[科普中國]-硬盤容量

硬盤容量的單位為兆字節(jié)（MB）或千兆字節(jié)（GB），主流硬盤容量為500G～2TB，影響硬盤容量的因素有單碟容量和碟片數(shù)量。許多人發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)中顯示出來的容量往往比硬盤容量的標(biāo)稱值要小，這是由于不同的單位轉(zhuǎn)換關(guān)系造成的。我們知道，在計(jì)算機(jī)中1GB=1024MB，而硬盤廠家通常是按照1GB=1000MB進(jìn)行換算的。 硬盤是個(gè)人電腦中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的重要部件，其容量就決定著個(gè)人電腦的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大小的能力，這也就是用戶購買硬盤所首先要注意的參數(shù)之一。

硬盤硬盤的基本結(jié)構(gòu)主要包括：盤片、磁頭、主軸電機(jī)、磁頭定位機(jī)構(gòu)、盤腔、空氣凈化器、接口電路和電源。盤片一般用鋁合金或玻璃作為盤基，盤面涂有一層很薄的磁性材料。盤片安裝在一個(gè)以恒定高速旋轉(zhuǎn)的主軸上，轉(zhuǎn)速通常為3600r/min，在每個(gè)盤面的上、下兩面均配有一個(gè)讀寫磁頭，這些磁頭裝在一個(gè)磁頭定位機(jī)構(gòu)上，載著磁頭內(nèi)向主軸或外向盤片的邊緣移動(dòng)。

硬盤是計(jì)算機(jī)內(nèi)可以以磁的形式存儲(chǔ)數(shù)十億字節(jié)數(shù)據(jù)的一個(gè)重要器件。其內(nèi)部實(shí)際上是一些由一根金屬桿穿起來的圓形磁片，磁片可以在兩面記錄數(shù)據(jù)，每個(gè)磁片都可以被劃分為半徑不同的圓，這些同心圓被稱為磁道。像錄音機(jī)一樣，讀取磁片上的數(shù)據(jù)時(shí)也需要磁頭，每個(gè)磁片都對應(yīng)兩個(gè)磁頭，在磁片的兩面，一上一下讀寫數(shù)據(jù)。磁片在一個(gè)真空的狀態(tài)下高速轉(zhuǎn)動(dòng)，每分鐘4500或7200轉(zhuǎn)，磁頭在需要讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候接近（注意，是接近而不是接觸）磁片在磁道上讀取數(shù)據(jù)。磁頭尋找到磁道的時(shí)間稱之為尋道時(shí)間。在讀取和寫入數(shù)據(jù)時(shí)， 一般需要知道要在哪個(gè)磁片上進(jìn)行，在這個(gè)磁片的哪個(gè)磁道上進(jìn)行，在這個(gè)磁道的哪個(gè)位置進(jìn)行，知道了這三個(gè)量就可以精確地找到數(shù)據(jù)所在的位置了。

硬盤的主要優(yōu)點(diǎn)：非常大的存儲(chǔ)量，其容量已可達(dá)千萬兆以上；采用隨機(jī)存取方式，平均存取時(shí)間極短，實(shí)現(xiàn)了快速存??；由于記錄密度高和磁盤轉(zhuǎn)速快，硬盤的傳輸率很高；硬盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了它有高的可靠性和工作穩(wěn)定性，一般無故障時(shí)間可達(dá)8000～12000h，誤碼率低于磁帶和軟磁盤一個(gè)數(shù)量級(jí)。

單位硬盤的容量是以MB（兆）和GB（千兆）為單位的，早期的硬盤容量低下，大多以MB（兆）為單位，1956年9月IBM公司制造的世界上第一臺(tái)磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)只有區(qū)區(qū)的5MB，而現(xiàn)今硬盤技術(shù)飛速的發(fā)展，數(shù)百GB容量的硬盤也已進(jìn)入到家庭用戶的手中。硬盤的容量有8GB、16GB、32GB、40GB、60GB、64GB、80GB、100GB、120GB、160GB、200GB、240GB、250GB、300GB、320GB、400GB、480GB、500GB、512GB、640GB、750GB、800GB、880GB、960GB、1TB、1.5TB、2TB、3TB、4TB、5TB、6TB、8TB、10TB、12TB，硬盤技術(shù)還在繼續(xù)向前發(fā)展，更大容量的硬盤還將不斷推出。

計(jì)算方法在購買硬盤之后，細(xì)心的人會(huì)發(fā)現(xiàn)，在操作系統(tǒng)當(dāng)中硬盤的容量與官方標(biāo)稱的容量不符，都要少于標(biāo)稱容量，容量越大則這個(gè)差異越大。標(biāo)稱8GB的硬盤，在操作系統(tǒng)中顯示只有7.4GB；16GB的硬盤只有14.8GB；32GB的硬盤只有29.8GB；40GB的硬盤只有37.2GB；64GB的硬盤只有59GB；80GB的硬盤只有74.5GB；100GB的硬盤只有93.1GB；120GB的硬盤只有112GB；128GB的硬盤只有119GB；160GB的硬盤只有149GB；256GB的硬盤只有238GB；320GB的硬盤只有298GB；480GB的硬盤只有GB；500GB的硬盤只有465GB；512GB的硬盤只有476GB；750GB的硬盤只有699GB；960GB的硬盤只有894GB；1TB的硬盤只有931GB；1.5TB的硬盤只有1.3TB（1397GB）；2TB的硬盤只有1.8TB（1862GB）；3TB的硬盤只有2.7TB（2793GB）；4TB的硬盤只有3.6TB（3724GB）；5TB的硬盤只有4.6TB（4657GB）；6TB的硬盤只有5.5TB（5586GB）；8TB的硬盤只有7.4TB（7448GB）；10TB（GB）的硬盤只有9.3TB（9300GB）；而12TB的硬盤則只有10.9TB（11176GB）。

這并不是廠商或經(jīng)銷商以次充好欺騙消費(fèi)者，而是硬盤廠商對容量的計(jì)算方法和操作系統(tǒng)的計(jì)算方法有不同而造成的，不同的單位轉(zhuǎn)換關(guān)系造成的。

眾所周知，在計(jì)算機(jī)中是采用二進(jìn)制，在電腦世界里，以2的次方數(shù)為“批量”處理Byte會(huì)方便一些，整齊一些。每1024Byte為1KB，每1024KB為1MB，每1024MB為1GB，每1024GB為1TB，而在國際單位制中TB、GB、MB、KB是“1000進(jìn)制”的計(jì)數(shù)單位，為此國際電工協(xié)會(huì)（IEC）擬定了"KiB"、“MiB”、“GiB"的二進(jìn)制單位，專用來標(biāo)示“1024進(jìn)位”的數(shù)據(jù)大??；而硬盤廠商在計(jì)算容量方面是以每1000為一進(jìn)制的，每1000字節(jié)為1KB，每1000KB為1MB，每1000MB為1GB，每1000GB為1TB，在操作系統(tǒng)中對容量的計(jì)算是以1024為進(jìn)位的，并且并未改為"KiB"、“MiB”、“GiB"的二進(jìn)制單位，這差異造成了硬盤容量“縮水”。

以120GB的硬盤為例：

廠商容量計(jì)算方法：120GB=120,000MB=120,000,000KB=120,000,000,000字節(jié)；換算成操作系統(tǒng)計(jì)算方法：120,000,000,000字節(jié)/1024=117,187,500KB/1024=114,440.9MB/1024=111.8GB。

簡單算法：硬盤容量 /（1024*1024*1024）

80,000,000,000/(1024*1024*1024)=74.5GB

40,000,000,000/(1024*1024*1024)=37.25GB

硬盤需要分區(qū)和格式化，操作系統(tǒng)之間存在著差異，再加上安裝操作系統(tǒng)時(shí)的復(fù)制文件的行為，硬盤會(huì)被占用更多空間，所以在操作系統(tǒng)中顯示的硬盤容量和標(biāo)稱容量會(huì)存在差異，而硬盤的兩類容量差值在5%-10%左右應(yīng)該是正常的1。

計(jì)算公式作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，容量是硬盤最主要的參數(shù)。硬盤容量 = 柱面數(shù)(表示每面盤面上有幾條磁道，一般總數(shù)是1024) × 磁頭數(shù)(表示盤面數(shù)) × 扇區(qū)數(shù)（表示每條磁道有幾個(gè)扇區(qū)，一般總數(shù)是64）× 扇區(qū)(存儲(chǔ)基本單元，大小一般為512B/4KB)2。

（單碟1TB硬盤的扇區(qū)數(shù)可能是4K） 高級(jí)格式是一項(xiàng)界定4K扇區(qū)硬盤格式的全新標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的硬盤在格式化后，每一個(gè)扇區(qū)的大小都是512B字節(jié)，而4K扇區(qū)硬盤的高級(jí)格式就是將其扇區(qū)劃分為4KB。這也是今后所有硬盤廠商都將采用的標(biāo)準(zhǔn)，IDEMA（國際磁盤驅(qū)動(dòng)器設(shè)備與材料協(xié)會(huì)）的各主要硬盤制造商已經(jīng)達(dá)成一致：2011年1月1日起，出貨的所有臺(tái)式機(jī)和筆記本新產(chǎn)品硬盤都將采用這種高級(jí)格式標(biāo)準(zhǔn)。

在CHS規(guī)范中，磁頭的最大數(shù)就是16，扇區(qū)數(shù)是63?，F(xiàn)今的硬盤為了突破528.4M的尋址限制，都是使用模擬方式表示磁頭數(shù)、扇區(qū)數(shù)。常用的 LBA 尋址就是將磁頭與扇區(qū)都假設(shè)為CHS的最大值來進(jìn)行轉(zhuǎn)換并計(jì)算出總的扇區(qū)數(shù)。

LBA(Logical Block Addressing)邏輯塊尋址。在 LBA 模式下，我們知道硬盤上的一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域由它所在的磁頭、柱面（也就是磁道）和扇區(qū)所唯一確定。早期系統(tǒng)就是直接使用磁頭柱面和扇區(qū)來對硬盤進(jìn)行尋址（這稱為CHS尋址），這需要分別存儲(chǔ)每個(gè)區(qū)域的三個(gè)參數(shù)（這稱為3D參數(shù)），使用時(shí)再分別讀取三個(gè)參數(shù)，然后再送到磁盤控制器去執(zhí)行。由于系統(tǒng)用8b來存儲(chǔ)磁頭地址，用10b來存儲(chǔ)柱面地址，用6b來存儲(chǔ)扇區(qū)地址，而一個(gè)扇區(qū)共有512B，這樣使用CHS尋址一塊硬盤最大容量為256 * 1024 * 63 * 512B = 8064 MB(1MB = 1048576B)（若按1MB=1000000B來算就是8.4GB）。隨著硬盤技術(shù)的進(jìn)步，硬盤容量越來越大，CHS模式無法管理超過8064 MB的硬盤，因此工程師們發(fā)明了更加簡便的LBA尋址方式。在LBA地址中，地址不再表示實(shí)際硬盤的實(shí)際物理地址（柱面、磁頭和扇區(qū)）。LBA編址方式將CHS這種三維尋址方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S的線性尋址，它把硬盤所有的物理扇區(qū)的C/H/S編號(hào)通過一定的規(guī)則轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪€性的編號(hào)，系統(tǒng)效率得到大大提高，避免了煩瑣的磁頭/柱面/扇區(qū)的尋址方式。在訪問硬盤時(shí)，由硬盤控制器再將這種邏輯地址轉(zhuǎn)換為實(shí)際硬盤的物理地址。在這三種硬盤模式中，LBA 模式使用最多。

LBA與C/H/S 之間的轉(zhuǎn)換: 設(shè)NS為每磁道扇區(qū)數(shù)，NH為磁頭數(shù)，C、H、S分別表示磁盤的柱面、磁頭和扇區(qū)編號(hào)，LBA表示邏輯扇區(qū)號(hào)，div為整除計(jì)算，mod為求余計(jì)算，則： LBA=NH×NS×C+NS×H+S-1； C=(LBA div NS)div NH； H=(LBA div NS)mod NH； S=(LBA mod NS)+1 例如 LBA = 0 則 CHS = 0/0/1 從C/H/S到LBA的計(jì)算公式： LBA=（C-CS）*PH*PS+（H-HS）*PS+(S-SS)

廠家計(jì)算公式：

320G硬盤：320,000,000,000 /1024/1024/1024 = 298G 實(shí)際只有298G

300G硬盤：300,000,000,000 /1024/1024/1024 = 279G 實(shí)際只有279G

容量關(guān)系計(jì)算機(jī)硬盤存儲(chǔ)容量通常使用字節(jié)（B，Byte）、千字節(jié)（KB，KiloByte）、兆字節(jié)（MB，MegaByte）、吉字節(jié)（GB，Gigabyte）、太字節(jié)（TB，TeraByte）、拍字節(jié)(PB，PetaByte)、艾字節(jié)(EB，ExaByte)、澤字節(jié)(ZB，ZettaByte)、堯字節(jié) (YB，YottaByte)和BB（BrontoByte）、NB(NonaByte）、 DB(DoggaByte)等來衡量。

計(jì)算方式：

1DB=1024NB；

1NB=1024BB，

1BB=1024YB；

1YB=1024ZB；

1ZB=1024EB；

1EB=1024PB；

1PB=1024TB；

1TB=1024GB；

1GB=1024MB；

1MB=1024KB；

1KB=1024B

技術(shù)挑戰(zhàn)在數(shù)據(jù)量不斷增長的前提下，硬盤存儲(chǔ)容量已經(jīng)發(fā)展到了最高12TB的階段，而且，其還會(huì)繼續(xù)增長下去。對于此，我們完全可以將其比喻成一場“永不休止的戰(zhàn)爭”。不過，恰恰就在此時(shí)，在容量擴(kuò)充上的技術(shù)局限也越來越多的被突顯了出來。

盡管我們已經(jīng)能夠見到很多不同的存儲(chǔ)介質(zhì)，最為成熟的技術(shù)依然是常見的機(jī)械磁盤。因此，在對最高容量的超越方面，其也就被寄予了更多期望。不過，在不斷增長的容量擴(kuò)充下，機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁盤也在這方面遭遇了瓶頸。

其實(shí)，增加磁盤容量的方法說起來非常簡單，這無外乎提升碟片密度和增加碟片數(shù)量兩種方式。增加碟片密度的方式很好理解。比如說，3TB希捷外置式硬盤產(chǎn)品FreeAgent GoFlex Desk drive就采取了五碟片的設(shè)計(jì)。在此之前，日立也曾經(jīng)推出過五碟片的產(chǎn)品。實(shí)際上，五碟片也是我們能夠見到的單盤碟數(shù)最多的設(shè)計(jì)。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

蘇智勇 - 副教授 - 南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院