计算机硬盘 半导体存储器 相关概念

硬盘接口分类 （影响传输速度）

硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行速度快慢和系统性能好坏。

般的计算机，硬盘接口都是IDE或SATA的，IDE出现的比较早，SATA则出现的比较晚。以前，很多硬盘都是IDE接口的；而现在，硬盘接口几乎SATA是标配置，市场上几乎没有IDE接口的硬盘了。

优点：该接口的硬盘价格低廉、兼容性强、性价比高。

缺点：数据传输速度慢、线缆长度过短、连接设备少、不支持热插拔、、接口速度的可升级性差。

IDE接口

左边电源接口，中间是跳线，用来设置主从盘的，右边是数据线

其实，你在购买电源的时候，会看到也会看到如下图白色的插口。

SATA采用串行连接方式，串行ATA总线使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令(不仅仅是数据)进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性

现在一般接口都是SATA接口，之所以能够取代IDE接口，是应为SATA接口的性能比IDE接口的性能好的多，速度也大大超过IDE接口，还支持热拔插。如果您的主板比较古董，可以通过转换设备进行转换。

SATA接口目前是市场的主流，我们使用的计算机多数也是SATA接口的，这里着重说下SATA接口。

目前 SATA接口，有1.0、2.0、3.0三个版本，版本号越大，出现的时间就越晚；性能就越好，主要是数据传输速率更快。SATA接口的版本是向下兼容的，高版本的SATA接口兼容低版本的SATA接口。有些SATA硬盘提供了跳线，跳线设置不同，同一块硬盘的SATA接口版本号就不同（主要是数据传输的速率不同）

SATA接口的实际传输速率需要主板的支持。

SATA接口硬盘在外观上和IDE硬盘有很大不同，左边是电源，右边数据线。右边比较宽的是跳线接口，有的硬盘会有，有的硬盘没有，SATA硬盘主从盘设置是在bois，这里的跳线主要设置SATA的传输速率的。现在有些SATA硬盘，也出现了新的固件接口。

SCSI英文全称：Small Computer System Interface，它出现的原因主要是因为原来的IDE接口的硬盘转速太慢，传输速率太低，因此高速的SCSI硬盘出现。其实SCSI并不是专为硬盘设计的，实际上它是一种总线型接口。

由于独立于系统总线工作，所以它的最大优势在于其系统占用率极低，不过转速快，传输率高的SCSI接口硬盘也有它的不足之处：价格高、安装不便、还需要设置及其安装驱动程序，因此这种接口的硬盘大多用于服务器等高端应用场合。它是使用一根50芯的扁平电缆，转速在万转以上，不过随着IDE技术的发展，如今IDE接口的硬盘在容量和速度上已与SCSI接口硬盘相差无几，不久将来，它可能不会存在了。

该接口是主要是用在笔记本上： 比如商务本，超极本，主流笔记本等。现在主流笔记本接口SATA接口的SATA3版本

M.2接口，是Intel推出的一种替代mSATA新的接口规范。

M.2接口是为超极本（Ultrabook）量身定做的新一代接口标准，以取代原来的mSATA接口。无论是更小巧的规格尺寸，还是更高的传输性能，M.2都远胜于mSATA。

M.2接口一般分为两种，在购买M.2 SSD的时候是需要注意内部协议的。一种是走传统的SATA AHCI协议，与普通SATA固态硬盘性能没有差别；另一种则是使用全新的NVMe协议，可以提供SSD高达3000MB/s以上的性能，可谓天差地别。

这里着重说下固态硬盘的AHCI协议和NVMe协议

SSD（固态硬盘）最为主流的传输协议有两种。一种是AHCI协议，另一种是NVMe协议。

AHCI，全称为串行ATA高级主控接口/高级主机控制器接口，它允许存储驱动程序启用高级串行ATA功能。

我们在使用SATA SSD的时候，一定要在主板设置中开启AHCI模式。

这是因为，开启AHCI模式后，能够大幅缩短SSD无用的寻道次数和缩短数据查找时间，这样能让多任务下的SSD能够发挥全部的性能和效应。根据相关性能测试，在AHCI模式开启后，大约增加30%的SSD读写性能。

但是随着SSD的性能逐步增强，这些标准也成为了限制固态硬盘的一大瓶颈，专为机械硬盘而设计的AHCI标准并不太适合低延时的固态硬盘。

另外一个传输协议，代表着未来性能走向的NVMe协议。

所谓NVMe协议，在于充分利用PCI-E通道的低延时以及并行性，，在可控制的存储成本下，极大的提升SSD的读写性能，降低由于AHCI接口带来的高延时，彻底解放SATA时代SSD的极致性能。

由于闪存颗粒和主控的原因，M.2 NVMe协议的固态硬盘价格都特别高，比SATA协议的固态硬盘高出一倍左右的价格，所以大家在选择的时候一定要按需购买，根据自己电脑的配置以及需求来选购相应等级的固态硬盘，不然机会造成性能浪费哦。

SATA通过更快的传输速度在几年内就干掉了IDE，成为了如今市场主流。其接口速度有SATAI（150MB/s）、SATAII（300MB/s）和SATAIII(600MB/s)，虽然这个速度对于机械硬盘来说已经绰绰有余了，即使是高达万转以上的高阶机械硬盘，持续传输速度也无法超越100MByte/s。但是对于固态硬盘来说还是显得不够用。

因此一系列新的接口产生了。首先是PCI-E，虽然PCI-E最早出现是在主板上，用来装独立显卡用。但是如今也被用来作为硬盘接口，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。同时也远高于SATAIII接口。PCI-E的传输速度根据总线位宽不同而有所差异，包括x1、x4、x8以及x16。其中X1的传输速度为250MB/s，而X16就是等于16倍于X1的速度，即是4GB/s。与此同时，PCI-E总线支持双向传输模式，还可以运行全双工模式，它的双单工连接能提供更高的传输速率。

另外，由于采用PCI-E接口的固态硬盘的性能相对SATA3固态硬盘要强大很多，所以价格相对比较贵。

此外为了追求更快的速度，Intel推出了应用于超极本的M.2。M.2接口，是Intel用于替代MSATA新的接口规范。与MSATA相比，M.2具有较强的速度优势。M.2接口有两种类型：Socket 2和Socket 3，其中Socket2支持SATA、PCI-E X2接口，而如果采用PCI-E ×2接口标准，最大的读取速度可以达到700MB/s，写入也能达到550MB/s。而其中的Socket 3可支持PCI-E ×4接口，理论带宽可达4GB/s。

最后我们再来说说U.2。什么是U.2接口？U.2接口又称SFF-8639接口，是由固态硬盘形态工作组织（SSD Form Factor Work Group）推出的接口规范。U.2不但能支持SATA-Express规范，还能兼容SAS、SATA等规范。U.2可以用到4条PCI-E通道，也就是说它的最高理论数据传输速度，可接近4GB/s。

不过有一点需要注意的是，硬盘接口速度是传输线路理论上可以支持的最大传输速度。但这并不意味着硬盘在任何条件下的传输速度值都是固定的，相反实际上的传输速度往往要比理论值偏低。这是由于受加工工艺以及工作环境限制的原因。举个例子，你回家所需要的时间在各种条件理想的情况下是1个小时，但是实际上由于会受道路交通以及天气等因素影响，往往需要不止一个小时。

按制作工艺分 硬盘分为固态硬盘、机械硬盘、混合硬盘

用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。被广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等领域。

机械硬盘(HDD)是由盘片，盘片转轴及控制电机，磁头，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。机械硬盘是磁碟型的，数据储存在磁碟扇区里。

很多人会分不清固态硬盘和机械硬盘，两者区别很多，固态硬盘在传输速度上有很多的优势，无噪音而读写速度快，防震动，发热量低，而且还轻便，但有很多缺点，硬盘损坏，数据不能恢复，容量，并且pe写入次数有限，所以硬盘寿命会比机械硬盘更低；而机械硬盘的优点是寿命长，可以无限次复写，数据储存稳定，硬盘损坏可做数据恢复，但缺点就是噪音大，发热量高，也不好携带，特别是在高速旋转过程中盘片和磁头碰撞更容易造成数据受损，而固态硬盘就没有这个问题，所以一般会选择固态硬盘做系统盘，机械硬盘做仓库盘的组合。

混合硬盘是一块基于传统机械硬盘诞生出来的机械+闪存颗粒混合的硬盘，除了机械硬盘必备的碟片、马达、磁头等等，还内置了NAND闪存颗粒，这颗颗粒将用户经常访问的数据进行储存，可以达到如固态硬盘效果的读取性能 。混合硬盘优点是读写速度比机械快，略次于固态。储存空间较大，但价格略贵，发热大，噪音大，抗震性能弱，所以混合盘是作为机械到固态中间的一个过渡产品出现的，只是缓存上有一些不同，其它没什么特别的。

不同和制作工艺和不同接口 可以互相组合，用户在满足自己速度需求的前提下，选合适的就可以了。

接口传输速度  和  硬盘处理的速度  中 比较小的那个 就是实际的硬盘速度了。

ROM和RAM指的都是半导体存储器。ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据，RAM通常都是在掉电之后就丢失数据，典型的就是计算机的内存。

1、PROM是一次性的，早期的产品，现在已经不可能使用了;

2、EPROM是通过紫外光的照射擦出原先的程序，是一种通用的存储器;

3、EEPROM是通过电子擦出，价格很高，写入时间很长，写入很慢; 

 举个例子，手机软件一般放在EEPROM中，我们打电话，有些最后拨打的号码，暂时是存在SRAM中的，不是马上写入通讯记录（通话记录保存在EEPROM中），因为当时有很重要工作（通话）要做，如果写入，漫长的等待是让用户忍无可忍的。

1、SRAM

不需要刷新电路，掉电丢失数据，而且一般不是行列地址复用的。 集成度比较低，不适合做容量大的内存，一般是用在处理器的缓存里面。像S3C2440的ARM9处理器里面就有4K的SRAM用来做CPU启动时用的； SRAM内部采用的是双稳态电路的形式来存储数据； 制造相同容量的SRAM比DRAM的成本高的多； 因此目前SRAM基本上只用于CPU内部的一级缓存以及内置的二级缓存。仅有少量的网络服务器以及路由器上能够使用SRAM。 2、DRAM

掉电丢失数据。每隔一段时间就要刷新一次数据，才能保存数据。而且是行列地址复用的，许多都有页模式。

DRAM利用MOS管的栅电容上的电荷来存储信息，一旦掉电信息会全部的丢失，由于栅极会漏电，所以每隔一定的时间就需要一个刷新机构给这些栅电容补充电荷，并且每读出一次数据之后也需要补充电荷，这个就叫动态刷新，所以称其为动态随机存储器。由于它只使用一个MOS管来存信息，所以集成度可以很高，容量能够做的很大。

SDRAM比它多了一个与CPU时钟同步。 DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快； 从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAM的； DRAM分为很多种，常见的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等，这里介绍其中的一种DDR RAM。 一个DRAM的存储单元存储的是0还是1取决于电容是否有电荷，有电荷代表1，无电荷代表0。但时间一长，代表1的电容会放电，代表0的电容会吸收电荷，这就是数据丢失的原因；刷新操作定期对电容进行检查，若电量大于满电量的1／2，则认为其代表1，并把电容充满电；若电量小于1／2，则认为其代表0，并把电容放电，藉此来保持数据的连续性。 2.1、DDR RAM(Data-Rate RAM）也称作DDR SDRAM

这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的，不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了。这是目前电脑中用得最多的内存。在很多高端的显卡上，也配备了高速DDR RAM来提高带宽，这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。 2.2、SDRAM（Synchronous DRAM，同步动态随机存储器）

即数据的读写需要时钟来同步。 其存储单元不是按线性排列的，是分页的。 DRAM和SDRAM由于实现工艺问题，容量较SRAM大。但是读写速度不如SRAM。 一般的嵌入式产品里面的内存都是用的SDRAM。

它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据（NVRAM的优势），U盘和MP3里用的就是这种存储器。 在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM（EPROM）作为它们的存储设备，然而近年来Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系统中的地位，它用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码，或者直接当硬盘使用（U盘）。 采用的并行接口，有独立的地址线和数据线，性能特点更像内存，是芯片内执行(XIP， eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。 NAND采用的是串行的接口，地址线和数据线是共用的I/O线，类似电脑硬盘。CPU从里面读取数据的速度很慢，所以一般用NAND做闪存的话就必须把NAND里面的数据先读到内存里面，然后CPU才能够执行。无法寻址和直接运行程序，只能存储数据。另外NAND FLASH非常容易出现坏区，所以需要有校验的算法。 NOR Flash：用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码 目前Flash主要有NOR Flash和NADN Flash

1、类型

分为NOR（或非）、 NAND（与非）

2、接口理解

NOR（或非）----地址、数据总线分开；

NAND（与非）----地址、数据总线共用。

3、读写单位：

NOR（或非）----字节；

NAND（与非）----页

4、组成结构：

NOR（或非）----扇区、字节；

NAND（与非）----块、页；

5、擦除单位：

NOR（或非）----扇区；

NAND（与非）----块；

6、读写擦除速度

NOR的读速度比NAND稍快一些。

NAND的写入/擦除速度比NOR快很多。

flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。

NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

(注：NOR FLASH SECTOR擦除时间视品牌、大小不同而不同，比如，4M FLASH，有的SECTOR擦除时间为60ms，而有的需要最大6s。)

7、容量

NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分

NAND flash只是用在8～128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储

8、可靠性和耐用性:

可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。

A)寿命(耐用性) 

在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。

NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

B)位交换

所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特(bit)位会发生反转或被报告反转了。

一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。

当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。

这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

C)坏块处理

NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。

9、易于使用:

基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。

由于NANDLFASH需要I/O接口，所以要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。

在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

10、软件支持: 

在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持；

在NAND器件上进行执行操作时，通常需要 驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)；

NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。

11、寻址：

NAND每次读取数据时都是指定块地址、页地址、列地址，列地址就是读的页内起始地址，每次都是先将数据读入页缓冲区内，再 由I/O输入地址 在缓冲区内寻址，其实这里列地址，只是指定起始地址的作用。NAND是以页为基本单位 操作的。写入数据也是首先在页面缓冲区内缓冲，数据首先写入这里，再写命令后，再统一写入页内。因此NAND页缓冲区的作用就是，保证芯片的按页的读、写操作，是I/O操作与芯片操作的接口、桥梁，因为数据是从I/O输入的，又是每次一个字节，因此需要缓冲。即使每次改写一个字节，都要重写整个页，因为它只支持页写，而且如果页内有未擦除的部分，则无法编程，在写入前必须保证页是空的。

NOR的 读、写是字节为基本单位操作的，但擦除是以扇区操作的。

综上所述在芯片操作上，NAND要比NOR快很多，因为NAND是页操作的而NOR是字节操作的。

12、应用： NAND 正是基于这种构造：块、页，无法字节寻址，页读写本身就靠的是内部复杂的串、并行转换 ，因此也没有很多地址引脚，所以其地址、数据线共用，所以容量可以做的很大 。 NOR 是和SRAM一样的可随机存储的，也不需要驱动，因此，其地址就有限，所以容量普遍较小，其实是受限于地址线。

基于以上几点，在工业领域，NOR 用的较多，特别是程序存储，少量数据存储等。 在消费领域，大量数据存储，NAND较多。

Flash ROM是利用浮置栅上的电容存储电荷来保存信息，因为浮置栅不会漏电，所以断电后信息仍然可以保存。也由于其机构简单所以集成度可以做的很高，容量可以很大。Flash rom写入前需要用电进行擦除，而且擦除不同与EEPROM可以以byte(字节)为单位进行，flash rom只能以sector(扇区)为单位进行。不过其写入时可以byte为单位。flash rom主要用于bios，U盘，Mp3等需要大容量且断电不丢数据的设备

存储器局限性

闪存最关键的限制可能是写/擦除周期数有限。

为应对这种限制，可采用固件或文件系统驱动器，对存储器写的次数进行逐次计数。这些软件将动态地重新映射这些块，在扇区间分享写操作。换句话说，万一写操作失败，软件通过写验证和重新映射向未使用的扇区授权写操作。

像RAM一样，闪存可以一个字节或一个字一次进行读或编程，但擦除必须是一次进行一个完整的块，将块中的所有位重新置位为1。这意味着需要花更多时间进行编程。例如，如果将一位（0）写入一个块，要对该块重新编程，就必须完全擦除此块，而不是仅仅重写该位。