Из чего состоит жесткий диск. Что такое HDD

Н акопитель на жестком диске является, чуть ли не одним из самых важных элементов современного компьютера. Так как он предназначен в первую очередь для долгосрочного хранения ваших данных, это могут быть игры, фильмы и другие объемные файлы, хранящиеся у вас на вашем ПК. И было бы очень жалко если он мог бы неожиданно сломаться, в результате чего вы можете потерять все свои данные, которые бывает очень сложно восстановить. И чтобы правильно эксплуатировать и заменять этот элемент, необходимо понимать как он работает и что из себя представляет – жесткий диск.

Из этой статьи вы узнаете о работе жесткого диска, его компонентах и технических характеристиках.

Обычно главными элементами жесткого диска являются несколько круглых пластин из алюминия. В отличие от гибких дисков(забытых дискеток) их сложно согнуть, поэтому и появилось название жесткий диск. В некоторых устройствах они устанавливаются несъемные, и называются фиксированными (fixeddisk). Но в обычных стационарных компьютерах и даже некоторых моделей ноутбуков и планшетов их можно без проблем заменить.

Рисунок: Жесткий диск без верхней крышки

Заметка!

Почему жесткие диски иногда называют – винчестер и какое отношение они имеют к огнестрельному оружию. Когда то в 1960-х годах компания IBMвыпустила скоростной на тот момент жесткий диск с номером разработки 30-30. Что совпало с обозначением известного нарезного оружия Winchester, и поэтому этот термин вскоре закрепился в компьютерном жаргонном сленге. А на самом же деле жесткие диски не имеют ничего общего с настоящими винчестерами.

Как работает накопитель на жестких дисках

Запись и считывание информации, находящейся на концентрических окружностях жесткого диска, разбитых на секторы, производится посредствам универсальных головок записи/чтения.

Все стороны диска предусматривают свою собственную дорожку для записи и чтения, однако головки располагаются на общем для всех дисков приводе. По этой причине головки перемещаются синхронно.

Видео YouTube: Работа открытого жесткого диска

Нормальная работа накопителя не допускает касаний между головками и магнитной поверхностью диска. Однако в случае отсутствия электроэнергии и остановки устройства головки все же опускаются на магнитную поверхность.

Во время работы жесткого диска между поверхностью вращающейся пластины и головкой образуется незначительный воздушный промежуток. Если в этот промежуток проникает пылинка или устройство подвергается встряске, велика вероятность того, что головка столкнется с вращающейся поверхностью. Сильный удар может стать причиной выхода из строя головки. Результатом этого выхода может быть повреждение нескольких байтов или же полная неработоспособность устройства. По этой причине во многих устройствах магнитная поверхность легируется, после чего на нее наносится специальная смазка, позволяющая справляться с периодической встряской головок.

Некоторые современные диски используют механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам касаться магнитной поверхности даже в случае отключения электропитания.

Форматирование высокого и низкого уровня

Использование форматирования высокого уровня позволяет операционной системе создавать структуры, упрощающую работу с хранящимися на жестком диске файлами и данными. Все имеющиеся разделы (логические диски) снабжаются загрузочным сектором тома, двумя копиями таблицы размещения файлов и корневым каталогом. Посредствам вышеуказанных структур, операционной системе удается производить распределение дискового пространства, отслеживание расположения файлов, а также обход поврежденных участков на диске.

Другими словами, форматирования высокого уровня сводится к созданию оглавлений диска и файловой системы (FAT, NTFS и т.п.). К «настоящему» форматированию можно отнести лишь форматирование низкого уровня, во время которого происходит деление диска по дорожкам и секторам. Посредствам DOS-команды FORMAT гибкий диск подвергается сразу обоим типам форматирования, тогда как жесткий - лишь форматированию высокого уровня.

Для того, что бы произвести низкоуровневое форматирование на жестком диске, необходимо использование специальной программы, чаще всего предоставляемой компанией-производителем диска. Форматирование гибких дисков посредствам FORMAT подразумевает выполнение обеих операций, тогда как в случае с жесткими дисками вышеуказанные операции следует выполнять по раздельности. Более того, жесткий диск подвергается и третьей операции - созданию разделов, которые являются необходимым условием для использования на одном ПК более одной операционной системы.

Организация нескольких разделов предоставляет возможность устанавливать на каждый из них свою операционную инфраструктуру с отдельным томом и логическими дисками. Каждый том или логический диск имеет своё буквенное обозначение(например диск C,D или E).

Из чего состоит жесткий диск

Практически каждый современный винчестер включает один и тот же набор компонентов:

диски (их количество чаще всего доходит до 5 штук);

головки чтения/записи (их количество чаще всего доходит до 10 штук);

механизм привода головок (данный механизм устанавливает головки в необходимое положение);

двигатель привода дисков (устройство, приводящее во вращение диски);

воздушный фильтр (фильтры, расположенные внутри корпуса накопителя);

печатную плату со схемами управления (посредствам этого компонента производится управление накопителем и контроллером);

кабели и разъемы (электронные компоненты HDD).

В качестве корпуса для дисков, головок, механизма привода головок и двигателя привода дисков чаще всего используется герметичный короб — HDA. Обычно данный короб является единым узлом, который практически никогда не вскрывается. Иные компоненты, не входящие в HDA, к числу которых можно отнести элементы конфигурации, печатную плату и лицевую панель, — съемные.

Автоматическая парковка головок и система контроля

На случай отключения питания предусмотрена контактная парковочная система, задача которой сводится к тому, чтобы опустить штангу с головками на сами диски. Независимо от того, что накопитель выдерживает десятки тысяч подъемов и спусков считывающих головок, происходить это все должно на специально отведенных для этих действий участках.

Во время постоянных подъемов и спусков происходит неизбежная абразия магнитного слоя. Если после износа накопитель подвергнется встряске, то вероятней всего произойдет повреждение диска или головок. Для предотвращения вышеуказанных неприятностей, современные накопители снабжаются специальным механизмом загрузки/разгрузки, представляющим собой пластину, которая помещается на внешнюю поверхность жестких дисков. Эта мера позволяет предотвратить касание головки и магнитной поверхности даже в случае отключения питания. При отключении напряжения накопитель самостоятельно «паркует» головки на поверхности наклонной пластины.

Немного о воздушных фильтрах и воздухе

Практически все жесткие диски снабжены двумя воздушными фильтрами: барометрическим и фильтром рециркуляции. Отличает вышеуказанные фильтры от сменяемых моделей, используемых в накопителях старшего поколения, то, что они помещены внутрь корпуса и их замена не предусматривается до конца эксплуатационного срока.

Старые диски использовали технологию постоянной перегонки воздуха внутрь корпуса и обратно, используя при этом фильтр, который нуждался в периодической смене.

Разработчикам современных накопителей от этой схемы пришлось отказаться, а потому фильтр рециркуляции, который расположен в герметичном корпусе HDA, применяется лишь для фильтрации находящегося внутри короба воздуха от мельчайших частиц, оказавшихся внутри корпуса. Независимо от всех предпринятых мер предосторожности, мелкие частицы все же образуются после многократных «посадок» и «взлетов» головок. С учетом того, что корпус накопителя отличается своей герметичностью и в нем происходит перекачка воздуха, он продолжает функционировать даже в условиях сильно загрязненной окружающей среды.

Интерфейсные разъемы и соединения

Многие современные накопители на жестких дисках снабжены несколькими интерфейсными разъемами, предназначенными для подключения к источнику питания и к системе в целом. Как правило, накопитель содержит минимум три разновидности разъемов:

интерфейсные разъемы;

разъем для подачи питания;

разъем для заземления.

Отдельного внимания заслуживают интерфейсные разъемы, поскольку они предназначены для получения/передачи накопителем команд и данных. Многие стандарты не исключают возможность подключения нескольких накопителей к одной шине.

Как уже упоминалось выше, накопители на HDD могут быть снабжены несколькими интерфейсными разъемами:

MFM и ESDI - вымершие разъемы, использовавшиеся на первых винчестерах;

IDE/ATA - разъем для подключения накопителей, который долгое время был самым распространённым по причине своей невысокой стоимости. Технически этот интерфейс схож с 16-разрядной шиной ISA. Последующее развитие стандартов IDE поспособствовало росту скорости обмена данными, а также появлению возможности напрямую обратиться к памяти посредствам DMA технологии;

Serial ATA - разъем, заменивший собой IDE, который физически является однонаправленной линией, используемой для последовательной передачи данных. Будучи в режиме совместимости схож с IDE интерфейсом, однако, наличие «родного» режима позволяет воспользоваться дополнительным набором возможностей.

SCSI - универсальный интерфейс, который активно применялся на серверах для подключения HDD и иного рода устройств. Несмотря на хорошие технические показатели, не стал таким распространенным как IDE по причине своей дороговизны.

SAS - последовательный аналог SCSI.

USB - интерфейс, который необходим для подключения внешних винчестеров. Обмен информацией в данном случае происходит посредствам протокола USB Mass Storage.

FireWire - разъем аналогичный USB, необходим для подключения внешнего HDD.

Fibre Channel -интерфейс, используемый системами высокого класса за счет высокой скорости передачи данных.

Показатели качества жестких дисков

Емкость — объем информации, вмещаемый накопителем. Этот показатель в современных винчестерах может достигать до 4 терабайт(4000 гигабайт);

Быстродействие . Данный параметр оказывает непосредственное влияние на время отклика и среднюю скорость передачи информации;

Надежность – показатель, определяемый средним временем наработки на отказ.

Ограничения физической емкости

Максимальный объем емкости, используемой жестким диском, зависит от целого ряда факторов, к числу которых можно отнести интерфейс, драйвера, операционную и файловую систему.

У первого накопителя АТА, выпущенного в 1986 году, имелось ограничение емкости, максимальное значение которого составляло 137 Гб.

Разные версии BIOS также способствовали уменьшению максимальной емкости жестких дисков, а потому системы, скомпонованные до 1998 г., имели емкость – до 8,4 Гб, а системы, выпущенные до 1994 г., - 528 Мб.

Даже после решения проблем с BIOS ограничение емкости накопителей с интерфейсом подключения АТА осталось, максимальное его значение составляло в 137 Гб. Это ограничение было преодолено посредствам стандарта ATA-6, выпущенного в 2001 г. Данный стандарт использовал расширенную схему адресации, что, в свою очередь, поспособствовало увеличению емкости накопителей до 144 Гб. Подобное решение позволило явить свету накопители с интерфейсами PATA и SATA, у которых объем вмещаемой информации — выше указанного ограничения в 137 Гб.

Ограничения ОС на максимальный объем

Практически все современные операционные системы не накладывают каких-либо ограничений на такой показатель как емкость жестких дисков, чего нельзя сказать о более ранних версиях операционных систем.

Так, например, DOS не распознавал жесткие диски, емкость которых превышала 8,4 Гб, поскольку доступ к накопителям в данном случае выполнялся посредствам LBA-адресации, при этом в DOS 6.x и более ранних версиях поддерживалась лишь CHS-адресация.

Ограничение емкости жесткого диска также имеется в случае установки ОС Windows 95. Максимальное значение этого ограничения — 32 Гб. Помимо этого, обновленными версиями Windows 95 поддерживается лишь файловая система FAT16, которая, в свою очередь, налагает ограничение в размере 2 Гб на размеры разделов. Из этого следует, что в случае использования жесткого диска на 30 Гб, его нужно поделить на 15 разделов.

Ограничения операционной системы Windows 98 допускают использование жестких дисков большего объема.

Характеристики и параметры

Каждый жёсткий диск обладает перечнем технических характеристик, согласно которым и устанавливается его иерархия использования.

Первым делом, на что следует обратить внимание, так это на тип используемого интерфейса. С недавних пор каждый компьютер в качестве усовершенствованного и более скоростного интерфейса начал использовать SATA .

Второй не менее важный момент — объём свободного места на жёстком диске. Минимальное его значение на сегодняшний день составляет лишь 80 Гб, при этом максимальное – 4 Тб.

Еще одной важной характеристикой в случае приобретения ноутбука является форм-фактор жесткого диска.

Наиболее востребованными в этом случае считаются модели, размер которых — 2,5 дюйма, при этом в настольных ПК размер составляет 3,5 дюйма.

Не стоит пренебрегать и скоростью вращения шпинделя, минимальные значения – 4200, максимальные – 15000 оборотов в минуту. Все вышеуказанные характеристики оказывают непосредственное влияние на скорость работы винчестера, которая выражается в Мб/С.

Скорость работы жесткого диска

Немаловажным значением обладают скоростные показатели жёсткого диска, которые определяются:

Скоростью вращения шпинделя , измерение которой проводится в оборотах в минуту. В ее задачу не входит непосредственное выявление реальной скорости обмена, она лишь позволяет отличить более скоростное устройство от менее скоростного устройства.

Временем доступа . Данный параметр вычисляет затрачиваемое винчестером время от получения команды до передачи информации по интерфейсу. Чаще всего фигурирую среднее и максимальное значения.

Временем позиционирования головок . Это значение указывает затрачиваемое головками время для перемещения и установки с одного трека на другой трек.

Пропускной способностью или производительностью диска во время последовательной передачи больших объёмов данных.

Внутренней скоростью передачи данных или скоростью передаваемой информации от контроллера к головкам.

Внешней скоростью передачи данных или скоростью передаваемой информации по внешнему интерфейсу.

Немного о S.M.A.R.T.

S.M.A.R.T. – утилита, предназначенная для самостоятельной проверки состояния современных винчестеров, поддерживающих интерфейс PATA и SATA, а также работающих в персональных компьютерах с операционной системой Windows (от NT до Vista).

S.M.A.R.T. производит подсчет и анализ состояния подключенных жестких дисков через равные отрезки времени, независимо от того запущена операционная система или нет. После того, как анализ был проведен, значок результата диагностики отображается в правом углу панели задач. Основываясь на результатах, полученных во время S.M.A.R.T. диагностики, значок может указывать:

На отличное состояние каждого подключенного к компьютеру винчестера, поддерживающего S.M.A.R.T. технологию;

На то, что один или несколько показателей состояния не соответствуют пороговому значению, при этом у параметров Pre-Failure / Advisory нулевое значение. Вышеуказанное состояние жесткого диска не считается предаварийным, однако если этот винчестер содержит важную информацию, рекомендуется как можно чаще сохранять ее на другом носителе или произвести замену HDD.

На то, что один или несколько показателей состояния не соответствуют пороговому значению, при этом у параметров Pre-Failure / Advisory активное значение. По мнению разработчиков жестких дисков, это состояние предаварийное, и хранить информацию на таком винчестере не стоит.

Фактор надежности

Такой показатель, как надежность хранения данных является одним из наиболее важных характеристик жесткого диска. Фактор отказа у винчестера — раз в сто лет, из чего можно сделать вывод, что HDD считается наиболее надежным источником хранения данных. При этом на надежность каждого диска непосредственное влияние оказывает условие эксплуатации и само устройство. Порой производители поставляют на рынок еще совсем «сырой» продукт, а потому пренебрегать резервным копированием и полностью полагаться на винчестер нельзя.

Стоимость и цена

С каждым днем стоимость HDD становится всё меньше. Так, например, сегодня цена жесткого диска ATA на 500 Гб составляет в среднем 120 долларов, к сравнению, в 1983 г. винчестер емкостью 10 Мб стоил 1800 долларов.

Из вышесказанного утверждения можно сделать вывод, что стоимость HDD будет продолжать падать, а потому в дальнейшем все желающие смогут приобрести довольно емкие диски по приемлемым ценам.

Количество операций ввода-вывода в секунду (англ. IOPS ) - у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии - важный фактор для мобильных устройств.

Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating ) - сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate ) при последовательном доступе:

внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;
внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объём буфера - буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных дисках он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Уровень шума

Силиконовые шайбы для крепления жёстких дисков. Уменьшают вибрацию и шум

Уровень шума - шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах . Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Для снижения шума от жёстких дисков применяют следующие методы:

Производители

Изначально на рынке было большое разнообразие жёстких дисков, производившихся множеством компаний . В связи с ужесточением конкуренции, бурным ростом ёмкости, требующим современных технологий, и понижением норм прибыли большинство производителей было либо куплено конкурентами, либо перешло на другие виды продукции.

В настоящее время в связи с продвижением на рынок внешних накопителей и развитием технологий типа SSD количество фирм, предлагающих готовые решения, вновь возросло.

Устройство

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.

Гермозона

Разобранный жёсткий диск Samsung HD753LJ ёмкостью 750 Гб

Разобранный жёсткий диск

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, в некоторых моделях разделённые сепараторами, а также блок головок с устройством позиционирования, и электропривод шпинделя .

Вопреки расхожему мнению, в подавляющем большинстве устройств 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 (например, в самолёте) и температуры, а также 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.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла (IBM), 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 составляют коммерческую тайну . Большинство бюджетных устройств содержит одну или две пластины, но существуют модели с бо́льшим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (от 3600 до 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. Шпиндельный двигатель жёсткого диска трёхфазный синхронный , что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включенных «звездой» с отводом посередине, а ротор - постоянный секционный магнит.

Сепаратор (разделитель) - пластина, изготовленная из пластика или алюминия, находящаяся между пластинами магнитных дисков и над верхней пластиной магнитного диска. Используется для выравнивания потоков воздуха внутри гермозоны.

Устройство позиционирования

Разобранный жёсткий диск. Снята верхняя пластина статора соленоидного двигателя

Устройство позиционирования головок (сервопривод, жарг. актуатор ) представляет из себя малоинерционный соленоидный двигатель. Оно состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов , а также катушки (соленоид) на подвижном кронштейне блока головок.

Принцип работы двигателя заключается в следующем: обмотка находится внутри статора (обычно два неподвижных магнита), ток, подаваемый с различной силой и полярностью, заставляет её точно позиционировать кронштейн (коромысло) с головками по радиальной траектории. От скорости работы устройства позиционирования зависит время поиска данных на поверхности пластин.

В каждом накопителе существует специальная зона, называемая парковочной, именно на ней останавливаются головки в те моменты, когда накопитель выключен, либо находится в одном из режимов низкого энергопотребления. В состоянии парковки кронштейн (коромысло) блока головок находится в крайнем положении и упирается в ограничитель хода. При операциях доступа к информации (чтение/запись) одним из источников шума является вибрация вследствие ударов кронштейнов, удерживающих магнитные головки, об ограничители хода в процессе возвращения головок в нулевую позицию. Для снижения шума на ограничителях хода установлены демпфирующие шайбы из мягкой резины. Значительно уменьшить шум жёсткого диска можно программным путем, меняя параметры режимов ускорения и торможения блока головок. Для этого разработана специальная технология - Automatic Acoustic Management . Официально возможность программного управления уровнем шума жёсткого диска появилась в стандарте ATA /ATAPI-6 (для этого нужно менять значение управляющей переменной), хотя некоторые производители делали экспериментальные реализации и ранее.

Блок электроники

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), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр , используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

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 сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

Низкоуровневое форматирование

На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются - на них формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, как минимум, на каждую дорожку наносится магнитная метка, обозначающая её начало.

Существуют утилиты, способные тестировать физические секторы диска, и ограниченно просматривать и править его служебные данные. Конкретные возможности подобных утилит сильно зависят от модели диска и технических сведений, известных автору програмного обеспечения соответствующего семейства моделей.

Геометрия магнитного диска

С целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки - концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки - секторы . Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов.

Цилиндр - совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора - конкретный сектор на дорожке.

Чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нём. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную; в стандарте ATA -1 была введена функция автоопределения геометрии (команда Identify Drive).

Влияние геометрии на скорость дисковых операций

Геометрия жёсткого диска влияет на скорость чтения записи. Ближе ко внешнему краю пластины диска возрастает длина дорожек (вмещается больше секторов) и, соответственно, количество данных, которые устройство может считать или записать за один оборот. При этом скорость чтения может изменяться от 50 до 30 Мб/с. Зная эту особенность, целесообразно размещать корневые разделы операционных систем именно здесь. Нумерация секторов начинается от внешнего края диска с нуля. В GParted внешний край диска располагается слева (на диаграмме) и сверху (в списке).

Особенности геометрии жёстких дисков со встроенными контроллерами

Зонирование

На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в несколько зон (англ. Zoned Recording ). Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на дорожках внешних зон секторов больше, чем на дорожках внутренних. Это позволяет, используя бо́льшую длину внешних дорожек, добиться более равномерной плотности записи, увеличивая ёмкость пластины при той же технологии производства.

Резервные секторы

Для увеличения срока службы диска на каждой дорожке могут присутствовать дополнительные резервные секторы. Если в каком-либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remapping ). Данные, хранившиеся в нём, при этом могут быть потеряны или восстановлены при помощи ECC , а ёмкость диска останется прежней. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая - в процессе эксплуатации. Границы зон, количество секторов на дорожку для каждой зоны и таблицы переназначения секторов хранятся в ПЗУ блока электроники.

Логическая геометрия

По мере роста емкости выпускаемых жёстких дисков их физическая геометрия перестала вписываться в ограничения, накладываемые программными и аппаратными интерфейсами (см.: Объём жёсткого диска). Кроме того, дорожки с различным количеством секторов несовместимы со способом адресации CHS. В результате контроллеры дисков стали сообщать не реальную, а фиктивную, логическую геометрию , вписывающуюся в ограничения интерфейсов, но не соответствующую реальности. Так, максимальные номера секторов и головок для большинства моделей берутся 63 и 255 (максимально возможные значения в функциях прерывания BIOS INT 13h), а число цилиндров подбирается соответственно ёмкости диска. Сама же физическая геометрия диска не может быть получена в штатном режиме работы и другим частям системы неизвестна.

Адресация данных

Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является сектор . Размер сектора традиционно равен 512 байт. В 2006 году IDEMA объявила о переходе на размер сектора 4096 байт, который планируется завершить к 2010 году.

Компания Western Digital уже сообщила о начале использования новой технологии форматирования, названной Advanced Format , и выпустила серию накопителей, использующих новую технологию. К этой серии относятся линейки AARS/EARS и BPVT.

Перед использованием накопителя с технологией Advanced Format для работы в Windows XP необходимо выполнить процедуру выравнивания с помощью специальной утилиты. Если разделы на диске создаются Windows Vista , Windows 7 и Mac OS выравнивание не требуется.

В Windows Vista, Windows 7, Windows Server 2008 и Windows Server 2008 R2 присутствует ограниченная поддержка дисков с увеличенным размером сектора.

Существует 2 основных способа адресации секторов на диске: цилиндр-головка-сектор (англ. cylinder-head-sector, CHS ) и линейная адресация блоков (англ. linear block addressing, LBA ).

CHS

При этом способе сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами - номером цилиндра , номером головки и номером сектора . В дисках объёмом больше 528 482 304 байт (504 Мб) со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами» (см. ).

LBA

При этом способе адрес блоков данных на носителе задаётся с помощью логического линейного адреса. LBA-адресация начала внедряться и использоваться в 1994 году совместно со стандартом EIDE (Extended IDE). Необходимость LBA была вызвана, в частности, появлением дисков больших объёмов , которые нельзя было полностью использовать с помощью старых схем адресации.

Метод LBA соответствует Sector Mapping для SCSI . BIOS SCSI-контроллера выполняет эти задачи автоматически, то есть для SCSI-интерфейса метод логической адресации был характерен изначально.

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 напряжённости магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Метод продольной записи

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 2009 год были доступны только экспериментальные образцы, плотность записи которых составляла 150 Гбит/см². Специалисты Hitachi называет предел для этой технологии в 2,3−3,1 Тбит/см², представители Seagate Technology - 7,75 Тбит/см².

Структурированные носители данных

Структурированный (паттернированный) носитель данных (англ. Bit patterned media ), - перспективная технология хранения данных на магнитном носителе, использующая для записи данных массив одинаковых магнитных ячеек, каждая из которых соответствует одному биту информации, в отличие от современных технологий магнитной записи, в которых бит информации записывается на нескольких магнитных доменах.

Метод самосборки полимеров

Сейчас последней разработкой в области увеличения объёма HDD является метод самосборки полимеров (14 ноября 2012года).

Сравнение интерфейсов

	Пропускная способность, Мбит/с	Максимальная длина кабеля, м	Требуется ли кабель питания	Количество накопителей на канал	Число проводников в кабеле	Другие особенности
UltraATA /133	1064	0,46	Да (3,5") / Нет (2,5")	2	40/80	Controller+2Slave, горячая замена невозможна
SATA -300	3000	1	Да	1	7	Host/Slave, возможна горячая замена на некоторых контроллерах
SATA -600	6144	нет данных	Да	1	7
FireWire /400	400			63	4/6
FireWire /800	800	4,5 (при последовательном соединении до 72 м)	Да/Нет (зависит от типа интерфейса и накопителя)	63	9	устройства равноправны, горячая замена возможна
USB 2.0	480	5 (при последовательном соединении, через хабы , до 72 м)		127	4
USB 3.0	4800	нет данных	Да/Нет (зависит от типа накопителя)	нет данных	9	Двунаправленный, совместим с USB 2.0
Ultra-320 SCSI	2560	12	Да	16	50/68	устройства равноправны, горячая замена возможна
SAS	3000	8	Да	Свыше 16384		горячая замена; возможно подключение SATA -устройств в SAS-контроллеры
eSATA	3000	2	Да	1 (с умножителем портов до 15)	7	Host/Slave, горячая замена возможна

История прогресса накопителей

Рынок жёстких дисков

Последствия наводнения в Таиланде (2011)

В результате наводнения были затоплены несколько индустриальных зон, где расположены заводы по производству жёстких дисков, что по мнению экспертов, вызвало дефицит жёстких дисков на мировом рынке . По оценкам Piper Jaffray в IV квартале 2011 года дефицит жёстких дисков на мировом рынке составит 60-80 миллионов единиц при объёме спроса в 180 миллионов, по состоянию на 9 ноября 2011 года цены на жёсткие диски уже выросли в пределах от 10 до 60 %. К середине 2012 года уровень производства и цены винчестеров вернулись на прежний уровень.

См. также

Примечания

Reference Guide - Hard Disk Drives (англ.) . - Обзор технологии жёстких дисков. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 28 июля 2009.
http://www.storagereview.com/guide/histEarly.html Reference Guide - Hard Disk Drives - Early Disk Drives (англ.)
IBM Archives: IBM 3340 direct access storage facility
Жёсткий диск или винчестер?
Seagate представила жёсткий диск емкостью 4 Тб
Medalist 545XE (англ.) . Seagate (17 августа 1994).(недоступная ссылка - история ) Проверено 8 декабря 2008. (недоступная ссылка - история )
В спецификации диска Medalist 545xe (Seagate ST3660A) заявлены параметры: форматированный объём 545,5 Мб и геометрия 1057 цилиндров×16 головок×63 сектора×512 байт в секторе = 545 513 472 байт. Однако заявленный объём 545,5 из геометрии получается только если её поделить на 1000×1000; при делении на 1024×1024 получается значение 520,2.
Barracuda 7200.9 320 GB PATA hard drive (ST3320833A) (англ.) . Seagate. - закладка Technical Specifications. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 8 декабря 2008.
Другой пример: заявлен объём 320 Гб и количество доступных секторов 625 142 448. Однако если количество секторов умножить на их размер (512), то в результате получится 320 072 933 376. «320» отсюда получаются только делением на 1000³, при делении на 1024³ получается только 298.
База знаний Seagate. Стандарты измерения емкости запоминающего устройства (рус.)
http://www.hitachigst.com/hdd/support/15k147/15k147.htm
http://www.seagate.com/products/notebook/momentus.html (недоступная ссылка - история )
Обзор Scythe Quiet Drive на thg.ru
Toshiba: News Release 1 Oct, 2009
Seagate завершает приобретения подразделения по производству жёстких дисков компании Samsung | Seagate
Устройство жёсткого диска . R.LAB (23 июня 2010). Архивировано из первоисточника 3 февраля 2012.
Разборки с винчестером (вникаем в суть жёстких дисков), части 1-3 / Публикации / hi-Tech
Коллекция утилит для низкоуровневой диагностики и ремонта жёстких дисков . ???. Архивировано
Утилита диагностики и ремонта жёстких дисков UDMA-3000 с модулями для множества моделей . ???. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено???.

Первый серийный жесткий диск емкостью 16 кбайт был выпущен компанией IBM еще в 1973 р., и содержал 30 магнитных цилиндров по 30 дорожек на каждом. Острые на язык разработчики уловили схожесть этих цифр с маркой «30/30», которая соответствует названию оружия — «винчестеру».

— это накопитель информации на жестких магнитных дисках.

Основным элементом накопителей на жестких магнитных дисках (HDD — Hard Disk Drive) является несколько жестких алюминиевых или стеклянных пластин круглой формы — дисков. Поверхность такого диска покрывается тонким слоем вещества, которая способна сохранять остаточную намагниченность после воздействия на нее внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным и на нем сохраняются записанные данные. Накопитель состоит из таких элементов.

Дисков с вращающимся приводом, которые смонтированы на общей вертикальной оси.
Головки чтения/записи информации с собственным приводом.

Основной критерий качества — поверхностная плотность записи . Современный показатель — 60-80 Гбайт/пластину.

Любой винчестер состоит из трех основных блоков. Итак, рассмотрим, каковы составляющие структуры жесткого диска .

Первый блок — собственно, само хранилище информации — одна или несколько стеклянных (или металлических) дисков. Структура диска выглядит так: магнитная поверхность каждого диска разделена на концентрические «дорожки (track) «, которые, в свою очередь, делятся на отрезки — секторы . Наряду с дорожками, которые имеют свой номер, и секторами, существуют цилиндры. Цилиндр — это совокупность всех совпадающих друг с другом дорожек по вертикали по всем рабочим поверхностям. Таким образом, чтобы узнать, какое количество цилиндров содержит жесткий диск, необходимо просто умножить число дорожек на суммарное число рабочих поверхностей. При низкоуровневом форматировании диска, которое исполняется на заводе-производителе, сначала и в конце каждого сектора создаются области, которые содержат информацию об их номерах и другое (служебная информация). Размер сектора составляет величину 571 байт, из которых 512 байт отведено под полезные для пользователя данные, другие — под заголовок (header) или префикс, по которому определяется начало и номер сектора и окончание (trailer) или суффикс, где записывается контрольная сумма, необходимая для проверки сохранности диска.

Второй блок — механика жесткого диска, которая отвечает за вращение массива «блинов» и точное позиционирование системы считывающих головок. Каждой рабочей поверхности жесткого диска соответствует одна считывающая головка, причем размещаются они по-вертикали точным столбиком. А значит, в любой момент времени все головки находятся на дорожках с одинаковым номером. То есть, работают в пределах одного цилиндра.

Третий блок включает электронную начинку — микросхемы, отвечающие за обработку данных, коррекцию возможных ошибок и управления механической частью, а также микросхемы кэш-памяти.

Кластер (cluster) — это наименьшая область диска, которая выделяется для файла или его части. Каждый файл занимает на диске пространство, которое равняется целому числу кластеров. Как правило, кластер состоит из нескольких секторов.

Для жестких дисков размер кластера определяется при форматировании и зависит от версии операционной системы и размера диска. Но дисковое пространство занимается неэффективно. Например, необходимо сохранить файл в 500 байт. Зная, что каждый файл может занимать пространство на целом числе кластеров, то в этом случае будет занят один кластер. Файл будет записан с потерей дискового пространства.

Качественные характеристики жесткого диска

Время поиска сектора . Время поиска сектора (latency time) — это среднее время, необходимое для того, чтобы искомый сектор оказался под головкой после ее выведения на дорожку. Среднее время поиска равняется половине периода вращения диска и рассчитывается по формуле:

Среднее время поиска = 1/(число оборотов двигателя в секунду*2)

То есть при частоте вращения 7200 об/хв. время поиска составляет величину 4,17 мс.

Скорость чтения данных и спецификация . Средний показатель скорости чтения данных — около 40-45 Мбайт/с.

Считается, что контроллер на материнской плате спецификации UDMA/33 обязан обеспечивать скорость чтения данных не менее 33 Мбайт/с. А современные спецификации, например, UDMA/100 и UDMA/133 должны гарантировать не менее 100 и 133 Мбайт/с.

Скорость передачи данных определяет объемы данных, которые могут быть переданы из накопителя в компьютер и назад за определенные промежутки времени. Скорость передачи данных определяется двумя факторами:

Способом подключения накопителей, то есть производительностью интерфейса.
Скоростью считывания данных головками.

Скорость считывания данных (ее называют внутренней скоростью обмена данными и измеряют в Мбайт/с) можно определить по формуле:

Скорость считывания данных = количество секторов на дорожке * 512* * частота вращения дисков / 1000000.

Частота вращения дисков измеряется в об/с, 512 — количество байт данных в секторе.

Среднее время поиска . Среднее время поиска (Average seek time) — среднестатистическое время, в течение которого головки смещаются из одного цилиндра на другой. Этот показатель зависит от конструкции привода головок и составляет величину до 10 мс.

Среднее время доступа . Определяется как сумма среднего времени поиска и времени задержки и характеризует среднестатистическое время, необходимое для получения доступа к данным, записанным на произвольном секторе.

Скорость вращения диска . Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Существуют параметры 5400 об/хв., 7200 об/хв. (IDE); 10000 об/хв., 15000 об/хв. (SCSI).

Жесткие диски подключаются к материнской плате при помощи специальных шлейфов-кабелей.

Таблица размещения файлов

Таблица размещения файлов — это область на диске, куда заносятся номера кластеров, которые занимаются файлами. Сюда не входят кластеры, которые содержат служебную информацию (загрузочные секторы, сама таблица размещения файлов и данные корневого каталога). В операционных системах производства Microsoft популярна файловая система FAT (File Location Table). На каждом логическом диске может быть создана отдельная файловая система. Таким образом, на одном жестком диске могут существовать файловые системы нескольких типов.

Логические диски

Известно, что компьютер присваивает всем дискам, независимо от их конструкции логические имена А:, В:, С:. Имена А:, В: по умолчанию присваиваются накопителям на гибких дисках. Системному логическому диску, тому, на котором записана операционная система, присваивается имя С:.

Пространство жесткого диска можно разбить на разделы и логические диски. Операционные системы работают с логическими дисками, а не с физическими.

Преимущества развития винчестеров на несколько логических дисков:

Уменьшаются потери дискового пространства.
Упрощается структуризация данных.
Упрощается процесс дефрагментации диска, проверки на вирусы, и т. д.

На одном диске можно сохранять рабочие программы, на другом — документацию и архивы, игры (инсталляционные файлы). В случае сбоя в работе потеря информации минимизируется.

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.

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.