【轉貼】了解hd的 硬體規格架構及540MB 8.4GB 32GB 137GB的限制的由來-1
[iFrame]http://webcc2.hkc.edu.tw/up/h1/KA.files/1.htm[/iFrame] 1 硬碟規格書
相信大家在購買硬碟的時候，多多少少都會拿好幾款硬碟的規格書來「超級比一比」，除了知道「平均搜尋時間」的「9.5ms」小於「10ms」以外，它所代表的意義又是什麼?所以現在便要為大家來個「現代版的左氏春秋」，讓您再看規格書時可以「看清楚、看明白」。
現在我以Fujitsu的MPE3102AT與MA3091兩款硬碟在網路上發佈的規格書為大家做說明。
Model
MPE3102AT
MAE3091
Storage capacity
10.24GB
9.1GB
Disks
1
3
Heads(read/write)
2
5
Rotational speed
5400rpm
7200rpm
Data transfer rate
66.6MB/s
80MB/s
Buffer size
2MB
2MB
Average seek time
9.5ms
7.0ms(read) 7.5ms(write)
Average Latency time
5.56ms
4.17ms
Interface
ATA-4
LVD/SCA
MTBF(hours)
500000
1000000
Warranty
3years
5years
Storage Capacity:也就是硬碟的容量大小，現在都是以GB為單位，至於更大容量的單位表示如下圖所示。另外，因為硬碟機業界是以十進位方式計算，但是
1MB
1024KB
1GB
1024MB
1TB
1024GB
1PB
1024TB
1EB
1024PB
軟體業界卻是以二進位計算，所以往往在硬碟上標示的容量，都會比實際可用容量為少。當然就硬碟機廠商們都會用一個比較「好看」的數字來標示嘍!舉個例子吧，一台標示為10.1GB的硬碟，其實際可用空間大概只有9.86GB。
大小
二進位
十進位
1K
210=1024
1000
1M
220=1048576
1000000
1G
230=1073741824
1000000000
PS.計算硬碟實際容量時可依下方程式計算:
實際容量=1000/1024 X標示容量
1-2-1 CHS
在硬碟的規格書中一定都會標示CHS值，就連硬碟機上的貼紙標籤中也會註明，那可想而知CHS應該是一個頗有「地位」的數字嘍!
其實CHS是指Cylinder(磁柱)、Head(磁頭)與Sector(磁區)，不同型號的硬碟機會有不同的CHS值，CHS值是標示硬碟機的磁柱、磁頭與磁區的數目，也就是硬碟機的定址方式。在ATA-3以前的CHS分別是以16個位元(16bit)來記錄磁柱數目(共計216=65536個磁柱)、4個位元(4bit)來記錄磁頭數目(共計24=16個磁頭)與8個位元(8bit)來記錄磁區數目(共計28=255個磁區，由0算起)，而每一個磁區可以記鏈512Bytes的資料，那麼硬碟可以定址的容量則為:
65536*16*255*512=136902082560bytes=136.9GB
PS.硬碟容量=磁柱數*磁頭數*磁區數*512Bytes
但要注意這只是硬碟機單方面的表示方式，可不代表BIOS也是使用相同的標示方法，只要兩相衝突的話，便會出現「硬碟容量變少」的問題。
1-3-1 528MB限制
剛剛也看過了使用CHS定址方法的硬碟容量可以高達137GB，但系統的BIOS上所使用Int13碼卻有著相當大的抵觸。80年代初PC/AT系統上市以來，BIOS便開始使用這種Int13碼，但到了今時今日，硬碟機的容量已經不可能跟當時的10MB、20MB相提並論，所以當今天的硬碟碰上20年前的Int13便產生了一些使用者所以想見的狀況。
Int13碼它是使用10個位元來記錄磁柱數目(共計210=1024個磁柱)、8個位元來記錄磁頭數目(共計28=255個磁頭)以及6個位元來記錄磁區的數目(共計26=63個磁區，由0算起)，本來按照這種方式來定址的話，Int13應該可以定址的容量為8.4GB:
1024*255*63*512=8422686720bytes=8.4GB
但當他們相遇之後，問題便出來了。BIOS不知道第256個磁柱以後的磁柱所在、也不知道第64個磁區以的磁區所在;相反，硬碟也根本無法使用到第17個磁頭以後的磁頭在哪?所以相互交錯之下便出現了528MB的限制。請看下表:
磁柱
讀寫頭
磁區
BIOS
10bit
8 bit
6 bit
ATA
16 bit
4 bit
8 bit
牽制結果
10 bit
4 bit
6 bit
所以最後的結果只可以對當中的1024個磁柱、16個磁頭以及63個磁區，計算其容量之後便是528MB。
1024*16*63*512=528482304Bytes=528MB
所以BIOS便只能正確的辨識出528MB的空間。如果您的系統是1994年以前出廠的話，應該都會有這類的問題，而自1994以後出廠的BIOS，當中除了提供這個傳統的CHS定址模式以外，還提供了Large CHS與LBA兩種模式，他們也都可以突破這個528MB的限制。
1-3-2 2.1GB限制
有鑑於此，各家廠商也都紛紛提出「破解528謎咒」的方法，最後統一採用修改INT13的方式來解決，方法相當算單便是將2個原本用以記錄讀寫頭的位元挪到磁柱的記錄上，如此便可以記錄12個位元的磁柱數目(共計212=4096個磁柱)、6位元的讀寫數目(共計26=64個讀寫頭)與6位元的磁區數目(共計26=64個磁區)，所以計算其容量結果為2.1GB。雖然容量已經比528MB大了4倍，不過2.1GB容量的硬碟已經不再是什麼新鮮事了，所以這個方法也只能解決一時之危罷了。
磁柱
讀寫頭
磁區
BIOS
10+2
8-2
6
ATA
16
4
8
最後結果
12
4
6
1-3-3 8.4GB限制
在前面我們已經提到過BIOS所使用Int13模式，最大也只能定址到8.4GB的容量，所以如果不能想出一個徹底解決問題的方法，便只是一直把問題往後推，一直重複都在花時間解決這類的問題。
但要解決這個來自於BIOS Int13的長久問題，可以從兩個方面來看。
首先提出了一種邏輯CHS的方法，這也就是現在所有硬碟都在使用的LBA模式，他的英文全名為Logic Block Addressing，但是它必須三方面的配合才可以有效的定址，包括:BIOS、硬碟機以及作業系統本身。
簡單來說，LBA定址方式主要是使用一種虛擬的CHS值來做定址。例如我們要讀取檔案的時候，只要向作業系統提供所需的檔案名稱，接著由作業系統以類似查表的方式查出兩者之間的關係，然後再交由BIOS找出它的實際CHS值。
另外，為了打破以往BIOS的Int13的局限，Microsoft與IBM更聯手制定出Int 13 Extension，它允許作業系統跳過BIOS的I/O而直接使用LBA。因此便不再有8.4GB的限制。
如果您主機的BIOS是以下日期與版本的話，應該便可以支援Int 13 Extension。
BIOS廠商
BIOS版本
出廠日期
AMI
6.30
0715(1997)以後
Award
Module BIOS 4.51PG
1997.6以後
Phoenix
Version4.0 Release 6.0.x
1997.6以後
如果您的BIOS不能支援超過8.4GB的話，當您以Auto方式「自動抓」硬碟的話，您可以看得到硬碟的型號，但系統會卡在這個畫面中，不過當您按鍵盤上的任何鍵時又會發現電腦沒有當機。
1-3-4 作業系統的限制
剛剛也有提到過作業系統對於定址也是一個相當重要的角色，在ms-dos與Windows 95(OSR2以前版本)所使用的檔案配置表(FAT，File Allocation Table)都是使用FAT16，而每一個FAT16的分割區上限只能到達2.1GB，而一台硬碟最多也只能分割成四個DOS分割區，換言之在這兩種作業系統下也只能定址到8.4GB。
而到了Windows 95 OSR-2版以後(也就是俗稱的WIN97)才能支援FAT32格式的檔案系統，因為它是32位元而且導入了Int 13 Extension，因此所能支援的硬碟容量高達2000GB(2Terabyte)。
另外，不同版本的windows NT也有不同的支援能力，例如NT 3.5便只能支援到8.4GB的容量，而NT 4.0雖然可以支援，但是如果主啟動磁碟機的空間大於8.4GB的話，便無法辨識8.4GB以後的空間。
1-4-1 SCSI規格
選擇SCSI(Small Computer System Interface)的最大誘因莫如其優於IDE介面的傳輸效能。
如果你所追求的是高速度、低消耗(佔用較少的CPU資源)的話，那麼你應該選擇SCSI介面。就現時傳輸率最高的Ultra3 SCSI介面來說，其最大傳輸率分別為80Mbyte/sec(Narrow)與160Mbytes/sec(Wide)。
當然了，每個人都希望電腦的速度可以更快，讓自已工作更有效率。那麼問題便在於，現在是「慢」在哪裡?
雖說SCSI有著優越的傳輸率以及對CPU的低消耗優點，但卻因為其支術成本較高，所以其價格也就一直無法降下來。
1-4-2 現有介面
所謂「長江後浪推前浪」，理論上新介面的推出便應會把舊有的介面淘汰掉才是。但是我們可以發現在一些電腦報價的網站上，仍然可以看到非主流的SCSI介面的報價資料。
或許這也是網路賦予舊產品的生機吧，不過我寧願相信這是因為其成本高，所以必須延長其生命週期之故。
在網路上可以找到的SCSI硬碟，一般都從9.1GB起跳(甚至有些網站更可以報到4.5GB的喔)，而最高的更高達73.4GB(Seagate ST173404LW)。至於介面方面大都已經由Ultra SCSI 起跳，當然也包含了更高階的Ultra Wide、Ultra2 Wide，以及Ultra3 SCSI(又稱Ultra 160)。
介面的不同，當然也就出現了不同的連接線(或又稱導線，Conductor)。SCSI設備的另一個特色就是提供了外接的方式，這點是IDE介面所欠缺的，也就是說有內接與外接兩種，然後也可以初為Narrow與Wide兩種。當中的Narrow插糟為使用50pin的接腳，而wide則是使用68pin的接腳。
而不同類型的傳輸線，各有不同的最大長度限制。
類型
傳輸線最大長度
SCSI 1
6公尺(19呎)
SCSI 2(Fast SCSI)
3公尺(9呎)
Ultra SCSI
1.5公尺(4呎)
Wide Ultra SCSI
1.5公尺(少於四台設備)3公尺(少於三台設備
Ultra 2 SCSI Ultra 160 SCSI
12公尺(39呎)
1-4-3 快取記憶體
目前市場上通常快取大小為2mb，其次則是4mb。而較為舊款的話快取也就比較小囉，如1024kb或者更小的512kb。而走高階路線的甚至能夠提供到8mb以及16mb的快取哩!是不是很可怕呢?
當然，更多的快取可以提供更佳的效能，自然價格也就較貴囉!但你知道嗎?這部16mb快取的硬碟標價為NT40000。當然如果說這全是因為超大快取的所以才這麼貴，顯然這是相當片面的說法，因為快取的大小不是影響價格的唯一、最重要的因素，不是嗎?
1-4-4 馬達轉速
另外一個與硬碟效能有直接影響的因素，便是硬碟驅動馬達的轉速。顯然的，較高轉速的馬達自然能提供更好的效能，目前市場上SCSI硬碟的數主流已經提昇到10000rpm(Revolustion Per Minute，轉/分鐘)，其次是7200rpm，而下波主流將會是15000rpm。
相信看倌們也知道，主機內溫度與系統的穩定成反比。也就是說，系統內溫度愈高，相對的系統穩定性便會變低。
Ps.系統穩定性=1/系統內溫度
1-4-5 SCSI控制卡
安裝SCSI硬碟時，一個不可缺少的重要元件便是SCSI控制卡。因為一般的主機板晶片為求達到其「價廉物美」的特性，所以都沒有配置SCSI控制晶片。所以我們便需要配合在電腦中安裝SCSI控制卡，來補足一般主機板這方面的功能。
當然，一向腦筋動的快的生產廠商也看到了商機的存在。既然安裝SCSI設備必須安裝SCSI控制卡，何不直接在主機板上配置SCSI控制晶片與線路?所以他們便在主機板上配置SCSI晶片，以便利一開始便打算安裝SCSI設備的使用者。
但到底什麼型號的主機板才會具有SCSI的功能?其實由上述可知，主機板是否具有SCSI功能與CPU插槽類型、南北橋晶片型號無關。因為這純粹是在主機板上加入SCSI控制晶片罷了，因此無論任何類型的CPU插槽、任何類型的南北橋控制晶片的主機，都可能具有SCSI控制能力。
以艾威BS100與BD100plus 主機為例，它們支援Pentium II/III、採用440BXAGP晶片組，以及W83977EF I/O控制晶片。但是BS100則支援Ultra Wide SCSI，而後者則否。這是因為前者提供了Adaptce ALC-7895 Ultra Wide SCSI控制晶片。而類似的情形也出現在各種的主機板上。
不過相信聰明的看倌們也發現了一點，就是另外加裝的SCSI控制卡具有充份的彈性，讓使用都可以因應不同的需求來改裝不同的控制卡，相信這點正是DIY玩家們捨易取難的主要原因。
1-5-1 IDE各種模式
相信大部份的使用者都知道IDE介面這個名詞，其實它ANSI的標準名稱應為AT Attachment，簡稱ATA，但因為IDE設備內都已經內置了邏輯電路板，所以才被稱為Integrated Drive Electronics，簡稱便是IDE。無論你喜歡叫它做ATA也好，還是IDE也好，實際上都是同一回事。
先讓我們來看看各式PIO模式的規格列表(如下表所示)。
PIO Mode
時脈
傳輸率
支援的標準
PIO Mode0
3.3mb/s
全部
PIO Mode1
383ns
2.5 mb/s
全部
PIO Mode2
240ns
8.3 mb/s
全部
PIO Mode3
180ns
11.1 mb/s
ATA-2 Fast ATA Fast ATA-2 ATA-3 ATAPIUltra ATA EIDE
PIO Mode4
120ns
16.6 mb/s
ATA-2 Fast ATA-2 ATA-3 ATAPIUltra ATA EIDE
所謂PIO模式是ATA介面上一個相當方便的資料傳輸協定，原名為Programmed I/O，或簡稱為PIO。它共分有五個不同的模式，而各自也有不同的傳輸率。在表中可以看到較高傳輸率(Mode 3與4)的硬碟機必須支援ATA-2以上的規格。另外，Mode3與4需要使用PCI或VESA匯流排，因為ISA匯流排無法控制傳輸率大於10MB/s的資料傳輸。
因為PIO模式在一般的環境下無需加裝任何的驅動程式，所以安裝時都相當的方便。可是因為這種模式下硬碟的任何動作，都會對CPU要求大量資源去運算，所以往往導致整台電腦的效能下降。而要運算的資料是會先行放入到記憶體中，以提供更高的效率，運算完畢後才將它放回到硬碟中。因此只要在PIO模式硬碟上出現大量的讀寫動作時，整台電腦的效能便會急速下降(因為動用到大量的CPU資源)。
因此，自PIO Mode4以後，便使用到另一種模式。它可以有效減少對cpu資源的要求，此稱為Direct Memory Access模式，簡稱為DMA。DMA模式可以直接向系統記體提出存取的要求，從而可以節省CPU對大量的硬碟I/O要求。
DMA Mode
I/O 時脈
傳輸率
支援的標準
Single-word DMA Mode 0
960ns
2.1Mb/s
全部
Single-word DMA Mode 1
480ns
4.2Mb/s
全部
Single-word DMA Mode 2
210ns
8.3Mb/s
全部
Multi-word DMA Mode 0
480ns
4.2Mb/s
全部
Multi-word DMA Mode 1
160ns
13.3Mb/s
ATA-2 Fast ATA Fast ATA-2 ATA-3 Ultra ATA EIDE
Multi-word DMA Mode 2
120ns
16.6Mb/s
ATA-2 Fast ATA-2 ATA-3 Ultra ATA EIDE
Multi-word DMA Mode 3
60ns
33.3Mb/s
Ultra ATA
Multi-word DMA Mode 4
30ns
66.6Mb/s
Multi-word DMA Mode 5
20ns
100Mb/s
搞清楚了嗎?ATA也稱為IDE是一種介面的規格，而PIO模式與DMA模式則是ATA介面中兩種不同的資料傳輸模式。打個比方來說吧，很簡單，就像NISSAN的汽車(相當於ATA)分別有兩款型號為SUNNY與SENTRA的房車。
但是自從Multi-word DMA Mode2的問世，而使得尚在計劃中的PIO Mode5也只能半途喊停。所以自此以後，也沒有出現PIO Mode的新型硬碟出現，取而代之則是我們現在所使用的Ultra DMA Mode2及以後的模式。
年份
規格
傳輸率
傳輸方式
1988
ATA-1
4MB/s
PIO
1994
ATA-2
16.6MB/s
PIO/DMA
1996
ATA-3
16.6MB/s
PIO/DMA
1997
ATA-4
33.3MB/s
Ultra DMA
1999
ATA-5
66.6MB/s
Ultra DMA
2001
ATA-6
100MB/s
Ultra DMA
雖然在規格上有這兩種PIO與DMA的模式之分，但所謂「長江後浪推前浪」，那麼前浪也就自然的會死在沙灘上嘍。所以原本還打算會推出PIO Mode5，自然計劃也就被Multi-word DMA Mode 2所打斷，往後也就沒有在出現過了。 自此，在市場上我們也就只看到DMA模式的硬碟嘍!那麼我們再來看看DMA模式的硬碟規格吧!
DMA模式技術上的一個轉捩點便是Ultra DMA的誕生，也就是Multi-word DMA Mode3，也就是一般俗稱的ATA-33、或者DMA33。其實它的工作時脈與DMA Mode 2相同(120ns)，但為何它的傳輸率會達到2倍之高(由原本的16.6mb/s提昇為33.3mb/s)?這是因為DMA Mode 3在上升與下降的兩個邊緣(Dual Edge)都可以觸發資料的傳輸，也就是說同樣在120ns時序中，DMA Mode 3可以作工兩次，而Mode 2卻只有一次，所以資料傳輸率便由16.6mb/s提昇為33.3mb/s(如下圖所示)。所以有人直接就把Ultra DMA的時脈表示為60ns，但其實一個完整的週期還是120ns。
也正因為這一個工作原理，所以DMA Mode2/3是屬於非同步(Asynchronous)的傳輸方式，而DMA Mode 4(Ultra DMA)採用的則是同步(Synchronous)方式，所以Ultra DMA在最早命名時也被命為Synchronous-DMA，或是S-DMA。
而ATA 5(Ultra DMA 66)則是實實在在的將工作時脈提昇到60ns，在這個時脈中則工作兩次。除此，Ultra DMA 66另外一個特點便是採了全新的特有連接線，為一條80線/40孔的專用連接線。
這條Ultra DMA 66連接線具有三個顏色不同的插頭(Connector)，分別為:藍色、灰色、黑色(這是有別於以往連接線清一色都是黑色的插頭)。不要以為這是裝飾用，其實這三個插頭分別指定了各自安裝的位置。如下:藍色必須安裝於主機板、黑色必須安裝於第一部(Master)實體硬碟上，灰色則必須安裝於第二部(Slave)實體硬碟上。按照以上的安裝方法，那麼情形大致如下圖所示。
因為，Ultra DMA 66連接線從新改良後成為80線的排線(Conductor Cable)，所以Ultra DMA 66的硬碟便必須配合專用連接線才可以發揮最大的傳輸率。但因為也已經顧及到舊有的傳輸模式(Ultra DMA 33及以前)，所以Ultra DMA 33(及以前的模式)同樣可以使用這條DMA66專用連接線來連接。當然傳輸率也只能發揮其原有速率嘍!
而目前最新的模式則是Ultra DMA 100，一看就知道這是傳輸率高達100MB/s。但其採用的連接線是沿用Ultra DMA 66的連接線，而各顏色插頭的安裝方式也與前同。
1-5-2 馬達轉數
就目前市場來說，IDE 的主流轉數為7200rpm，而下一激的標準則將會是10000rpm。市場上一直追求轉數更高更快的硬碟，相較於相同容量大小的5400轉與7200的硬碟，價格可能只有相差個三、四百塊，使用者自然而然就會選擇7200轉的嘍!廠商們看到市場的需求後當然也就將生產線重心移往有利的一方。
無論如何，在市場上除了NoteBook的硬碟以外，您也不會再找到5400rpm以下的硬碟，主流是7200rpm，而目前稍為高階一點的則是10000rpm，相信這將會是下一波的主流喔!
同樣的，在IDE硬碟中一個對效能表現也相當重要的因素便是快取的大小。多年以前，市場的行情大都以512k為主，但後來IBM以同樣的價格推出了2MB Cache後，其效能更獲得使用者們的好評，所以一時之間便把門檻提高到2MB。
目前市場上相同傳輸率、同大小、同轉速的512KB與2MB快取的硬碟價差不過也是三、四百，但是奉勸各位，寧願多花一點點的銀子選擇2MB的快取，絕對讓你值回票價。
現在7200rpm的硬碟快取絕大多為2048(2MB)，而5400rpm的硬碟則是以512kb為主。
IDE一向是以價格便宜為一大訴求(相對於SCSI硬碟而言)，所以一般鮮少會在店頭看到有更大容量快取的硬碟。但這並不是絕對的事情，只是反映出一般來說2MB快取的硬碟，其效能與價格是最能滿足一般使用都的需求。
我們可以看一下IBM兩台硬碟，DeskStar 75GXP與DeskStar 14GXP，它們的大小分別為75GB與14GB，介面則是Ultra ATA與Ultra ATA33，轉速都為7200rpm。看起來75GB的超大容量不要說一般桌上型電腦夠用，甚至是小型公司的檔案櫃都會夠用。但它們的快取記憶體都同為2MB!
如果我們看看Quantum的IDE介面的硬碟，便可以發現容量上至60GB(Fireball Plus AS，Ultra ATA 100)下至7GB(Firball Ict15)，其快取也同樣最多只有2MB，否則就是512KB。
1-5-3 容量與大小
影響購買的一大要素莫過於容量大小，IDE硬碟機的生命週期顯然要比SCSI短上許多。時隔一年，同樣價格卻可以多買10GB也不足為奇。目前零售市場的入門機種為20GB左右，如果為7200rpm、ATA100、2MB機種大概為5300左右，而如果5400rpm、ATA 66、512KB機種則大概3900左右。由此可以看出更好的技術推出後，舊有技術便會馬上走下斜坡。
但如果是套裝電腦(例如:Compaq、Dell、Acer)的話，因為他們已經對使用者作了區隔(例如”多媒體型”、”網路型”、”經濟型”)，所以配套的硬碟大小也有所差別。不過一般也介於8GB到15GB左右。
現在市場上一般可接受的價格大概在五千出頭，所以一般符合前面所說的規格(如快取記憶體、轉速、介面等)的機種，市場的接受度較高。
如果你覺得買一台8GB就夠的話當然還是可以找得到，只是一般店家很少會把這些「過時」的機種寫在店頭的大字報上。而如果你要買一台70GB的硬碟同樣可以辦得 到，只是你的選擇性較少嘍!
雖然市售硬碟通常都有一定行情，但是不同廠牌的硬碟(規格全都一樣)可能會有一定的價差。不過我們通常都可以使用一個「每儲存單位成本」來計算。
每儲存單位成本==售價/容量
一般來說，容量愈大其每儲單位成本會愈小，也就是愈划算、最便宜;相反，容量愈小者，其每儲存單位成本則愈大。
當中7200轉的快取都為2048KB、介面則是Ultra DMA 66。由上圖中可以看到目前最划算的容殘大概在28、29GB左右(兩線交匯點)，但因為Ultra DMA 100 的推出會直接將Ultra DMA 66的售價壓低，所以作適當修正後大概在25、26GB那邊。
而5400轉的分析中，快取大多為512KB、介面為Ultra DMA 66。它對Ultra DMA 100的反應會沒有那麼敏感，所以影響不如7200那麼大，所以分析也會較為準確。兩線交匯點也落在24GB左右。
在這兩個圖表中，都可以得到一個相同的結論，就是容量愈大者，它的每儲存單位成本也就愈低。這兩條線段呈現兩極化的增/減，如果我們再加上200塊的可接受價差的話，那麼落在這個可接受範圍內的容量大致為21GB到26GB範圍。
交匯點在圖表中位於偏右的地方，換句話說，市場的接受度會偏向於新規格、以及更大容量的一方。另外，容量較小(圖表左方)的硬碟其售價與每儲存單位成本的比會愈大，也就是更不合理，甚至要比容量較大(圖表右方)的硬碟更不合理。相信這是因為售價已經快要壓縮到要接近成本的緣故才會導致這樣的結果。
PS.目前一般接受度較高的IDE機種，其價格大約在5500上下，而容量大小大概在20GB以上，而快取大都為2048KB哦!!
