淺析PC硬盤內(nèi)部傳輸速率提升方法的實(shí)現(xiàn)

喬岸紅

摘要：硬盤是PC系統(tǒng)的重要組成部份，是目前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最主要存儲(chǔ)器之一，是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主倉(cāng)庫(kù)。由于硬盤的性能發(fā)展緩慢，無(wú)法滿足高性能處理器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，成為限制PC系統(tǒng)運(yùn)行速度的瓶頸。從而對(duì)PC整體性能產(chǎn)生影響，該文總結(jié)了硬盤現(xiàn)有技術(shù)和工作原理的弊端，結(jié)合磁盤陣列系統(tǒng)的高性能，對(duì)借鑒磁盤陣列系統(tǒng)原理對(duì)硬盤技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以提升硬盤內(nèi)部傳輸速率的幾種方法進(jìn)行可行性探討。

關(guān)鍵詞：硬盤性能;內(nèi)部傳輸速率;工作原理;可行性

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

學(xué)過(guò)《計(jì)算機(jī)組成原理》的人都知道根據(jù)馮·諾依曼原理，將計(jì)算機(jī)分成輸入設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、運(yùn)算器、控制器和輸出設(shè)備。[2]其中存儲(chǔ)設(shè)備分為內(nèi)存和外存，外存儲(chǔ)器主要有軟盤、光盤和硬盤，隨著人們?cè)谟?jì)算機(jī)中保存的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，外存儲(chǔ)器顯得越來(lái)越重要，其中硬盤的特點(diǎn)是容量大，速度快且不易損壞；因此硬盤成為了外存儲(chǔ)器的最佳選擇對(duì)象，也是目前最主要的外存儲(chǔ)器設(shè)備。

溫徹斯特硬盤架構(gòu)經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，硬盤的容量（存儲(chǔ)密度）已經(jīng)有了翻天覆地地變化。而其硬盤的原理是將平行于盤片的磁場(chǎng)方向改變?yōu)榇怪保?0度），更充分地利用的儲(chǔ)存空間，然而，GMR技術(shù)在此仍舊不負(fù)眾望，出色地完成了讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)的任務(wù)[2]。硬盤容量在進(jìn)步的同時(shí)，硬盤的接口技術(shù)也同樣經(jīng)歷了夸時(shí)代的發(fā)展，主要就是傳輸速度翻番達(dá)到6Gbps(600MB/s)，同時(shí)向下兼容舊版規(guī)范“SATA Revision 2.6”標(biāo)準(zhǔn)，接口、數(shù)據(jù)線都沒(méi)有變動(dòng)[3]。目前主流硬盤仍然采用7200rpm的硬盤。作為電腦的重要組成部分，硬盤的性能在近十多年時(shí)間里一直發(fā)展緩慢，可以說(shuō)已經(jīng)在一定程度上限制了整個(gè)平臺(tái)性能的提升。究其原因，正是由于傳統(tǒng)機(jī)械硬盤在工作原理上的限制，導(dǎo)致其在性能方面的提升很容易就會(huì)遇到瓶頸，對(duì)于整個(gè)PC系統(tǒng)運(yùn)行的效率影響非常大。本文通過(guò)對(duì)硬盤結(jié)構(gòu)和工作原理的剖析，同時(shí)借鑒現(xiàn)有的成熟技術(shù)，分析了對(duì)現(xiàn)有硬盤技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)的方法及其可行性，客觀地預(yù)測(cè)未來(lái)硬盤技術(shù)的發(fā)展方向和提升方法。

1硬盤性能提升的障礙

1.1硬盤的架構(gòu)和工作原理

1.1.1硬盤的架構(gòu)

說(shuō)到硬盤的性能，首先必須了解硬盤的結(jié)構(gòu)和工作原理，目前所使用的硬盤都采用了溫徹斯特架構(gòu)。如圖1所示，為硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

除了硬盤內(nèi)部這些組件，硬盤還有主控芯片、緩存和電機(jī)控制芯片等電子元件和電路組成，它們被集中安裝在一塊PCB電路板上。

1.1.2硬盤的工作原理

概括地說(shuō)，硬盤的工作原理是利用特定的磁粒子的極性來(lái)記錄數(shù)據(jù)。磁頭在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，將磁粒子的不同極性轉(zhuǎn)換成不同的電脈沖信號(hào)，再利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將這些原始信號(hào)變成電腦可以使用的數(shù)據(jù)，寫(xiě)的操作正好與此相反。另外，硬盤中還有一個(gè)存儲(chǔ)緩沖區(qū)，這是為了協(xié)調(diào)硬盤與主機(jī)在數(shù)據(jù)處理速度上的差異而設(shè)的。由于硬盤的結(jié)構(gòu)比軟盤復(fù)雜得多，所以它的格式化工作也比軟盤要復(fù)雜，分為低級(jí)格式化，硬盤分區(qū)，高級(jí)格式化并建立文件管理系統(tǒng)。

1.2影響硬盤性能的主要因素

為什么兩者之間會(huì)有如此大的差距，通過(guò)分析，我們將找出影響硬盤性能的主要原因和硬盤性能的瓶頸：

1）轉(zhuǎn)速：由于轉(zhuǎn)速越快，在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)磁頭的磁區(qū)域就越多，讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)也就越多，因此轉(zhuǎn)速成為了硬盤性能最重要的參數(shù)指標(biāo)。受制于成本和對(duì)散熱的要求，目前主流的硬盤轉(zhuǎn)速仍然停留在十年前就已經(jīng)存在的7200rpm的水平，可以說(shuō)基本上沒(méi)有發(fā)展。

2）單碟容量和平均尋道時(shí)間：前面所說(shuō)提高單碟容量不但可以增加硬盤總體容量而且還能提高平均尋道時(shí)間，同時(shí)由于存儲(chǔ)密度地增加，在同樣的轉(zhuǎn)速下，單位時(shí)間內(nèi)磁密度越高的硬盤，其磁頭所經(jīng)過(guò)的磁單元也越多，在讀取或?qū)懭氪罅窟B續(xù)數(shù)據(jù)的情況下速度會(huì)快很多，但是受制于音圈馬達(dá)的技術(shù)，磁頭移動(dòng)的速度并沒(méi)有加快，盤面尺寸沒(méi)有改變的情況下，尋道時(shí)間上的提升很有限，但是也看到它在前進(jìn)的腳步。

3）緩存：近幾年，為了提高硬盤的性能，受到內(nèi)存技術(shù)的幫助，緩存不但速度更快了，甚至容量已經(jīng)從幾年前的2MB提升至現(xiàn)在的16MB,有些硬盤已經(jīng)在使用64MB大容量高速緩存，發(fā)展速度飛快。

4）接口技術(shù)：隨著緩存在速度和容量上的提高，接口技術(shù)的不斷創(chuàng)新，每發(fā)布一個(gè)新的接口規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，其外部傳輸速率就提升一倍，發(fā)展速度相當(dāng)快。

綜上所述，硬盤的性能無(wú)非體現(xiàn)在外部傳輸速率和內(nèi)部傳輸速率上，而通過(guò)以上分析，大家可以看到由于外部傳輸速率在近幾年隨著接口技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)步大家都是有目共睹；隨著單碟容量的提升，提高了硬盤的內(nèi)部傳輸速率，而主軸的轉(zhuǎn)速限制了其發(fā)展的速度，導(dǎo)致內(nèi)部傳輸速率的發(fā)展明顯慢于外部傳輸速率很多，因此硬盤的性能瓶頸在于內(nèi)部傳輸速率上，如何提高內(nèi)部傳輸速率已經(jīng)成為當(dāng)前刻不容緩的問(wèn)題了。

2提升硬盤內(nèi)部傳輸速率的方法和可行性

目前幾乎所有的機(jī)械式硬盤都采用了溫徹斯特架構(gòu)，既然溫徹斯特硬盤已經(jīng)發(fā)展到如此成熟的地步，儼然已經(jīng)成為機(jī)械式硬盤的標(biāo)準(zhǔn)了，那么如何不改變現(xiàn)有的硬盤結(jié)構(gòu)，以最小的成本最大限度地提升硬盤的內(nèi)部傳輸率成為了各硬盤廠商和PC研究部門的重要課題。

2.1廠商如何提升硬盤內(nèi)部傳輸速率

提升硬盤的內(nèi)部傳輸速率也是目前硬盤廠商爭(zhēng)奪市場(chǎng)和展現(xiàn)技術(shù)水平的一種方法，目前廠商主要依賴于提高硬盤的單碟容量來(lái)提升內(nèi)部傳輸速率，事實(shí)證明，效果確實(shí)不錯(cuò)，因此硬盤容量也在近幾年幾乎每年都在成倍地增長(zhǎng)，而硬盤成本控制得也相當(dāng)不錯(cuò)。因?yàn)檫@是一種無(wú)需提高太多成本就能提升硬盤性能和容量的方法，而廠商也有不錯(cuò)的利潤(rùn)空間。由于磁道密度增加，磁頭移動(dòng)同樣的距離能掃描到的磁道增加了，理論上提高了尋道時(shí)間；而磁密度增加，容量也越大，實(shí)際上，磁頭掃描整個(gè)磁盤所需的時(shí)間反而會(huì)大大延長(zhǎng)，幾乎抵消了磁道密度增加帶來(lái)的性能提升。只是平均尋道時(shí)間本來(lái)就已經(jīng)用個(gè)位數(shù)的毫秒來(lái)計(jì)算，即使稍有偏差，人們似乎也覺(jué)察不出來(lái)，因此以擴(kuò)大單碟容量來(lái)提升硬盤對(duì)連續(xù)文件的讀寫(xiě)能力不失為一種簡(jiǎn)單有效的方法。以前也有出現(xiàn)過(guò)采用多個(gè)磁頭對(duì)一個(gè)盤片同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)的方法，但由于穩(wěn)定性欠佳，故障率偏高，而且由于技術(shù)水平的原因，控制起來(lái)太過(guò)復(fù)雜，還會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的文件碎片，不利于讀取，因此現(xiàn)在已經(jīng)不使用了。

2.2服務(wù)器如何提升硬盤性能

從商業(yè)應(yīng)用的服務(wù)器上我們可以看到為了提高硬盤的性能，普遍采用了10000rpm或者15000rpm硬盤，更高的轉(zhuǎn)速同時(shí)意味著穩(wěn)定性、散熱、機(jī)械損耗、能耗等方面的問(wèn)題的急劇加重，生產(chǎn)成本和配套設(shè)備的成本也成倍地提高，因此使用在普通桌面PC系統(tǒng)上還不太現(xiàn)實(shí)。

除此之外，服務(wù)器系統(tǒng)還普遍采用了磁盤陣列這種多硬盤系統(tǒng)，原理就是讓多個(gè)硬盤同時(shí)讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)以獲得比單個(gè)硬盤高數(shù)倍的性能，穩(wěn)定性和可靠性也提高了不少，如果只是要求提高性能，那么組建一個(gè)RAID0當(dāng)然是最實(shí)惠的選擇，而且它代表了所有RAID級(jí)別中最高的存儲(chǔ)性能，其原理如圖2所示[4]。在之前少數(shù)電腦主板廠商也有支持桌面硬盤組建RAID0或者RAID1磁盤陣列系統(tǒng)的產(chǎn)品上市，但是由于磁盤陣列系統(tǒng)至少需要兩個(gè)硬盤才能組建，成本較之單個(gè)硬盤也有不少出入，因此這些產(chǎn)品往往只有發(fā)燒友才會(huì)選擇而并沒(méi)有成為市場(chǎng)主流。

3實(shí)驗(yàn)與實(shí)現(xiàn)方法

3.1軟件模擬

軟件的功能越來(lái)越強(qiáng)悍，以至人們認(rèn)為現(xiàn)在的PC，只要你想要什么功能，安裝相應(yīng)的軟件就可以了，而使用以硬件為基礎(chǔ)，以軟件進(jìn)行主要控制的磁盤陣列在早些時(shí)候也有出現(xiàn)過(guò)。因此使用軟件將單個(gè)磁盤的多個(gè)磁頭模擬成磁盤陣列可行性很高，無(wú)需提高硬件生產(chǎn)成本，繼續(xù)沿用當(dāng)前的硬盤而無(wú)需任何修改，但同時(shí)會(huì)遇到以下問(wèn)題，從實(shí)際使用和軟件設(shè)計(jì)的角度來(lái)講，其可行性不高，希望在不久的將來(lái)有人能夠解決這些問(wèn)題。

1）何時(shí)加載模擬軟件

在安裝操作系統(tǒng)之前加載該模擬軟件，那么就需要像服務(wù)器一樣在安裝操作系統(tǒng)前按F6來(lái)加載第三方驅(qū)動(dòng)，此軟件就扮演著磁盤陣列卡驅(qū)動(dòng)的角色，使用此軟件將單個(gè)硬盤模擬成磁盤陣列系統(tǒng)的復(fù)雜程度也是非常高的，因此容量肯定不小，加載它需要一定時(shí)間。

如果是在安裝操作系統(tǒng)之后安裝該模擬軟件，將會(huì)破壞硬盤上已安裝的操作系統(tǒng)，哪怕是借鑒FAT32轉(zhuǎn)換為NTFS文件系統(tǒng)的方法來(lái)進(jìn)行分區(qū)表和文件系統(tǒng)進(jìn)行重建，數(shù)據(jù)雖然可以保留，但是面對(duì)操作系統(tǒng)體積地不斷增加，該過(guò)程會(huì)相當(dāng)漫長(zhǎng)，因?yàn)樗械男畔⒍夹枰M(jìn)行分解再重新尋找位置存放。除了系統(tǒng)分區(qū)，只對(duì)其他分區(qū)進(jìn)行模擬的話，分區(qū)表無(wú)法建立，且會(huì)浪費(fèi)掉系統(tǒng)分區(qū)所在磁盤面另外一面相對(duì)應(yīng)區(qū)域的容量。

2）軟件的載體

由于軟盤逐漸退出歷史舞臺(tái)，光盤成為了大多數(shù)軟件首先的載體。由于在安裝系統(tǒng)時(shí)無(wú)法從光盤加載該軟件，因此要求該光盤擁有啟動(dòng)功能，類似于目前大多數(shù)商用服務(wù)器的啟動(dòng)導(dǎo)航光盤，且由于操作系統(tǒng)的種類和版本日益增加，同時(shí)也增加了載體的復(fù)雜程度。

3）可靠性差

目前PC面臨的最大威脅無(wú)疑來(lái)自具有破壞能力的病毒和各類木馬，而該系統(tǒng)由于是軟件模擬的虛擬磁盤陣列，一旦感染木馬或者病毒，其數(shù)據(jù)安全性將受到非常大的威脅。如果存放該軟件的磁道出現(xiàn)損壞，無(wú)法加載模擬軟件，那么硬盤數(shù)據(jù)將無(wú)法讀取和恢復(fù)。

3.2從硬件進(jìn)行改進(jìn)

硬件原理來(lái)說(shuō)，由于磁頭都是非獨(dú)立的，因此原有的一組磁頭同時(shí)同步運(yùn)動(dòng)的架構(gòu)并不需要進(jìn)行改動(dòng)，也不需要同步控制器；重點(diǎn)在于控制磁頭的同時(shí)寫(xiě)入和讀取、數(shù)據(jù)的分解和重組，同時(shí)還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

數(shù)據(jù)的分解和重組，交由一個(gè)運(yùn)算單元(假設(shè)為D)負(fù)責(zé)管理，理論上來(lái)講和調(diào)制解調(diào)器很像，但是要簡(jiǎn)單得多，位于磁頭和主緩存之間，因此可以將控制芯片和運(yùn)算單元集成在磁頭前置控制電路中，同時(shí)控制芯片還負(fù)責(zé)運(yùn)算單元和硬盤主緩存以及運(yùn)算單元和磁頭之間的數(shù)據(jù)傳輸控制。

而多磁頭同步寫(xiě)入和讀取時(shí)需要每個(gè)磁頭都需要一條數(shù)據(jù)通道，為了不讓各條通道之間存在干擾，將數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)線設(shè)計(jì)成絞線通道直接通往運(yùn)算單元可以很好地解決干擾問(wèn)題。為了解決運(yùn)算單元和磁頭之間的數(shù)據(jù)同步問(wèn)題，需要在運(yùn)算單元和每個(gè)磁頭之間(即運(yùn)算單元前端)設(shè)立一個(gè)容量要求并不高的高速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（也叫“前置緩存”假設(shè)為E），根據(jù)磁頭數(shù)決定前置緩存的數(shù)量。其原理是在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，運(yùn)算單元將分解之后的數(shù)據(jù)存入前置緩存，待前置緩存滿了，則運(yùn)算單元暫停從主緩存讀取數(shù)據(jù)，磁頭繼續(xù)寫(xiě)入，且立即從前置緩存清空已寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，運(yùn)算單元繼續(xù)從主緩存讀取數(shù)據(jù)，將其分解并存入前置緩存供磁頭寫(xiě)入，此時(shí)要求運(yùn)算單元和前置緩存的速度必須比磁頭寫(xiě)入速度要快。由于運(yùn)算單元必須比磁頭速度快，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭讀取的數(shù)據(jù)不可能使運(yùn)算單元滿負(fù)荷運(yùn)行，由此可得出，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)沒(méi)有前置緩存，數(shù)據(jù)可以直接從磁頭傳輸給運(yùn)算單元，線路上可以更簡(jiǎn)單，但是繞過(guò)前置緩存需要單獨(dú)另外再設(shè)計(jì)一條數(shù)據(jù)通道，增加了設(shè)計(jì)上的復(fù)雜程度，且對(duì)性能提升幫助并不大，因此不作設(shè)計(jì),其控制方式如圖3所示。

圖3非獨(dú)立多磁頭同步硬盤的控制示意圖

每個(gè)設(shè)備的控制芯片都需要驅(qū)動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，此次只為硬盤增加一個(gè)控制單元和一個(gè)運(yùn)算單元，原理和過(guò)程非常簡(jiǎn)單，甚至連ATA主控芯片都未進(jìn)行更改，因此將驅(qū)動(dòng)程序集成到硬盤原有的固件（Firmware）中也是輕而易舉的事情，硬盤在自檢的過(guò)程中就完成了對(duì)控制芯片的驅(qū)動(dòng)加載，就算是增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC，由于驅(qū)動(dòng)IC體積非常小，電路板上還是很輕易就能夠安排得下的，在安裝操作系統(tǒng)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)就可以和使用普通硬盤一樣簡(jiǎn)單，甚至無(wú)論在什么操作系統(tǒng)下都能很方便地使用，性能卻成倍地增加了。其整個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入過(guò)程如圖4所示。

圖4[5]非獨(dú)立多磁頭同步硬盤的寫(xiě)入流程

此項(xiàng)技術(shù)使用完全硬件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，據(jù)推算成本增加不會(huì)超過(guò)20%，但可靠性和易用性卻非常高，性能的提升顯而易見(jiàn)，因此比其它方法實(shí)用性更高，也更容易實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，使用硬件控制的方式實(shí)現(xiàn)非獨(dú)立多磁頭同步硬盤系統(tǒng)是最理想的方法。

4結(jié)束語(yǔ)

從現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)，我們對(duì)PC系統(tǒng)性能的要求會(huì)越來(lái)越高，由于科技的進(jìn)步，PC的發(fā)展也是越來(lái)越快。而硬盤的發(fā)展步伐也是日漸加快，隨著閃存顆粒成本的下降，SSD硬盤也將迎來(lái)春天，雖然性能上來(lái)講比機(jī)械硬盤要高出很多，但是集成電路晶體管特性限制了其可擦寫(xiě)次數(shù)，如果不改進(jìn)當(dāng)前的存儲(chǔ)方式，在高端領(lǐng)域無(wú)法普及，特別是對(duì)數(shù)據(jù)存取量較大且讀寫(xiě)頻率很高的商用領(lǐng)域。而在機(jī)械硬盤方面，由于圖形化介質(zhì)的技術(shù)突破，容量和性能將再一次得到飛速發(fā)展。

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