1. 机械硬盘(HDD)和固态硬盘(SSD)
1.1 机械硬盘(HDD)
构造:机械硬盘由一个或多个磁盘片组成,这些磁盘片在一个密封的外壳内高速旋转。读写磁头悬停在磁盘片表面,通过电磁感应原理读写数据。
数据存储:每个磁盘片表面被分为多个同心圆轨道和扇区,数据通过改变磁性材料的极性来存储。读写磁头需要移动到正确的位置才能访问数据。
优缺点:HDD具有高存储容量和低成本的优势,但读写速度相对较慢,容易受到震动和物理损伤。
1.2 固态硬盘(SSD)
构造:SSD由多个NAND闪存芯片和一个控制器组成。控制器负责管理数据的读写、错误检测和纠正等任务。
数据存储:通过在NAND闪存芯片的存储单元中存储电荷来表示数据,每个存储单元可以存储一个或多个比特的信息。
优缺点:SSD的读写速度极快,启动时间短,耐用性和抗震性能高,但单位存储成本较高。
2. Flash存储技术分类
2.1 NOR Flash
特点:NOR Flash具有独立的地址线和数据线,可以进行随机字节寻址,适合存储需要频繁读取的代码,如BIOS和嵌入式系统的固件。
速度:读取速度快,但写入和擦除速度较慢,适用于读取操作多于写入操作的场景。
2.2 NAND Flash
特点:NAND Flash采用复用的地址线和数据线,不能进行随机字节寻址,只能按页读取和写入数据。NAND Flash的存储密度更高,成本更低。
速度:写入和擦除速度快,但读取速度稍慢于NOR Flash,适合大容量数据存储,如SSD、USB闪存和存储卡。
3. 存储单位
字节(Byte):计算机存储的基本单位,由8个二进制位组成。内存和存储设备中的数据都是以字节为单位进行存储和传输的。
页(Page):内存和Flash存储管理的基本单位。在x86架构的Linux系统中,一个页通常是4KB。页在内存管理和Flash存储中用于高效地分配和管理存储空间。
扇区(Sector):磁盘存储的基本单位,通常为512字节或4KB。磁盘被分成多个扇区,每个扇区用于存储特定的数据块。
块(Block):文件系统管理的基本单位,由多个扇区组成。文件系统通过块来管理磁盘空间,块的大小通常为4KB或更大。在Flash存储中,擦除操作也是按块进行的。
4. 使用Flash存储时的重要事项
数据写入特性:Flash存储的每个位只能从1变为0,不能从0变为1。因此,在写入新数据之前,必须将存储区域擦除,即将所有位都置为1。
出厂状态:大多数Flash存储在出厂时,未使用的空间默认每个位都是1。这是因为制造过程中,存储单元被初始化为1。
擦除操作:写入数据之前,必须先进行擦除操作。擦除操作将目标存储区域的所有位都置为1,以便新的写入操作可以将1变为0。擦除操作通常按块进行,块的大小取决于具体的Flash芯片。
擦除时间:擦除操作需要一定时间,尤其是大容量擦除(如整片擦除)可能需要几十秒。擦除时间取决于Flash芯片的类型和制造工艺。
5. 实际应用
嵌入式系统:嵌入式系统通常使用小容量的NOR Flash存储引导代码和固件,因为NOR Flash支持随机字节读取,非常适合存储程序代码。同时,使用大容量的NAND Flash存储文件系统和用户数据,因为NAND Flash的存储密度高,成本低。
消费电子产品:在智能手机、平板电脑和笔记本电脑中,SSD越来越普及,因为其高速读写性能和可靠性能够显著提升设备的性能和用户体验。
数据中心和企业存储:SSD在数据中心和企业存储中得到广泛应用,特别是在需要快速访问大量数据的场景,如数据库、虚拟化和大数据分析。