20211013传统机械硬盘工作原理、传统CMR磁盘与SMR瓦叠磁盘区别、固态硬盘原理、ASSSSDBenchmark、

一、传统机械硬盘工作原理

如图，机械硬盘主要由 磁片、马达、磁头臂、磁头组成

磁片上有许多“小格”，能够存储两种极性，也就是所谓的010110等二进制，来达到存储数据的效果

在工作时，磁头可以判断极性，悬浮在磁片上几纳米，通过磁头臂与马达的旋转，就可以读取磁盘表面的数据

磁盘表面又会划分为无数的磁道和许许多多的扇区

假设磁盘要读取某信息时（如图所示红色区域），磁头臂就先旋转到某一对应磁道上，再等待马达驱动磁片旋转到对应扇区，从而读取该数据

这就是传统机械硬盘(垂直式存储记录)的基本工作原理

二、传统CMR磁盘与SMR瓦叠磁盘区别

我们放大磁片表面，将它拉直，就会发现：写磁头写入的数据（绿色区域）很宽，而读磁头仅仅需要窄窄一条就能读取（橘色区域），现阶段技术无法将写磁头做小。这也就相当于磁片上一部分区域被浪费了，而且磁道与磁道中间也会有间隔
这就是传统的磁盘，也叫作CMR磁盘

从图中就可以轻易看出，传统CMR磁盘会浪费部分磁盘区域，导致数据密度不会变得很大

为此，一种新技术诞生了：SMR（瓦叠磁盘）------ 将一条条的磁道像瓦片一样堆叠起来

前文可知：读磁头只有很窄的一条，而写磁头却很宽。
可以将磁道像瓦片一样堆叠起来。写入一行新数据，会盖到下一磁道，而写入下一磁道数据时，会将前面的数据覆盖

这样，虽然每次写数据，都要覆盖下条磁道，但写下条磁道时，会将之前的数据覆盖。

而读磁头比较窄，所以丝毫不影响读磁头的工作

这样的新技术，看似节约了磁盘容量，提升了磁盘的密度，可事实上是这样吗？

当改磁道的数据时，传统CMR磁盘由于磁道与磁道间互不干扰，直接更改磁道数据即可：

而新技术SMR瓦叠磁盘，在改写数据时，必然会影响到其他磁道的数据：

怎么解决呢？解决的方法也很简单：

为了改写该磁道的数据，先将下磁道数据 “搬走” 。而你将该磁道数据改写完成后，要将刚 “搬走” 磁道的数据再移回来，可这样再写入就又会影响下磁道的数据。就这样，为了改写一个磁道的数据，而牵连变动了很多磁道

原来CMR磁盘只需要一次写入就能完成的操作，新技术SMR瓦叠可能要很多次才能完成

因此这种新技术看起来很厉害，能够大幅提高磁盘容量（换过来说就是相同容量成本低），但是性能十分弱鸡

而改写所影响的其他磁道的数据，需要事先 “搬走” ，这也就是为什么缓存会从传统CMR磁盘的64M变成了SMR瓦叠磁盘的256M

这个所谓的256M缓存，不是加量不加价，而是用来存放搬走的数据的

综上所述：SMR瓦叠磁盘作为一种新技术，可以让硬盘厂家在相同的材料成本下，做出容量更大的磁盘。但是性能却相对传统的CMR磁盘弱鸡不少。因此选购磁盘时一定不要买SMR瓦叠磁盘。通常情况下就是看缓存是64M还是256M

三、固态硬盘原理、ASS SSD Benchmark、

上文所述，传统机械硬盘是纯纯的传统物理，而固态硬盘所处的是量子力学领域

如图，浮栅级中有大量电子，当电子数目高于一定的阈值时，判断为正，也就是0，否则为负，判断为1

在读取数据时，给控制级施压，如果源级与漏级之间导通，则说明电子数目多，判断正，也就是0；没有导通，也就是电子数目少，判断为1

写入数据时，给P级施压，电子从浮栅级析出到P级，从而控制浮栅级电子数目，来判断正负；给P级施压，电子又会从P级析出到控制级

无数的浮栅堆在一起，就可以存储大量的数据，也就是NAND颗粒，也就是前文提到的闪存颗粒，也就是固态硬盘表面的 “黑块”

而读写的操作是通过主控来实现的

在工作时，为了提高性能，添加了缓存区域（类似电脑中的内存）来进行缓冲，也就是 主控 --> 缓存 --> 闪存

当缓存跑完后，主控会直接和闪存颗粒交互，此时会出现阶梯式的性能下降（一次读写大容量时）

相对于固态硬盘这种量子力学领域的纯电信号电路结构，传统的机械硬盘物理磁结构会有很大弊端：

最左边为传统机械硬盘，中间为sata3固态硬盘，最右边为M.2 Nvme固态硬盘

可以看出，机械硬盘相较于固态硬盘，在随机读写（4K和4K-64）和延迟（访问时间）有着巨大差距

附：
Seq：顺序读写 体积很大，数量稀少。如：电影、压缩包、图片、大文件
4K：随机读写 体积不大，数量巨多的分散性文件。如： 系统、游戏、软件等
4K64Thread：多线程随机读写 并发地进行多次4K随机读写
Acc.time：访问延迟 寻道寻址能力

不难想到，就顺序读写来说，如果数据刚好在同一磁道上，那机械硬盘几乎不需要寻道寻址，很轻松就能跑出高速
而到了随机读写上，数据分散在磁片面各个位置，磁头臂必须多次存道寻址，因此传统机械硬盘的随机读写性能低下
循环往复的寻道寻址，磁头臂旋转与磁片旋转都需要时间，这也就造成了很大延迟

我们的日常使用，是零散文件非常多的操作系统、软件、游戏等
真正影响日常体验的，恰恰是4K随机读写与延迟。

因此，机械硬盘显然更适于企业或个人用户存储大量数据（文件、图片、压缩包），不适合于日常使用