硬盘储存（硬盘外存）

本篇文章算是这个系列的第二篇。第一篇的USB感觉着实有点太复杂了（毕竟USB本来就很复杂，再加上我拓展了不少，把我能想到的全都写到了）。写完这个之后，我想写一下电脑重要的部件。当然，我不会从CPU来讲，因为对于用户而言，我们不太需要知道CPU是怎么工作的，毕竟CPU的调度由操作系统给我们代劳了，我们基本不用管。并且，每一年的常用的CPU型号就那么多，笔记本电脑也换不了CPU，就不存在升级的问题。

因此，接下来我选择要讲解的硬件的原则就是：需要我们用户自己去关心、维护甚至调度，直接影响使用体验，可能存在升级问题，易混淆。满足这些条件的也就是内存和硬盘了（当然，也不是说操作系统不会调度内存，但是内存比较影响使用体验，也是大家应该去关心运行状态的一个部件，其实也就是关心有没有满）。我想了一下，还是先从硬盘讲起。

硬盘是目前常见的外存（还有U盘、磁带、软盘等等），外存是长期存储数据的地方，它的好处在于：只要你保存了，即使断电，数据也会依然存在。机械硬盘已经存在了很多年，这里不讨论已经淘汰的技术。从容量上来看，目前机械硬盘都是1T起，再低的都是二手或者库存。我相信不少对电脑一窍不通的人也听说过固态硬盘这个东西，也听说固态硬盘能极大地提升电脑速度。

机械硬盘

上图是机械硬盘的结构。机械硬盘利用磁盘上面的磁来存储数据，我们根据磁盘上的一个个区域的磁场是向上还是向下来区分0,1（对比早期是利用左和右，所以现在的叫垂直式）。在磁盘高速旋转时（7200或5400转每分钟），让磁头改变磁道（也就是磁盘的内圈还是外圈），找到对应的扇区（就是角度），来找到数据。

对数据的操作有两种，一种是读，一种是写。读的话就是把硬盘的数据解析出来，它不改变原有的数据；写就是把信息写入硬盘中（机械硬盘就是改变磁极），原有的信息就消失了。因此，我们将写称为一种破坏性的操作。读写不仅适用于机械硬盘，也适用于固态硬盘和内存（虽然原理不太一样）。

由于我们查找数据的时候依赖磁头寻道和磁盘转动，所以会比较慢。这个问题在你随机读写的时候表现尤为明显。比如说，你想访问外磁道某个扇区上的文件，接下来要访问内圈磁道的文件，然后要访问中间某磁道的文件……除了你的磁头要移动到对应的磁道需要花费时间（寻道时间），还需要等到你的磁盘转到你的文件的位置（转动延迟），如果你想访问的数据刚好在寻道完成的时候转了过去，那么对不起，请再等一圈。因此，机械硬盘随机读取的速度很慢。我用AS SSD软件测试的时候，测试1G的4k随机读取和随机写入（每个文件大小4k，总共1G的读取和写入）速度均只有不到1MB/s。而电脑中这种4k左右大小的小文件有很多，所以机械硬盘加载软件（包括系统）特别慢。

与随机读写相对应的就是顺序读写。这个场景就是你读取或者写入一个大型文件，比如一部电影或者一个大的压缩包。顺序读写要比随机读写快很多，机械硬盘的顺序读取速度大约是110MB/s，顺序写入大约是80MB/s。

下面说一下叠瓦式硬盘（SMR）。叠瓦式硬盘和传统硬盘不同,它采用了磁道重叠技术（类似瓦片堆叠），也就是读取的时候没什么差别，但是写入的时候不仅修改目标磁道，而且可能会牵连到附近的磁道。这个技术可以让硬盘在更小的体积内装入更多的数据（因为这样可以少用几个磁盘，磁盘与磁盘之间是垂直排列的），尤其是寸土寸金的笔记本内。目前几乎所有笔记本硬盘都是2.5英寸叠瓦式硬盘（当然，随着固态硬盘降价，越来越多的电脑厂商在轻薄本内放弃了机械硬盘）。

SMR让磁道排列得更紧密，带来的问题是：如果你要修改数据，那么会影响到相邻磁道。因此，这类机械硬盘会在写入数据之前，先把原有的数据放入缓存（因此，这类硬盘缓存通常很大，机械硬盘的缓存也是电脑配件中为数不多的不是越大越好的东西），在写入一段时间或者空闲的时候去重新整理数据。因此，这种硬盘会影响顺序写入的速度。但是……叠瓦式机械硬盘和垂直式机械硬盘价格基本一样，同样的钱为什么不买更好的呢？这也是网上大多数人都会吐槽叠瓦式硬盘的原因。

最后说一下品牌。机械硬盘的品牌目前只剩下三家主要的品牌，分别是东芝、西部数据（西数）和希捷。三者价格几乎一样。

固态硬盘

固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，因为台湾英语里把固体电容称之为Solid而得名。SSD由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。SSD速度更快，价格也更贵（相比机械硬盘）。

ROM

SSD的芯片是ROM。说起ROM，大家可能会想到中小学信息技术课本里面的RAM和ROM。ROM在中小学的课本里面被翻译成“只读存储器”。这个名字其实很误导人。最开始的ROM确实是只读不写的，里面的程序要么是制造芯片的时候就有的，要么就是芯片做好之后烧录进去（然后就无法再改动了）。后来，人们发明了利用紫外光擦除的RAM芯片。再往后，就有了用电擦除的ROM，换句话说，你可以直接编程擦除了。

由于现在的ROM是既可以读，又可以写的，所以我们的数字电子技术的课程就把它翻译成“非易失性存储器”。其实U盘也是用ROM制作的（移动硬盘一般是2.5寸机械硬盘），主要区别在于主控（就是字面意思，不太好解释）不同。

接口与协议

如果看过我讲USB的话，我相信你已经深深地感受到被接口与协议支配的恐惧。这里讲得尽量简单一些。当然，这里只讲目前常见的，小众的和基本被淘汰的我就不讲了。此外，下面的区分右侧两个m.2接口的硬盘类型并不能100%准确，还是要看商品详情页。

协议	SATA	SATA (NGFF)	PCIE (NVME)
接口	SATA	M.2
		两侧或左侧有缺口	右侧有缺口
图片
备注	无论大小还是接口都和2.5英寸的机械硬盘相同，一般只推荐给没有M.2接口的老电脑用	一般都是这样两侧缺口的，大部分M.2都兼容。虽然性能一般，但是也没比第三种便宜多少……	几乎都是右侧缺口，注意部分老的M.2不兼容（尤其是有些左边凸起的根本插不进去）
	走的是SATA总线，最多6Gbps		PCIE*4通道

根据我的经验，只要不太差的NVME的固态硬盘，读写速度基本都能达到接近大约1500MB/s（不包括缓外读写，缓存后面再讲），这个是3倍的SATA总线（SATA 3）的速度。目前PCIE总线基本都是第三代，第四代已经有部分CPU和主板支持了，但是目前（2020年6月）绝大多数人都用不上这个速度。第三代PCIE*4通道的最大速度是4000MB/s。当然，速度更快的固态硬盘也更贵。这里也不具体说价格，因为固态硬盘总体来看价格降了很多，但最近波动又比较大。

其实，SATA到NVME虽然速度提升了很多，但是，体验提升并没有那么大。最影响日常体验（系统开机、运行和软件打开）的随机读写速度，固态硬盘较机械硬盘有了质的飞越（从不到1MB/s到几十MB/s），SATA到NVME提升就没有那么强烈，除非你的日常工作就和大型文件的导入导出相关。不过，这两者的价格差不多，甚至出现过有更好的NVME硬盘比M.2的SATA硬盘更便宜的现象。如果你是因为容量问题要换硬盘，还是直接上更好的吧。

补充一下手机端的情况。手机的闪存（就是8 128的128）也相当于是固态硬盘，只不过是协议不同。苹果手机的闪存也是NVME协议（但是可能和电脑端的不太一样，这些细节的东西不太好查找资料）；安卓手机目前有两种——一种是用在低端手机上的emmc，另一种是高端机型的UFS。目前，旗舰手机的闪存已经是UFS 3.0甚至是UFS 3.1（3.1似乎也没量产多久，3.0是大概在2019年下半年量产的），稍微低端一点的会用UFS 2.1。

SLC,MLC,TLC,QLC

这几个的区别在于，SLC在一个闪存颗粒里面存放1bit数据，也就是一个0或者1；MLC放入2bit，通过划分的不同电压值来区分0-3；TLC放入3bit；QLC放入4bit。SLC是最早的形态，一个闪存颗粒里面放入一个数据效率最高，但是……太贵。现在主流的操作是，人们将一个闪存颗粒里面挤进去3bit数据（或者说区分8个状态）。也就是说，TLC是目前的主流，价格可以接受，性能也还行。但是，一个颗粒放入3bit的速度不如只放入1bit，于是，人们将一部分TLC颗粒只放入1bit数据来模拟SLC的工作以加快工作速度。这样，只要文件不是太大，就先放入缓存，快速读入，等到空闲的时候再从缓存中拿出来，放入真正的TLC颗粒中。这就是SLC缓存，也就是前面提到缓外读写的缓存。

有些硬盘是单独用一部分颗粒做缓存，这些颗粒不在标注容量内，这是独立缓存；也有些硬盘没有，只是用一部分用来存储的颗粒当缓存。没有独立缓存的缺点在于，存储较多数据后，能拿来当SLC缓存的颗粒就会减少，这样缓存减少，读写性能就会下降。

理论上，一个颗粒里面放入的数据越多，相同容量下的价格也越低，不过读写也越慢。理论上，QLC价格会更低（但是目前我看到的结果是，并不比TLC便宜多少），并且用完SLC缓存后，顺序写入的速度几乎和机械硬盘相当了。不知道以后会不会有大容量的QLC硬盘取代绝大多数的机械硬盘。

寿命与安全性

固态硬盘的寿命不如机械硬盘，并且由于工作原理的关系，固态硬盘一旦损坏，数据很难找回（或者说大多数情况都无法找回）。并且，一个闪存颗粒挤进去的数据越多，损耗越剧烈。目前TLC固态应该可以做到基本与电脑整体寿命差不多（是指正常迭代使用的情况下）。除了闪存颗粒之外，硬盘的主控也是容易损坏的部件。

由于工作原理及损耗的原因，固态硬盘不建议分区。当然，如果你只有一个硬盘，我还是建议你分区的，否则重做系统的话，所有的文件都会消失。

还有就是固态硬盘在接近满盘的时候速度会下降，因此建议保留10%以上的空间。很多厂家也是通过强行修改可用容量来避免使用者存得太满。这就是为什么很多硬盘都会标注120G，480G等奇怪的数值，而不再是像128G,512G这样的“整数”了。

品牌

由于生产固态硬盘的难度比机械硬盘简单很多（只要买来PCB版、闪存颗粒以及主控，然后焊在一起就可以），加上固态又是一个热点，因此固态硬盘品牌众多（基本上不论是生产主板、内存、显卡还是机械硬盘的厂家甚至是很多小厂家都来凑热闹了），这里也不做推荐了。但是，要提醒的是，有些小厂家可能会用闪存颗粒的残次品来生产固态硬盘，那些可以自己生产闪存颗粒的厂家相对更靠谱（别问我都有哪些，自己到B站、百度等地方看评测或者查找资料）。

手机硬盘

我们买手机的时候经常会听到6 128，8 256等，后面的128, 256就是硬盘容量。手机的硬盘也是固态硬盘的一种，不过用的协议和电脑端不太一样。

首先说苹果，苹果手机使用的是NVME协议，和电脑端NVME名称一样，但是实际性能还是有所差距的。

再来说安卓这边。安卓这边有两种协议，一个是UFS，一个是EMMC。后者速度较慢，虽然也在不断迭代，但是始终是比不过同时代的UFS；不过，由于其价格更低，所以还是被用在低端手机上（一般千元以下）。而更主流的是UFS协议。在2019年下半年，旗舰手机大部分都用上了UFS 3.0；2020年，UFS 3.1也开始量产。由于成本的原因加上部分芯片不支持，中端手机大部分还是UFS 2.1。

庞衍泽，2020年6月28日

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