5.4. 硬碟的效能特性
摘要：5.4. 硬碟的效能特性
5.4. 硬碟的效能特性
我們已經在第 4.2.4 節中，為您簡介了硬碟的效能特性；本節將為您深入探討這個問題。對系統管理者來說，這是個很重要的問題；否則管理者可能會在不知不覺中，改變了系統設定，對效能產生了負面的影響。
硬碟從收到存取要求，到完成的整個時間，取決於兩個因素：
硬碟的機械與電路限制
系統要求的存取工作量
底下幾節將為您深入討論硬碟的效能問題
5.4. 硬碟的效能特性
我們已經在第 4.2.4 節中，為您簡介了硬碟的效能特性；本節將為您深入探討這個問題。對系統管理者來說，這是個很重要的問題；否則管理者可能會在不知不覺中，改變了系統設定，對效能產生了負面的影響。
硬碟從收到存取要求，到完成的整個時間，取決於兩個因素：
硬碟的機械與電路限制
系統要求的存取工作量
底下幾節將為您深入討論硬碟的效能問題。
5.4.1. 機械 / 電路限制
由於硬碟是電子與機械的組合，所以其速度與效能容易受到外在因素的影響。每個存取需求都需要硬碟內部元件的協同運作，才得以順利完成。但因為每個元件的效能都有不同的特性，所以硬碟的整體效能，是所有元件效能的總和。
然而不管怎麼說，電子元件的速度都快過機械元件。所以對整體效能最有影響的，是機械元件。
提示
要增進硬碟效能，最有效的方式就是僅可能地減少機械的運作。
一般硬碟的平均存取時間是 8.5 ms（毫秒，millisecond）。底下我們將仔細研究每個細節，看看每個元件是如何影響硬碟整體效能的。
5.4.1.1. 指令處理時間
目前生產的硬碟，都內嵌複雜的電腦系統，以控制所有的運作。這些電腦系統的任務有：
透過硬碟介面，跟外界溝通
控制其他硬碟元件的運作，並處理與復原所有可能發生的錯誤
處理所有進出硬碟磁盤的資料
雖然硬碟上所使用的微處理器功能強大，但還是需要時間來處理每項工作。平均來說，這時間約為 .003 毫秒。
5.4.1.2. 讀寫頭讀 / 寫資料
硬碟的讀寫頭只有在「飛過」資料所在的磁盤上方時，才會有所動作。因此欲讀取或寫入的資料區完整通過讀寫頭的時間，才是讀寫頭真正的運作時間。以 10,000 轉、每磁軌 700 磁區的硬碟來說，這平均時間約為 .0086 毫秒。
5.4.1.3. 旋轉性延遲
因為硬碟的磁盤不停地運轉著，所以當存取需求發生時，讀寫頭很可能剛好不在要存取的磁區上方。所以，即使硬碟的其他元件都已經準備好，還是得等磁盤轉個位置，讓欲讀寫的磁區轉到讀寫頭下方，才能開始讀取資料。
這正是高效能硬碟都有著高轉速的原因。目前 15,000 轉硬碟都屬於高階範疇，而 5,400 轉只能算是入門機種。以 10,000 轉硬碟來說，這平均時間約為 3 毫秒。
5.4.1.4. 存取臂的移動
如果問到硬碟的最大弱點，那非存取臂莫數了。存取臂必須快速且準確地運作，比較上，這移動距離並不短。而且，存取臂的移動並不是持續地 — 它得一下加速衝往讀寫區，快到的時候又得減速，以免衝過頭。因此，存取臂必須夠強壯（才能在嚴酷的移動下生存），重量也必須夠輕（這樣才易於加速與減速）。
魚與熊掌不能兼得，我們比較一下存取臂與其他元件所花的時間，就可以明白這一點。存取臂的平均移動時間為 5.5 毫秒，對硬碟的整體效能，有著決定性的影響。
5.4.2. I/O負載與效能
另一個對硬碟效能有影響的，是賦予硬碟的I/O負載。以下是幾個I/O負載的考量：
讀取與寫入的比例
目前的讀取與寫入數目
讀寫的位置
底下我們將為您詳細討論這些問題。
5.4.2.1. 讀取與寫入的比例
對於使用磁性原理運作的硬碟來說，讀取與寫入的 I/O 比例並不引人注目，因為讀取與寫入的時間是一樣的[1]。不過，其他大容量儲存技術的讀取與寫入時間就有很大的差異[2]。
如果儲存裝置的寫入時間遠大於讀取時間，那麼同樣時間能處理的寫入需求，就會遠低於讀取需求。從另一個角度來看，寫入要比讀取，耗去更多硬碟的系統資源。
5.4.2.2. 大量讀 / 寫
多人同時存取硬碟，跟單人存取硬碟，兩者對效能的影響是截然不同的。這是因為多 I/O 要求會比單 I/O，對硬碟帶來更多的工作負荷。
因為在 I/O 開始之前，還有一些前置動作要做。畢竟在實際開始之前，要先決定這個 I/O 的特性為何。因為這個過程需要時間，所以任何 I/O 需求，都有其負荷上限 — 只有更高速的 CPU 可以處理。如果在處理 I/O 前，還需要使用者輸入文字的話，這限制會更為明顯。
然而當多重需求發生時，I/O 負荷就會居高不下。如果 CPU 夠快，可以持續產生這些需求，那麼 I/O 負載就會持續吃重。
然而，另外還有一個因素會對 I/O 效能產生影響。這點將在接下來的章節為您探討。
5.4.2.3. 讀寫的位置
雖然在多人使用環境中，讀寫的位置並沒有嚴格的限制；但這問題還是對硬碟效能產生了些許影響。這問題在於：當硬碟讀完一筆資料，準備讀取下一筆資料時，下一筆資料的實際儲存位置距離有多遠。
這原因很簡單，別忘了硬碟的機械特性。硬碟中最慢的元件是存取臂，如果下一筆要存取的資料，不需要移動到存取臂，那速度就會很快；反之，如果要讀取的資料散佈在硬碟各處，那存取臂就得四處移動了。
看看硬碟效能的比較表，您就會了解這差距。這張表包括了「緊鄰磁柱的搜尋時間（adjacent cylinder seek times）」（存取臂不怎麼需要移動 — 只要移到下一個磁柱即可），以及「完整來回運動的搜尋時間（full-stroke seek times）」（存取臂從頭移動到尾）。舉例來說，底下是高效能硬碟的搜尋時間：
緊鄰磁柱
完整來回
0.6
8.2
表格 5-4. 緊鄰磁柱與完整來回運動的搜尋時間（單位：毫秒）
注
[1]
事實上，這並不完全正確。所有硬碟都有若干快取記憶體，用以改善讀取效能。然而，讀取資料時的所有 I/O，依舊必須回到存取硬體的基本問題上。這表示即使快取記憶體可以有效改善讀取時的 I/O 效能問題，也無法降低從硬碟上實際讀取資料的時間。
[2]
由於設計與技術的限制，這情形在光碟機上就很明顯
