬盘的所有读写请求。可以说，主控就是固态硬盘的大脑中枢。除此之外，他还要考虑垃圾回收和耗损均衡等问题，来保证固态硬盘的整体寿命。

固态硬盘的固件算法是确保固态硬盘性能的的最重要组件。主控将使用固态硬盘中的固件算法来控制程序，包括像垃圾回收，数据加密等任务。固件算法是冗余存储在闪存中的，因此当固态硬盘更新时，需要手动更新固件来扩大固态硬盘的功能。最后一点值得注意的是，固件算法的质量越好，整个固态硬盘的品质也就越好，而且目前具有独立能力开发固态硬盘固件的厂商非常少。

最后一个重要的部件就是闪存。固态硬盘用户的所有的数据都存储在闪存中，闪存不仅决定了固态硬盘的使用寿命，而且对固态硬盘的性能影响也非常之大。闪存主要分三种，SLC、MLC和TLC闪存。他们的区别很简单，就是他们存储的位数不同。打个比方，同样的晶体管数量和物理尺寸如果做成SLC，就是一个32GB的颗粒，做成MLC就是64GB的颗粒，做成TLC就是96GB的颗粒。

3.2 固态硬盘的工作原理

要知道固态硬盘的工作原理，我们需要先了解一些专业术语。在固态硬盘中，1个page为4KB，也就是最小的读写单位，1个block由256个page组成，1个plane由2048个block组成，2个plane组成一个die，也就是最小的芯片（4GB），多个die就可以组成1个颗粒。在往固态硬盘中写入数据时，主控会先将所有颗粒的第一个block中依次填入数据。当所有颗粒的第一个block写满之后，主控会继续往所有颗粒的第二个block中依次填入数据。以此类推，任何的数据都是以这样的方式被写入固态硬盘中的。明白了数据写入的原理，那么数据读取的原理也就显而易见了。在此我也只是简单解释了一下固态硬盘的工作原理，对于更深层次原理感兴趣的读者可以自行搜索相关资料。

四、机械硬盘和固态硬盘的对比

4.1 机械硬盘的优点

机械硬盘是传统的硬盘，因为他的工艺已经非常成熟了，所以他容量大并且价格便宜。目前来看，在台式机中，还是以机械硬盘为主流。现在也有一些用户选择固态硬盘和机械硬盘一起使用，一方面保证了容量的大小，同时也能够提高计算机的运行速度。

4.2 固态硬盘的优点

由于固态硬盘使用闪存作为存储介质，所以其读写速度快，并且防震抗摔。并且，固态硬盘并没有任何的机械工序，所以其工作时噪音非常小。此外，固态硬盘还有低功耗，工作温度范围大的优点。

4.3 使用场景

通常来说，在笔记本电脑中，使用固态硬盘较多，因为笔记本电脑通常仅仅做一些简单的工作，以上网浏览，联络沟通为主，并不需要大容量的存储。而且，笔记本电脑在不通电的情况下需要尽量做到低能耗，以提高续航，固态硬盘也有着低能耗的优点。因此，在笔记本电脑中，使用固态硬盘为优。对于台式机，目前较为主流的是固态硬盘和机械硬盘混用的搭配。其中，固态硬盘作为系统盘，来存储一些系统所需要的文件和数据。这样一来，系统的开机以及核心运算的速度会提高。其他的用户数据，因为考虑到可能占用的空间会比较多，使用固态硬盘的成本太大，所以优先考虑存储在机械硬盘中。

五、机械硬盘和固态硬盘的未来市场

最后，我们来分析一下目前固态硬盘和机械硬盘的市场占有率。由于缺乏官方数据的支持，我们根据天猫电器城相关产品的当月销量（2月1日到2月17日）来估算一下目前两者目前在市场上的受欢迎程度，结果如下：

固态硬盤销量（销量>100）：46567

机械硬盘销量（销量>100）：39700

可以看到，目前固态硬盘已经开始蚕食机械硬盘的市场了。用户更加偏好于固态硬盘，这也归功于其较快的读写速度以及逐渐平民化的价格。由此可见，固态硬盘取代机械硬盘只是时间问题。

总结：现在，我们已经介绍了机械硬盘和固态硬盘的相关知识，包括其物理结构，逻辑结构和工作原理。当然，这对于复杂的硬盘来说还只是冰山一角，如果读者对更加深奥的原理感兴趣的话，可以自己使用搜索引擎寻找相关资料，也可以去希捷，三星，西部数据等硬盘大厂的官网去了解各种硬盘的相关参数。此外，我们还对比了一下机械硬盘和固态硬盘的优缺点，希望读者能够根据自己的需求选择最合适的产品。总而言之，固态硬盘在未来会成为市场的主流，因此挑选一款合适的固态硬盘，是非常有必要的。

参 考 文 献

[1] Abraham Silberschatz. Operating System Concepts [M]. 高等教育出版社， 2007.

[2] 胡嘉玺. 固态硬盘火力全开：超高速SSD应用详解与技巧 [M]. 清华大学出版社， 2014.