硬件科普系列之硬盘——前言与准备知识篇

​ Nowadays, students are becoming increasingly aware of the importance of developing digital skills. 2022年九月英语六级作文题目如是说。

前言

近些年，“数字技能”的概念的确是火上加火，无论是大学生，还是进入社会的工作狗，是否掌握数字技能，掌握了几门数字技能，都成为了评判一个人能力的重要标准。在学校，我们离不开Office全家桶和Adobe全家桶；在专业领域，万物转深度学习的趋势也是日渐凸显；甚至偶尔放送刷个贴吧，都能看到铺天盖地的卖课广告：“不会Python的人，到晚上10点还在加班。掌握Python的人，表格不用自己做。”

诚然，一提起数字技能，大家第一反应就是掌握某些软件的使用方法或者某门编程语言。但我认为作为一个新时代的年轻人，尤其是大学生，硬件方面的常识同样是不可或缺的。君不见，多少自诩精通计算机的人还在闹着指硬盘为内存的笑话；君不见，多少手持价值五位数电脑的人甚至分不清CPU与GPU的区别。或许电脑硬件知识并非我们的专业领域，但对其进行一个大体上的了解，无论是为了今后学习的融会贯通，还是为了在面试时表现得更加专业，都是一笔稳赚不赔的买卖。

电脑的数据中心——硬盘

提起硬盘，有些同学的第一反应是电脑机箱里那个方方正正的，发出嘎吱嘎吱声音的盒子，有些同学却想起了主板上M.2插槽内宽22mm，长80mm的条状物。这两种印象都没有错，前者可能是3.5英寸或者2.5英寸的机械硬盘，也可能是SATA接口的固态硬盘，后者则是M.2接口的固态硬盘。无论形式如何，也无论接口、协议如何，硬盘的使命就是作为我们计算机的数据存储中心，存放着我们用户的所有文件和数据。

一、准备知识

1.内存vs硬盘

在前言中，提到了很多人分不清内存与硬盘的区别。事实上，这两者之间除了存储单位一致，可以说是千差万别。

内存：也称内存储器或主存储器，直接与CPU相连接，储存容量较小，但速度快，用来存放当前运行程序的指令和数据，并直接与CPU交换信息。内储存器由许多储存单元组成，每个单元能存放一个二进制数或一条由二进制编码表示的指令。内存属于随机存储器RAM（Random Access Memory），RAM通常都是在掉电之后就丢失数据。

硬盘：硬盘在电脑中属于外存储器，是一种典型的只读存储器ROM（Read Only Memory），ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据。相较于内存，其特点是存储容量大，但速度较慢。

电脑对于内存以及硬盘的调用过程可以用如下过程来简单理解：当用户按下电脑的开机键时，这就相当于通过主板向核心处理器（CPU）发动了一个启动电脑的命令，核心处理器会通过主板从外存（硬盘）内调取启动系统的数据，然后在内存里运行；开机进入系统桌面以后，用户点击运行某一个软件，也是类似的运行过程，最终都要在内存里展开。

举个例子，假如你走在路上，一边走一边剥花生吃，硬盘就像你的口袋，里面装着许多花生，而内存就像你的手，手需要首先从口袋中取出花生，再执行剥花生这个任务。

这里还要再联系一下当前最流行的智能设备，智能手机。大家在买手机的时候，很重要的参数就是手机的运行内存和存储容量。现在，手机厂家常见的宣传方式是类似于8+128GB的写法，事实上，前面较小的数字是类似于前文计算机内存的概念，而后面较大的数字是类似于前文计算机硬盘的概念，即手机的运行内存属于RAM，而存储内存属于ROM。

这是由于在智能手机的发展初期，其存储空间可以通过SD卡扩展，而SD卡广泛地被大家叫做“内存卡”，因此这个说法就被越传越广，也就有了现在无论是运行内存还是存储内存，都有人管它叫“内存”（事实上这个分类都是因为错误太广泛才刻意这样叫的）。

2.机械硬盘vs固态硬盘

机械硬盘使用一块磁碟进行数据存储通过改变磁碟上的磁极来进行数据的读写，在运行过程中磁碟会高速旋转，而磁头则配合磁碟完成高速读写。

固态硬盘使用闪存颗粒(一种集成块)进行数据存储，通过改变闪存内部的电位来进行数据读写。

固态硬盘的读取速度相较于机械硬盘高出很多，有时速度差距甚至会达到10倍以上，并且不会有噪音，但价格也相较于机械硬盘更高。机械硬盘读写速度慢、噪音大，同时由于它的工作模式，工作时的剧烈晃动可能会给它带来不可逆的损伤，这就要求机械硬盘的工作时必须保持平稳。虽然它有各种缺点，但它的最大容量及数据安全性和寿命却是固态无法比较的，这也是工作站在组建nas时会选用大量的机械硬盘的原因。

如今，大多数的笔记本电脑在出厂时自带的硬盘都是固态硬盘，固态硬盘的读写速度给人们使用计算机带来了很大的体验上的提升。但在一些不需要读写速度非常快的应用场景下，比如存储大量图片、音乐或视频，机械硬盘便宜量大且稳定的特点让它依然在今天的PC市场上占有一席之地。

很多笔记本电脑在出厂时都会预留空的SATA或者M.2接口，因此当电脑的硬盘空间不足时，完全可以自行购买额外的硬盘插上或者将出厂自带的硬盘更换成空间更大的。

3.硬盘的物理尺寸

目前市场上的机械硬盘主要分为两种尺寸：3.5英寸和2.5英寸。 2.5英寸的机械盘常用于笔记本电脑，而3.5英寸机械盘常用台式机，性能也相对更强。

固态硬盘根据接口和协议不同分为很多种，这里简单先分为SATA固态和M.2固态（其实这里不太严谨，后续固态硬盘篇会详细介绍）。

SATA固态的尺寸与2.5英寸机械硬盘相同，都是一个“方盒子”。

而M.2固态硬盘的宽度由于需要匹配接口，基本都为22mm，其长度则有很多种，如2230,2242,2260,2280,22110规格，都有相应的产品。目前消费级市场最常用的固态硬盘规格为2280规格，即长度为80mm。

二、机械硬盘篇

1.接口和协议

目前机械盘的接口均为一个SATA供电接口(直接电源)，一个SATA数据线接口(通过数据线连接主板)加一个跳线口。机械硬盘通过电源直接供电，并由一根SATA数据线与其他硬件交互数据，使用的协议为SATA协议（Serial ATA，串行协议）。

2.转速

机械硬盘工作时靠磁头悬浮在高速旋转的碟片上进行读写数据，而碟片依靠主轴马达来转动。转块肯定读写得就快。一般硬盘转速5400-7200，这个参数决定了机械硬盘的性能。

3.缓存

硬盘与外部交换数据的临时场所。硬盘读/写数据时，缓存就像一个中转仓库一样，不断地写入数据、清空再写入数据。目前大多数硬盘缓存有64MB、128M、256M。这个参数在以前话我们说越大越好，但现在由于硬盘厂商采用了叠瓦的形式来写入数据，因此机械硬盘在读取和写入过程中需要更多的临时交替数据，不增大缓存不行。关于垂直盘与叠瓦盘的区别在下文中给出。

4.CMR与SMR

现在市面上机械硬盘的生产技术均为PMR垂直式磁性记录。该技术又分为了两种，CMR垂直式磁性记录和SMR式叠瓦式磁性记录，这也就是所谓的“垂直盘”与“叠瓦盘”。CMR机械硬盘相对于SMR的速度速度更快 ，寿命更长，数据安全性更高。 而SMR的技术更新，可以将硬盘的容量做的更大，除此之外一无是处，硬盘寿命和数据安全性完全得不到保障。

虽然CMR有种种的优点，然而资本逐利，目前越来越多的商家出售SMR机械硬盘，并且在商品页面刻意淡化相关说明，欺骗不知情的消费者。SMR盘唯一能看出端倪的特点便是“低转速、大缓存”，因此在选购机械硬盘时，尽量避开这样的盘，或者对某一型号进行充分的了解后再购买。

总结

这一篇中总结了内存与硬盘的区别，同时对于硬盘的科普做了一些知识储备。由于机械硬盘部分涉及到的接口与协议较少，因此此部分内容会在下一篇的固态硬盘篇中给出。