硬盘接口有哪些？STAT，NVME，NGFF，M.2是什么意思？固态硬盘哪里比机械好？软盘光盘为何被淘汰？U盘的兴衰历史？
本文将从计算机存储介质的历史详细的讲解机械，固态硬盘的原理，以及光盘，U盘，软盘来告诉你想了解的一切
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硬盘发展史
旋转的磁片 - 机械硬盘的历史
巨型硬盘时代
1956年，IBM发明了世界第一个HDD：350RAMAC。这个硬盘有50个24英寸盘片，只有5MB，但是却有两台冰箱一样大，重量超过一吨。
虽然350RAMAC还不能称之为严格意义上的硬盘，但却为计算机发展史掀起了新一页。
在当时，真正意义上的第一台计算机还没有被发明，那些“被用来计算的机器”使用的是纸片打孔编程，因此当时的“程序员”同时是一种体力劳动
温彻斯特硬盘
1973年，IBM研制出一种新型的硬盘IBM 3340，它拥有几个同轴的金属盘片，盘片上涂着磁性材料。这些金属盘片可以和移动的磁头共同密闭封装在一个盒子里面。即使在密闭的封装盒子里磁头也能从旋转的盘片上读出磁信号的变化——IBM 3340可以被称为现代硬盘的祖先。
直到今天，机械硬盘仍然使用这种原理，不过在容量以及读写速率上有巨大的提升
家用硬盘出现
1980年，第一款GB级容量硬盘+第一款家用硬盘诞生，IBM 于1980年推出的IBM 3380，容量达2.5GB。
跟现在的轻量级硬盘不同，IBM 3380的重量超过500磅。
可能是都是没人买得起，并且大家都用软盘安装dos6.0，所有皮卡没找到这款硬盘的图片
GMR巨磁阻效应
在1997年时，另一项划时代的技术诞生了，那就是GMR巨磁阻效应磁头。新磁头相比MR磁头而言更加敏感，如果说用MR磁头能够达到3～5 Gb/inch2的存储密度，那么使用GMR之后，存储密度可以达到10～40Gb/inch2，相对于以前提高了8倍之多，这使硬盘的存储密度又上了一个台阶。
机械硬盘的停滞发展
受限于机械硬盘的瓶颈难以突破，性能上升空间极为有限，又加上SSD这个大敌崛起。从2012年开始，机械硬盘技术的发展几乎是停滞的。以希捷、西数为代表的机械硬盘厂商，新品没发布几款，如今电商在售的桌面机械硬盘还是5、6年的老产品，令人吹嘘。
光刻的时代 - 固态硬盘的历史
说起固态硬盘，现在倒是人尽皆知，如果是在5年前，有人问你什么是SSD固态硬盘，你可能还回答不上来。事实上，固态硬盘并不比机械硬盘晚许多。
早在1970年，StorageTek公司就开发出了第一个固态硬盘驱动器，不过受限于光刻技术，闪存颗粒也仅限于NOR技术，不仅容量低，写入数据也不能长久保存。
直到1989年，世界上第一款固态硬盘出现。（找不到公司了）
坐收专利的企业 - U盘的兴衰
光盘一次性使用的特点也让大家诟病不已，那么有没有可以多次反复使用的移动式便携存储设备呢?
听说过朗科科技吗？你大概率没听说过，但是说到它的发明“优盘”,那么几乎没有人没用过这个产品了。
U盘由于其容量较大，可以反复使用，随意插拔，让其成为了最受欢迎的移动存储设备，一直到今天都是全世界最受欢迎的移动数据传输方式。相信所有人都没想到，U盘这个技术却不是哪家欧美公司的产物，它源自于一家中国公司朗科科技，在朗科科技最为红火的时候，三星、东芝、闪迪等等国际巨头都需要向他购买专利授权，否则都没办法生产销售U盘。
然而，朗科在拥有了U盘的专利和“U盘鼻祖”的称号后，并没有凭借自己的技术优势让自己快速崛起，但是朗科却忘了两个东西，一方面，对于U盘这样的技术专利都会有自己的生命周期，特别是在更新换代如此频繁的互联网时代，朗科的一招鲜极其容易受到其他技术的冲击，比如说在现在各种互联网存储技术、云存储技术盛行，无论是用邮箱还是用网盘，都比朗科的U盘更加方便，这也让朗科其实从上市的极盛开始已经走了下坡路。
硬盘的原理
机械硬盘原理
组成
硬盘是由很多的盘片组成，而其存储信息的方式就是通过盘片表面的磁性物质来存储数据。把盘片放在显微镜下放大，可以看到盘片表面是凹凸不平的，凸起的地方被磁化，代表数字 1，凹的地方没有被磁化，代表数字 0，因此硬盘可以通过二进制的形式来存储表示文字、图片等的信息。
机械硬盘主要由磁盘、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部分组成。
结构
所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。所有的盘片之间是绝对平行的，且在每个盘片的盘面上都有一个磁头来对磁盘上的数据进行读写操作。
磁头
所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动，磁头可沿盘片的半径方向移动，实际上磁头是围绕固定点做圆周移动，而且传统的硬盘中由于所有磁头都固定在同一个控制器上，所以每个磁头同一时刻是同轴的，即从正上方往下看，所有磁头任何时候都是重叠的，在这种情况下每一时刻只有一个磁头能够进行数据的读取。当硬盘启动时盘片在主轴的带动下以每分钟数千转到上万转的速度在高速运转，而磁头在控制器的控制下固定在某个位置上对经过其下方的磁盘区域进行信息的读写。
盘面
硬盘的盘片一般用铝合金材料做基片，硬盘的每一个盘片的两个面都可以用于记录信息，一般每个盘面都会得到利用，都可以存储数据，成为盘面。当然，也有的硬盘为了简化磁头结构或其他原因只利用其中一个面来记录信息，这样每个盘片就只对应一个盘面。每一个盘面都有一个盘面号，按顺序从上至下从 0 开始编号。在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号，因为每一个盘面都有一个对应的读写磁头。
磁道
磁盘在格式化时被划分成许多用于记录信息的同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道。磁道从外向内从 0 开始顺序编号，硬盘的每一个盘面有 300-1024 个磁道，新式大容量硬盘每面的磁道数更多，信息以脉冲串的形式记录在这些轨迹中，这些同心圆不是连续记录数据，而是被划分成一段段的圆弧。这些圆弧的角速度一样，由于径向长度不一样，所以线速度也不一样，外圈的线速度较内圈的线速度大，所以同样的转速度下，外圈在同样时间段里，划过的圆弧长度要比内圈划过的圆弧长度大。磁道是看不见的，只是盘面上以特殊形式磁化了的一些磁化区，在磁盘格式化时就已规划完毕。
柱面
所有盘面上半径相同的磁道构成的一个圆柱面，即在磁盘上所有与主轴距离相同的磁道成为柱面。之所以给出柱面这一概念主要是为了提高磁盘的读写速率。在机械硬盘中数据的读取是依靠磁头来进行的，每个盘面对应一个磁头，而这些磁头通常被固定在同一转轴上，同时这些磁头从磁盘的上方看是重合的，也就是说所有磁头同一时间处于同一半径的磁道上。而由哪个磁头进行数据的读取则由对应的控制系统来进行电子切换，这个过程相对于将磁头移动的相邻的磁道是一个极快的过程，为了提高数据的读/写速率，数据的存储一般是按照柱面的顺序来的，具体的做法就是数据先存储在某一柱面的第一个磁道上，之后建数据存储到同一柱面的第二个磁道上，一直到同一柱面的所有磁道都使用完后才转到下一柱面进行读/写操作。
扇区
扇区是磁盘读写的基本单位，每个扇区包括 512 个字节的数据和一些其他信息，这些信息包含存储数据地址的标识符（盘面号，柱面号，扇区号等）和用于保护数据的纠错码（ECC）。在传统磁盘上，一般盘面上每一个磁道所对应的扇区是相同的，由于盘面上的磁道大小是不均匀的，其中越靠近主轴的磁道长度越小，越远离主轴的磁道长度越大，所以这样的分配方式会造成“大面积小数据”的浪费情况，为了避免这种情况很多硬盘采用同密度盘片，所以半径不同的磁道划分成出来的扇区数量也是不同的，磁道越长所包含的扇区也也就也多。关于扇区号，目前主要有两种定义规则，其中一种是每个磁道拥有自己的扇区号，在每个磁道中扇区号都是从0开始增加的，之后通过CHS（也称3D）寻址方式来对对应扇区进行访问，而另一种则是对硬盘上所有的扇区进行统一编号，其编号规则为：LBA(逻辑扇区号)=磁头数 × 每磁道扇区数 × 当前所在柱面号 + 每磁道扇区数 × 当前所在磁头号 + 当前所在扇区号 – 1 。这两种方式中，前者适合对每个磁道所拥有的磁道相同的传统磁盘，而后者时候采用同密度盘片的磁盘。
硬盘的接口
接口的分类
说起接口（Interface），那么有两个重要的东西便不可以被忽略：
外形定义
顾名思义，外形定义，就是定义硬盘接口的尺寸以及长相，例如，所有的标准SATA3接口都是7+15pin，而m2的不同key对应了不同的缺口
传输协议
不同的接口
IDE
外形定义：40PIN
IDE接口（Integrated Drive Electronics）是电子集成驱动器，是把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。
传输协议：PATA
1986年由康柏、西部数据等几家公司共同开发的ATA接口（Advanced Technology Attachment）出现了，按照当时不可企及的读写速度3.3MBytes/s超越了同时期的所有标准
最大传输速度：约133Mbytes/s
由于是并行传输，所以比较频率意义不大
按照串行总线速率折合约1Gbmps/s
IDE接口优点：价格低廉、兼容性强、性价比高
IDE接口缺点：数据传输速度慢、线缆短、连接设备少
SATA
顾名思义，SATA是Serial ATA的缩写，即串行ATA。这是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而得名。
SATA是目前使用最多的硬盘接口。
外形定义
SATA外型有两种，分别是：
标准SATA
一般台式机就是标准的SATA
迷你SATA （mSATA）
mSATA特别容易与m.2接口混淆，事实上这两种接口差别很大
mSATA一律是8+18pin，这倒是与mini-pcie一模一样，而m.2根据key不同，pin数有所差别
最大传输速度：SATA3为6Gbps/s，约800Mbytes/s
传输协议：SATA协议
SATA通道由于理论带宽的限制（6Gb/s）,极限传输速度也只能到600MB/s
M.2（NGFF）
原名为NGFF接口，全名是Next Generation Form Factor，它是为笔记本电脑制订的新一代接口标准，用以取代原来基于mini PCIe改良而来的MSATA接口。Intel主导制定的M.2接口实际上是个庞大的总集
硬盘接口
其中B、M口两种类型常用于硬盘
在外观方面，两者的差异主要是短插槽部分的金手指数量，Socket 2的SSD接口正反面为5+6个金手指，主板插槽一般可见5个触点，Socket 3的SSD接口正反面为4+5个金手指，主板插槽则一般可见4个触点。目前的大部分M.2 SSD都会采用三段式金手指设计，以便兼容两种接口，而使用两段式金手指的，一般只能使用对应结构的接口。
硬盘长度
M.2接口的固态硬盘宽度22mm，单面厚度2.75mm，双面闪存布局也不过3.85mm厚，但M.2具有丰富的可扩展性，最长可以做到110mm，可以提高SSD容量。M.2 SSD与mSATA类似,也是不带金属外壳的，常见的规格有主要有2242、2260、2280三种，宽度都为22mm，长度则各不相同。
传输协议
M.2接口目前支持两种通道总线，一个是SATA总线，一个是PCI-E总线
有人认为，pcie快是因为它直连cpu，而SATA不是
但是这其实是错误的观点，pcie和SATA都有直连cpu的情况，也都可能由南桥分配通道，关键取决于cpu的I/O部分的分配以及主板线路，所以会出现主板上两条nvme的硬盘口但是性能差别大的情况
SATA协议
SATA通道由于理论带宽的限制（6Gb/s）,极限传输速度也只能到600MB/s
pcie协议
NVM Express（NVMe），或称非易失性内存主机控制器接口规范(Non-Volatile Memory express),是一个逻辑设备接口规范。他是与AHCI类似的、基于设备逻辑接口的总线传输协议规范（相当于通讯协议中的应用层），用于访问通过PCI-Express（PCIe）总线附加的非易失性内存介质，虽然理论上不一定要求 PCIe 总线协议。
NVMe具体优势包括：
①性能有数倍的提升；
②可大幅降低延迟；
③NVMe可以把最大队列深度从32提升到64000，SSD的IOPS能力也会得到大幅提升；
④自动功耗状态切换和动态能耗管理功能大大降低功耗；
⑤NVMe标准的出现解决了不同PCIe SSD之间的驱动适用性问题。
SAS
PCI-E
在传统SATA硬盘中，当我们进行数据操作时，数据会先从硬盘读取到内存，再将数据提取至CPU内部进行计算，计算后写入内存，存储至硬盘中；而PCI-E就不一样了，数据直接通过总线与CPU直连，省去了内存调用硬盘的过程，传输效率与速度都成倍提升。简单的说，我们可以把两种通道理解成两辆相同的汽车，PCI-E通道的汽车就像是在高速上行驶，而SATA通道的汽车就像是在崎岖山路上行驶。很显然，PCI-E SSD传输速度远远大于SATA SSD。
目前PCI-E接口通道有PCI-E 2.0 x2及PCI-E 3.0 x4两种，最大速度达到32Gbps，可以满足未来一段时间的使用，而且早期PCI-E硬盘不能做启动盘的问题早解决，现在旗舰级SSD大多会选择PCI-E接口。
U.2
U.2原名叫SFF-8639，如果光听这个代号，估计没有多少人能真正地把他记正确，所以在后期INTEL将他改名为U.2,这样一来，先不管它是什么接口，至少朗朗上口了。U.2接口的最大特色就是高速低延迟低功耗，支持NVMe标准协议，并且走的是PCI-E 3.0 x4通道，理论传输速度高达32Gbps，而SATA只有区区6Gbps，比SATA快了足足5倍多。
关于机械硬盘的冷知识
LMR/PMR/SMR的区别
硬盘转速的影响
碎片回收机制是什么
关于固态硬盘的冷知识
钽电容是什么？有什么用
SLC/MLC/TLC/QLC的区别
白片黑片降级片是什么
事实上，没有所谓白片黑片之分，当闪存最后制造完成前会检测容量，会根据相应容量进行降级：
例如一片设计单颗32GiB的闪存，在制造时通常会设置32.5G左右的容量，最后光刻完成后，进行容量检测，容量超过32G被称作合格片，少于32G会被降级，比如32G-95%就是容量大于95%但是达不到32G的闪存，以此类推，通常32G容量在50%~60%的会被标记为16G闪存，同理32G-35%左右的会成为8G闪存
One comment
深度好文！