Жесткие диски, или, как их еще называют, винчестеры, являются одной из самых главных составляющих компьютерной системы. Об это знают все. Но вот далеко не каждый современный пользователь даже в принципе догадывается о том, как функционирует жесткий диск. Принцип работы, в общем-то, для базового понимания достаточно несложен, однако тут есть свои нюансы, о которых далее и пойдет речь.

Вопросы предназначения и классификации жестких дисков?

Вопрос предназначения, конечно, риторический. Любой пользователь, пусть даже самого начального уровня, сразу же ответит, что винчестер (он же жесткий диск, он же Hard Drive или HDD) сразу же ответит, что он служит для хранения информации.

В общем и целом верно. Не стоит забывать, что на жестком диске, кроме операционной системы и пользовательских файлов, имеются созданные ОС загрузочные секторы, благодаря которым она и стартует, а также некие метки, по которым на диске можно быстро найти нужную информацию.

Современные модели достаточно разнообразны: обычные HDD, внешние жесткие диски, высокоскоростные твердотельные накопители SSD, хотя их именно к жестким дискам относить и не принято. Далее предлагается рассмотреть устройство и принцип работы жесткого диска, если не в полном объеме, то, по крайней мере, в таком, чтобы хватило для понимания основных терминов и процессов.

Обратите внимание, что существует и специальная классификация современных HDD по некоторым основным критериям, среди которых можно выделить следующие:

• способ хранения информации;
• тип носителя;
• способ организации доступа к информации.

Почему жесткий диск называют винчестером?

Сегодня многие пользователи задумываются над тем, почему называют винчестерами, относящимися к стрелковому оружию. Казалось бы, что может быть общего между этими двумя устройствами?

Сам термин появился еще в далеком 1973 году, когда на рынке появился первый в мире HDD, конструкция которого состояла из двух отдельных отсеков в одном герметичном контейнере. Емкость каждого отсека составляла 30 Мб, из-за чего инженеры дали диску кодовое название «30-30», что было в полной мере созвучно с маркой популярного в то время ружья «30-30 Winchester». Правда, в начале 90-х в Америке и Европе это название практически вышло из употребления, однако до сих пор остается популярным на постсоветском пространстве.

Устройство и принцип работы жесткого диска

Но мы отвлеклись. Принцип работы жесткого диска кратко можно описать как процессы считывания или записи информации. Но как это происходит? Для того чтобы понять принцип работы магнитного жесткого диска, в первую очередь необходимо изучить, как он устроен.

Сам жесткий диск представляет собой набор пластин, количество которых может колебаться от четырех до девяти, соединенных между собой валом (осью), называемым шпинделем. Пластины располагаются одна над другой. Чаще всего материалом для их изготовления служат алюминий, латунь, керамика, стекло и т. д. Сами же пластины имеют специальное магнитное покрытие в виде материала, называемого платтером, на основе гамма-феррит-оксида, окиси хрома, феррита бария и т. д. Каждая такая пластина по толщине составляет около 2 мм.

За запись и чтение информации отвечают радиальные головки (по одной на каждую пластину), а в пластинах используются обе поверхности. За которого может составлять от 3600 до 7200 об./мин, и перемещение головок отвечают два электрических двигателя.

При этом основной принцип работы жесткого диска компьютера состоит в том, что информация записывается не куда попало, а в строго определенные локации, называемые секторами, которые расположены на концентрических дорожках или треках. Чтобы не было путаницы, применяются единые правила. Имеется ввиду, что принципы работы накопителей на жестких дисках, с точки зрения их логической структуры, универсальны. Так, например, размер одного сектора, принятый за единый стандарт во всем мире, составляет 512 байт. В свою очередь секторы делятся на кластеры, представляющие собой последовательности рядом находящихся секторов. И особенности принципа работы жесткого диска в этом отношении состоят в том, что обмен информацией как раз и производится целыми кластерами (целым числом цепочек секторов).

Но как же происходит считывание информации? Принципы работы накопителя на жестких магнитных дисках выглядят следующим образом: с помощью специального кронштейна считывающая головка в радиальном (спиралевидном) направлении перемещается на нужную дорожку и при повороте позиционируется над заданным сектором, причем все головки могут перемещаться одновременно, считывая одинаковую информацию не только с разных дорожек, но и с разных дисков (пластин). Все дорожки с одинаковыми порядковыми номерами принято называть цилиндрами.

При этом можно выделить еще один принцип работы жесткого диска: чем ближе считывающая головка к магнитной поверхности (но не касается ее), тем выше плотность записи.

Как осуществляется запись и чтение информации?

Жесткие диски, или винчестеры, потому и были названы магнитными, что в них используются законы физики магнетизма, сформулированные еще Фарадеем и Максвеллом.

Как уже говорилось, на пластины из немагниточувствительного материала наносится магнитное покрытие, толщина которого составляет всего лишь несколько микрометров. В процессе работы возникает магнитное поле, имеющее так называемую доменную структуру.

Магнитный домен представляет собой строго ограниченную границами намагниченную область ферросплава. Далее принцип работы жесткого диска кратко можно описать так: при возникновении воздействия внешнего магнитного поля, собственное поле диска начинает ориентироваться строго вдоль магнитных линий, а при прекращении воздействия на дисках появляются зоны остаточной намагниченности, в которой и сохраняется информация, которая ранее содержалась в основном поле.

За создание внешнего поля при записи отвечает считывающая головка, а при чтении зона остаточной намагниченности, оказавшись напротив головки, создает электродвижущую силу или ЭДС. Далее все просто: изменение ЭДС соответствует единице в двоичном коде, а его отсутствие или прекращение - нулю. Время изменения ЭДС принято называть битовым элементом.

Кроме того, магнитную поверхность чисто из соображений информатики можно ассоциировать, как некую точечную последовательность битов информации. Но, поскольку местоположение таких точек абсолютно точно вычислить невозможно, на диске нужно установить какие-то заранее предусмотренные метки, которые помогли определить нужную локацию. Создание таких меток называется форматированием (грубо говоря, разбивка диска на дорожки и секторы, объединенные в кластеры).

Логическая структура и принцип работы жесткого диска с точки зрения форматирования

Что касается логической организации HDD, здесь на первое место выходит именно форматирование, в котором различают два основных типа: низкоуровневое (физическое) и высокоуровневое (логическое). Без этих этапов ни о каком приведении жесткого диска в рабочее состояние говорить не приходится. О том, как инициализировать новый винчестер, будет сказано отдельно.

Низкоуровневое форматирование предполагает физическое воздействие на поверхность HDD, при котором создаются секторы, расположенные вдоль дорожек. Любопытно, что принцип работы жесткого диска таков, что каждый созданный сектор имеет свой уникальный адрес, включающий в себя номер самого сектора, номер дорожки, на которой он располагается, и номер стороны пластины. Таким образом, при организации прямого доступа та же оперативная память обращается непосредственно по заданному адресу, а не ищет нужную информацию по всей поверхности, за счет чего и достигается быстродействие (хотя это и не самое главное). Обратите внимание, что при выполнении низкоуровневого форматирования стирается абсолютно вся информация, и восстановлению она в большинстве случаев не подлежит.

Другое дело - логическое форматирование (в Windows-системах это быстрое форматирование или Quick format). Кроме того, эти процессы применимы и к созданию логических разделов, представляющих собой некую область основного жесткого диска, работающую по тем же принципам.

Логическое форматирование, прежде всего, затрагивает системную область, которая состоит из загрузочного сектора и таблиц разделов (загрузочная запись Boot record), таблицы размещения файлов (FAT, NTFS и т. д.) и корневого каталога (Root Directory).

Запись информации в секторы производится через кластер несколькими частями, причем в одном кластере не может содержаться два одинаковых объекта (файла). Собственно, создание логического раздела, как бы отделяет его от основного системного раздела, вследствие чего информация, на нем хранимая, при появлении ошибок и сбоев изменению или удалению не подвержена.

Основные характеристики HDD

Думается, в общих чертах принцип работы жесткого диска немного понятен. Теперь перейдем к основным характеристикам, которые и дают полное представление обо всех возможностях (или недостатках) современных винчестеров.

Принцип работы жесткого диска и основные характеристики могут быть совершенно разными. Чтобы понять, о чем идет речь, выделим самые основные параметры, которыми характеризуются все известные на сегодня накопители информации:

• емкость (объем);
• быстродействие (скорость доступа к данным, чтение и запись информации);
• интерфейс (способ подключения, тип контроллера).

Емкость представляет собой общее количество информации, которая может быть записана и сохранена на винчестере. Индустрия по производству HDD развивается так быстро, что сегодня в обиход вошли уже жесткие диски с объемами порядка 2 Тб и выше. И, как считается, это еще не предел.

Интерфейс - самая значимая характеристика. Она определяет, каким именно способом устройство подключается к материнской плате, какой именно контроллер используется, как осуществляется чтение и запись и т. д. Основными и самыми распространенными интерфейсами считаются IDE, SATA и SCSI.

Диски с IDE-интерфейсом отличаются невысокой стоимостью, однако среди главных недостатков можно выделить ограниченное количество одновременно подключаемых устройств (максимум четыре) и невысокую скорость передачи данных (причем даже при условии поддержки прямого доступа к памяти Ultra DMA или протоколов Ultra ATA (Mode 2 и Mode 4). Хотя, как считается, их применение позволяет повысить скорость чтения/записи до уровня 16 Мб/с, но в реальности скорость намного ниже. Кроме того, для использования режима UDMA требуется установка специального драйвера, который, по идее, должен поставляться в комплекте с материнской платой.

Говоря о том, что собой представляет принцип работы жесткого диска и характеристики, нельзя обойти стороной и который является наследником версии IDE ATA. Преимущество данной технологии состоит в том, что скорость чтения/записи можно повысить до 100 Мб/с за счет применения высокоскоростной шины Fireware IEEE-1394.

Наконец, интерфейс SCSI по сравнению с двумя предыдущими является наиболее гибким и самым скоростным (скорость записи/чтения достигает 160 Мб/с и выше). Но и стоят такие винчестеры практически в два раза дороже. Зато количество одновременно подключаемых устройств хранения информации составляет от семи до пятнадцати, подключение можно осуществлять без обесточивания компьютера, а длина кабеля может составлять порядка 15-30 метров. Собственно, этот тип HDD большей частью применяется не в пользовательских ПК, а на серверах.

Быстродействие, характеризующее скорость передачи и пропускную способность ввода/вывода, обычно выражается временем передачи и объемом передаваемых расположенных последовательно данных и выражается в Мб/с.

Некоторые дополнительные параметры

Говоря о том, что представляет собой принцип работы жесткого диска и какие параметры влияют на его функционирование, нельзя обойти стороной и некоторые дополнительные характеристики, от которых может зависеть быстродействие или даже срок эксплуатации устройства.

Здесь на первом месте оказывается скорость вращения, которая напрямую влияет на время поиска и инициализации (распознавания) нужного сектора. Это так называемое скрытое время поиска - интервал, в течение которого необходимый сектор поворачивается к считывающей головке. Сегодня принято несколько стандартов для скорости вращения шпинделя, выраженной в оборотах в минуту со временем задержки в миллисекундах:

• 3600 - 8,33;
• 4500 - 6,67;
• 5400 - 5,56;
• 7200 - 4,17.

Нетрудно заметить, что чем выше скорость, тем меньшее время затрачивается на поиск секторов, а в физическом плане - на оборот диска до установки для головки нужной точки позиционирования пластины.

Еще один параметр - внутренняя скорость передачи. На внешних дорожках она минимальна, но увеличивается при постепенном переходе на внутренние дорожки. Таким образом, тот же процесс дефрагментации, представляющий собой перемещение часто используемых данных в самые быстрые области диска, - не что иное, как перенос их на внутреннюю дорожку с большей скоростью чтения. Внешняя скорость имеет фиксированные значения и напрямую зависит от используемого интерфейса.

Наконец, один из важных моментов связан с наличием у жесткого диска собственной кэш-памяти или буфера. По сути, принцип работы жесткого диска в плане использования буфера в чем-то похож на оперативную или виртуальную память. Чем больше объем кэш-памяти (128-256 Кб), тем быстрее будет работать жесткий диск.

Главные требования к HDD

Основных требований, которые в большинстве случаев предъявляются жестким дискам, не так уж и много. Главное - длительный срок службы и надежность.

Основным стандартом для большинства HDD считается срок службы порядка 5-7 лет со временем наработки не менее пятисот тысяч часов, но для винчестеров высокого класса этот показатель составляет не менее миллиона часов.

Что касается надежности, за это отвечает функция самотестирования S.M.A.R.T., которая следит за состоянием отдельных элементов жесткого диска, осуществляя постоянный мониторинг. На основе собранных данных может формироваться даже некий прогноз появления возможных неисправностей в дальнейшем.

Само собой разумеется, что и пользователь не должен оставаться в стороне. Так, например, при работе с HDD крайне важно соблюдать оптимальный температурный режим (0 - 50 ± 10 градусов Цельсия), избегать встрясок, ударов и падений винчестера, попадания в него пыли или других мелких частиц и т. д. Кстати сказать, многим будет интересно узнать, что те же частицы табачного дыма примерно в два раза больше расстояния между считывающей головкой и магнитной поверхностью винчестера, а человеческого волоса - в 5-10 раз.

Вопросы инициализации в системе при замене винчестера

Теперь несколько слов о том, какие действия нужно предпринять, если по каким-то причинам пользователь менял жесткий диск или устанавливал дполнительный.

Полностью описывать это процесс не будем, а остановимся только на основных этапах. Сначала винчестер необходимо подключить и посмотреть в настройках BIOS, определилось ли новое оборудование, в разделе администрирования дисков произвести инициализацию и создать загрузочную запись, создать простой том, присвоить ему идентификатор (литеру) и выполнить форматирование с выбором файловой системы. Только после этого новый «винт» будет полностью готов к работе.

Заключение

Вот, собственно, и все, что вкратце касается основ функционирования и характеристик современных винчестеров. Принцип работы внешнего жесткого диска здесь не рассматривался принципиально, поскольку он практически ничем не отличается от того, что используется для стационарных HDD. Единственная разница состоит только в методе подключения дополнительного накопителя к компьютеру или ноутбуку. Наиболее распространенным является соединение через USB-интерфейс, который напрямую соединен с материнской платой. При этом, если хотите обеспечить максимальное быстродействие, лучше использовать стандарт USB 3.0 (порт внутри окрашен в синий цвет), естественно, при условии того, что и сам внешний HDD его поддерживает.

В остальном же, думается, многим хоть немного стало понятно, как функционирует жесткий диск любого типа. Быть может, выше было приведено слишком много тем более даже из школьного курса физики, тем не менее без этого в полной мере понять все основные принципы и методы, заложенные в технологиях производства и применения HDD, понять не получится.

Жесткий диск

Схема устройства накопителя на жёстких магнитных дисках.

Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках , НЖМД , жёсткий диск , винче́стер (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD ; в просторечии винт , хард , харддиск ) - энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство . Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах .

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома . В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Название «Винчестер»

По одной из версий название «винчестер» накопитель получил благодаря фирме 1973 году выпустила жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30» предложил назвать этот диск «винчестером» .

Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension ) - почти все современные ( -2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма . Последние чаще применяются в ноутбуках . Так же получили распространение форматы - 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в формфакторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа (англ. random access time ) - время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик от 2,5 до 16 мс , как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 - 3,7 мс ), самым большим из актуальных - диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 - 12,5 ).

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed ) - количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Блок головок - пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика - окислов железа , марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с большим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (4200, 5400, 7200, 10 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных, как правило неодимовых, постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок.

Вопреки расхожему мнению, внутри гермозоны нет вакуума . Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом ; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля , который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а так же при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр - пылеуловитель.

Низкоуровневое форматирование

На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются - на них формируются дорожки и секторы.

Ранние «винчестеры» (подобно дискетам) содержали одинаковое количество секторов на всех дорожках. На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в несколько зон. Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на каждой дорожке внешней зоны секторов больше, и чем зона ближе к центру, тем меньше секторов приходится на каждую дорожку зоны. Это позволяет добиться более равномерной плотности записи и, как следствие, увеличения ёмкости пластины без изменения технологии производства.

Границы зон и количество секторов на дорожку для каждой зоны хранятся в ПЗУ блока электроники.

Кроме того, в действительности на каждой дорожке есть дополнительные резервные секторы. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remaping ). Конечно, данные, хранившиеся в нём, скорее всего, будут потеряны, но ёмкость диска не уменьшится. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая в процессе эксплуатации.

Таблицы переназначения секторов также хранятся в ПЗУ блока электроники.

Во время операций обращения к «винчестеру» блок электроники самостоятельно определяет, к какому физическому сектору следует обращаться и где он находится (с учётом зон и переназначений). Поэтому со стороны внешнего интерфейса «винчестер» выглядит однородным.

В связи с вышеизложенным существует очень живучая легенда о том, что корректировка таблиц переназначения и зон может увеличить ёмкость жёсткого диска. Для этого существует масса утилит, но на практике оказывается, что если прироста и удаётся добиться, то незначительного. Современные диски настолько дёшевы, что подобная корректировка не стоит потраченных на это ни сил, ни времени.

Блок электроники

В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управление шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала .

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления , принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнении принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

Технологии записи данных

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них, изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Метод параллельной записи

На данный момент это всё ещё самая распространенная технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей - доменов . Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи

Метод перпендикулярной записи - это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных образцов - 15-23 Гбит/см², в дальнейшем планируется довести плотность до 60-75 Гбит/см².

Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR ) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, но их плотность уже превышает 150 Гбит/см². Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носители до 7,75 Тбит/см². Широкого распространения данной технологии следует ожидать после 2010 года.

Сравнение интерфейсов

	Пропускная способность, Мбит/с	Максимальная длина кабеля, м	Требуется ли кабель питания	Количество накопителей на канал	Число проводников в кабеле	Другие особенности
Ultra	2	40/80	Controller+2Slave, горячая замена невозможна
FireWire /400	400		Да/Нет (зависит от типа интерфейса и накопителя)	63	4/6
FireWire /800	800	4,5 (при последовательном соединении до 72 м)	Нет	63	4/6	устройства равноправны, горячая замена возможна
USB 2.0	480	5 (при последовательном соединении, через хабы , до 72 м)	Да/Нет (зависит от типа накопителя)	127	4
Ultra-320
SAS	3000	8	Да	Свыше 16384		горячая замена; возможно подключение
eSATA	2400	2	Да	1 (с умножителем портов до 15)	4	Host/Slave, горячая замена возможна

Это то устройство в Вашем компьютере или ноутбуке, на котором хранится непосредственно вся информация. Т.е. физически все данные (фотографии, документы и пр.) находятся именно на нем.

Соответственно если вдруг жесткий диск выходит из строя, то все ваши данные становятся не доступны или другими словами теряются . Конечно при очень большом желании можно восстановить все данные, обратившись в специализированный сервисный центр по восстановлению данных, но это весьма недешевая услуга. Поэтому во избежание потерь данных делайте резервные копии .

Жесткие диски бывают 2-х физических размеров (габаритов). 3,5 дюйма предназначен для установки в стандартный компьютер, т.е. не в ноутбуки. И 2,5 дюйма предназначен как раз-таки для установки в ноутбуки или какие-то компактные устройства.

Как устроен жесткий диск

Внутри жесткого диска находятся несколько магнитных пластин . Металлические круглые пластины внешне похожи на DVD диски, только меньшего размера. Внутри жесткого диска для записи или чтения информации с пластины жесткого диска есть перемещаемая магнитная головка. Собственно, при записи каких-либо данных магнитная головка их записывает непосредственно на пластину жесткого диска. Принцип работы похож на то как работает проигрыватель для виниловых пластинок.

Таких пластин в жестком диске может быть несколько. Скорость вращения таких пластин в стандартном жестком диске 7200 оборотов в минуту, к слову сказать, это очень много. Вдумайтесь, в секунду диск делает 120 оборотов!

Минусы магнитных жестких дисков

На данный момент они очень выгодны для хранения больших объемов информации из-за своей цены. Но у них по современным меркам низкая скорость . И за последние лет, наверное, 8 скорость этих дисков практически не возросла. Объемы для хранения росли быстро, когда-то 120 GB было много, сейчас же таких дисков вы и в продаже не найдете, минимум 340 ГБ.

И это было большой проблемой поскольку процессоры, память и все прочие элементы в компьютере увеличили свои скорости в разы, а жесткие диски свои скорости практически не увеличивали. Из-за этого компьютер по-прежнему долго загружался и программы медленно открывались, поскольку жесткий диск являлся узким местом.

SSD диски

Не так давно все большей популярностью стали пользоваться SSD (твердотельные жесткие диски) . Принцип работы у них совсем другой. Там нет никаких магнитных пластин, по сути это флешка с повышенной надежностью и с очень высокой скоростью. SSD диски раза в 4 минимум быстрее чем обычные (магнитные) жесткие диски .

Еще важным параметром жесткого диска - это время доступа . Объясню на примере. Вам нужно какой-то файл открыть, допустим фотографию, и вы в компьютере нажимаете кнопку открыть. Какие действия нужно выполнить жесткому диску. Жесткому диску нужно переместить считывающую головку на то место, где располагаются записи о вашей фотографии, на это должно уйти какое-то время. Это и есть время доступа.

В SSD дисках это время практически не берется в расчет, поскольку там нет физического механизма, нет считывающей головки, которую нужно куда-то перемещать. Это Flash память. В ней такое понятие отсутствует.

Почему же тогда до сих пор используются старые магнитные жесткие диски?

Во-первых, из-за объема . Как я уже говорил выше, жесткие диски (магнитные) используются для хранения больших объемов информации. Почему так? Потому что на данный момент не существует SSD дисков больших объемов, а даже если бы и были, то стоили как минимум в 10 раз дороже.

Во-вторых, это цена. SSD диски весьма недешевы . Для примера SSD диск объемом 256 ГБ стоит примерно 7000 р., за эти же деньги можно купить обычный жесткий диск объемом 4000 ГБ.

Возможно вы подумали зачем же мне такой маленький жесткий диск, пусть даже и очень быстрый, где мне тогда хранить мои данные.

Сейчас на хороших компьютерах ставится два жестких диска . Один SSD для хранения на нем операционной системы и программ для быстрой загрузки и работы компьютера.

А второй - обычный магнитный жесткий диск для хранения вашей информации (документы, фотографии и пр.).

На данный момент это идеальный вариант.

Жесткий диск («hard disk drive» сокр. HDD) - это устройство для постоянного хранения информации. В компьютерном мире его так же называют: хард диск , винчестер , винт . Именно на жестком диске вашего компьютера хранится вся информация и данные: файлы операционной системы, музыка и фильмы, документы и фотографии.

Внешний вид жесткого диска Внутреннее устройство 1. Отверстия для болтов крепления верхней крышки. 2,12. Корпус жесткого диска (винчестера). 3. Шпиндель - вал, на котором вращаются магнитные пластины с информацией. 4. Считывающие головки, которые читают информацию с магнитных пластин. 5,6,7. Привод считывающих головок. 8. Интерфейсный разъем для передачи информации и служебных команд от жесткого диска системе и наоборот. На фото изображен ATA (IDE) разъем, в более новых моделях обычно используется SATA интерфейс (более компактный). 9,10. Конфигурационные перемычки. Служат для того, что бы задавать различные режимы работы жесткого диска, например Slave и Master (загрузочный диск с системой). 11. Разъем для подключения питания (+12 вольт) к диску. 13. Кабель для подключения блока головок к плате управления жесткого диска. 14. Магнитные пластины со всей хранимой информацией. 15. Отверстия для болтов крепления корпуса винчестера внутри компьютера. Принцип работы Если кратко, то принцип работы жестких дисков очень напоминает работу кассетных и катушечных магнитофонов. Магнитные пластины (цилиндры) покрыты специальным слоем из оксида железа, на который считывающая головка записывает данные с помощью переменного магнитного поля. При считывании информации, считывающая головка проходит над намагниченными участками пластины. В результате этого, в головке возникает переменный ток, который передается для обработки на плату жесткого диска, где расположен главный элемент – микроконтроллер. Микроконтроллер – это упрощенный вариант процессора, созданный для выполнения конкретных задач. Именно микроконтроллер в жестком диске отвечает за его функциональность. Структура хранения данных на жёстком диске. Если бы вся информация на жестком диске хранилась как простая последовательность данных, как в кассетном магнитофоне, то это сильно усложнило бы работу пользователя. Ведь невозможно было бы сразу найти начало нужного файла, или определить свободное место для записи новых данных. Именно поэтому любой жесткий диск имеет определенную структуру, которая позволяет почти мгновенно находить нужный документ и сохранять новые файлы. Структурно диск можно разбить на круглые дорожки, которые в свою очередь разбиты на сектора. Именно сектор является минимальным блоком с данными на жестком диске. Структура цилиндров жестких дисков
Так же на любом жестком диске есть специальный служебный сектор, размер которого обычно составляет 10% от размера носителя. В этом секторе записана служебная информация о количестве цилиндров у жесткого диска, количество секторов, их размер и т.д. Так же в этом разделе находится таблица файловой системе. По сути – это база данных жесткого диска. Именно в ней записана вся структура диска: наименование директорий (папок), их содержимое (файлы и вложенные папки) и т.д. Вся структура папок и файлов, которую мы видим, когда работаем на компьютере, формируется как раз из данных, содержащихся в файловой таблице. Когда мы, к примеру, хотим посмотреть видео файл, записанный на этом жестком диске, операционная система читает информацию о том, в каких секторах записаны данные файла, определяет начальный сектор (начало файла) и начинает считывание данных, которые обрабатываются операционной системой или специальной программой (в данном случае это медиа плеер). Именно так, вкратце это все и работает. Специализированные программы для работы с жесткими дисками

Здравствуйте Друзья! Что такое жесткий диск или HDD? Жесткий диск это накопитель на жестких магнитных дисках. Сокращенно — НЖМД или hard (magnetic) disk drive — HDD или MHDD. Первый жесткий диск был выпущен компанией IBM в 1956 году имел габариты около одного метра кубического и был способен запомнить до 3.5 МБ информации (смотрите рисунок слева из википедии). В его состав входили 50 магнитных дисков диаметром 610 мм. Поверхность дисков была покрыта чистым железом, благодаря чему и была возможность намагничивать участки и запоминать данные. Этот жесткий диск весит 971 кг и входил в состав первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Дальше технологии развивались и дошли до того, что вы видите в своих настольных ПК и ноутбуках . Жесткий диск так же называют хард, винчестер или сокращенно — винт. Название винчестер пошло их 70-х годов. В то время компания IBM выпустила новый компьютер с более современным жестким диском, который представлял из себя два шкафчика, каждый запоминал до 30 МБ информации. Была проведена аналогия с винтовкой Winchester, использовавшей патрон 30-30. Наверно, после этого за жесткими дисками, скорее всего навсегда (по крайней мере у русскоязычного населения), закрепилось название — винчестер или сокращенно — винт.

Современный жесткий диск состоит из:

• корпуса
• блока электроники
• блока позиционирования актуатора
• блока с магнитными пластинами

Рассмотрим каждый подробнее

Корпус . Это как кузов автомобиля. На нем все держится. Основная задача — обеспечивать необходимую жесткость и герметичность. Жесткость необходима для защиты диска от внешних повреждений. Герметичность — для исключения попадания посторонних частиц внутрь диска. Корпус изготавливается из тепло-проводящего сплава, так как при работе устройства выделяется тепло и его нужно как-то отводить. Подробнее об охлаждении HDD можно прочитать . Для выравнивания давлений снаружи и внутри корпуса делается маленькое окошко с гибкой металлической пластинкой.

Блок электроники

Состоит из:

• интерфейсного блока
• буфера или кэша
• управляющего блока

Интерфейсный блок отвечает за связь жесткого диска с компьютером . В ПЗУ — постоянном запоминающем устройстве, записывается служебная информация и прошивка диска. Буфер — кэш память на подобии оперативной памяти . В нее помещается часто используемая информация, что увеличивает быстродействие HDD. Скорость чтения из кэша приближается к максимальной для интерфейса диска. На данный момент наиболее распространен интерфейс SATA III с максимальной пропускной способностью в 6 Гбит/с. Управляющий блок отвечает за функционирование всего устройства. Он следит за скоростью вращения блока с магнитными пластинами и положения блока с актуаторами.

Состоит из актуатора (устройство для записи и чтения информации), кронштейна (на котором все это работает) и привода. Привод получает команды где ему читать и куда записывать информацию от блока управления. (Рисунок ниже взят с сайта http://www.3dnews.ru/editorial/640707)

Блок с запоминающими пластинами . Состоит из привода, дисков или пластин и сепараторов. Последние служат для задания определенного расстояния между пластинами. Диски с сепараторами крепятся на приводе. Последний поддерживает постоянную скорость вращения.

2. Как работает жесткий диск?

При включении компьютера блок управления подает питание на привод с магнитными дисками и ждет пока последний не выйдет на заданную частоту вращения. Как только это происходит компьютер получает сигнал о готовности HDD. Далее идет запрос информации. В дело вступает блок позиционирования, который задает нужное положение актуатора. Данные считываются и попадают в интерфейсный блок, а от туда в оперативную память .

Раньше актуаторы касались магнитных дисков. С увеличением скорости последних потребовалось другая технология. При этом актуатор парил над магнитной поверхностью и касался в определенном месте диска. Технология пошла дальше, скорости вращение пластин выросли и блок с актуаторами стали парковать вне пластин. То есть актуаторы находятся рядом с пластинами пока не достигнута нужная скорость вращения магнитных дисков.

Благодаря высокой скорости вращения дисков создается воздушный поток, который поднимает головку актуатора над поверхностью. Этот же воздушный поток сдувает с поверхности попавшие внутрь пылинки на специальный фильтр в корпусе. Так же в корпусе имеется адсорбент для удаления остатков влаги.

В современных жестких дисках расстояние между считывающей головкой и поверхностью магнитной платины < 10 нм. Благодаря тому, что считывающие головки никогда не касаются магнитных пластин отсутствует трение и продлевается срок жизни HDD.

Каждая магнитная пластина разделена на кольцевые дорожки шириной около 60 нм. Последние в свою очередь поделены на кластеры. Обычно кластер равен 4 КБ. Каждый бит информации представляет собой площадку на дорожке, которая может быть намагничена -1 или нет -0. Эти площадки так же называются доменами. Чем меньше размер этой площадки, тем больше информации поместится на дорожке и более емкий получится жесткий диск. В начале развития применялась продольная запись. Площадка располагалась вдоль дорожки. В дальнейшем эту технологию заменила перпендикулярная запись, что позволило увеличить плотность данных и в свою очередь увеличить емкости HDD.

Совокупность дорожек равноудаленных от центра вращения двигателя называется цилиндром.

До того как жесткие диски перешагнули рубеж ёмкости в 500 MB хватало системы позиционирования CHS (cylinder-head-sector цилиндр-головка-сектор). С ростом объема в 1994 году была принята линейная система позиционирования LBA (linear block addressing). В случае с CHS жесткий диск был прозрачен для операционных систем, С применением же линейной адресации система обращается к нужному сектору жесткого диска, а уже блок управления HDD разбирается где находится физически этот сектор.

Блок позиционирования актуатора. Приводится в движение с помощью соленоидного двигателя. Последний состоит из статора и катушки. Статор состоит из одного или двух постоянных, сильных неодимовых магнитов. Точное позиционирование кронштейна с головками происходит путем подачи напряжения определенной силы на катушку (рисунок взят с http://www.3dnews.ru/editorial/640707)

От силы магнитов зависит скорость позиционирования головок и следовательно — время доступа к информации. Последнее в жестких дисках варьируется в пределах от 3 до 12 мс. Чем время меньше, тем быстрее и дороже жесткий диск. У компании WD есть три серии жесткий дисков : зеленая, синяя и черная. В зеленой применяется один неодимовый магнит и скорость вращения шпинделя 5400 об/мин. За счет этого получается довольно скромная производительность, зато приличная экономичность и низкое энергопотребление. У синих дисков применяется такой же магнит и скорость вращения поднимается до 7200 об/мин. По скоростным характеристикам он занимает промежуточное положение между зелеными и черными HDD. У черных же применяются два магнита и скорость в 7200 об/мин. Это позволяет добиться максимального быстродействия. Еще выше поднять быстродействие можно повысив скорость вращения двигателя с магнитными пластинами до 10000 или 15000 об/мин. Эти диски обладают минимальным временем доступа к информации и применяются в основном в серверах. Твердотельные диски со скоростью доступа < 1 мс пока остаются вне конкуренции.

Жесткие диски при работе производят два вида шума. От быстровращающихся магнитных дисков и от удара блока с головками об ограничитель. Последний возникает при возврате блока с головками в парковочную позицию. Для уменьшения этого удара производители ставят резиновые подкладки, но иногда и это не спасает, особенно в шустрых дисках. Существует два пути снижения шума от HDD. Первый сделать амортизирующие крепления в корпусе ПК. Об этом подробней можно прочитать . Путь второй — использовать технологию AAM, о которой написал подробнее .

3. Производство и производители жестких дисков

В начале было около 70 производителей HDD. Благодаря конкуренции их осталось всего три. Это Toshiba, Seagate и WD. На схеме ниже вы можете посмотреть в какие года происходили поглощения

Производство . В механическом цехе из алюминиевой болванки цилиндрической формы нарезаются заготовки. Затем заготовкам придается нужная форма возможно даже на токарных станках. После заготовки поступают в полировочный цех где поверхности полируются до нужного уровня. Затем происходит контроль и заготовки идут в цех нанесения магнитного покрытия. После снова происходит контроль. Затем происходит сборка жесткого диска и низкоуровневое форматирование . При этом процессе магнитные пластины разбиваются на дорожки и проверяются на битые или не читаемые сектора. Последние сразу помечаются чтобы исключить в них запись информации. На каждой дорожке есть некоторый резерв секторов. Именно из этого резерва происходит замена обнаруженных при работе сбойных участков.

Отдельно необходимо сказать про производство головок для чтения и записи информации. В современных жестких дисках каждый актуатор состоит из двух головок, для чтения и для записи. Сложность производства головок сравнима со сложностью производства процессоров , так же используется фотолитография. Устройства головок составляет производственную тайну.

Заключение

В статье мы затронули немножко истории приведя картинку первого жесткого диска выпущенного в 1956 году. Сказали возможную причину называния накопителей на магнитных жестких диска коротким словом — винт. Затем рассмотрели состав жесткого диска, то что скрывается внутри его корпуса. Постарались уделить внимание каждому блоку отдельно. Рассмотрели работу жесткого диска. В конце разобрались с производителями и самим производством HDD. Надеюсь вы вместе со мной продвинулись в теме HDD.