1、機械硬盤和固態硬盤的工作原理 首先了解一下機械硬盤的工作原理1機械硬盤結構復雜上圖是一款機械硬盤結構圖。機械硬盤的結構基本都是一樣的：電路板上的主控制器芯片負責與芯片組之間的通信并且控制硬盤內部的運轉；盤片是用磁性材料做成的，固定在硬盤中部的馬達上旋轉；磁頭則沿著盤片的徑向移動。磁頭讀取、寫入數據時會在盤片上方移動，移動過程也叫硬盤尋道的過程至于“尋道”，則是和盤片的結構有關。結構圖盤片結構盤片上劃分為一圈一圈的同心圓環，每個圓環即一個磁道。早期的機械硬盤從圓心出發向四周發散出角間距相等的一系列直線（當然實際上沒有直線存在），直線與同心圓線圍成的最小區域就是一個扇區（如上圖）。這樣的劃分，在硬

2、盤的容量不大的年代還是簡單易行，但是隨著硬盤技術的進步，磁道的劃分越來越密集，必然導致外圈的扇區物理長度遠遠大于內圈的扇區，造成浪費。所以現在的硬盤都不用圓心發散的直線來劃分扇區了，而是從外圈磁道開始取一定長度作為一個扇區，然后從外向里一個一個編號下去。這個編號就是扇區的地址，我們要確定文件在哪里全靠這個地址。扇區都有固定的大小，一般是512字節，現在的支持先進格式化的硬盤都采用4096字節作為一個扇區了。從以上敘述中，我們已經可以看到，機械硬盤要讀出數據，必須要磁頭找到對應的磁道和扇區（對于多碟的機械硬盤首先需要確定柱面），這全部依靠磁頭的驅動馬達來驅動（磁頭本身是依靠盤片旋轉產生的氣流來懸

3、浮的）。馬達等等機械裝置的反應速度畢竟不快，所以機械硬盤會浪費大量的時間用于尋道操作（每次尋道大約10ms左右）。尤其是對于零碎的小文件讀寫來說，由于文件所在扇區不連續，需要不斷地要進行尋道，這樣就產生很悲劇的性能。但是對于持續讀寫來說，由于不需要進行不斷地尋道，所以不存在尋道時間。所以機械硬盤的隨機讀寫能力很差（不超過0.1MB每秒），但是持續讀寫能力并不差（而且隨著單碟容量的提升和磁盤陣列的組建，持續讀寫速度可以比固態硬盤更快）。到這里你們或許要問：為什么使用固態硬盤的電腦 普遍比使用機械硬盤的電腦反應快呢？ 這是因為，系統分區在日常中進行的讀寫操作絕大部分都是隨機文件讀寫，這正是機械硬盤

4、的軟肋所在，因為機械硬盤在這種情況下花費在尋道這件事上的時間非常多，其他硬件不得不停下來等待。如果你使用機械硬盤作為非系統盤，那么性能和固態硬盤的差別不大比如一部電影放在SSD和HDD上去播放，這個沒什么區別。提高HDD性能的方法之一是組建磁盤陣列。磁盤陣列有多種類型，而且有些陣列是為了保證數據的安全，作為自動備份而組建的，這一類我們暫時不去談。通常用于提高性能的磁盤陣列是RAID 0.比如，使用4塊硬盤組建RAID 0之后，當有數據從芯片組傳輸給硬盤，這個數據會被自動劃分成4部分，每個硬盤各自存儲一部分，這樣的話理想狀態下RAID 0下寫入速度翻倍；讀取也是類似的原理，每個硬盤各自拿出各自的

5、數據，理想狀態下讀取速度也是翻倍的。磁盤陣列：RAID 0但是RAID 0對于機械硬盤隨機讀寫并沒有什么明顯作用。所以要憑借組建RAID 0來提高系統盤的性能，很困難。但是RAID 0的原理卻也是應用在我們之后要講到的SSD上的。 不得不說的U盤2為什么要說U盤？因為U盤和固態硬盤是類似的結構。這張圖是雷克沙16G的U盤拆解圖。其實U盤的最重要部件就兩個：主控制器芯片，還有NAND閃存顆粒。主控制器芯片負責與芯片組進行通信，并且負責操作NAND顆粒；而NAND顆粒本身就是一個存儲器件。你可以將其理解成為很多電容器組合成的裝置。 固態硬盤的原理3這張圖是Crucial M4-CT128M4SSD

6、2固態硬盤拆解之后的電路板。對比上面的雷克沙U盤拆解圖，你發現了什么？沒錯，結構和那個U盤很像，只不過NAND閃存芯片更多而已。附上這個電路板的背面照片。重點是那顆DRAM緩存顆粒。除去這個顆粒之外，其他的結構和U盤完全類似。1、NAND顆粒NAND顆粒之間的關系，類似于RAID 0。那么固態硬盤可以看做是“由U盤組成的RAID 0”。NAND是半導體存儲顆粒的一種（還有其他的種類，比如NOR（NOR的特點是芯片內執行，應用程序可以直接在flash閃存內運行,不必再把代碼讀到系統RAM中）但是NOR不用在這些東西上）。至于這個顆粒的物理結構是如何，這個暫時不用深究。我們需要關心的是NAND如何

7、存儲和讀取數據。簡單地說，NAND可以視作是由很多很多個電容器組成的集成電路。NAND分為SLC（Single Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell）、TLC（Trinary-Level Cell）等等（目前只有這三種）。從名字就可以看出區別：SLC是“單層”，MLC是“雙層”，TLC是“三層”。事實上可以這樣理解：SLC是指分別將電容器的充電狀態（有電荷）和放電狀態（無電荷）視為0和1；MLC則是電荷全滿、電荷2/3、電荷1/3、無電荷這四種狀態，定義成00、01、10、11；TLC則是又增加了幾個中間值，有000至111這八種定義。那么SLC的一個Cell（一個

8、“電容器”）只能存儲1bit，MLC是2bit，TLC則是3bit。同時也很自然地可以明白，SLC可以很清楚地判斷一個cell里面到底是0還是1；但是MLC就不太容易判斷了，因為不同量的電荷表示不同的數據，電荷稍有流失就會導致出錯；TLC出錯的幾率更大。所以從穩定性而言，SLC最佳，MLC次之，TLC最差。另外這些Cell都是有“惰性”的，連續充電放電若干次之后就無法保存電荷了，造成數據出錯。從這個方面而言，SLC也是最耐充放電的，MLC次之，TLC最差。所以SLC使用壽命最長，MLC次之，TLC最差。就充放電速度而言，SLC最簡單，速度也最快；結構越復雜速度也越慢，所以MLC次之，TLC最慢

9、。從上一段總結出，無論是速度還是穩定性，SLC都是最佳的選擇，MLC次之，TLC最差。但是我們也知道了同樣的一個“電容器”，SLC存儲的信息只有MLC的1/2，也是TLC的1/4，所以SLC的成本也是最高，而且無法做成容量很大的芯片。目前SLC的NAND產品大多數用于企業級的半導體存儲器上，民用以MLC和TLC為多。繼續講NAND。數據在NAND中不能沒有組織，否則無論什么設備都不能讀出這些數據究竟是什么。類似于機械硬盤的扇區，固態硬盤也有自己最小的文件存儲單位，叫做Page。目前的NAND顆粒，Page的大小并不一致，但是也只有兩種：4KB或者8KB（1KB=1024字節）。Page相當于一

10、組規律化組合的“電容器”。機械硬盤上的文件必須占用整數個扇區；固態硬盤也是類似，任何文件占用的空間必須是整數個Page。這個與文件系統無關，屬于硬件層面。Page上面的一層組織是Block。128個或者256個Page組成一個Block。拿CrucialM4-CT128M4SSD2來說，它的NAND顆粒的一個Page是4KB，128個Page組成一個Block（一組固定的規律性組合的Page），所以一個Block是512KB。上一段已經說過，NAND的最小寫入單位是Page，任何文件都必須占用整數個Page。這里的Block也有類似作用：任何的擦除（“電容器”放電）都必須是整數個Block。也

11、就是說你要擦除NAND里面存儲的信息，每次最少擦除一個Block，也可以擦除任意整數（當然不能是負數）個Block；但是你想擦除單獨某個Page，那么對不起，辦不到。一定數量（2的冪次方）的Block構成更高一級的結構Plane，然后一般是兩個Plane組成一個Die，這個就是我們看到的一個芯片了。借用一張圖來說明NAND的組織結構（圖中的這個NAND的Block由256個Page組成，所以一個Block是1024KB）：NAND有個特性：你要讀取NAND中的信息，那么速度會很快；但是如果你要給NAND寫入信息，尤其是NAND原有的信息需要覆蓋的時候，速度會非常非常慢。但是無論是讀還是寫，操作

12、系統本身甚至于電腦本身都是無法控制NAND芯片的。操作NAND芯片需要借助于主控制器芯片。主控芯片也是影響SSD性能的最重要因素之一。根據NAND的物理結構，NAND是通過絕緣層存儲數據的。當你要寫入數據，需要施加電壓并形成一個電場，這樣電子就可以通過絕緣體進入到存儲單元，此時完成寫入數據。如果要刪除存儲單元(數據)，則要再次施加電壓讓電子穿過絕緣層，從而離開存儲單元。所以，NAND閃存在重新寫入新數據之前必須要刪除原來數據。NAND FLASH的數據儲存原理閃存的存儲單元為三端器件，與場效應管有相同的名稱：源極、漏極和柵極。柵極與硅襯底之間有二氧化硅絕緣層，用來保護浮置柵極中的電荷不會泄漏。采用這種結構，使得存儲單元具有了電荷保持能力，就像是裝進瓶子里的水，當你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以閃存具有記憶能力。2、主控芯片任何存儲設備都有主控制器芯片的，否則主板南橋芯片（或者intel現在使用的單芯片組）無法直接與存儲層進行通信。從開篇講