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硬盤的結構與原理

科技 更新时间:2024-09-17 23:11:51

硬盤的結構與原理(固态硬盤工作原理)1

        固态硬盤(Solid State Drives)簡稱SSD,是用固态電子存儲芯片陣列而制成的硬盤,由控制單元和存儲單元組成。

分類

        固态硬盤的存儲介質分為兩種:一種是閃存(FLASH芯片),另外一種是DRAM。

        基于閃存的固态硬盤是固态硬盤的主要類别,主要由控制芯片,緩存芯片和閃存芯片構成。其中控制芯片主要承擔數據調配、數據中轉以及連接閃存芯片和外部SATA接口。緩存芯片主要用于輔助控制芯片進行數據處理。而閃存芯片則是用于數據讀寫。

硬盤的結構與原理(固态硬盤工作原理)2

        此外,基于閃存的固态硬盤中存儲單元又分:SLC(Single Level Cell)單層存儲單元、MLC(Multi Leveled Cell)多層存儲單元以及TLC( Triple-cell-per-bit)三層存儲單元等。

        在SLC架構中,每Cell可存儲1bit數據, MLC架構中每Cell可以存儲2bit數據,而TLC架構每Cell可以存儲3 bit數據。

存儲原理

        Flash的最小存儲單元是晶浮栅晶體管,對應于磁盤中的一個bit的存儲單元。SSD中,在存儲單元晶體管的栅(Gate)中,注入不同數量的電子,通過改變栅的導電性能,來改變晶體管的導通效果,從而實現對不同狀态的記錄和識别。在SLC架構中,栅中的電子數目多與少,帶來的隻有兩種導通狀态,對應讀出的數據就隻有0/1;MLC架構中,栅中電子數目不同時,可以讀出多種狀态,能夠對應出00/01/10/11等不同數據。

        因此,SSD數據處理都要進行加電處理,加電的過程等同于HDD硬盤的數據寫入操作,斷電的過程電位恢複,相當于HDD硬盤的擦除。數據完整的一次P/E循環就是NAND的寫入循環。因為P/E循環次數是有限的,這也就直接影響到SSD的壽命。但是根據存儲架構的不同,SDD的壽命也是有差别的。

        由于SLC結構簡單,在寫入數據時電壓變化的區間小,所以壽命較長,傳統的SLC NAND閃存可以經受10萬次的讀寫。而且因為一組電壓即可驅動,所以其速度更好;而 MLC采用較高的電壓驅動,通過不同級别的電壓在一個塊中記錄兩組位信息,這樣就可以将原本SLC的記錄密度理論提升一倍。不過,MLC的缺點也很明顯,其寫入壽命較短,讀寫方面的能力也比SLC低;.TLC采用三層存儲單元,因此可以以較低的成本實現更大的容量。但是,由于TLC擁有多達8個電平狀态,因此在電位控制上更加複雜,特别是寫入速度會大受影響,延遲增加。加之衆多的電平狀态,其使用壽命更短。

        基于DRAM的固态硬盤是采用DRAM作為存儲介質,應用範圍較窄。它仿效傳統硬盤的設計,可被絕大部分操作系統的文件系統工具進行卷設置和管理,并提供工業标準的PCI和FC接口用于連接主機或者服務器。應用方式可分為SSD硬盤和SSD硬盤陣列兩種。它是一種高性能的存儲器,而且使用壽命很長。但是基于DRAM的固态硬盤的費用也是非常昂貴,因為基于DRAM的固态硬盤内部必須持續供電,而且還得為其做備份。

固态硬盤對比傳統機械硬盤

優點:

1、 固态硬盤沒有風扇和機械馬達,所以沒有噪音。

2、 快速随機讀取,讀取速度快。

3、 啟動快,沒有電機加速旋轉的過程。

4、 固态硬盤比傳統的硬盤工作溫度範圍大。普通的硬盤驅動器隻能在5到55攝氏度範圍内工作。而固态硬盤可在-10~70攝氏度工作,一些工業級的固态硬盤還可在-40~85攝氏度,甚至更大的溫度範圍下工作。

5、 内部不存在機械活動因此不怕碰撞、沖擊、振動。

6、 相對固定的讀取時間。由于尋址時間與數據存儲位置無關,因此磁盤碎片不會影響讀取時間。

缺點:

1、 價格貴,當然随着現在技術的發展,SSD價格逐漸偏向親民化,但是對比同等容量的HDD來說還是依然顯貴。

2、 普遍容量較低,這是相對HDD主流為TB級而言。當然不久前三星就發布了目前世界上容量最大的硬盤——16TB,且為SSD。雖然三星未公布它的價格,但不難想象對于我們普通用戶來說,隻有仰望的份了。

3、 數據損壞難以恢複。一般的機械式硬盤如果發生損壞,通過數據恢複也許還能挽回一部分數據,但是如果是固态存儲,一但芯片發生損壞,想要恢複幾乎不可能。

4、 寫入壽命有限(基于閃存)。一般閃存寫入壽命為1萬到10萬次,特制的可達100萬到500萬次,然而整台計算機壽命期内,文件系統的某些部分(如文件分配表)的寫入次數仍将超過這一極限。

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