便攜式存儲設備的進化史

本文會介紹在歷史上出現過的集中便攜式存儲設備，包括軟盤，USB閃存盤，移動硬盤等，分別介紹他們的結構和工作原理，給讀者展示科技進步所帶來生活上的便攜性。此外，本文還將大膽預測未來可能會出現的便攜式存儲設備，提出自己的建議，并且給出原因與使用場景。

【關鍵詞】便攜式設備 存儲

1 引言

隨著計算機的誕生，越來越多的人會把一些數據存放在計算機中。這部分數據被存儲在一個叫做硬盤的地方。但是，除了筆記本電腦之外，大多數的計算機是很難被移動的，這部分的數據也就不方便從一臺計算機中轉移到另外一臺中。為此，人們想出了大致以下兩個方法：

（1）將數據傳輸到網絡，然后通過其他的計算機從網絡上下載內容。這是一種非常方便的方法，用戶不需要攜帶任何設備就可以在任意一臺連接網絡的計算機上得到自己想要的資源。但是，這種方法也有缺點，如果數據占用大小比較大，在有限帶寬的情況下，獲取資源的時間會非常久，也就是數據下載的很慢。

（2）也是本文要重點介紹的方法，就是將數據存儲在便攜式的存儲設備中，然后由用戶攜帶至其他計算機，使用相關的數據。所謂便攜式存儲設備，就是可以存放數據，并且便于攜帶的設備。相比于網路，通過硬件的數據傳輸速度會快很多，在大文件情況下使用這種方法會有很大的優勢。

本文會介紹一些便攜式的存儲設備，向讀者展示科技發展下，數據移動的方式。并且對未來可能產生的設備提出自己的假設和觀點。

2 軟盤

我們先來介紹個人計算機中最早使用的可移介質：軟盤。目前家用軟盤已經使用的非常少了，但是在一些特殊場合，軟盤依然派的上用場，比如機場，核武器相關文件等。

http：//baike.baidu.com/view/52940.htm

2.1 發展歷史

眾所周知，IBM是個人計算機的鼻祖級企業。在上世紀60年代，IBM推出了第一臺個人計算機。但是，工程師們卻發現一個問題，當時計算機的指令都是存儲在內存中的，而內存在斷電之后，所有的數據都會被抹去。再這樣的情況下，IBM的工程師們就希望能夠制造出一種移動設備來存儲指令。因此，8英寸軟盤誕生了。

但是，8英寸軟盤體積太大，不便于攜帶。當時雞尾酒餐巾的尺寸是5.25英寸，因此，5.25英寸的軟盤也橫空出世。一時間，5.25英寸軟盤在市場上產生了劇烈了反響，人們都對這種新奇又便攜的事物產生巨大的好感。雖然5.25英寸取得了成功，但是大多數的企業還在尋求更為先進的軟盤。

1980年，索尼公司率先推出了之后使用最為光盤的軟盤——3.5英寸軟盤。直到2002年U盤的誕生，3.5英寸軟盤一直都是市場上便攜存儲設備的不二之選。當時所有的PC在出廠時都會標配3.5英寸軟盤驅動器，這是它一生中最為輝煌的時刻，這一個絕對壟斷的地位也持續了20多年。下圖就是當時盛極一時的3.5英寸軟盤。如圖1所示。

2.2 內部結構

軟盤的內部結構和硬盤的非常類似。盤片的表面被劃分為多個同心圓式的磁道，一個磁道大約有幾個毫米的寬度，每個磁道會被劃分為存儲信息的扇區。扇區是軟盤的基本存儲單位，但是對軟盤的每一次讀寫都是以若干個扇區進行的，這若干個扇區我們稱之為一個簇（在軟盤中，通常為一個扇區。但是在硬盤中，還由其他因素決定）。在存儲的時候，簇為分配單位，即一個簇中不能包含兩個文件的內容。

以3.5英寸軟盤為例，其上下面各被劃分為80個磁道，每個磁道被劃分為18個扇區，每個扇區的固定存儲容量為512字節。

2.3 讀寫原理

通常來說，我們需要軟盤讀寫器來對軟盤進行讀寫。軟盤讀寫器是由控制電路板、馬達、磁頭定位器和磁頭組成的。在運行的時候，馬達會帶動盤片轉動，然后磁頭定位器會把磁頭定位到正確的磁道上，最后由磁頭來完成讀寫的操作。這與硬盤的工作原理是基本上一樣的。

2.4 優缺點

要說優點的話，軟盤可以算是非常少了，畢竟已經是被淘汰的產品。如果硬要說有點的話，軟盤相對而言比較安全，因為目前來看能夠驅動軟盤的設備已經不多了，也因此在機場，軍事方面還有一些軟盤會被使用。

軟盤的缺點是非常顯然的，體積太大，容量太小，讀寫速度又很慢。也因此軟盤逐漸的退出了歷史的舞臺，被之后發明的U盤所取代。

3 USB閃存盤

http：//blog.csdn.net/zzwu/article/details/46527119

USB閃存盤，又稱U盤，是目前使用的最多的便攜式存儲設備。其體積較小，方便攜帶，收到了廣大用戶的喜愛。

3.1 發展歷史

2002年，中國朗科公司獲得了U盤的發明專利，填補了中國計算機存儲領域20年來發明專利的空白。雖然有一些公司對這個專利權進行了質疑，但是無一例外都是以中國朗科公司的勝利結束爭奪。2006年，朗科控告美國PNY侵犯了朗科的美國專利。最終在2008年，朗科與PNY在庭外和解，PNY向朗科支付1000萬美元的專利許可費，這也是中國企業第一次在美國本土收到巨額專利許可費用。

3.2 內部結構

U盤的內部結構和固態硬盤有些許的相似之處，主要由五個部分組成：USB端口、主控芯片、閃存芯片、PCB底板、外殼封裝。USB端口負責連接電腦，是數據輸入或者輸出的通道；主控芯片相當于計算機的CPU，向U盤的其他部件下達指令和管理；閃存芯片是保存數據的實體，斷電后數據也不會消失；PCB底板就相當于計算機的主板，將各個部件鏈接在一起，提供相應的數據處理平臺；最后，外殼封裝就是最終包裝在U盤外面的保護殼，也是用戶能夠看到的部分。

3.3 存儲原理

U盤的存儲并沒有軟盤那么復雜的物理原理，僅僅是通過電平的高低，由計算機將信號轉換成二進制的數字信號讀寫到USB接口中，最后由主控芯片分配地址，實現存儲。對于U盤細節方面的存儲原理，需要大量的電子信號方面的知識，因此這里就不在敘述了，感興趣的讀者可以自行搜索相關資料。

因為電子的傳播速度非常快，因此在讀寫方面，U盤比軟盤會快很多。也因此，U盤在誕生之后迅速取代了軟盤在便攜存儲的地位。一直到今天，U盤還是便攜存儲的首選。

3.4 優缺點

U盤作為目前便攜存儲設備之王，其優點也是非常明顯的：小巧，容量大，價格便宜等。而且，對于目前絕大多數的計算機來說，U盤都是即插即用的，即不需要安裝什么額外的驅動軟件。

U盤的缺點，也可以說是所有閃存盤的缺點，就是其總讀寫次數有上限。通常來說，一個U盤的讀寫次數可以達到數10萬次。并且隨著使用時間的增長，U盤的讀寫速度也會有明顯的下降。

4 移動硬盤

移動硬盤，本質上就是普通的機械硬盤，是一種計算機之間交換大容量數據，強調便攜性的存儲產品。移動硬盤的結構，原理均與機械硬盤一致，因此這里就以機械硬盤為例，介紹一下其相關的知識。

4.1 發展歷史

說到移動硬盤的發展歷史，也是非常的有意思。他比U盤誕生的時間更早，但是比U盤火的時間更晚。原先移動硬盤的價格是非常高昂的，技術也是相當復雜。經過十幾年的改造與發展，移動硬盤已經成為了普及度最廣、應用率最高、發展最快的IT產品之一。

在國內，最早誕生的移動硬盤是USB移動硬盤存儲王，它也開啟了人們對海量數據移動化的歷史進程。

4.2 內部結構

移動硬盤的內部結構和機械硬盤是較為類似的，由盤片，盤體，磁頭，轉盤轉軸及控制電機，磁頭控制器，數據轉換器，接口和緩存等幾部分組成，如圖2所示。

硬盤的磁頭通過特殊的系統操作后，能夠在極短的時間內精確的定位在由計算機指令制定的磁道上。控制磁頭的磁頭臂只能在盤片的內外磁道之間移動。因此不管開機還是關機，磁頭永遠在盤片上。

從邏輯上來說，硬盤被劃分為了磁道、柱面以及扇區。磁盤在格式化的時候被分為許多同心圓，這些同心圓的軌跡叫做磁道，從0開始，由外到內進行編號。些同心圓并不會連續的記錄數據，而是被劃分成一段段的圓弧，每一個圓弧稱作是一個扇區，從1開始編號。所有盤面上的統一磁道會構成一個圓柱，這個圓柱我們稱之為柱面。每個柱面上的磁頭由上而下從0開始編號。

4.3 工作原理

在移動硬盤中，信息是以扇區的形式被存儲在磁盤上的，每個扇區包含512個字節的數據和一些其他的信息。系統將文件存儲到磁盤上時，是按照柱面、磁頭、扇區的方式進行的。即最先是第1磁道的第1磁頭下的所有扇區，然后是同一柱面下的下一個磁頭。在一個柱面存儲滿之后就推進到下一個柱面，直到將所有的內容寫入磁盤。

硬盤讀取數據時時，會先將讀寫磁頭沿著徑向移動，移動到要讀取的扇區的所在磁道的上方。這段時間我們稱為尋道時間。到達磁道之后，通過盤片的旋轉，使得要讀取得扇區轉到讀寫磁頭的下方，這段時間成為旋轉延遲時間。通過這兩個步驟，我們就能夠讀取用戶所要的信息了。

4.4 優缺點

對于移動硬盤來說，它的優點就是容量非常大，當然，這也犧牲了一部分的便攜性作為代價：移動硬盤的體積比U盤大了不少。

至于它和U盤之間如何選擇，我想還是因人而異吧。如果是一些獨立的小文件，日常需要在不同的計算機上訪問的，使用U盤更好。如果是對大量數據進行備份的話，移動硬盤是首選。

5 未來的便攜存儲設備

目前，已經有科技公司在研發一些新穎的便攜存儲設備。

2012年，Intellipaper公司發布了紙U盤。簡單來說，它用紙來代替閃存芯片和塑料外殼，是世界上第一款可以折疊、撕開的U盤。

水晶硬盤，可以使數據永遠存儲在玻璃上，具有存儲量大，穩定性強的優點。目前，南安普頓大學光電子學研究中心的研究人員和一家立陶宛的公司正在合作，共同研發這種玻璃晶體。

對于我而言，我希望能夠誕生一種類似于銀行借記卡那樣的便攜存儲設備。每次使用時，需要在計算機上刷一次卡，然后輸入相應的密碼。這樣希望的原因有二：第一，很多時候我們在他人的電腦上使用完U盤后會忘記拔下來。如果只是在使用一開始刷一下，就不會將U盤落下。第二，輸入密碼可以提高U盤的安全性。目前的家用U盤大多數都是不需要密碼的，也就是說，一旦U盤遺失或者被偷竊，其中相關資料都會落入他人的手中。增加一個輸入密碼的環節也可以更好的保護用戶的隱私。

參考文獻

[1]Abraham Silberschatz.Operating System Concepts[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]Randal E.Bryant，David R.OHallaron.Computer Systems：A Programmers Perspective[M].北京：機械工業出版社，2016.

作者簡介

李笛出乘（1999-），男，浙江省臺州市仙居縣人。

作者單位

杭州學軍中學 浙江省杭州市 310012