硬盘的分类

1.1.1　硬盘的分类

硬盘的英文全称是Hard Disk，直译为“坚固的磁盘”，从外形看颇似一个四四方方的金属盒子，底层控制电路裸板裸露，尾部是和计算机主机板连接的信息接口、电源接口和设置性的跳线，盒子内部密封了硬质合金片（主要是铝，也有用玻璃材料的）、磁头、磁头臂、磁头臂服务定位系统等部件。硬盘的大小有5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸和1.8英寸（后两种常用于笔记本计算机及部分袖珍精密仪器中）几种，现在台式机中常用3.5英寸的盘片。

按硬盘与计算机之间的数据接口可分为两大类，IDE接口和SCSI接口。如图1-1所示，上为SCSI接口硬盘，下为IDE接口硬盘。

图1-1　硬盘接口

1．IDE硬盘

IDE（Integrated Drive Electronics）的本意实际上是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，我们常说的IDE接口，也叫ATA（Advanced Technology Attachment）接口。现在PC机使用的硬盘大多数都是和IDE兼容的，只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。

把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其他厂商生产的控制器兼容，硬盘制造起来变得更容易；对用户而言，安装起来也更为方便。

以下是IDE硬盘标准的发展情况：

（1）ATA－1（IDE）

ATA－1是最早的IDE标准的正式名称。ATA－1在主板上有一个插口，支持一个主设备和一个从设备，每个设备的最大容量为504MB，数据传输率只有3.3MB/s。从ATA－1到ATA－4的各种硬盘都使用40针的数据线。

（2）ATA－2（EIDE/FastATA）

这是ATA－1的扩展，它增加了2种PIO（并行输入/输出）和2种DMA（存储器直接存取）模式，把最高传输率提高到了16.7MB/s，同时引进了LBA地址转换方式，突破了老BIOS固有的504MB的限制，支持最高可达8.1GB的硬盘，其两个插口分别可以连接一个主设备和一个从设备，从而可以支持四个设备，两个插口也分为主插口和从插口。

（3）ATA－3（FastATA－2）

这个版本支持PIO－4，没有增加更高速度的工作模式（即仍为16.7MB/s），但引入了简单的密码保护的安全方案，对电源管理方案进行了修改，引入了S.M.A.R.T技术。

（4）ATA－4（UltraATA、Ultra DMA、Ultra DMA/33）

这个标准将PIO－4下的最大数据传输率提高了一倍，达到33MB/s。它还在总线占用上引入了新的技术，使用PCI总线的DMA通道减少了CPU的处理负荷。

（5）ATA－5（Ultra DMA/66、Ultra DMA/100）

这是目前主流的并行ATA硬盘标准，最大数据传输率提高到了100MB/s，性能比前几代有极大的改善。符合ATA－5的硬盘按照盘片主轴转速分为5400转和7200转两种。

尽管ATA接口拥有价格低廉、兼容性好的优点，但它的缺点同样很明显，主要有以下几点：

1）ATA的速度较慢，对接口电缆的长度限制严格，也无法外接使用。

2）由于ATA为并行传输标准，只要其中1bit信号出错，整字节都必须重新传输。

在ATA－3之前，这个问题并不突出，因为当时ATA接口的工作频率较低，数据传输速度不快，干扰也就不明显。

在ATA－4之后，硬盘接口的数据传输速度急剧升高，总线频率也成倍提高，加上并行的排线缆紧紧相连，外部电磁干扰和内部线缆间的干扰现象愈来愈严重，数据传输出错概率也随之成倍提高，而频频重传必然令传输速度难以加快。

在ATA－5之后引入的80针排线，它在一定程度上缓解了该问题（如图1-2所示），但是当接口速率提升到100MB/s之后，信号干扰问题又开始变得严重，这也是133MB/s的Ultra DMA/133得不到支持的主要原因。到这个阶段，并行模式的ATA已没有任何发展前途，进入串行ATA的时代是大势所趋。

图1-2　80针排线

（6）串行ATA从诞生到现在，IDE硬盘的接口速率自最初的3.3MB/s提高到目前的133MB/s，巨大进步毋庸置疑。但这种速度提升并不能称为是革命性的进步，因为无论第一代的ATA－1，还是末代的ATA 133，IDE硬盘都是采用并行传输模式。这是因为并行模式一次可以传输多个字节的数据，在当时速度远远超过一次只能传输1bit数据的串行技术。

但随着工作频率的提升，并行总线信号间的相互干扰越来越令人难以忍受，在ATA－5时代引入的80针数据线虽然在某种程度上缓解了这个问题，但却无法根除。当ATA总线接口速率达到100MB/s和133MB/s的时候，同样的矛盾再次出现。继续在并行技术基础上作改进显然无法解决问题。

在IDE存储领域，接口规范的更替将牺牲数量在两亿以上的并行IDE设备的向下兼容性，因此行业规范制订者不得不慎之又慎。然而尽管这样，在接口速率势必成为瓶颈的严峻形势下，串行通信技术终于再次浮出水面。和早期不同的是，虽然这种新型的串行通信技术一次仍然只能传输1bit数据，但它的工作频率却远远超过当前主板上的串口（串行Port）等低速的通信设备。

当前的数字信号传输规范领域，串行技术取代传统并行技术的确已经成为了一种趋势，USB2.0、IEEE1394、Hyper Transport以及MuTIOL等高速总线在设计时都全部或部分地采用了基于串行通信技术的原理，由于几乎不存在信号干扰的问题，因此这种设计构想可以保证高频率下的稳定工作，从而获得远超过并行技术的高速度，而高频率、串行模式也就成为现代高速总线的共同特征，新发展起来的串行ATA也是如此。

新的串行ATA技术，是英特尔公司发布的将于下一代外设产品中采用的接口类型，正如其名所示，它以连续串行的方式传送数据，在同一时间点内只会有1位数据传输。这种做法不仅能减小接口的针脚数目，只用四个针就完成了所有的工作（第1针发出、第2针接收、第3针供电、第4针地线），而且可以降低电力消耗，减小电磁串扰。串行ATA1x标准的产品能提供150MB/s的数据传输率，如图1-3所示为串行ATA标志。

无论是80针还是40针的并行ATA数据线，它们都采用共同的40针接口，其中真正用来传输数据的只有16根针脚，剩下的为信号接地和控制针，工作原理十分复杂。

串行ATA的工作原理非常简单，它是采用连续串行的方式来实现数据传输的。串行ATA先把8bit的数据打包，然后采用比ATA 100高出多倍的频率（150MHz）将这个数据包传送至主机或从主机中接收，这样串行ATA便能够获得150MHz×8bit/8=150MB/s高速率。

图1-3　串行ATA标志

单向串行模式让接口线路变得非常简单，只要三组线缆就能完成所有的工作：

1）第一组线路完成数据发送。

2）第二组线路完成数据接收。

3）第三组线路为地线。

串行ATA使用先进的LVDS（低电压微分驱动）信号传输模式，采用7针接头的专用线缆。除了高性能，串行ATA在数据可靠性方面也有了大幅提高。

1）串行ATA可同时对指令及数据封包进行循环冗余码校验，能够检测出99.998%可能出现的错误，再加上串行ATA接口的稳定性高，数据出错概率远低于并行ATA，而高工作频率又让数据重传输的速度很快，这样性能就不会打折扣，因此接口稳定性极高。

2）相比之下，传统的并行ATA只能对来回传输的数据进行校验，而无法对指令进行校验，加之高频率下干扰甚大，因此数据传输稳定性很差。所谓的133MB/s、100MB/s其实都是理论上的说法，实际使用中根本达不到这个速度。

在工作模式方面，串行ATA与并行ATA也存在很大差异。

1）早在ATA－1时代，并行ATA就引入了主/从模式（Master/Slave）来解决单通道双硬盘的问题。

2）串行ATA取消了这种做法，取而代之的是点对点（Peer-to-Peer）传输协议，每个硬盘都独占一个通道与主机通信。从主机来看，所有串行ATA硬盘的地位都是对等的，这样各硬盘的接口性能都能够得到充分保证，不仅为用户节省了麻烦的跳线工作，系统也变得更易于管理。

2．SCSI系统介绍

SCSI即SmallComputer System Interface（小型计算机系统接口）最早研制于1979年，原是为小型机研制出的一种接口技术，但随着计算机技术的发展，被完全移植到了普通PC机上。

SCSI是一种高速的并行接口，用来连接计算机的各式外围设备，如硬盘、扫描仪、光驱等。一片SCSI适配卡可连接7～15个存储装置（个人计算机上的IDE接口最多只能连接4个），SCSI可执行多任务的存取（IDE不具多任务），效率高又稳定，所以服务器及高档计算机都是使用SCSI作为硬盘的接口。

现在的SCSI可以划分为SCSI－1和SCSI－2（SCSIWide与SCSIWide Fast）。最新的为SCSI－3，SCSI－2是目前最流行的SCSI版本。

（1）SCSI的优点

SCSI广泛应用于如硬盘、光驱、ZIP、MO、扫描仪、磁带机、JAZ、打印机、光盘刻录机等设备上。SCSI优点非常多，主要表现为以下几点：

1）适应面广

SCSI适配卡所连接的设备可以超过15个，而所有这些设备只占用一个IRQ，这就可以避免IDE最大外挂4个外设的限制。

2）多任务

SCSI允许对一个设备传输数据的同时，另一个设备对其进行数据查找。这在多任务操作系统如Linux、WindowsNT中获得更高的性能，而IDE设备同时只能执行一项任务。

3）宽带宽

在理论上，最快的SCSI总线有320MB/s的带宽，意味着硬盘传输率最高将达320MB/s，远远超过现在并行ATA硬盘133MB/s的最高传输率。

4）少CPU占用率

与IDE设备不同，SCSI设备拥有完全独立的控制器。由SCSI控制芯片负责SCSI设备的管理和控制工作，这样就极大地减轻了CPU在数据传输控制上的负担。

（2）SCSI的发展阶段

1）SCSI－1

最早SCSI是于1979年由美国的Shugart公司（Seagate即希捷公司的前身）制订的，并于1986年获得了ANSI（美国国家标准协会）承认的SASI（ShugartAssociates System Interface，译为施加特联合系统接口），这就是现在的SCSI－1，它的特点是支持同步和异步SCSI外围设备，支持7台8位的外围设备，最大数据传输率为5MB/s。

2）SCSI－2

1992年，SCSI发展到了SCSI－2，当时的SCSI－2产品（统称为FastSCSI）通过提高同步传输的频率使数据传输率提高到了10MB/s，原本为8位的并行数据传输称为Narrow SCSI，后来出现了16位并行数据传输的Wide SCSI，将其数据传输率提高到了20MB/s。

3）SCSI－3

1995年推出了SCSI－3，俗称Ultra SCSI，全称为SCSI－3 Fast－20 Parallel Interface（数据传输率为20MB/s），它将同步传输时钟频率提高到20MHz以提高数据传输的技术，因此使用16位传输的Wide模式时，数据传输率即可达到40M B/s。SCSI－3允许接口电缆的最大长度为1.5m。

4）Ultra2SCSI

1997年推出了Ultra2 SCSI（Fast－40），采用了LVD（Low Voltage Differential，译为低电平微分）传输模式，16位的Ultra2 SCSI（LVD）接口的最高传输率可达80MB/s，允许接口电缆的最大长度为12m，大大增加了设备的灵活性。

5）Ultra160SCSI

1998年9月更高数据传输率的Ultra160 SCSI（Wide下的Fast－80）规格正式公布，其最高数据传输率为160MB/s，给计算机带来更高的系统性能。