走出误区,告诉你台式机硬盘的N个秘密
首先，我们来了解一下硬盘的内部结构，它将有助于理解本文的相关内容。
工作时，磁盘在中轴马达的带动下，高速旋转，而磁头臂在音圈马达的控制下，在磁盘上方进行径向的移动进行寻址
硬盘常见的技术指标有以下几种：
1、 每分钟转速（RPM，Revolutions Per Minute）：这一指标代表了硬盘主轴马达（带动磁盘）的转速，比如5400RPM就代表该硬盘中的主轴转速为每分钟5400转。
2、平均寻道时间（Average Seek Time）：如果没有特殊说明一般指读取时的寻道时间，单位为ms（毫秒）。这一指标的含义是指硬盘接到读/写指令后到磁头移到指定的磁道（应该是柱面，但对于具体磁头来说就是磁道）上方所需要的平均时间。除了平均寻道时间外，还有道间寻道时间（Track to Track或Cylinder Switch Time）与全程寻道时间（Full Track或Full Stroke），前者是指磁头从当前磁道上方移至相邻磁道上方所需的时间，后者是指磁头从最外（或最内）圈磁道上方移至最内（或最外）圈磁道上方所需的时间，基本上比平均寻道时间多一倍。出于实际的工作情况，我们一般只关心平均寻道时间。
3、平均潜伏期（Average Latency）：这一指标是指当磁头移动到指定磁道后，要等多长时间指定的读/写扇区会移动到磁头下方（盘片是旋转的），盘片转得越快，潜伏期越短。平均潜伏期是指磁盘转动半圈所用的时间。显然，同一转速的硬盘的平均潜伏期是固定的。7200RPM时约为4.167ms，5400RPM时约为 5.556ms。
4、 平均访问时间（Average Access Time）：又称平均存取时间，一般在厂商公布的规格中不会提供，这一般是测试成绩中的一项，其含义是指从读/写指令发出到第一笔数据读/写时所用的平均时间，包括了平均寻道时间、平均潜伏期与相关的内务操作时间（如指令处理），由于内务操作时间一般很短（一般在0.2ms左右），可忽略不计，所以平均访问时间可近似等于平均寻道时间+平均潜伏期，因而又称平均寻址时间。如果一个5400RPM硬盘的平均寻道时间是9ms，那么理论上它的平均访问时间就是 14.556ms。
5、 数据传输率（DTR ，Data Transfer Rate）：单位为MB/s（兆字节每秒，又称MBPS）或Mbits/s（兆位每秒，又称Mbps）。DTR分为最大（Maximum）与持续（Sustained）两个指标，根据数据交接方的不同又分外部与内部数据传输率。内部DTR是指磁头与缓冲区之间的数据传输率，外部DTR是指缓冲区与主机（即内存）之间的数据传输率。外部DTR上限取决于硬盘的接口，目前流行的Ultra ATA-100接口即代表外部DTR最高理论值可达100MB/s，持续DTR则要看内部持续DTR的水平。内部DTR则是硬盘的真正数据传输能力，为充分发挥内部DTR，外部DTR理论值都会比内部DTR高，但内部DTR决定了外部DTR的实际表现。由于磁盘中最外圈的磁道最长，可以让磁头在单位时间内比内圈的磁道划过更多的扇区，所以磁头在最外圈时内部DTR最大，在最内圈时内部DTR最小。
6、缓冲区容量（Buffer Size）：很多人也称之为缓存（Cache）容量，单位为MB。在一些厂商资料中还被写作Cache Buffer。缓冲区的基本要作用是平衡内部与外部的DTR。为了减少主机的等待时间，硬盘会将读取的资料先存入缓冲区，等全部读完或缓冲区填满后再以接口速率快速向主机发送。随着技术的发展，厂商们后来为SCSI硬盘缓冲区增加了缓存功能（这也是为什么笔者仍然坚持说其是缓冲区的原因）。这主要体现在三个方面：预取（Prefetch），实验表明在典型情况下，至少50%的读取操作是连续读取。预取功能简单地说就是硬盘“私自”扩大读取范围，在缓冲区向主机发送指定扇区数据（即磁头已经读完指定扇区）之后，磁头接着读取相邻的若干个扇区数据并送入缓冲区，如果后面的读操作正好指向已预取的相邻扇区，即从缓冲区中读取而不用磁头再寻址，提高了访问速度。写缓存（Write Cache），通常情况下在写入操作时，也是先将数据写入缓冲区再发送到磁头，等磁头写入完毕后再报告主机写入完毕，主机才开始处理下一任务。具备写缓存的硬盘则在数据写入缓区后即向主机报告写入完毕，让主机提前“解放”处理其他事务（剩下的磁头写入操作主机不用等待），提高了整体效率。为了进一步提高效能，现在的厂商基本都应用了分段式缓存技术（Multiple Segment Cache），将缓冲区划分成多个小块，存储不同的写入数据，而不必为小数据浪费整个缓冲区空间，同时还可以等所有段写满后统一写入，性能更好。读缓存（Read Cache），将读取过的数据暂时保存在缓冲区中，如果主机再次需要时可直接从缓冲区提供，加快速度。读缓存同样也可以利用分段技术，存储多个互不相干的数据块，缓存多个已读数据，进一步提高缓存命中率。
这是我们经常能看到的硬盘参数指标
7、噪音与温度（Noise & Temperature）：这两个属于非性能指标。对于噪音，以前厂商们并不在意，但从2000年开始，出于市场的需要（比如OEM厂商希望生产更安静的电脑以增加卖点）厂商通过各种手段来降低硬盘的工作噪音，ATA-5规范第三版也加入了自动声学（噪音）管理子集（AAM，Automatic Acoustic Management），因此目前的所有新硬盘都支持AAM功能。硬盘的噪音主要来源于主轴马达与音圈马达，降噪也是从这两点入手（盘片的增多也会增加噪音，但这没有办法）。除了AAM外，厂商的努力在上文的厂商介绍中已经讲到，在此就不多说了。至于热量，其实每个厂商都有自己的标准，并声称硬盘的表现是他们预料之中的，完全在安全范围之内，没有问题。这一点倒的是不用担心，不过关键在于硬盘是机箱中的一个组成部分，它的高热会提高机箱的整体温度，也许硬盘本身没事，但可能周围的配件却经受不了，别的不说，如果是两个高热的硬盘安装得很紧密，那么它还能承受近乎于双倍的热量吗？所以硬盘的热量仍需厂商们注意。
现在不少人都认为硬盘转速越快寻道时间就越快，但这是最常见的错误认识，事实上寻道速度根本不决定于转速，因为两者的控制设备就不一样。转速是由主轴马达控制，寻道则由音圈马达控制。寻道时间说白了就是体现了磁头臂径向运动的速度与控制能力，音圈马达与相应的伺服系统起着重要作用。另外，磁头的高灵敏度也有助于在高密度磁盘上准确捕获伺服标记，进而快速定位。很多情况下，我们都可以看到5400RPM硬盘的寻道时间与7200RPM硬盘一样（如三星的V40与P40）。之所以有些高速硬盘（如SCSI硬盘）的寻道时间更快，是因为厂商的有意设计，就好像一台Pentium4电脑只配 32MB内存让人觉得不平衡一样，厂商也会给高速硬盘配上更快的寻道时间（也意味着更好的元件与更高的成本，显然厂商要根据市场的需要权衡利弊）。
实际上，通过上文有关平均访问时间的解释，大家应该明白，提高转速的主用意就是减少平均潜伏期，进而加快整体的访问速度，也许很多人不认同这是它最重要的用意，由此就又引出了下一个误区。
在很多人的印象和厂商的宣传中，更高的转速的主要用意在于提高数据传输率，但这并不正确。持续数据传输率决定于很多指标，并不光只是转速。当然，有人会说转速更高，磁头单位时间划过的扇区就越多，不错，但前提是线密度一样。线密度可理解为每磁道扇区数（SPT，Sectors Per Track）。低速硬盘完全可以通过提高SPT来加大数据传输率， SCSI硬盘就是追求SPT的典型。
事实上，很多厂商在相同单碟容量上对于不同的转速采用了不同的SPT设计，如金钻七的最外圈磁道扇区数为837个，而星钻三代则为896个。有人可能会问，那如何保证容量一致呢？这就涉及到每英寸磁道数（TPI，Tracks Per Inch），它代表了磁道密度。SPT高则TPI就会相应减少，如金钻七为60000TPI，星钻三代则是57000TPI。
最典型的例子是 Caviar系列硬盘，WinBench测得的数据传输率与某些7200RPM产品相当。虽然没有该系列硬盘最外圈SPT资料，但肯定不会低于1000 （若转速实为5400RPM），即使转速真的是6000RPM，也在900之上。因此5400RPM硬盘完全可以通过提高33%（7200RPM比 5400RPM转速高33%）的SPT来得到相同的数据传输率。
综上所述，7200RPM相对于5400RPM硬盘的最大优势就在于更短的平均潜伏期，进而减少平均访问时间。毕竟转速是死的，5400RPM永远处于劣势。
随着硬盘知识的普及，硬盘DTR这一指标也逐渐被人们所认识，但又出现了新的误区——拿以Mbps为单位的最高内部DTR说事，这其中某些厂商与所谓高手的误导有着不可推卸的责任，后果也是相当严重。由于内部DTR决定了硬盘的实际数据传输性能，所以很多人都在关心硬盘的内部DTR，而厂商也投其所好，在产品资料中基本都公布了最大内部传输率，但多是以Mbps为单位，不少人因此拿这个数值来预测硬盘的性能，甚至分析到接口速率的瓶颈（这些人通常将其换算成 MBPS，而目前最高的数值将近80MBPS，离Ultra ATA-100的最大速率已相差不远了）。
但是，它恰恰不能通过除8来换算成MBPS，因为这个数值是磁头处理二进制0/1信号（即bit）的纯理论性能，而磁头处理的信号很大部分并不是用户需要的数据（存入的数据都是经过编码的，包含许多辅助信息），因此不能以字节为单位。很多硬盘这一数值都是相当高的，如以前的富士通硬盘，指标很好，但实际性能却是另一码事。完全可以说，这个Mbps值没有什么实际价值，给人的是一种假象。
在硬盘中，真正重要的是内部持续DTR，它分为单磁道瞬间DTR与持续DTR两个指标，单磁道瞬间DTR的计算公式是“512字节×SPT×磁盘每秒所转圈数”或“512字节×SPT÷磁盘转一圈所用时间”，由于磁盘转一圈所用时间一般不能除尽，所以经常用前一种公式。持续DTR的计算公式则为“512字节 ×SPT×磁头数/总耗时”，其中“总耗时=（磁头数-1）×磁头切换时间+道间寻道时间+磁头数×磁盘转一圈的时间”。磁头切换时间一般在产品的用户手册中有标注，大约在1ms左右。单磁道瞬间DTR表明了硬盘实际上所能达到的最大内部DTR，持续DTR则体现了硬盘真正的数据传输能力。
很遗憾的是，目前只有迈拓和IBM提供了内部持续DTR数据，其他厂商仍然用Mbps数值迷惑普通大众。但是，厂商心里是明白的，他们自己也不会混淆概念（只是没事偷着乐），在数据的说法上也是非常严谨，如果你哪天发现厂商公布的内部DTR使用了MB/s为单位，那么这很可能就是我们所真正需要的数据，而不要再用 Mbps去除8了。
上文说过内部DTR决定了外部DTR的实际表现，但为了将内部DTR对外部DTR的影响降至最低，产生了缓冲区设计。理论上讲，缓冲区越大，即使内部DTR 不变，硬盘的性能也会更好，这就好比CPU中的缓存一样。不过，要做到缓冲区容量的增加并提高性能还是有一定难度的。这主要体现在缓存功能管理与数据安全两个方面。缓存功能管理决定了缓冲区智能化与缓存效果，简单的说就是一种管理算法与替换策略，负责这一任务的就是缓存控制器。上文已经讲到目前都将缓冲区做分段处理，并且是动态的，根据数据流情况自动划分。以120GXP为例，在读操作时可最多划分12个数据段（平均容量约155KB），在写操作时数据段可高达52个（平均容量约35KB）。那么怎么去动态的划分区段，怎么去选择最不常用的区段以替换成新的数据，都将影响最终的性能表现。比如区段划分不合理将影响缓冲区空间的利用率和预读效果，数据替换不合理将影响缓存命中率，这样一来说不定与小容量缓冲区性能差不多。讲到这，大家肯定会想到了CPU缓存的算法（比如N路级联与更新策略等），的确两者有相同之处。对于更大容量的缓冲区，肯定就不能照搬小容量缓冲区的缓存管理算法。因此，缓冲区越大性能越好是有前提的，这对厂商的缓存管理技术水平提出了更高的要求。
大容量缓冲区的数据安全性主要是指在突然断电的情况下，缓冲区中的待写数据将如何处理的问题。这方面笔记本电脑硬盘就有了得天独厚的优势，因为有电池为后盾，笔记本电脑硬盘的缓冲区容量已经提升到了16MB。但对于台式机，这是个不小的考验。WD公司在这方面做出了有意义的探索，主要方法是通过将数据暂时保存在最外圈暂存区（因为最外圈的写入速度最快），下次开机再写入原目的地址的方法来保证缓冲区中待写数据的安全，显然这需要特殊的管理机制，也是厂商的自由发挥了。
最后我们再谈谈目前普遍流行的说法——大容量缓冲区对零散数据非常有利，这是很片面的认识。当然，这种说法可以理解，也没有什么根本性错误，但容易误导人们对大容量缓冲区的认识。从分段式缓存结构可以看出，更大的缓冲区理论上可以划分出更多的数据段，能容纳更多的互不相干的小数据块。而这种随机的、不连贯的、小数据量的读取行为在Web服务、数据库服务与日常办公应用中很常见。如在Web服务中，经常出现对一个网页同时有多个请求的情况，而一个网页的大小也就是几十到几百KB的容量，如果缓冲区能缓存更多的页面，那么服务器的表现也会越好。因此大容量缓冲区在这方面的贡献，我们完全肯定。
但另一方面，对于大容量，连续读写的数据操作，大容量缓冲区同样能发挥重要的作用。更大的缓冲区此时意味可一次缓冲更多的数据（硬盘会根据数据量将区段合并），即能在相同的时间内向主机或磁头发送更多的数据，而磁头的连续读写扇区的能力更容易发挥。所以，在音频、视频处理等经常用到大数据量连续读写的场合，大容量缓冲区硬盘是非常好的之选。在下面的测试中，大家也会发现8MB缓冲区硬盘相对于2MB缓冲区硬盘的整体优势。
在WD1000JB推出时，有些读者就根据其与低端SCSI硬盘的对比测试数据，曲解原文的用意发表了IDE硬盘性能已经可与SCSI硬盘相抗衡的看法，这显然是一种误导。在测试原文中与WD1000JB做对比的是希捷早期万转SCSI硬盘——Cheetah 36XL。单碟容量为9GB，不到1000JB单碟容量的1/3，缓冲区容量为4MB，而WD1000JB则是8MB，但两者的持续传输率基本一致，因此有一定可比性。原文将当时最高配置的IDE硬盘与较低配置的SCSI硬盘作对比的主要用意在于证明8MB缓冲区的作用，并通过测试表明在此情况下最高端 IDE的性能完全可以与低端SCSI一争高低，而不是给“IDE性能可与SCSI对抗”这一笼统的错误说法提供论据，因为这种比较是有条件的。从测试成绩上看，Cheetah 36XL全面落后，但这是在单盘情况下。而随着硬盘数量的增多，SCSI共享数据通道的优势将逐渐体现，此时就不是IDE硬盘可比的了，即使你接满4块 IDE硬盘也于事无补，况且随着更高单碟容量（如18GB）的万转SCSI与15000转SCSI硬盘的普及，IDE的单盘优势也不明显了。
所以SCSI 与IDE根本就针对着不同的市场与操作应用。做对比测试的原作者也只是借WD1000JB证明，目前最高端IDE硬盘完全可以在负荷不很繁重的中低端单盘工作站市场一展身手，而不是全面冲击SCSI硬盘，这一点一定要认清楚，不要误解原文作者的用意。
如果单碟容量相同，那么总容量的不同就意味着磁头数量（即数据面数，一张磁盘有两个数据面，但有时只用一个，而一个数据面对应一个磁头）的不同，这其中会与性能有什么关系呢？由此就要联系到柱面这一概念，柱面是指硬盘中每张磁盘上编号（位置）相同的磁道集合，硬盘操作时，是从最外圈柱面开始，当该柱面所有磁道用完后，再移至内圈的下一个柱面，而不是先存完一张盘再存一张盘。同系列的硬盘的柱面数是一样的，但每个柱面包含的磁道数要因磁头数而异，计算公式为：磁道数=磁头数×柱面数。如迈拓D740X，20GB型号由于只有一个磁头，所以一个柱面的容量是一个磁道，而80GB型号则是4个磁头，一个柱面的容量就是4个磁道。以最外圈柱面为例，D740X是外圈磁道是837个扇区，按每扇区512字节计算，20GB型号的最外圈柱面的容量为418.5KB， 80GB型号的最外圈柱面容量为1674KB 。也就是说如果连续存储500KB的数据，20GB就要移动磁头进行道间寻道了，但80GB的还不会，只是存在同一柱面内磁头切换的延迟。大家可以这么认为，80GB型号中一个柱面相当于20GB型号中的4个柱面，而同一柱面内的磁道切换速度通常要快于柱面间的切换，对保持数据传输率更为有利。由此，很多人可能得出结论，同一产品系列中，磁头数越多的型号的连续读写性能越好（如果是零散读写根本不受柱面容量的影响）。这个说法基本正确，但是有忽略的地方。首先，目前的硬盘都采用了区域数据记录，在同一区域内，每磁道扇区数固定，比如D740X分为15个数据区（最外圈还有一个但用于存储系统数据，可不计），最外圈数据区中有2582个柱面，这些柱面的扇区数是相同的，所以即使是20GB型号，也只会在存满1.03GB左右的数据后才转入下一个 SPT更少的数据区。而且也有柱面切换速度比磁头切换快的硬盘，D740X就是，因此在这头1个GB的数据区中，80GB的D740X型号性能也许更差。但我们一般使用硬盘都要分区，C盘大概在5-10GB左右，此时20GB的型号已用到了第4个数据区，而10GB的容量在80GB型号中还没有超出第二个数据区，因此就这个分区的整体性能而言，80GB的显然要占优势。从WinBench的硬盘传输率曲线上就能看出这一点， 80GB型号的最高传输率范围覆盖了更多的空间。不过，上面的对比是较极端的，如果是40GB与60GB的型号去对比就不会这么明显，可以说磁头数相差如果在3个以内，性能的差距将非常微弱，但对有的硬盘，即使磁头数相差3个也基本不会有什么差距。
上为D740X-80GB型号的DTR曲线图，下为D740X-40GB型号的DTR曲线图，以10GB容量为界，可发现40GB型号已经用到了DTR更低的第三个数据区，而80GB型号仍处在DTR更高的第二个数据区，理论性能要强于40GB型号
现在再让我们看看另一个例子——酷鱼四，从曲线图上可以看出其第一个数据区占据了1/3多的柱面，也就是说即使是20GB的酷鱼四，在前10GB容量的性能不见得就比80GB的型号差。所以，具体的差别除了要看磁头相差数量还要看数据区的设置。另外，在产品的生产过程中，厂商可能随时进行改进（不仅指 Firmware，还包括元件的优化与改良等），往往会出现新的产品比老产品性能更好的情况，比如WD的CaviarXL系列，评测的1200BB是 2001年9月的产品（10月才发布单碟40GB的CaviarXL系列），800BB与400BB都是今年一月和二月的产品（Firmware版本没变），后两者的表现与1200BB相比并无劣势。而IBM则为不同磁头数的型号开发了不同版本的Firmware，使得各型号的性能表现都趋于一致。因此，影响容量与性能的可变因素很多。
上为酷鱼四-60GB型号的DTR曲线图，下为酷鱼四-80GB型号的DTR曲线图，即使以20GB容量为界，可发现60GB型号仍在DTR最高的第一个数据区，理论上性能和80GB型号一样
不过，在一些测试中，最大容量型号的表现基本都很出色，有的大容量5400RPM的性能甚至好过一些小容量的7200RPM硬盘。
FDB 马达对于很多人来说是比较新鲜的，在很多公司的宣传中，FDB的作用被定为减少噪音与热量，甚至能提高性能。这么说似乎有道理，但容易产生误导。BB轴承使用圆形滚珠（材料可为金属或陶瓷）作为主轴与基座之间的运动连接/支撑体，由于滚珠加工精确度产生的必然差异，在主轴高速运转中，滚珠之间会发生碰撞而振动，这就是马达（主轴）噪音的主要根源（其他原因还包括轴承装配精度与力矩的平衡），FDB则使用了液态润滑物质代替滚珠，这样就完全消除了因碰撞产生的噪音。但是，主轴的噪音在硬盘整体噪音中的强度比重较小，而且人耳对其远不如音圈马达寻道噪音敏感（因为频率较低），所以FDB的减噪功能确切的说只有在硬盘空闲时（磁盘空转，磁头不寻址）才能体现。另外，对于热量，滚珠之间磨擦肯定是一个热源，但这与马达电机相比也不算什么，而且FDB的效率往往并不如BB，马达功耗可能会更大。第一块使用FDB的IDE硬盘——希捷的“大灰熊”，其热量之高想必是很多老玩家记忆犹新的，而且即使是不用滚珠的音圈马达的热量也很高。因此主轴马达的主要热源并不在轴承。我们在测试中也发现，现阶段FDB并没有体现出对BB的降热优势。
综上所述，大家要对FDB有一个客观的认识，不能盲目听信宣传，认为FDB肯定比BB好（毕竟转速是固定的，性能不会改变）。至少在目前，FDB并没有多大优势，这可能也是为什么IBM与WD仍没有使用FDB的一大原因。
看过不少的硬盘横向测试，虽然使用的软件都一样，但其中的测试方法实在不敢认同。硬盘测试有两个方面，一是硬盘本身的性能，另一个是硬盘对整机性能的影响。对于前者，很多测试人员将被测硬盘也当作是系统硬盘，也划出成多个分区。虽然比较符合实际的应用，但不能真正反映硬盘的性能，而真正符合实际应用的测试并不在于硬盘的单独测试上。 事实上，最合理的硬盘单独测试方法是，操作系统与测试软件装在另一个硬盘上，被测硬盘单独接在一个硬盘接口，接下来就是分区，此时必须要将全部容量分成一个区才能体现硬盘的综合性能。现在最常用也是最好用的硬盘测试软件WinBench99就是以分区大小来确定测试区域的，包括 DTR、访问时间、应用模拟测试等，在DTR测试中以分区的最外圈磁道开始到分区的最内圈磁道终止，所以如果只用头10GB的容量为一个分区，那么测出来的就是这10GB之内的DTR而不是整个硬盘的，这也是为什么有些数据中，结束端比起始端的数值还要高的原因（如果分区容量没有超出数据区，那么很容易因为误差产生这种结果）。另外，如果测试区域很小，则磁头寻道的时间也会限制在更低的范围内（因为寻道的范围也小了），同样有利于得高分，类似的影响也体现在商业与高端测试中。所以，硬盘单独测试时必须进行全分区！至于用什么样的文件系统就不是很重要了，不过FAT32的得分一般都比NTFS的高，但如果测试条件统一，那么都是有说服力的，成绩排名也不会因为文件系统的改变而改变。
现在再说说整机测试。虽然是硬盘横向测试，但要想知道哪个硬盘对整机性能提升最大，就必须动用Winstone系列软件来进行对比测试了，这可以说是对硬盘的性能终极考试，因为WinBench99相对简单，也不是很全面，更容易被厂商钻空，而Winstone就不一样了，硬盘只是其中的一个子系统，但它也会影响最终的成绩。遗憾的是很多硬盘横向测试中都没有这一项，只是简单的跑跑WinBech99就完了。Winstone测试就要在接近真实使用情况的设置下进行，此时就不能用全分区了，因为现实中很少有人这么做。而测试一般都在被测硬盘的C区，所以容量通常为5-10GB。当然，也可以进行全分区的整机测试，这就取决于测试人员自己的决定了。
在经过正确的硬盘单独与整机测试后，我们就能对被测产品性能有一个比较全面的认识和客观的评价了。 <
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