寫在前面
在上一期，我們解釋了一個很多同學長久以來的疑問锡搜，那就是為什么現(xiàn)在計算機磁盤盤符都是從C盤開始的橙困，A盤和B盤哪去了。那么接下來的幾期耕餐，我們將從最底層入手凡傅，從工作原理開始詳細了解一下機械硬盤和固態(tài)硬盤。而本期我們將著重了解一下比較傳統(tǒng)的機械硬盤肠缔，并順便為大家排一下選用機械硬盤的天坑夏跷，防止大家在選購機械硬盤時踩雷。
引言
相信各位在選購機械硬盤時明未，一定會注意到在機械硬盤商品頁標注的機械硬盤緩存槽华，目前比較常見的有64MB和256MB的。不過在有些情況下亚隅，兩塊硬盤的儲存空間是一樣大的硼莽，緩存不一樣大，但是價格卻相同煮纵，這時候很多同學就會選購緩存較大的硬盤懂鸵。人們的普遍想法是價格相同，那當然選緩存大的啦行疏！
聽著好像確實沒什么問題匆光，不過你要是這么想，那你就是跳進了資本家的天坑了酿联。這些256MB緩存的硬盤相對于64MB的硬盤在性能上非但不是升級，反而時一種變相降級贞让。這是為什么呢？
先不要著急续镇，在回答這個問題之前，我們得從機械硬盤發(fā)展歷史講起销部。
機械硬盤的發(fā)展史
1956年制跟，全球第一塊機械硬盤誕生于IBM實驗室酱虎，盤面直徑24英寸雨膨，盤數(shù)為50片，它十分龐大读串，大概相當于兩個冰箱的體積聊记，但容量卻只有5MB爹土。
1973年胀茵，IBM進行了技術升級，研制了新一代機械硬盤——溫徹斯特硬盤琼娘。它奠定了機械硬盤的基本工作原理，其中的大量技術一直沿用至今瞒瘸。
1991年熄浓，IBM在溫徹斯特硬盤基礎上進行改進赌蔑，推出了首款3.5英寸的1GB機械硬盤。至此娃惯，3.5英寸的硬盤規(guī)格也成為現(xiàn)代計算機的標準規(guī)格趾浅。
在這之后，各大廠商互相競爭浅侨，在磁頭技術证膨、盤片密度、盤片技術、尋道尋址能力等方面做出大量革新。消費級個人電腦的硬盤容量也逐漸從10GB走向40GB脖祈、160GB刷晋、500GB、1TB喻奥、2TB……而隨著筆記本的興起捏悬，2.5英寸的硬盤成為筆記本和移動硬盤的標準配置。
而昔日的巨頭IBM也于2003年將自己的個人硬盤業(yè)務出售給日立甥厦。目前主流的硬盤廠商有希捷刀疙、東芝扫倡、西部數(shù)據(jù)和日立。
LMR水平式機械硬盤與PMR垂直式機械硬盤
機械硬盤之所以叫機械硬盤疚鲤，就是因為它內(nèi)部完全由機械結構制成征懈。一塊機械硬盤由磁盤面卖哎、馬達和磁頭構成，通常情況下這些結構都被密封在一個鐵盒子里焕窝，防止其內(nèi)部結構與外界接觸维贺。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （機械硬盤結構）
機械硬盤在生產(chǎn)過程中全程位于無塵廠房，任何一粒微小的灰塵落到盤面在其一分鐘上千轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)下對整個磁盤都是毀滅性的打擊虐秋，常見的機械硬盤有5400轉(zhuǎn)/分和7200轉(zhuǎn)/分客给，所以各位小伙伴千萬不要自己拆機械硬盤。
磁盤面上有很多小格蜻拨，在機械硬盤工作時桩引，磁頭會懸浮在磁盤面上對磁盤中的小格中的數(shù)據(jù)進行讀取坑匠。與其說是磁頭在讀取數(shù)據(jù)，倒不如說磁頭在讀取小格的磁性功氨。每個小格都由小磁粒組成手幢，磁粒可以顯示出不同的磁性跺涤，兩種不同方向的磁性對應著計算機二進制中的0和1监透，這樣磁頭就可以讀取數(shù)據(jù)了胀蛮。在寫入數(shù)據(jù)時，寫磁頭可以改變小格中小磁粒的極性的方向退腥，這樣就做到了將數(shù)據(jù)寫入磁盤再榄。
最早的這種小格是水平的鋪在磁面上的，這種就是最早期的LMR水平式機械硬盤困鸥。
（LMR水平式機械硬盤結構簡圖，小格子水平擺放）
后來隨著科技的發(fā)展艺蝴，磁頭的體積不斷被縮小鸟废，工藝的不斷升級讓磁盤面上的小格豎起來排列在磁面上，這樣磁性的上下兩個方向就對應著二進制中的0和1。這就是目前應用最廣泛的PMR垂直式機械硬盤兰英。
（PMR垂直式機械硬盤結構簡圖畦贸，小格子豎直擺放）
相比與LMR水平式機械硬盤楞捂，PMR垂直式機械硬盤的磁粒所占面積更小，在同等面積的磁面的條件下PMR可以存放更多的數(shù)據(jù)胶坠。
數(shù)據(jù)顯示LMR水平式機械硬盤的數(shù)據(jù)密度為133GB/平方英寸繁堡，而PMR垂直式機械硬盤的數(shù)據(jù)密度可以達到1108GB/平方英寸椭蹄，是LMR的8倍多。
一張磁面雖然看起來是一個完整的整體罩润，但其實一張磁面縱向來看是被劃分成了無數(shù)扇形的區(qū)域翼馆，我們稱之為扇區(qū)应媚。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （扇區(qū)）
而橫向來看，一張磁面又被劃分成了無數(shù)環(huán)形的區(qū)域祝峻，我們稱之為磁道。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （磁道）
在硬盤對數(shù)據(jù)進行寫入、讀取以及改寫的時候奥溺，磁盤會先對數(shù)據(jù)進行定位鎖定一個坐標髓窜，比如第9扇區(qū)第12磁道，然后磁頭就會轉(zhuǎn)向到第12磁道上面立美，等待磁面旋轉(zhuǎn)使第9扇區(qū)轉(zhuǎn)動到磁頭下面方灾，這樣就可以操作這個位置的數(shù)據(jù)了裕偿。這個完整的過程我們稱之為機械硬盤的尋道和尋址。硬盤的4K隨機讀寫速度其實就是硬盤的尋道和尋址的能力的體現(xiàn)劲腿，由此可見硬盤的尋道和尋址能力很大程度上對硬盤的速度起著重要的作用鸟妙。
接下來我們進行深入研究圆仔，選取一小段磁道進行放大。由于技術原因个从，寫磁頭是要比讀磁頭寬一些的歪沃，所以寫磁頭在對數(shù)據(jù)進行寫入時沪曙，會占滿整個磁道，而讀磁頭在對數(shù)據(jù)進行讀取時只需要讀取到中間一小條就可以獲取完整的數(shù)據(jù)碳默。那么這樣磁道之間的區(qū)域由于不能被讀磁頭讀取就被白白的浪費掉了。
? （PMR垂直式機械硬盤的寫入髓废、讀取操作）
由于磁面的浪費慌洪，所以PMR垂直式機械硬盤并沒有將一張磁面利用到極致凑保，如果能利用上被寫磁頭和讀磁頭之間浪費掉的磁面豈不是又能將數(shù)據(jù)密度進行一次提升？
同時需要知道的是频伤，磁面是整個磁盤中非常值錢的部件，所以磁面被浪費的面積要越少越好惠爽。而SMR瓦楞式堆疊硬盤就是在這樣的多重需求下被創(chuàng)造出來的婚肆。
SMR瓦楞式堆疊硬盤——機械硬盤的天坑
SMR瓦楞式堆疊硬盤是近些年才出現(xiàn)的產(chǎn)物，從原理上看是PMR垂直式機械硬盤的進一步發(fā)展用僧，不過這種發(fā)展本質(zhì)上是一種開倒車的行為赞咙。
先說結論：SMR瓦楞式堆疊硬盤的硬盤性能對比PMR垂直式機械硬盤不升反降攀操。
SMR瓦楞式堆疊硬盤利用了類似房檐的瓦疊原理，讓數(shù)據(jù)密度相較于傳統(tǒng)的垂直式硬盤了有了巨大的提升歹垫。由于瓦楞式堆疊硬盤和垂直式硬盤都屬于PMR硬盤的種類颠放，所以傳統(tǒng)的垂直式硬盤又被稱之為CMR硬盤碰凶。
目前SMR瓦楞式堆疊硬盤正在逐步取代傳統(tǒng)的CMR硬盤鹿驼，這對于消費者來說并不是一件好事谴麦，因為SMR瓦楞式堆疊硬盤的性能比傳統(tǒng)的CMR硬盤要弱很多匾效，但是售價并沒有下降。
這是因為SMR瓦楞式堆疊硬盤中磁道是像瓦片一樣堆疊在一起的野宜，但是這會造成磁道在寫入數(shù)據(jù)時的互相干擾魔策，比如寫磁頭在對磁道A寫入數(shù)據(jù)時闯袒，由于寫磁頭的體積很大，勢必會將磁道B的原有數(shù)據(jù)覆蓋住其徙。所以硬盤廠商給出了一個解決方案喷户。
和傳統(tǒng)的CMR硬盤想對哪個磁道的數(shù)據(jù)進行修改就直接讓磁頭懸浮在該磁道對數(shù)據(jù)進行操作不同的是褪尝，SMR瓦楞式堆疊硬盤在對數(shù)據(jù)進行改寫時，寫磁頭對磁道A進行數(shù)據(jù)寫入避诽，要先將磁道B的數(shù)據(jù)復制出來璃谨。
等磁道A的數(shù)據(jù)被寫入后睬罗，磁道B的原始數(shù)據(jù)已經(jīng)被覆蓋容达，這時再將磁道B之前復制出來的數(shù)據(jù)重新寫入磁道B。
不過在對磁道B進行數(shù)據(jù)還原時又會覆蓋掉磁道C中的數(shù)據(jù)羡滑，所以我們要將磁道C中的數(shù)據(jù)也復制一份柒昏，等磁道B中的數(shù)據(jù)寫入完成后再將磁道C復制出來的數(shù)據(jù)寫回磁道C。磁道D磁道E以此類推氏涩。
也就是說其實你只想改動磁道A中的數(shù)據(jù)有梆，但是為了保證磁道BCDE中原始的數(shù)據(jù)不會丟失泥耀，所以被牽連著變動了五條磁道中的數(shù)據(jù)。原本傳統(tǒng)的CMR只需要進行一次的磁道數(shù)據(jù)操作兜辞，但是SMR瓦楞式堆疊硬盤需要重復操作五次夸溶，這就造成了讀寫能力的下降蜘醋。
好在咏尝，在讀取數(shù)據(jù)時就不需要這么麻煩了编检。讀磁頭只有窄窄的一條，所以在對數(shù)據(jù)進行讀寫時直接順著磁道就可以讀取了厕怜，不會對相鄰的磁道形成干擾蕾总。
? ? ? （SMR瓦楞式堆疊硬盤的讀取操作）
這么做雖然使得磁道之間的沒有了干擾生百，數(shù)據(jù)可以進行完美的讀取蚀浆、寫入和改寫搜吧，但是這種做法不僅使得SMR瓦楞式堆疊硬盤的速度大幅度下降杨凑，硬盤的壽命也被銳減撩满。
到這里我們就可以解釋在開頭提出的問題了，為什么有的硬盤的緩存變大了但是性能并沒有得到提升搞糕。那就是這些大緩存的硬盤其實就是SMR瓦楞式堆疊硬盤曼追。由于SMR瓦楞式堆疊硬盤在對數(shù)據(jù)進行改寫時需要將其他磁道中的原有的數(shù)據(jù)復制出來礼殊，而這些復制出來的數(shù)據(jù)需要一個空間進行臨時存放，而這個擴大的256MB緩存就是用來存放這些臨時數(shù)據(jù)的碟狞。通俗來講族沃，廠商給你擴大的硬盤緩存根本就不是為了提升性能泌参，而是為了臨時存放在改寫數(shù)據(jù)時會被影響到的數(shù)據(jù)沽一。
不過好在目前市面上常見的SMR瓦楞式堆疊硬盤扇區(qū)和扇區(qū)之間是獨立的，也就是說只有在同一個扇區(qū)內(nèi)磁道和磁道之間是瓦疊起來的烘嘱，而兩個相鄰的扇區(qū)之間則是有空隙存在的蝗蛙。這樣的好處就是如果需要改寫最外圈磁道的數(shù)據(jù)捡硅，只需要將一個扇區(qū)內(nèi)的磁道重新寫入一邊，而不需要將整個磁盤都重新寫一遍了牍蜂。
在筆記本和便攜式一體機中使用SMR瓦楞式堆疊硬盤屬于被逼無奈鲫竞，在有限的空間內(nèi)容納更多的數(shù)據(jù)是筆記本和便攜式一體機最先考慮的問題。而在臺式機上寄疏，使用SMR瓦楞式堆疊硬盤只是為了節(jié)約成本陕截。上文已經(jīng)提到過批什，盤面是整塊機械硬盤中最值錢的部件驻债，相較于傳統(tǒng)的CMR硬盤，SMR瓦楞式堆疊硬盤可以用更少的盤面存放更多的數(shù)據(jù)暮的。所以硬盤廠商可以用更低的成本賣出與之前同樣的價格冻辩。最后吃虧的都是消費者拆祈，以為256MB相較于64MB是加量不加價。
那我們在選購磁盤的時候應該如何避免購買到SMR瓦楞式堆疊硬盤呢凛剥？
簡單來講就是不要購買緩存太大的機械硬盤，緩存大的硬盤很有可能就是SMR瓦楞式堆疊硬盤互亮。盡量選擇緩存64MB的機械硬盤就可以了余素。
常見的機械硬盤分類
很多小伙伴在選購機械硬盤時總能看到藍盤或者紅盤之類的桨吊，而且價格也不相同凤巨。這些是什么意思呢敢茁？
（1） 藍盤：消費級個人計算機硬盤留美。是目前市場上最為常見的類型谎砾。
（2） 黑盤：消費級高性能硬盤。是個人消費級性能更加卓越的硬盤類型较雕。
（3） 紅盤：NAS硬盤郎笆。專門為NAS環(huán)境設計忘晤。
（4） 紫盤：監(jiān)控硬盤设塔。專門為監(jiān)控提供安全可靠的存儲空間。
（5） 金盤：企業(yè)級硬盤痕钢。專門為大型企業(yè)設計序六。
結語
本期為大家詳細介紹了機械硬盤的工作原理例诀，以及機械硬盤市場中的大坑——SMR瓦楞式堆疊硬盤繁涂。相信各位小伙伴已經(jīng)可以對機械硬盤有了基礎的認知。不過隨著時代的發(fā)展秉沼，一種更快的儲存硬件——SSD已經(jīng)逐漸成為主流唬复。SSD是如何工作的？MLC和QLC又是什么漠魏？關注我妄均，敬請期待下一期【科普向】柱锹！
如果你覺得這個系列還不錯，希望你可以點一個贊丰包，關注我禁熏，或者轉(zhuǎn)發(fā)讓更多人看到，你們的支持是我們更新的最大動力邑彪！
我們作為一個新團隊十分缺乏經(jīng)驗瞧毙，可能會存在種種疏漏，還請各位大佬嘴下留情寄症，反饋問題宙彪。感激不盡！
文/ 同兒睡不著释漆。
責編/ M.韋伯
圖/ 同兒睡不著。
小蓬軟件工作室
