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“存储介质”是存储信息的载体。不同的存储介质有不同的物理形态，并采用不同的物理原理来承载信息。例如，纸张就是一种存储介质，文字信息以墨水书写的方式加载到纸张之上。在现代社会的信息化领域，绝大部分信息是以数字形式存在的，因而存储介质主要被用作存储二进制的“0”或“1”。数字信息的存储介质实质上是实现数字信号表示的物质或元器件，这种物质或元器件具有表现两种相反物理状态的能力，这两种物理状态的改变速度决定了存储器的存取速度。存储介质是构成存储设备的基础，目前常用的数字存储介质有磁存储介质（简称磁介质）、光存储介质（简称光介质）和半导体存储器等，下面将以此顺序介绍各种相关的存储技术。
磁存储介质利用磁场和磁感效应来产生读写二进制数据的环境，根据其外形可分为磁带、磁鼓、磁盘等。磁带存储容量大、价格低、适合长期保存，可以在较低的成本下实现具有TB级存储容量的存储系统。磁盘是各种计算机系统中被广泛使用的大容量外存储器，早期磁盘可分为硬盘和软盘两类。硬盘盘基用非磁性轻金属材料制成，容量大、存取速度快；软盘盘基用挠性塑料制成，容量小、可拆卸、携带方便。
在20世纪60年代末70年代初期，IBM公司推出全球第一台PC，为解决计算机操作指令的存储问题，其于1967年推出世界上第一张“软盘”，直径为32英寸，开启了软盘的研制之路。1971年，Alan Shugart推出一种直径为8英寸的表面涂有金属氧化物的塑料质磁盘，这就是标准软盘的“鼻祖”，容量仅为81KB。8英寸的软盘虽然从技术原理上已经很接近现代软盘，但缺陷就是体积过大，携带很不方便，于是5.25英寸软盘诞生了。为了改进5.25英寸软盘易损坏、体积较大等缺点，索尼公司于1980年率先推出体积更小、容量更大的3.5英寸软驱和软盘，以其便宜的价格、相对更大的存储容量很快全面占领市场。20世纪90年代，3.5英寸/1.44MB软盘一直是PC的标准数据传输方式之一。图1-1为各种规格的软盘。然而，随着社会信息量的迅速增加，软盘容量过小、读写速度慢、寿命短、可靠性差、数据易丢失等缺点逐渐显露出来，已不能满足数据存储的需求。特别是在以U盘为代表的大容量可移动存储器出现之后，软盘渐渐地淡出了人们的视线，时至今日已经少有PC支持软盘驱动器。
图1-1 各种规格的软盘
1956年，IBM公司制造了第一款硬盘驱动器IBM350RAMAC，包含50张24英寸的盘面，容量不到5MB，读写速率为1.1KB/s。以现在的眼光来看待IBM公司350RAMAC还算不上真正意义的硬盘，但它开创了信息存储的新时代。随后IBM公司于1980年制造了IBM3380，它是首个容量突破1GB的硬盘，总容量2.52GB，重约250kg。硬盘自出现之后便成为计算机系统的重要组成部分，与不断改进的计算机外设接口技术相结合，形成大容量、高速率的存储系统。
硬盘自1956年诞生以来，跨过了60年的风风雨雨，已经成为计算机主要的存储媒介。回顾当年IBM公司发明的世界上第一块硬盘仅有5MB的存储空间，却由50张24英寸的碟片组成，所占体积在现今人们对计算机的理解来看是不可想象的。1973年，IBM公司又成功研制了新型的曼彻斯特硬盘，拥有两个30MB的存储单元，其体积大大缩小，存储密度也大为提高。随后，硬盘驱动器也从控制技术、接口标准、机械结构等方面进行了一系列的改进，硬盘朝着大容量、小体积、高读取速度的方向不断发展。硬盘的尺寸也从最初的5.25英寸和3.5英寸再降到了2.5英寸，其应用领域也从PC拓展到了便携式电子产品。固态硬盘的出现是硬盘技术的一个重大变革，随着半导体存储芯片的成本逐渐降低、稳定性逐渐提高，固态存储介质已经在消费类电子产品中相当普及，在PC领域也大有取代硬盘的趋势。
硬盘是由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口及其他附件等组成，其中盘头组件是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴组件、前置读写控制电路，硬盘的内部结构如图1-2所示。
浮动磁头组件由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有0.1～0.3μum，可以获得极高的数据传输率。现在转速5400rpm的硬盘飞高都低于0.3μm，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性。
图1-2 硬盘的内部结构
磁头驱动机构包括电磁线圈电机、驱动小车和防震动装置等。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。
盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。主轴组件包括主轴部件如轴承和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术。
前置读写控制电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，由于磁头读取的信号微弱，将该电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。
与软盘类似，硬盘逻辑上被划为磁道、柱面和扇区，其结构关系如图1-3所示。
图1-3 柱面和盘片上的磁道
每个盘片的每个面都有一个读写磁头，磁头起初停在盘片的最内圈，该区域不存放任何数据，称为启停区或着陆区，其他区域就是数据区。在最外圈，0磁道一般是硬盘数据开始存放的地方，它存放着操作系统启动时所必需的程序代码。所有盘面上同一磁道构成的圆柱即为柱面。每个圆柱上的磁头由上而下从0开始编号。磁头读写数据时首先在同一柱面内从0磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面上进行操作。
硬盘性能好坏是由其相关的技术参数决定的，硬盘的性能参数主要有如下几个：
作为计算机系统的数据存储器，容量是硬盘最主要的参数。硬盘内部往往有多个叠起来的磁盘片，所以说“硬盘容量=单碟容量×碟片数”。硬盘容量当然是越大越好，以便可以装下更多的数据。要特别说明的是，单碟容量对硬盘的性能也有一定的影响：单碟容量越大，硬盘的密度越高，磁头在相同时间内可以读取到更多的信息，这就意味着读取速度得以提高。
转速是硬盘内电机主轴的旋转速度，也就是硬盘盘片在一分钟内所能完成的最大转数。转速的快慢是标示硬盘档次的重要参数之一，它是决定硬盘内部传输率的关键因素之一，在很大程度上直接影响到硬盘的速度。硬盘的转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快，相对硬盘的传输速度也就得到了提高。
平均访问时间是指磁头从起始位置到目标磁道位置，并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间，体现了硬盘的读写速度。
硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s），包括内部数据传输率和外部数据传输率，分别反映硬盘缓冲区未用时的性能和系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率。
该指标指在硬盘内部的高速存储器。缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素，能够大幅度地提高硬盘整体性能。DFT（Drive Fitness Test，驱动器健康检测）程序对硬盘进行检测时，可以让用户方便快捷地检测硬盘的运转状况。
硬盘的容量越来越大，容纳的资料自然也越来越多，这个时候就需要硬盘具有较高的可靠性和安全性，数据保护技术和抗震技术只会变得越来越重要，各个厂商应该在此投入更多的精力。目前主要的硬盘数据保护技术有S.M.A.R.T技术、DFT技术、加密技术等。通过S.M.A.R.T.技术，可以对硬盘潜在故障进行有效预测，提高数据的安全性。
光存储介质的主要代表为光盘存储器，其利用激光读出和写入信息，主要优点是密度高、容量大，一个直径12英寸的光盘能存储2.5GB信息，位存储成本低廉。但是光盘的存取时间要比磁盘长，一般为100～500ms，并且记录的信息不易擦除改写。
第一张光盘于1958年发明，之后虽然对光盘数据存储的研究持续了几十年，但直到1984年CD-ROM黄皮书的公布以及1988年只读光盘和可擦除光盘的出现，光盘才成为主要数据存储介质之一。作为CD的发展，用于记录视频和音频的数字化视频光盘（DVD）产生了。随着光盘的不断使用以及光存储研究的不断发展，光盘的价格急剧下降，并成为非常重要的存储设备和音频视频的重要载体。特别是2003年国际蓝光光盘标准的统一，单盘存储量可达50GB，使得光盘存储在社会各个领域得到了广泛应用。
光存储是由光盘表面的介质实现的，其盘面上有凹凸不平的小坑，光驱中的激光照射到上面会有不同的光反射回来，光驱再将这些光转化成0或1的二进制数据。反之，在光盘上存储数据需要借助激光把二进制数据“刻”在扁平、具有反射能力的盘片上。为了识别数据，将激光“刻”出的小坑定义为二进制“1”，而空白处定义为“0”。根据光盘的结构，光盘主要分为CD、DVD、蓝光光盘等几种类型，它们虽然在结构上有所区别，但是主要结构及其原理是一致的，下面以CD为例来介绍光盘的结构，如图1-4所示。
图1-4 光盘结构示意图
CD光盘非常薄，只有1.2mm厚，主要分为五层，即基板、记录层、反射层、保护层、印刷层。其中，基板是整个光盘的物理外壳，是各功能性结构的载体；记录层是刻录信号的地方；反射层是反射光驱激光光束的区域；保护层用来保护反射层以及防止信号被破坏；印刷层是印刷客户标示、容量等信息的地方。
光盘驱动器负责向光盘读取和写入数据，其主要的部分是激光发生器和光检测器。激光发生器实际上是一个激光二极管，它可以产生对应波长的激光光束，经过一系列处理反射到光盘上，然后经由光检测器捕捉反射回来的信号进而识别数据。光盘在光盘驱动器中高速转动，激光头在电机控制下前后移动，数据就不断地被读取出来。目前主要的读取技术有三种，分别是CLV技术、CAV技术和PCAV技术。
CLV：（Constant Linear Velocity）技术恒定线速度读取方式，在低于12倍速的光驱中使用的技术。它为了保持数据传输率不变，而随时改变旋转光盘的速度。读取内部数据的旋转速度比外部要快许多。
CAV：（Constant Angular Velocity）技术恒定角速度读取方式。它是用同样的速度来读取光盘上的数据。但光盘上的内部数据比外沿数据传输速度要低，越往外越能体现光驱的速度，倍速指的是最高数据传输率。
PCAV：（Partial CAV）技术区域恒定角速度读取方式，是融合了CLV和CAV的一种新技术。它在读取外沿数据时采用CLV技术，在读取内部数据时采用CAV技术，以提高整体数据传输的速度。
光盘可以大致分为两类，一类是只读光盘（如CD-ROM、DVD-ROM），这种光盘只能用来播放已经记录在盘片上的信息。市场上的视频录像盘及数字音响唱盘属于此类。另一类是可写光盘（如CD-Recordable、CD-R、MO等）。可写光盘又包括三类。一类为一次性写光盘，这类光盘具有读写功能，它可用于文档存储和检索以及图像存储和处理。另一类为可重写光盘，这类光盘除用来写、读信息外，还可以将已经记录在盘上的信息擦去，然后再写入新的信息，但擦和写需要两束激光、两次动作才能完成，即先用擦激光将某一信道上的信息擦除，然后再用写激光将新的信息写入。还有一类为直接重写光盘，这类光盘可用一束激光、一次动作写入信息，即在写入新信息的同时将原来的信息自动擦除。表1-1简单给出了光盘的主要种类和应用领域。
表1-1 主要光盘类型及用途
由于光盘类型不同，光盘容量和尺寸也不同。目前光盘的规格、尺寸和容量大小如表1-2所示。
表1-2 光盘的尺寸、容量
光盘存储技术近年来发展比较迅速。相比于其他存储技术而言，它具有很多独特的优点，如存储密度高、容量大，这是由光盘的高道密度所决定的。光盘可通过光对记录介质的反射实现精密的道跟踪，其道间距在1μm以下，远小于硬盘的道间距。随着光盘技术的不断发展，还可能通过采用短波激光器和大数值孔径的物镜进一步缩小记录点的直径，以提高光盘的存储密度。
光盘寿命相对较长。由于光盘的记录读出头和盘面不接触，在使用光盘多次读出时，光盘表面的记录信息不会被破坏，同时也延长了光盘的使用寿命。在常温下，数据保存寿命可超过100年。
随着光学技术、微电子、激光技术、材料科学、细微加工技术、计算机与自动控制技术的发展，光盘存储技术在存储密度、容量、数据传输率、功能多样化等方面都有很大的发展。光盘不仅适用于大数据信息的存储和交换，而且还能同时存储图、文、声、像等各种信息，满足信息存储、传输和管理的要求，因而得到了广泛应用，特别是在音像出版领域。
半导体存储器（semi-conductor memory）是一种以半导体电路作为存储媒介的存储器，按其功能可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
所谓“固态存储”技术，指的就是以半导体存储器件为介质进行数据存储和读取的一种技术。早期的固态存储技术主要是基于DRAM的，近年来，基于Flash的固态存储技术日趋成熟，逐渐与基于DRAM的固态存储技术各领风骚，成为当今固态存储领域的两大技术流派。对于Flash来说，根据存储单元组织结构的不同，主要可以分为NAND型和NOR型。NOR Flash是Intel公司在1988年提出的存储架构，NAND Flash是TOSHIBA公司在1989年提出的存储架构。两者都是基于“浮动门场效应管”的半导体存储器件，都是非易失性存储器，基本操作包括读、编程（或写）和擦除。NOR Flash成本相对较高，通常用于存储小容量的代码；NAND Flash则通常作为大容量存储器件，某些场合下可用于替代磁存储介质，以获得更快的存储速度和更好的稳定性。
有关NAND闪存技术是本书的重点内容，有关NAND闪存固态硬盘的更多细节将在后续章节陆续展开讲述。