Основные части винчестера принцип работы. Жёсткий диск, что это такое? Из чего состоит и как работает жёсткий диск

Сегодня не будет преувеличением сказать, что подавляющее большинство компьютерных пользователей знакомо с понятием «жесткий диск компьютера». Они знают, что каждый компьютер обладает «памятью», в которой хранится вся информация вроде фильмов, музыки, фотографий, игр и программ. Однако немногие от общего числа любителей поглазеть в монитор ушли в понимании этого загадочного запоминающего устройства дальше, нежели знание, что «это такая прямоугольная штука, в которой каким-то непонятным образом хранятся все файлы». И именно для тех читателей, которые хотят копнуть глубже и узнать, как работает жесткий диск, а также разобраться в его устройстве, была написана эта статья, в которой мы просто и по-русски раскроем эти вопросы.

Как работает жесткий диск компьютера?

Для начала сделаем небольшой экскурс в историю. Первый жесткий диск был создан компанией IBM почти шесть десятилетий назад, в 1957-м году. Его объем составлял 5 мегабайт — смешные по нынешним меркам цифры, однако тогда это был настоящий технологический прорыв. Через какое-то время инженеры той же компании создали жесткий диск объемом уже 30 МБ, и имевший дополнительные 30 МБ в сменном отсеке. Поскольку такая структура диска вызвала ассоциации с маркировкой патрона для популярного в Америке карабина Winchester – «.30-30» – конструкторы и дали этому жесткому диску кодовое название «винчестер». Интересным фактом является то, что в нынешние времена на Западе жесткие диски так уже практически никто не называет, однако в русскоязычной среде это название прижилось гораздо прочнее, породив к тому же удобный сокращенный вариант – «винт», которое повсеместно используется в разговорной речи.

Конструкция жесткого диска

А теперь перейдем непосредственно к гвоздю программы и начнем с его внутреннего устройства. Конструкция винчестера состоит из следующих компонентов.

1. Блок магнитных дисков или т.н. «блинов» (от одного до трех штук в одном блоке, расположенных один над другим) – по сути дела главный элемент жесткого диска. Каждый магнитный диск выполнен из алюминия или стекла и покрыт ферромагнитным материалом, зачастую двуокисью хрома. Данные записываются в магнитный слой при помощи магнитной головки.
2. Блок магнитных головок – представляет собой коромысло, подключенное к микросхеме усилителя-коммутатора, усиливающего получаемый при чтении с диска сигнал. На кончиках пластин коромысла находятся магнитные головки, которые и взаимодействуют с магнитным диском при выполнении операций чтения и записи.
3. Шпиндельный двигатель – специальный электродвигатель, который используется для разгона магнитных дисков. В зависимости от модели винчестера, этот показатель может достигать 15000 оборотов в минуту. Конструкция двигателя основана на использовании подшипников (шариковых и гидродинамических), что позволяет ему быть бесшумным и не создавать вибраций.
4. Плата контроллера – интегральная схема, функция которой заключается в управлении работой жесткого диска посредством преображения сигналов, которые передаются с магнитных головок, в понятные для компьютера.

Принцип работы жесткого диска

Изучив отдельные составляющие, мы можем нарисовать цельную картину происходящего и пошагово описать, как работает жесткий диск компьютера. Итак, винчестер запитан – электронный контроллер подает сигнал на шпиндельный двигатель, который начинает вращать магнитные диски, прочно закрепленные на его оси. После набора необходимой скорости вращения, при которой между блином и головкой появится воздушная прослойка, исключающая вероятность их соприкосновения, коромысло подводит к ним головки на «рабочее» расстояние, которое составляет около 10 нанометров (миллиардная часть метра, представьте себе!).

Первыми данными, получаемыми с включенного жесткого диска, всегда является служебная информация или т.н. «нулевая дорожка». В ней содержатся сведения о состоянии винчестера и его характеристиках. Если по какой-то причине получить эту информацию не удастся, устройство не загрузится и не будет работать.
Если же служебные данные получены успешно и не содержат ошибок, наступает фаза работы с информацией, непосредственно записанной на диске. Скорее всего, вас уже терзает вопрос – «а каким же образом она записывается?». Отвечаем: магнитные головки под воздействием токовых импульсов способны намагничивать участки диска, тем самым формируя биты (логические «нули» и «единицы», различные между собой по направленности магнитного момента). Иными словами, вся информация на жестком диске компьютера – это его по-разному намагниченные участки, которые после преобразования в стандартизированные сигналы распознаются компьютером и представляются пользователю в понятном ему виде. Следует отметить, что эти участки строго структурированы – они представляют собой т.н. «дорожки», то есть кольцевые области на поверхности магнитного диска.

Важно отметить, что блок головок является одним целым, поэтому все головки в нем перемещаются синхронно – следовательно, они всегда находятся над одной и той же дорожкой каждого отдельно взятого блина. Исходя из этого, в вертикальной плоскости дорожки образуют цилиндр. При этом каждая дорожка состоит из отрезков, которые называются «секторами». При записи информации в эти сектора магнитные головки изменяют их магнитное поле, а при считывании информации – просто его улавливают. Разобравшись с физической структурой хранения данных, можно сделать вывод, что объем жесткого диска равен произведению количества цилиндров, количества головок и количества секторов.

Форматирование жесткого диска

Рассказ о том, как работает жесткий диск компьютера, нельзя будет назвать полным, если в нем не будет затронута тема форматирования. Форматирование – это специальный процесс разметки области хранения информации винчестера, суть которого заключается в создании определенных структур доступа к этим данным, например файловой системы, посредством записи определенной служебной информации. При этом ранее хранимые данные уничтожаются (однако, не всегда безвозвратно). Наиболее часто форматирование производится при установке (или переустановке) на компьютере операционной системы, поскольку оптимальным для этого является именно «чистый», отформатированный диск, очищенный от данных предыдущей ОС. Чтобы не терять нужную информацию, «винт», как правило, предварительно логически разбивается на несколько разделов – в таком случае форматирование потребуется только тому разделу, на который будет устанавливаться ОС, данные же на остальных разделах останутся нетронутыми, что является очень удобным для пользователя подходом.

Каждый из нас ежедневно сталкивается с различными компьютерными терминами, знания о которых являются поверхностными, а некоторые термины нам вообще незнакомы. Да и зачем что-то знать о том, что нас не касается или не беспокоит. Не так ли? Известная истина: пока какое-нибудь оборудование (в т.ч. и жесткий диск) нормально и беспроблемно функционирует, то никто и никогда не будет забивать свою голову тонкостями его работы, да это и ни к чему.

Но, в моменты, когда в процессе работы любого устройства системного блока начинаются сбои, или просто внезапно понадобилась помощь с компьютером, очень многие пользователи тут же берут отвертку и книгу «азы компьютерной грамотности, или как реанимировать компьютер в домашних условиях». И пытаются самостоятельно решить проблему, не прибегая при этом к помощи специалиста. И чаще всего это заканчивается очень плачевно для их компьютера.

Понятия "жесткий диск" или "винчестер" и их возникновение

Определение и возникновение понятия "винчестер"

Итак, темой нашей очередной статьи на этот раз будет такая запчасть системного блока как жесткий диск. Мы с вами подробно рассмотрим само значение этого понятия, кратко вспомним историю его развития, и более подробно остановимся на внутреннем строении, разберем основные его типы, интерфейсы и подробности его подключения. Кроме этого немного заглянем в будущее, а может даже уже почти и в настоящее, и расскажем, что постепенно приходит на смену старым добрым винтам. Забегая вперед, скажем, что это твердотельные накопители, работающие по принципу USB-флешек - SSD-устройства.

Самый первый в мире жесткий диск, такого типа, как мы привыкли видеть его сейчас и каким привыкли пользоваться, изобрел сотрудник IBM Кеннет Хотон в 1973 году. Эта модель называлась загадочным сочетанием цифр: 30-30, точно так же, как калибр у всем известной винтовки Winchester, Не трудно догадаться, что отсюда и пошло одно из названий - винчестер, которое популярно в среде айтишников до сих пор. А, возможно, кто-то его сейчас прочитал вообще в первый раз.

Перейдем к определению: жесткий диск (а, если вам удобно, то хард, винчестер, HDD или винт) – это запоминающее устройство компьютера (или ноутбука), на которое при помощи специальных головок чтения/записи информация записывается, хранится и удаляется по мере необходимости.

"А чем же это все отличается от простых дискет или CD-DVD?" - просите вы. А все дело в том, что в отличие от гибких или оптических носителей, здесь данные записываются на жесткие (отсюда и название, хотя кто-то может уже и догадался сам) алюминиевые или стеклянные пластины, на которые нанесен тонкий слой ферромагнитного материала, чаще всего для этих целей используется хром диоксид.

Вся поверхность таких вращающихся магнитных пластин разделена на дорожки и секторы по 512 байт каждый. В некоторых накопителях есть всего один такой диск. Другие же содержат одиннадцать и более пластин, причем информация записывается на обе стороны каждой из них.

Внутреннее строение

Сама конструкция жесткого диска состоит не только из непосредственных накопителей информации, но и механизма, считывающего все эти данные. Все вместе это и есть главное отличие хардов от дискет и оптических накопителей. А в отличие от оперативной памяти (ОЗУ), которой необходимо постоянное питание, винчестер является энергонезависимым устройством. Его можно смело отключать от питания и брать с собой куда угодно. Данные на нем сохраняются. Это становится особенно важно, когда нужно восстановить информацию .

Теперь немного расскажем непосредственно о внутреннем строении жесткого диска. Сам винчестер состоит из герметичного блока, заполненного обычным обеспыленным воздухом под атмосферным давлением. Вскрывать его в домашних условиях мы не рекомендуем, т.к. это может привести к поломке самого устройства. Каким бы чистюлей вы не были, но пыль в комнате найдется всегда и она может попасть внутрь корпуса. В профессиональных сервисах, которые специализируются на восстановлении данных, есть специально оборудованная «чистая комната», внутри которой и производится вскрытие винчестера.

Также в состав устройства входит плата с электронной схемой управления. Внутри блока находятся механические части накопителя. На шпинделе двигателя привода вращения дисков закреплены один или несколько магнитных пластин.

В корпусе также расположен предусилитель-коммутатор магнитных головок. Сама же магнитная головка производит чтение или запись информации с поверхности одной из сторон магнитного диска. Скорость вращения которого достигает 15 тыс. оборотов в минуту - это что касается современных моделей.

При включении питания, процессор жесткого диска начинает с того, что тестирует электронику. Если всё в порядке, включается шпиндельный двигатель. После того, как достигнута определенная критическая скорость вращения, плотность прослойки воздуха, набегающей между поверхностью диска и головкой, становится достаточной, чтобы преодолеть силу прижима головки к поверхности.

В результате, головка чтения/записи «зависает» над пластиной на крошечном расстоянии всего в 5-10 нм. Работа головки чтения/записи схожа с принципом действия иголки в граммофоне, только лишь с одним отличием – у неё не происходит физического контакта с пластиной, в то время, как в граммофоне головка иголки соприкасается с пластинкой.

В моменты, когда питание компьютера выключается и диски останавливаются, головка опускается на нерабочую зону поверхности пластины, так называемую зону парковки. Поэтому не рекомендуется завершать работу компьютера аварийно - просто нажимая на кнопку выключения или выдергивая кабель питания из розетки. Это может привести к выходу из строя всего HDD. Ранние модели имели специальное программное обеспечение, которое инициировало операцию парковки головок.

В современных же HDD вывод головки в зону парковки происходит автоматически, когда снижается скорость вращения ниже номинальной или когда подается команда на отключение питания. Обратно в рабочую зону головки выводятся лишь тогда, когда будет достигнута номинальная скорость вращения двигателя.

Наверняка в вашем пытливом уме уже созрел вопрос – насколько герметичен сам блок дисков и какова вероятность того, что туда может просочиться пыль или другие мелкие частицы? Как мы уже писали выше, они могут привести к сбою в работе харда или вообще к его поломке и потере важной информации.

Но не стоит волноваться. Производители всё давным давно предусмотрели. Блок дисков с двигателем и головки находятся в специальном герметичном корпусе – гермоблоке (камере). Однако его содержимое не полностью изолировано от окружающей среды, обязательно необходимо перемещение воздуха из камеры наружу и наоборот.

Это нужно, чтобы выровнять давление внутри блока с внешним, чтобы предотвратить деформацию корпуса. Это равновесие достигается при помощи специального устройства, которое называется барометрический фильтр. Он размещен внутри гермоблока.

Фильтр умеет улавливать мельчайшие частицы, величина которых превышает расстояние между головкой чтения/записи и ферромагнитной поверхностью диска. Кроме выше упомянутого фильтра есть еще один – фильтр рециркуляции. Он улавливает частицы, которые присутствуют в воздушном потоке внутри самого блока. Они могут там появляться от осыпания магнитного опыления дисков (наверняка вы слышали когда-нибудь фразу, что «хард посыпался»). Кроме того, этот фильтр улавливает те частицы, которые «пропустил» его барометрический «коллега».

Интерфейсы подключения HDD

На сегодняшний день, чтобы подключить жесткий диск к компьютеру вы можете использовать один из трех интерфейсов: IDE, SCSI и SATA.

Первоначально в 1986 году интерфейс IDE разрабатывался только для подключения HDD. Затем его модифицировали в расширенный интерфейс ATA. В результате к нему можно подключать не только винчестеры, но и CD/DVD-приводы.

Интерфейс SATA – более быстрый, современный и производительный, нежели ATA.

В свою очередь, SCSI – высокопроизводительный интерфейс, который способен подключать различного рода устройства. Сюда входят не только накопители информации, но и различная периферия. Например, более быстрые SCSI-сканеры. Однако когда появилась USB-шина, необходимость подключения периферии посредством SCSI отпала. Так, что если вам посчастливится его где-то увидеть, то считайте, что вам повезло.

Сейчас давайте немного расскажем о подключении к IDE интерфейсу. В системе может быть два контроллера (первичный и вторичный), к каждому из которых можно подключить два устройства. Соответственно получаем максимум 4: первичный мастер, первичный подчиненный и вторичный мастер, вторичный подчиненный.

После того, как подключили устройство к контроллеру, следует выбрать режим его работы. Он выбирается при помощи установки специальной перемычки (она называется джампер) в определенное место в разъеме (рядом с разъемом для подключения шлейфа IDE).

При этом следует помнить, что более быстрое оборудование к контроллеру подключается первым и называется master. Второе называется slave (подчиненное). Последней манипуляцией будет подключить питание, для этого нам нужно выбрать один из кабелей блока питания. Данная информация вам пригодится, если у вас очень-очень старый компьютер. Так как в современных необходимость в подобных манипуляциях отпала.

Через SATA подключить гораздо проще. Кабель для него имеет одинаковые разъемы на обоих концах. SATA-диск не имеет перемычек, поэтому у вас нет необходимости выбирать режим работы устройств - справится даже ребенок. Питание подключается при помощи специального кабеля (3,3 В). Однако существует возможность подключиться через переходник к обычному кабелю питания.

Дадим один полезный совет: если к вам часто приходят друзья со своими винчестерами переписать новых фильмов или музыки (да-да, друзья у вас настолько суровые, что носят с собой не внешний HDD, а обычный внутренний), и вы уже устали все время раскручивать системный блок, рекомендуем приобрести специальный карман для жесткого диска (он называется Mobile Rack). Они есть и с IDE, и с SATA-интерфейсами. Чтобы подключить к вашему компьютеру еще один дополнительный хард, просто вставляем его в такой карман и готово.

SSD диски - новый этап в развитии

Уже сегодня (а может быть уже и вчера) начался следующий этап в развитии устройств-накопителей информации. На смену жестким дискам приходит новый тип - SSD. Далее расскажем о нем поподробней.

Итак, SSD (Solid State Disk) – твердотельный накопитель, который работает по принципу флеш-памяти USB. Одна из самых важных его отличительных черт от обычных винчестеров и оптических накопителей – в его устройство не входит никаких подвижных деталей и механических компонентов.

Накопители данного типа, как это часто бывает, изначально разрабатывались исключительно для военных целей, а также для высокоскоростных серверов, так как старые добрые харды для таких нужд уже являлись недостаточно быстрыми и надежными.

Перечислим наиболее важные преимущества SSD:

Во-первых, запись информации на SSD и чтение с него происходит намного быстрее (десятки раз), чем с HDD. Работу обычного винчестера очень сильно тормозит движение головки чтения/записи. А т.к. в SSD её нет, то и проблемы нет.
Во-вторых, благодаря одновременному использованию всех модулей памяти, установленных в SSD-накопитель, скорость передачи данных значительно выше.
В-третьих, не так восприимчивы к ударам. В то время как жесткие накопители могут потерять при ударе часть данных или же вообще выйти из строя, что и случается чаще всего - будьте осторожны!
В-четвертых, потребляют меньше энергии, что делает их удобными в использовании в устройствах, работающих от аккумуляторов - ноутбуках, нетбуках, ультрабуках.
В-пятых, данный тип накопителей при работе практически не производит никакого шума, тогда как при работе хардов мы слышим вращение дисков и движение головки. А, когда они выходят из строя, так и вообще сильный треск или стук головок.

Но не будем скрывать: пожалуй, есть два недостатка SSD – 1) за его определенную емкость вы заплатите значительно дороже, нежели за жесткий диск идентичного объема памяти (разница будет в несколько раз, хотя с каждым годом становится всё меньше и меньше); 2) SSD имеют относительно небольшое ограниченное количество циклов чтения/записи (т.е. изначально ограниченный срок службы).

Итак, мы с вами познакомились с понятием «жесткий диск», рассмотрели его строение, принцип работы и особенности различных интерфейсов подключения. Надеемся, предложенная информация оказалось несложной для восприятия, а главное, полезной.

Если у вас возникли трудности с выбором, если не можете определить, какой тип жестких дисков поддерживает ваша материнская плата, какой интерфейс подходит или какой объем HDD будет больше соответствовать вашим нуждам, то вы всегда можете обратиться за помощью в компьютерный сервис Комполайф на всей территории нашего обслуживания.

Наши специалисты помогут вам с выбором и заменой жесткого диска. Кроме этого, у нас вы можете заказать установку нового устройства в ваш системный блок или ноутбук.

Вызвать мастера

Приветствую всех читателей блога . Многих интересует вопрос - как устроен жесткий диск компьютера. Поэтому я решил посвятить этому сегодняшнюю статью.

Жесткий диск компьютера (HDD или винчестер) нужен для хранения информации после выключения компьютера, в отличие от ОЗУ () - которая хранит информацию до момента прекращения подачи питания (до выключения компьютера).

Жесткий диск, по-праву, можно назвать настоящим произведением искусства, только инженерным. Да-да, именно так. Настолько сложно там внутри все устроено. На данный момент во всем мире жесткий диск - это самое популярное устройство для хранения информации, он стоит в одном ряду с такими устройствами, как: флеш-память (флешки), SSD. Многие наслышаны о сложности устройства жесткого диска и недоумевают, как в нем помещается так много информации, а поэтому хотели бы узнать, как устроен или из чего состоит жесткий диск компьютера. Сегодня будет такая возможность).

Жесткий диск состоит из пяти основных частей. И первая из них - интегральная схема , которая синхронизирует работу диска с компьютером и управляет всеми процессами.

Вторая часть - электромотор (шпиндель), заставляет вращаться диск со скоростью примерно 7200 об/мин, а интегральная схема поддерживает скорость вращения постоянной.

А теперь третья, наверное самая важная часть - коромысло , которое может как записывать, так и считывать информацию. Конец коромысла обычно разделен, для того чтобы можно было работать сразу с несколькими дисками. Однако головка коромысла никогда не соприкасается с дисками. Существует зазор между поверхностью диска и головкой, размер этого зазора примерно в пять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса!

Но давайте все же посмотрим, что случится, если зазор исчезнет и головка коромысла соприкоснется с поверхностью вращающегося диска. Мы все еще со школы помним, что F=m*a (второй закон Ньютона, по-моему), из которого следует, что предмет с небольшой массой и огромным ускорением - становится невероятно тяжелым. Учитывая огромную скорость вращения самого диска, вес головки коромысла становится весьма и весьма ощутимым. Естественно, что повреждение диска в таком случае неизбежно. Кстати, вот что случилось с диском, у которого этот зазор по каким то причинам исчез:

Так же важна роль силы трения, т.е. ее практически полного отсутствия, когда коромысло начинает считывать информацию, при этом смещаясь до 60 раз за секунду. Но постойте, где же здесь находится двигатель, что приводит в движение коромысло, да еще с такой скоростью? На самом деле его не видно, потому что это электромагнитная система, работающая на взаимодействии 2 сил природы: электричества и магнетизма. Такое взаимодействия позволяет разгонять коромысло до скоростей света, в прямом смысле.

Четвертая часть - сам жесткий диск, это то, куда записывается и откуда считывается информация, кстати их может быть несколько.

Ну и пятая, завершающая часть конструкции жесткого диска - это конечно же корпус, в который устанавливаются все остальные компоненты. Материалы применяются следующие: почти весь корпус выполнен из пластмассы, но верхняя крышка всегда металлическая. Корпус в собранном виде нередко называют "гермозоной". Бытует мнение, что внутри гермозоны нету воздуха, а точнее, что там - вакуум. Мнение это опирается на тот факт, что при таких высоких скоростях вращения диска, даже пылинка, попавшая внутрь, может натворить много нехорошего. И это почти верно, разве что вакуума там никакого нету - а есть очищенный, осушенный воздух или нейтральный газ - азот например. Хотя, возможно в более ранних версиях жестких дисков, вместо того, чтобы очищать воздух - его просто откачивали.

Это мы говорили про компоненты, т.е. из чего состоит жесткий диск . Теперь давайте поговорим про хранение данных.

Как и в каком виде хранятся данные на жестком диске компьютера

Данные хранятся в узких дорожках на поверхности диска. При производстве, на диск наносится более 200 тысяч таких дорожек. Каждая из дорожек разделена на секторы.

Карты дорожек и секторов позволяют определить, куда записать или где считать информацию. Опять же вся информация о секторах и дорожках находится в памяти интегральной микросхемы, которая, в отличие от других компонентов жесткого диска, размещена не внутри корпуса, а снаружи и обычно снизу.

Сама поверхность диска - гладкая и блестящая, но это только на первый взгляд. При более близком рассмотрении структура поверхности оказывается сложнее. Дело в том, что диск изготавливается из металлического сплава, покрытого ферромагнитным слоем. Этот слой как раз и делает всю работу. Ферромагнитный слой запоминает всю информацию, как? Очень просто. Головка коромысла намагничивает микроскопическую область на пленке (ферромагнитном слое), устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний: о или 1. Каждый такой ноль и единица называются битами. Таким образом, любая информация, записанная на жестком диске, по-факту представляет собой определенную последовательность и определенное количество нулей и единиц. Например, фотография хорошего качества занимает около 29 миллионов таких ячеек, и разбросана по 12 различным секторам. Да, звучит впечатляюще, однако в действительности - такое огромное количество битов занимает очень маленький участок на поверхности диска. Каждый квадратный сантиметр поверхности жесткого диска включает в себя несколько десятков миллиардов битов.

Принцип работы жесткого диска

Мы только что с вами рассмотрели устройство жесткого диска, каждый его компонент по отдельности. Теперь предлагаю связать все в некую систему, благодаря чему будет понятен сам принцип работы жесткого диска.

Итак, принцип, по которому работает жесткий диск следующий: когда жесткий диск включается в работу - это значит либо на него осуществляется запись, либо с него идет чтение информации, или с него , электромотор (шпиндель) начинает набирать обороты, а поскольку жесткие диски закреплены на самом шпинделе, соответственно они вместе с ним тоже начинают вращаться. И пока обороты диска(ов) не достигли того уровня, чтобы между головкой коромысла и диском образовалась воздушная подушка, коромысло во избежание повреждений находится в специальной "парковочной зоне". Вот как это выглядит.

Как только обороты достигают нужного уровня, сервопривод (электромагнитный двигатель) приводит в движение коромысло, которое уже позиционируется в то место, куда нужно записать или откуда считать информацию. Этому как раз способствует интегральная микросхема, которая управляет всеми движениями коромысла.

Распространено мнение, этакий миф, что в моменты времени, когда диск "простаивает", т.е. с ним временно не осуществляется никаких операций чтения/записи, жесткие диски внутри перестают вращаться. Это действительно миф, ибо на самом деле, жесткие диски внутри корпуса вращаются постоянно, даже тогда, когда винчестер находится в энергосберегающем режиме и на него ничего не записывается.

Ну вот мы и рассмотрели с вами устройство жесткого диска компьютера во всех подробностях. Конечно же, в рамках одной статьи, нельзя рассказать обо всем, что касается жестких дисков. Например в этой статье не было сказано про - это большая тема, я решил написать про это отдельную статью.

Нашел интересное видео, про то, как работает жесткий диск в разных режимах

Всем спасибо за внимание, если вы еще не подписаны на обновления этого сайта - очень рекомендую это сделать, дабы не пропустить интересные и полезные материалы. До встречи на страницах блога!

Жестким диском (Hard Disk Drive, HDD) компьютера является место хранения, которое является основным, информации (различные данные, приложенные программы, операционная система). Необходимая информация в нужное время будет считываться процессором с жесткого диска, затем будет обрабатываться, а потом уже конечный результат обработанной информации должен быть записан на жесткий диск.

В 1957 году фирмой IBM был разработан самый первый жесткий диск, и был он разработан еще до создания персонального компьютера. За него бы пришлось выложить «кругленькую» сумму, хотя объем у него был всего лишь 5 Мб. Затем был разработан жесткий диск с емкостью 10 Мб специально для персонального компьютера IBM PC XT. Винчестер имел всего 30 дорожек и еще по 30 секторов в каждой дорожке. «Винчестеры» - именно так стали называть жесткие диски, если сокращенно, то «винтами», это пошло из аналогии с маркировкой карабина фирмы Winchester - «30/30», который являлся многозарядным.

Ну и что же из себя представляет конструкция жесткого диска? Основой винчестера является блок металлических дисков, которые покрыты специальным веществом, способное отлично поддерживать хранение воздействия магнитного поля (к примеру, оксид железа). Винчестеры в наше время должны содержать от одного до трех подобных дисков. Жесткие диски должны иметь прекрасную балансировку и действительно ровную поверхность, потому что при вращении скорость бывает довольно высокой (7200 или 10000 оборотов в минуту - это стандартные скорости), но при этом у головок должна быть высокой точность позиционирования.

Магнитные головки специально используются для записи на диск любой информации (чаще всего расположены с обеих сторон диска, и по две на каждый диск), которые способны сформировать под воздействием токовых импульсов магнитное поле. Подобная магнитная головка старается намагничивать участок диска моментом, который является магнитным, определенной направленности (логическая «единица» или логический «ноль», но это в зависимости от направленности момента, который является магнитным). Процесс намагничивания должен происходить при помощи подачи токового импульса в нужный момент времени, при этом в определенном месте должна позиционироваться магнитная головка.

Магниторезистивные головки специально используют для прочтения с диска информации, они могут реагировать на изменение магнитного поля путем при помощи силы тока, которая возбуждается в головке. Подобный аналоговый сигнал должен пройти считывание, преобразование в цифровую форму, а затем податься в компьютерную систему.

При помощи дорожек информация на дисках может размещаться в качестве окружностей, которые являются концентрическими. В процессе работы магнитные головки должны перемещаться с одной на другую дорожки. В винчестерах, которые мы используем в наше время, чтобы произвести перемещение магнитных головок используют привод, который является соленоидным . Головки перемещаются вокруг своей оси, ниже на рисунке должна быть представлена их схема перемещения. Катушка, которая закреплена на обратной стороне головок, должна притягиваться в ту или другу сторону при помощи электромагнита. Из-за того, что диски винчестера могут вращаться, то, головка при перемещении в ту или другую сторону, должна иметь доступ практически к любой точке диска. Головки, которые уже считались после отключения питания, начинают уводиться с поверхности диска, затем начинают парковаться. Не допускается падение головок на поверхность диска!

Принцип функционирования записи на читайте по ссылка.

Цилиндр

В качестве окружностей, которые являются концентрическими, информация на диске и продолжает свое хранение. Все головки должны перемещаться одновременно, потому что блок головок является одним целым. Лишь одну сторону одного диска может обслужить каждая головка. Все головки должны находиться над одной и той же дорожкой в любой момент времени, но над различными дисками. Это все образует цилиндр в вертикальной плоскости.

Сектора

Объем максимально возможной хранимой информации жесткого диска определяется произведением трех составляющих: количества головок, количества секторов и количества цилиндров.

С точки зрения, которая является технологической, легче всего начать изготавливать жесткие диски с меньшим количеством дисков, но при этом нужна большая плотность дорожек на одном диске.

Логическое и физическое размещение

Также следует отметить такой нюанс. А именно логическое размещение и физическое размещение секторов, цилиндров, головок.

Размещение, которое является физическим, мы уже затронули ранее. Однако, логически (ведь именно так компьютер «видит» их) программа Setup должна занести данные параметры несколько иначе (чаще всего должны указывать на крышке жесткого диска), а также именно с логической разбивкой жесткого диска в дальнейшем оперирует компьютер. Трансляция параметров диска является специальной процедурой, которая позволяет согласовывать логическое и физическое размещение параметров диска. Блок трансляции должен находиться на самом жестком диске, а затем преобразовать логические координаты в физические. При этом он должен обеспечивать доступ головок к нужной области физического диска.

Проблемы во время изготовления жестких дисков

Во время изготовления винчестеров можно и не избежать достаточного процента секторов, которые являются браковочными, а также и дорожек (главное, чтобы на винчестере был нужный объем). При низкоуровневом форматировании, когда дисковое пространство разбивается на логические цилиндры, головки, сектора, такие браковочные участки помечаются и в дальнейшей эксплуатации данного винчестера не учитываются.

Жесткие диски

Выполнил студент
группы 40-101Б.
Каримов К.Р.
Преподаватель:
Усов П.А.

1. Принцип работы жесткого диска.. 3

2. Устройство диска.. 5

3. Работа жесткого диска.. 10

4. Объем, скорость и время доступа.. 12

5. Интерфейсы жестких дисков.. 14

6. Внешние жесткие диски.. 16

Принцип работы жесткого диска

Накопитель на жестком диске относится к наиболее совершенным и сложным устройствам современного персонального компьютера. Его диски способны вместить многие мегабайты информации, передаваемой с огромной скоростью. В то время, как почти все элементы компьютера работают бесшумно, жесткий диск ворчит и поскрипывает, что позволяет отнести его к тем немногим компьютерным устройствам, которые содержат как механические, так и электронные компоненты.

Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его создания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрыватель грампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженных на общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторон каждой пластины. Скорость вращения пластин (у некоторых моделей она доходит до 15000 оборотов в минуту) постоянна и является одной из основных характеристик. Головка перемещается вдоль пластины на некотором фиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания информации, и тем больше может быть плотность записи информации. Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех. Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы. Механизмы - это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение. Диск представляет собой круглую пластину с очень ровной поверхностью чаще из алюминия, реже - из керамики или стекла, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Диски изготовлены. Во многих накопителях используется слой оксида железа (которым покрывается обычная магнитная лента), но новейшие модели жестких дисков работают со слоем кобальта толщиной порядка десяти микрон. Такое покрытие более прочно и, кроме того, позволяет значительно увеличить плотность записи. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Количество дисков может быть различным - от одного до пяти, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить". Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности представьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об./мин. Для того, чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности. Теперь о работе головок. Они перемещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы "плывут" на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки, в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.

Устройство диска

Типовой винчестер состоит из гермоблока и платы электроники. В гермоблоке размещены все механические части, на плате - вся управляющая электроника, за исключением предусилителя, размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от головок.

Под дисками расположен двигатель - плоский, как во floppy-дисководах, или встроенный в шпиндель дискового пакета. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока и постоянно очищается фильтром, установленным на одной из его сторон.

Ближе к разъемам, с левой или правой стороны от шпинделя, находится поворотный позиционер, несколько напоминающий по виду башенный кран: с одной стороны оси, находятся обращенные к дискам тонкие, длинные и легкие несущие магнитных головок, а с другой - короткий и более массивный хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков. Угол между осями позиционера и шпинделя подобран вместе с расстоянием от оси позиционера до головок так, чтобы ось головки при поворотах как можно меньше отклонялась от касательной дорожки.

В более ранних моделях коромысло было закреплено на оси шагового двигателя, и расстояние между дорожками определялось величиной шага. В современных моделях используется так называемый линейный двигатель, который не имеет какой-либо дискретности, а установка на дорожку производится по сигналам, записанным на дисках, что дает значительное увеличение точности привода и плотности записи на дисках.

Обмотку позиционера окружает статор, представляющий собой постоянный магнит. При подаче в обмотку тока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением; динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер в любое положение. Такая система привода получила название Voice Coil (звуковая катушка) - по аналогии с диффузором громкоговорителя.

На хвостовике обычно расположена так называемая магнитная защелка - маленький постоянный магнит, который при крайнем внутреннем положении головок (landing zone - посадочная зона) притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло в этом положении. Это так называемое парковочное положение головок, которые при этом лежат на поверхности диска, соприкасаясь с нею. В ряде дорогих моделей (обычно SCSI) для фиксации позиционера предусмотрен специальный электромагнит, якорь которого в свободном положении блокирует движение коромысла. В посадочной зоне дисков информация не записывается.

В оставшемся свободном пространстве размещен предусилитель сигнала, снятого с головок, и их коммутатор. Позиционер соединен с платой предусилителя гибким ленточным кабелем, однако в отдельных винчестерах (в частности - некоторые модели Maxtor AV) питание обмотки подведено отдельными одножильными проводами, которые имеют тенденцию ломаться при активной работе. Гермоблок заполнен обычным обеспыленным воздухом под атмосферным давлением. В крышках гермоблоков некоторых винчестеров специально делаются небольшие окна, заклеенные тонкой пленкой, которые служат для выравнивания давления внутри и снаружи. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром. У одних моделей винчестеров оси шпинделя и позиционера закреплены только в одном месте - на корпусе винчестера, у других они дополнительно крепятся винтами к крышке гермоблока. Вторые модели более чувствительны к микродеформации при креплении - достаточно сильной затяжки крепежных винтов, чтобы возник недопустимый перекос осей. В ряде случаев такой перекос может стать труднообратимым или необратимым совсем. Плата электроники - съемная, подключается к гермоблоку через один - два разъема различной конструкции. На плате расположены основной процессор винчестера, ПЗУ с программой, рабочее ОЗУ, которое обычно используется и в качестве дискового буфера, цифровой сигнальный процессор (DSP) для подготовки записываемых и обработки считанных сигналов, и интерфейсная логика. На одних винчестерах программа процессора полностью хранится в ПЗУ, на других определенная ее часть записана в служебной области диска. На диске также могут быть записаны параметры накопителя (модель, серийный номер и т.п.). Некоторые винчестеры хранят эту информацию в электрически репрограммируемом ПЗУ (EEPROM).

Многие винчестеры имеют на плате электроники специальный технологический интерфейс с разъемом, через который при помощи стендового оборудования можно выполнять различные сервисные операции с накопителем - тестирование, форматирование, переназначение дефектных участков и т.п. У современных накопителей марки Conner технологический интерфейс выполнен в стандарте последовательного интерфейса, что позволяет подключать его через адаптер к алфавитно-цифровому терминалу или COM-порту компьютера. В ПЗУ записана так называемая тест-мониторная система (ТМОС), которая воспринимает команды, подаваемые с терминала, выполняет их и выводит результаты обратно на терминал. Ранние модели винчестеров, как и гибкие диски, изготовлялись с чистыми магнитными поверхностями; первоначальная разметка (форматирование) производилась потребителем по его усмотрению, и могла быть выполнена любое количество раз. Для современных моделей разметка производится в процессе изготовления; при этом на диски записывается сервоинформация - специальные метки, необходимые для стабилизации скорости вращения, поиска секторов и слежения за положением головок на поверхностях. Не так давно для записи сервоинформации использовалась отдельная поверхность (dedicated - выделенная), по которой настраивались головки всех остальных поверхностей. Такая система требовала высокой жесткости крепления головок, чтобы между ними не возникало расхождений после начальной разметки. Ныне сервоинформация записывается в промежутках между секторами (embedded - встроенная), что позволяет увеличить полезную емкость пакета и снять ограничение на жесткость подвижной системы. В некоторых современных моделях применяется комбинированная система слежения - встроенная сервоинформация в сочетании с выделенной поверхностью; при этом грубая настройка выполняется по выделенной поверхности, а точная - по встроенным меткам.

Поскольку сервоинформация представляет собой опорную разметку диска, контроллер винчестера не в состоянии самостоятельно восстановить ее в случае порчи. При программном форматировании такого винчестера возможна только перезапись заголовков и контрольных сумм секторов данных.

При начальной разметке и тестировании современного винчестера на заводе почти всегда обнаруживаются дефектные сектора, которые заносятся в специальную таблицу переназначения. При обычной работе контроллер винчестера подменяет эти сектора резервными, которые специально оставля- ются для этой цели на каждой дорожке, группе дорожек или выделенной зоне диска. Благодаря этому новый винчестер создает видимость полного отсутствия дефектов поверхности, хотя на самом деле они есть почти всегда.

При включении питания процессор винчестера выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической скорости вращения плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту от долей до единиц микрон над поверхностями дисков - головки "всплывают". С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки "висят" на воздушной подушке и совершенно не касаются поверхностей дисков.

После достижения дисками скорости вращения, близкой к номинальной (обычно - 3600, 4500, 5400 или 7200 об/мин) головки выводятся из зоны парковки и начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения. Затем выполняется считывание информации из служебной зоны - в частности, таблицы переназначения дефектных участков.

В завершение инициализации выполняется тестирование позиционера путем перебора заданной последовательности дорожек - если оно проходит успешно, процессор выставляет на интерфейс признак готовности и переходит в режим работы по интерфейсу.

Во время работы постоянно работает система слежения за положением головки на диске: из непрерывно считываемого сигнала выделяется сигнал рассогласования, который подается в схему обратной связи, управляющую током обмотки позиционера. В результате отклонения головки от центра дорожки в обмотке возникает сигнал, стремящийся вернуть ее на место.

Для согласования скоростей потоков данных - на уровне считывания/записи и внешнего интерфейса - винчестеры имеют промежуточный буфер, часто ошибочно называемый кэшем, объемом обычно в несколько десятков или сотен килобайт. В ряде моделей (например, Quantum) буфер размещается в общем рабочем ОЗУ, куда вначале загружается оверлейная часть микропрограммы управления, отчего действительный объем буфера получается меньшим, чем полный объем ОЗУ (80-90 кб при ОЗУ 128 кб у Quantum). У других моделей (Conner, Caviar) ОЗУ буфера и процессора сделаны раздельными.

При отключении питания процессор, используя энергию, оставшуюся в конденсаторах платы либо извлекая ее из обмоток двигателя, который при этом работает как генератор, выдает команду на установку позиционера в парковочное положение, которая успевает выполниться до снижения скорости вращения ниже критической. В некоторых винчестерах (Quantum) этому способствует помещенное между дисками подпружиненное коромысло, постоянно испытывающее давление воздуха. При ослаблении воздушного потока коромысло дополнительно толкает позиционер в парковочное положение, где тот фиксируется защелкой. Движению головок в сторону шпинделя способствует также центростремительная сила, возникающая из-за вращения дисков.

Работа жесткого диска

Теперь - собственно о процессе работы винчестера. После начальной настройки электроники и механики микрокомпьютер винчестера переходит в режим ожидания команд от контроллера, расположенного на системной плате или интерфейсной карте. Получив команду, он включает нужную головку, по сервоимпульсам отыскивает нужную дорожку, дожидается, пока до головки "доедет" нужный сектор, и выполняет считывание или запись информации. Если контроллер запросил чтение/запись не одного сектора, а нескольких - винчестер может работать в так называемом блочном режиме, используя ОЗУ в качестве буфера и совмещая чтение/запись с передачей информации к контроллеру или от него.

Для оптимального использования поверхности дисков применяется так называемая зоновая запись (Zoned Bit Recording - ZBR), принцип которой состоит в том, что на внешних дорожках, имеющих большую длину (а следовательно - и информационную емкость), информация записывается с большей плотностью, чем на внутренних. Таких зон с постоянной плотностью записи в пределах всей поверхности образуется до десятка и более; соответственно, скорость чтения и записи на внешних зонах выше, чем на внутренних. Благодаря этому файлы, расположенные ближе к "началу" винчестера, в целом будут обрабатываться быстрее файлов, расположенных ближе к его "концу".

Теперь о том, откуда берутся неправдоподобно большие количества головок, указанные в параметрах винчестеров. Когда-то эти числа - число цилиндров, головок и секторов на дороже - действительно обозначали реальные физические параметры (геометрию) винчестера. Однако при использовании ZBR количество секторов меняется от дорожки к дорожке, и для каждого винчестера эти числа различны - поэтому стала использоваться так называемая логическая геометрия, когда винчестер сообщает контроллеру некие условные параметры, а при получении команд сам преобразует логические адреса в физические. При этом в винчестере с логической геометрией, например, в 520 цилиндров, 128 головок и 63 сектора (общий объем - 2 Гб) находится, скорее всего, два диска - и четыре головки чтения/записи.

В винчестерах последнего поколения используются технологии PRML (Partial Response, Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике) и S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology - технология самостоятельного следящего анализа и отчетности). Первая разработана по причине того, что при существующих плотностях записи уже невозможно четко и однозначно считывать сигнал с поверхности диска - уровень помех и искажений очень велик. Вместо прямого преобразования сигнала используется его сравнение с набором образцов, и на основании максимальной похожести делается заключение о приеме того или иного кодового слова - примерно так же мы читаем слова, в которых пропущены или искажены буквы.

Винчестер, в котором реализована технология S.M.A.R.T., ведет статистику своих рабочих параметров (количество старт/стопов и наработанных часов, время разгона шпинделя, обнаруженные/исправленные ошибки и т.п.), которая регулярно сохраняется в перепрограммируемом ПЗУ или в служебных зонах диска. Эта информация накапливается в течение всей жизни винчестера и может быть в любой момент затребована программами анализа; по ней можно судить о состоянии механики, условиях эксплуатации или примерной вероятности выхода из строя.

Похожая информация.