- 已发布 2024年4月4日
- 最后修改 2024年4月4日
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什么是硬盘？硬盘的工作原理和硬盘用途、类型介绍

阅读我们的硬盘指南，解释硬盘用途、硬盘的工作原理、硬盘类型、容量、成本和品牌。

由技术支持工程师Mithun Subbaroybhat（2021年12月）撰写。

什么是硬盘？

广义上讲，计算机使用两种类型的数据存储，可以概括地称为主存储器和外存储器。

主存储器是指RAM（随机存取存储器）。它用于存储和运行计算机当前使用的代码，比如您打开的应用程序和正在使用的操作系统功能。它被称为随机存取，是因为计算机可以以任意顺序和高速访问这些数据。

与此同时，硬盘可以被描述为外存储设备。它们将数据存储在 RAM 中，供以后检索和使用。传统硬盘是直接访问而非随机访问的，这意味着数据在设备上的物理位置会影响其检索速度。

现代硬盘技术直接安装在电路板上，而不是作为独立组件存在。相比之下，外置或便携式硬盘是完全独立的设备，通常通过高速数据线连接到计算机上。

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硬盘用途

硬盘有一个主要用途 - 存储数据以供以后检索。它们存储三种类型的数据：

操作系统 - 例如Windows、macOS、Linux。这些复杂的软件体系结构充当硬件和用户之间的中介，允许充分发挥计算机的功能。
应用程序，也称为程序 - 从Google Chrome到Adobe Photoshop等。这些通常由用户安装，但也可能是预装的。
由这些程序生成的文件 - 例如Word文档，以及导入的媒体文件，如照片或音乐。

当计算机启动时，操作系统会从硬盘加载到RAM中，当用户启动应用程序时，这个过程会重复进行。

适用于Mac的硬盘

Apple现在已将其整个Mac计算机系列标准化为SSD硬盘。这些硬盘容量从MacBook系列的256GB到适用于专业内容创作和编辑的Mac Pro的巨大的8TB SSD硬盘不等。

所有当前的Mac电脑也都标准化为Thunderbolt 3接口。其中一些提供了一个紧密相关的变体，即USB 4，它可以与Thunderbolt 3设备配合使用，但也向下兼容USB 3.2和2.0。因此，确保用于Mac的外置硬盘可以与Thunderbolt 3和USB 4端口配合使用非常重要。

适用于PC的硬盘

Windows拥有比macOS更多样化的生态系统，因此，如果您是台式机或笔记本电脑用户，您将有更多的内置和外置硬盘可供选择。您只受限于设备上可用的端口。然而，为了质量和使用寿命，通常建议选择高质量的台式机硬盘。

硬盘的功能是什么？

硬盘用于存储数据，以便之后检索 - 具体来说，包括计算机的操作系统、可用应用程序以及由该软件生成的所有文件。

硬盘的工作原理

传统的硬盘通过磁性数据存储原理来工作。一个名为致动器臂的装置带有一根连接的读写磁头，在旋转的磁性盘片表面移动，以检索存储在不同位置的数据。这些磁头距离磁盘表面仅有几纳米，可以读取并改变它们下方的磁化颗粒的模式。这些颗粒具有不同的磁极性 - 正或负，它们代表二进制代码中的0或1。

这个设计意味着在信息被检索之前总会有延迟或滞后。机械臂必须移动到磁盘上的正确位置以获得特定的数据，并且在特定文件或应用程序能够完全在RAM中组装并打开之前，可能需要多次重复这个过程。这种滞后，称为延迟，通常以毫秒为单位，但如果硬盘从低功耗休眠模式启动，延迟可能会达到整秒。相比之下，现代CPU的速度以纳秒为单位。一纳秒等于一百万毫秒。

随着每一代CPU变得越来越快，尽管硬盘技术的改进使盘片能够更快地旋转，但硬盘延迟与CPU速度之间的差距却变得越来越大。HDD技术固有的局限性意味着盘片转速最终只能达到每分钟10万转左右。

固态硬盘的工作方式不同。它们依赖于速度更快的闪存，这种存储器不需要任何移动部件来运行。数据存储在作为浮动（电子隔离的）逻辑门运行的单元格中。逻辑门是产生两个二进制输入的单一输出的计算开关。电子与这些门相互作用，将它们的电荷从一种状态改变到另一种状态。这种电荷变化迅速擦除单元格中现有的数据，以便新数据可以输入。另一个门，称为控制门，调节数据的输入和输出。

即使设备未连接电源，这些电荷也会保留。出于这个原因，闪存被认为是一种非易失性内存。

存储单元本身是一种金属氧化物半导体场效应晶体管或MOSFET。

闪存有两种类型 - NOR或NAND，以它们使用的逻辑门的类型命名。NAND闪存是被广泛使用的，已成为包括USB驱动器和现代计算机在内的许多常见设备的默认选择。它比NOR闪存更便宜、容量更大。

NAND存储器以网格形式布局，每个网格由称为页的行组成。典型的NAND块的大小在256千字节至4兆字节之间变化。一个千字节等于1,024字节，每个字节由八个二进制数字组成。

闪存的平均速度为每秒1GB。

硬盘示意图

右图展示了传统硬盘的结构和标记的组件。

图像：RS

闪存驱动器单元示意图

左图展示了典型闪存驱动器单元的完全不同的结构。

像这样的简单单元包含着两个栅极的MOSFET。其中一个是浮栅，另一个是控制栅极。

图像：RS

硬盘类型

硬盘有两种类型 - 硬盘（HDD）和更新的固态硬盘（SSD）。

HDD

HDD是一种成熟的技术。它们依赖于一个称为输入输出（I/O）控制器的设备，该设备指导读写臂到正确的位置来检索所需的数据。

硬盘的主要缺点是速度。现代处理器如此之快，以至于HDD很难跟上。HDD中的移动部件在长时间使用后容易出现故障。

HDD的优点：

历史悠久的技术
存储容量大
低成本

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SSD

固态驱动器是一种更新的技术，由一组数据密集的闪存芯片组成。尽管仍比HDD昂贵，但它们越来越成为各种设备的标配。

计算机可以配置为将其操作系统存储在闪存中，以实现高速启动，而其余数据则存储在传统的HDD上。这种配置称为混合驱动器。

SSD的主要缺点是价格较高，但随着信息技术制造商逐渐将SSD标准化，价格正在逐渐下降。

SSD的优点：

数据读写速度块
小巧轻便
能效高
故障率低

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SATA

串行高级技术附件（SATA）是大多数现代内置硬盘使用的接口类型，无论是HDD还是SSD。

SATA已成为行业标准，因为它比旧接口具有多个优势。这些优势包括降低复杂性、更小的电缆、更高的速度以及可以热插拔（即在不先关闭计算机的情况下连接或断开）。

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内置硬盘还是外置硬盘？

外置硬盘

外置硬盘是一系列提供额外存储空间的配件，适用于笔记本电脑和台式电脑。这些有用的设备可让用户快速轻松地存储文件和数据，即使内置硬盘空间有限。

大多数外置硬盘型号通过高速电缆连接到计算机 - USB在这里已成为行业标准。但是，某些型号可以通过无线方式连接到主机计算机。这些设备称为网络附加存储（NAS）。

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便携式硬盘

便携式硬盘是小巧轻便的外部驱动器，可以配置为一些计算机型号的可启动硬盘。系统从便携式硬盘启动，而不是从内置硬盘启动。这使用户可以尝试使用另一种操作系统 - 例如，在Windows机器上使用Linux - 或安全地使用第三方计算机。

内置硬盘

所有现代台式机和笔记本电脑都包含内置硬盘。然而，早期型号依赖于诸如软盘或磁带驱动器之类的可移动介质。

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硬盘容量

硬盘的储存容量是以字节为单位的。一个字节通常由八个二进制数字组成。这是一个非常小的数据单位，所以通常遇到的最小单位是千字节（KB），相当于1024个字节。更熟悉的兆字节（MB）由1024千字节或一百万字节组成。千兆字节（GB）等于1024兆字节或十亿字节，而太字节（TB）是1024千兆字节或一万亿字节。

现代大多数硬盘的容量以千兆字节和太字节为单位。500GB的闪存已经是相对标准的笔记本电脑硬盘大小，而1TB则是笔记本电脑和台式机的高端选择。

大于1TB的容量可以在一些高端电脑中找到，但它们主要限于外置硬盘。这些非常高容量的设备非常适合存储占用空间较大的文件以及备份计算机内置硬盘上的数据。