1.2 存儲介質

“存儲介質”是存儲信息的載體。不同的存儲介質有不同的物理形態，并采用不同的物理原理來承載信息。例如，紙張就是一種存儲介質，文字信息以墨水書寫的方式加載到紙張之上。在現代社會的信息化領域，絕大部分信息是以數字形式存在的，因而存儲介質主要被用作存儲二進制的“0”或“1”。數字信息的存儲介質實質上是實現數字信號表示的物質或元器件，這種物質或元器件具有表現兩種相反物理狀態的能力，這兩種物理狀態的改變速度決定了存儲器的存取速度。存儲介質是構成存儲設備的基礎，目前常用的數字存儲介質有磁存儲介質（簡稱磁介質）、光存儲介質（簡稱光介質）和半導體存儲器等，下面將以此順序介紹各種相關的存儲技術。

1.2.1 磁介質

磁存儲介質利用磁場和磁感效應來產生讀寫二進制數據的環境，根據其外形可分為磁帶、磁鼓、磁盤等。磁帶存儲容量大、價格低、適合長期保存，可以在較低的成本下實現具有TB級存儲容量的存儲系統。磁盤是各種計算機系統中被廣泛使用的大容量外存儲器，早期磁盤可分為硬盤和軟盤兩類。硬盤盤基用非磁性輕金屬材料制成，容量大、存取速度快；軟盤盤基用撓性塑料制成，容量小、可拆卸、攜帶方便。

1．軟盤

在20世紀60年代末70年代初期，IBM公司推出全球第一臺PC，為解決計算機操作指令的存儲問題，其于1967年推出世界上第一張“軟盤”，直徑為32英寸，開啟了軟盤的研制之路。1971年，Alan Shugart推出一種直徑為8英寸的表面涂有金屬氧化物的塑料質磁盤，這就是標準軟盤的“鼻祖”，容量僅為81KB。8英寸的軟盤雖然從技術原理上已經很接近現代軟盤，但缺陷就是體積過大，攜帶很不方便，于是5.25英寸軟盤誕生了。為了改進5.25英寸軟盤易損壞、體積較大等缺點，索尼公司于1980年率先推出體積更小、容量更大的3.5英寸軟驅和軟盤，以其便宜的價格、相對更大的存儲容量很快全面占領市場。20世紀90年代，3.5英寸/1.44MB軟盤一直是PC的標準數據傳輸方式之一。圖1-1為各種規格的軟盤。然而，隨著社會信息量的迅速增加，軟盤容量過小、讀寫速度慢、壽命短、可靠性差、數據易丟失等缺點逐漸顯露出來，已不能滿足數據存儲的需求。特別是在以U盤為代表的大容量可移動存儲器出現之后，軟盤漸漸地淡出了人們的視線，時至今日已經少有PC支持軟盤驅動器。

2．硬盤

1956年，IBM公司制造了第一款硬盤驅動器IBM 350 RAMAC，包含50張24英寸的盤面，容量不到5MB，讀寫速率為1.1KB/s。以現在的眼光來看待IBM公司350 RAMAC還算不上真正意義的硬盤，但它開創了信息存儲的新時代。隨后IBM公司于1980年制造了IBM 3380，它是首個容量突破1GB的硬盤，總容量2.52GB，重約250kg。硬盤自出現之后便成為計算機系統的重要組成部分，與不斷改進的計算機外設接口技術相結合，形成大容量、高速率的存儲系統。

硬盤自1956年誕生以來，跨過了60年的風風雨雨，已經成為計算機主要的存儲媒介。回顧當年IBM公司發明的世界上第一塊硬盤僅有5MB的存儲空間，卻由50張24英寸的碟片組成，所占體積在現今人們對計算機的理解來看是不可想象的。1973年，IBM公司又成功研制了新型的曼徹斯特硬盤，擁有兩個30MB的存儲單元，其體積大大縮小，存儲密度也大為提高。隨后，硬盤驅動器也從控制技術、接口標準、機械結構等方面進行了一系列的改進，硬盤朝著大容量、小體積、高讀取速度的方向不斷發展。硬盤的尺寸也從最初的5.25英寸和3.5英寸再降到了2.5英寸，其應用領域也從PC拓展到了便攜式電子產品。固態硬盤的出現是硬盤技術的一個重大變革，隨著半導體存儲芯片的成本逐漸降低、穩定性逐漸提高，固態存儲介質已經在消費類電子產品中相當普及，在PC領域也大有取代硬盤的趨勢。

硬盤是由固定面板、控制電路板、盤頭組件、接口及其他附件等組成，其中盤頭組件是構成硬盤的核心，封裝在硬盤的凈化腔體內，包括浮動磁頭組件、磁頭驅動機構、盤片及主軸組件、前置讀寫控制電路，硬盤的內部結構如圖1-2所示。

浮動磁頭組件由讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸三部分組成。磁頭是硬盤技術中最重要和關鍵的一環，實際上是集成工藝制成的多個磁頭的組合，它采用了非接觸式頭、盤結構，加電后在高速旋轉的磁盤表面飛行，飛高間隙只有0.1～0.3μum，可以獲得極高的數據傳輸率。現在轉速5400rpm的硬盤飛高都低于0.3μm，以利于讀取較大的高信噪比信號，提供數據傳輸存儲的可靠性。

磁頭驅動機構包括電磁線圈電機、驅動小車和防震動裝置等。高精度的輕型磁頭驅動機構能夠對磁頭進行正確的驅動和定位，并在很短的時間內精確定位系統指令指定的磁道，保證數據讀寫的可靠性。

盤片是硬盤存儲數據的載體，現在的盤片大都采用金屬薄膜磁盤，這種金屬薄膜較之軟盤的不連續顆粒載體具有更高的記錄密度，同時還具有高剩磁和高矯頑力的特點。主軸組件包括主軸部件如軸承和驅動電機等。隨著硬盤容量的擴大和速度的提高，主軸電機的速度也在不斷提升，有廠商開始采用精密機械工業的液態軸承電機技術。

前置讀寫控制電路控制磁頭感應的信號、主軸電機調速、磁頭驅動和伺服定位等，由于磁頭讀取的信號微弱，將該電路密封在腔體內可減少外來信號的干擾，提高操作指令的準確性。

與軟盤類似，硬盤邏輯上被劃為磁道、柱面和扇區，其結構關系如圖1-3所示。

每個盤片的每個面都有一個讀寫磁頭，磁頭起初停在盤片的最內圈，該區域不存放任何數據，稱為啟停區或著陸區，其他區域就是數據區。在最外圈，0磁道一般是硬盤數據開始存放的地方，它存放著操作系統啟動時所必需的程序代碼。所有盤面上同一磁道構成的圓柱即為柱面。每個圓柱上的磁頭由上而下從0開始編號。磁頭讀寫數據時首先在同一柱面內從0磁頭開始進行操作，依次向下在同一柱面的不同盤面上進行操作。

硬盤性能好壞是由其相關的技術參數決定的，硬盤的性能參數主要有如下幾個：

（1）容量

作為計算機系統的數據存儲器，容量是硬盤最主要的參數。硬盤內部往往有多個疊起來的磁盤片，所以說“硬盤容量=單碟容量×碟片數”。硬盤容量當然是越大越好，以便可以裝下更多的數據。要特別說明的是，單碟容量對硬盤的性能也有一定的影響：單碟容量越大，硬盤的密度越高，磁頭在相同時間內可以讀取到更多的信息，這就意味著讀取速度得以提高。

（2）轉速

轉速是硬盤內電機主軸的旋轉速度，也就是硬盤盤片在一分鐘內所能完成的最大轉數。轉速的快慢是標示硬盤檔次的重要參數之一，它是決定硬盤內部傳輸率的關鍵因素之一，在很大程度上直接影響到硬盤的速度。硬盤的轉速越快，硬盤尋找文件的速度也就越快，相對硬盤的傳輸速度也就得到了提高。

（3）平均訪問時間

平均訪問時間是指磁頭從起始位置到目標磁道位置，并且從目標磁道上找到要讀寫的數據扇區所需的時間，體現了硬盤的讀寫速度。

（4）傳輸速率

硬盤的數據傳輸率是指硬盤讀寫數據的速度，單位為兆字節每秒（MB/s），包括內部數據傳輸率和外部數據傳輸率，分別反映硬盤緩沖區未用時的性能和系統總線與硬盤緩沖區之間的數據傳輸率。

（5）緩存

該指標指在硬盤內部的高速存儲器。緩存的大小與速度是直接關系到硬盤的傳輸速度的重要因素，能夠大幅度地提高硬盤整體性能。DFT（Drive Fitness Test，驅動器健康檢測）程序對硬盤進行檢測時，可以讓用戶方便快捷地檢測硬盤的運轉狀況。

硬盤的容量越來越大，容納的資料自然也越來越多，這個時候就需要硬盤具有較高的可靠性和安全性，數據保護技術和抗震技術只會變得越來越重要，各個廠商應該在此投入更多的精力。目前主要的硬盤數據保護技術有S.M.A.R.T技術、DFT技術、加密技術等。通過S.M.A.R.T．技術，可以對硬盤潛在故障進行有效預測，提高數據的安全性。

1.2.2 光介質

光存儲介質的主要代表為光盤存儲器，其利用激光讀出和寫入信息，主要優點是密度高、容量大，一個直徑12英寸的光盤能存儲2.5GB信息，位存儲成本低廉。但是光盤的存取時間要比磁盤長，一般為100～500ms，并且記錄的信息不易擦除改寫。

第一張光盤于1958年發明，之后雖然對光盤數據存儲的研究持續了幾十年，但直到1984年CD-ROM黃皮書的公布以及1988年只讀光盤和可擦除光盤的出現，光盤才成為主要數據存儲介質之一。作為CD的發展，用于記錄視頻和音頻的數字化視頻光盤（DVD）產生了。隨著光盤的不斷使用以及光存儲研究的不斷發展，光盤的價格急劇下降，并成為非常重要的存儲設備和音頻視頻的重要載體。特別是2003年國際藍光光盤標準的統一，單盤存儲量可達50GB，使得光盤存儲在社會各個領域得到了廣泛應用。

1．光盤的結構及其工作原理

光存儲是由光盤表面的介質實現的，其盤面上有凹凸不平的小坑，光驅中的激光照射到上面會有不同的光反射回來，光驅再將這些光轉化成0或1的二進制數據。反之，在光盤上存儲數據需要借助激光把二進制數據“刻”在扁平、具有反射能力的盤片上。為了識別數據，將激光“刻”出的小坑定義為二進制“1”，而空白處定義為“0”。根據光盤的結構，光盤主要分為CD、DVD、藍光光盤等幾種類型，它們雖然在結構上有所區別，但是主要結構及其原理是一致的，下面以CD為例來介紹光盤的結構，如圖1-4所示。

CD光盤非常薄，只有1.2mm厚，主要分為五層，即基板、記錄層、反射層、保護層、印刷層。其中，基板是整個光盤的物理外殼，是各功能性結構的載體；記錄層是刻錄信號的地方；反射層是反射光驅激光光束的區域；保護層用來保護反射層以及防止信號被破壞；印刷層是印刷客戶標示、容量等信息的地方。

光盤驅動器負責向光盤讀取和寫入數據，其主要的部分是激光發生器和光檢測器。激光發生器實際上是一個激光二極管，它可以產生對應波長的激光光束，經過一系列處理反射到光盤上，然后經由光檢測器捕捉反射回來的信號進而識別數據。光盤在光盤驅動器中高速轉動，激光頭在電機控制下前后移動，數據就不斷地被讀取出來。目前主要的讀取技術有三種，分別是CLV技術、CAV技術和PCAV技術。

CLV:（Constant Linear Velocity）技術恒定線速度讀取方式，在低于12倍速的光驅中使用的技術。它為了保持數據傳輸率不變，而隨時改變旋轉光盤的速度。讀取內部數據的旋轉速度比外部要快許多。

CAV:（Constant Angular Velocity）技術恒定角速度讀取方式。它是用同樣的速度來讀取光盤上的數據。但光盤上的內部數據比外沿數據傳輸速度要低，越往外越能體現光驅的速度，倍速指的是最高數據傳輸率。

PCAV:（Partial CAV）技術區域恒定角速度讀取方式，是融合了CLV和CAV的一種新技術。它在讀取外沿數據時采用CLV技術，在讀取內部數據時采用CAV技術，以提高整體數據傳輸的速度。

2．光盤的分類

光盤可以大致分為兩類，一類是只讀光盤（如CD-ROM、DVD-ROM），這種光盤只能用來播放已經記錄在盤片上的信息。市場上的視頻錄像盤及數字音響唱盤屬于此類。另一類是可寫光盤（如CD-Recordable、CD-R、MO等）。可寫光盤又包括三類。一類為一次性寫光盤，這類光盤具有讀寫功能，它可用于文檔存儲和檢索以及圖像存儲和處理。另一類為可重寫光盤，這類光盤除用來寫、讀信息外，還可以將已經記錄在盤上的信息擦去，然后再寫入新的信息，但擦和寫需要兩束激光、兩次動作才能完成，即先用擦激光將某一信道上的信息擦除，然后再用寫激光將新的信息寫入。還有一類為直接重寫光盤，這類光盤可用一束激光、一次動作寫入信息，即在寫入新信息的同時將原來的信息自動擦除。表1-1簡單給出了光盤的主要種類和應用領域。

由于光盤類型不同，光盤容量和尺寸也不同。目前光盤的規格、尺寸和容量大小如表1-2所示。

光盤存儲技術近年來發展比較迅速。相比于其他存儲技術而言，它具有很多獨特的優點，如存儲密度高、容量大，這是由光盤的高道密度所決定的。光盤可通過光對記錄介質的反射實現精密的道跟蹤，其道間距在1μm以下，遠小于硬盤的道間距。隨著光盤技術的不斷發展，還可能通過采用短波激光器和大數值孔徑的物鏡進一步縮小記錄點的直徑，以提高光盤的存儲密度。

光盤壽命相對較長。由于光盤的記錄讀出頭和盤面不接觸，在使用光盤多次讀出時，光盤表面的記錄信息不會被破壞，同時也延長了光盤的使用壽命。在常溫下，數據保存壽命可超過100年。

隨著光學技術、微電子、激光技術、材料科學、細微加工技術、計算機與自動控制技術的發展，光盤存儲技術在存儲密度、容量、數據傳輸率、功能多樣化等方面都有很大的發展。光盤不僅適用于大數據信息的存儲和交換，而且還能同時存儲圖、文、聲、像等各種信息，滿足信息存儲、傳輸和管理的要求，因而得到了廣泛應用，特別是在音像出版領域。

1.2.3 半導體存儲器

半導體存儲器（semi-conductor memory）是一種以半導體電路作為存儲媒介的存儲器，按其功能可分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。

所謂“固態存儲”技術，指的就是以半導體存儲器件為介質進行數據存儲和讀取的一種技術。早期的固態存儲技術主要是基于DRAM的，近年來，基于Flash的固態存儲技術日趨成熟，逐漸與基于DRAM的固態存儲技術各領風騷，成為當今固態存儲領域的兩大技術流派。對于Flash來說，根據存儲單元組織結構的不同，主要可以分為NAND型和NOR型。NOR Flash是Intel公司在1988年提出的存儲架構，NAND Flash是TOSHIBA公司在1989年提出的存儲架構。兩者都是基于“浮動門場效應管”的半導體存儲器件，都是非易失性存儲器，基本操作包括讀、編程（或寫）和擦除。NOR Flash成本相對較高，通常用于存儲小容量的代碼；NAND Flash則通常作為大容量存儲器件，某些場合下可用于替代磁存儲介質，以獲得更快的存儲速度和更好的穩定性。

有關NAND閃存技術是本書的重點內容，有關NAND閃存固態硬盤的更多細節將在后續章節陸續展開講述。