Что такое жесткий диск (HDD)? Как устроен жесткий диск компьютера (HDD)
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???.
Жесткий диск
Схема устройства накопителя на жёстких магнитных дисках.
Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках , НЖМД , жёсткий диск , винче́стер (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD ; в просторечии винт , хард , харддиск ) - энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство . Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах .
В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома . В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.
Название «Винчестер»
По одной из версий название «винчестер» накопитель получил благодаря фирме 1973 году выпустила жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30» предложил назвать этот диск «винчестером» .
Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension ) - почти все современные ( -2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма . Последние чаще применяются в ноутбуках . Так же получили распространение форматы - 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в формфакторах 8 и 5,25 дюймов.
Время произвольного доступа (англ. random access time ) - время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик от 2,5 до 16 мс , как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 - 3,7 мс ), самым большим из актуальных - диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 - 12,5 ).
Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed ) - количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).
Блок головок - пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.
Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика - окислов железа , марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с большим числом пластин.
Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (4200, 5400, 7200, 10 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин.
Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных, как правило неодимовых, постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок.
Вопреки расхожему мнению, внутри гермозоны нет вакуума . Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом ; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля , который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а так же при прогреве устройства во время работы.
Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр - пылеуловитель.
Низкоуровневое форматирование
На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются - на них формируются дорожки и секторы.
Ранние «винчестеры» (подобно дискетам) содержали одинаковое количество секторов на всех дорожках. На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в несколько зон. Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на каждой дорожке внешней зоны секторов больше, и чем зона ближе к центру, тем меньше секторов приходится на каждую дорожку зоны. Это позволяет добиться более равномерной плотности записи и, как следствие, увеличения ёмкости пластины без изменения технологии производства.
Границы зон и количество секторов на дорожку для каждой зоны хранятся в ПЗУ блока электроники.
Кроме того, в действительности на каждой дорожке есть дополнительные резервные секторы. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remaping ). Конечно, данные, хранившиеся в нём, скорее всего, будут потеряны, но ёмкость диска не уменьшится. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая в процессе эксплуатации.
Таблицы переназначения секторов также хранятся в ПЗУ блока электроники.
Во время операций обращения к «винчестеру» блок электроники самостоятельно определяет, к какому физическому сектору следует обращаться и где он находится (с учётом зон и переназначений). Поэтому со стороны внешнего интерфейса «винчестер» выглядит однородным.
В связи с вышеизложенным существует очень живучая легенда о том, что корректировка таблиц переназначения и зон может увеличить ёмкость жёсткого диска. Для этого существует масса утилит, но на практике оказывается, что если прироста и удаётся добиться, то незначительного. Современные диски настолько дёшевы, что подобная корректировка не стоит потраченных на это ни сил, ни времени.
Блок электроники
В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управление шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала .
Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.
Блок управления представляет собой систему управления , принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя).
Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.
Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.
Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнении принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.
Технологии записи данных
Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.
В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них, изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).
Метод параллельной записи
На данный момент это всё ещё самая распространенная технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей - доменов . Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.
Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.
Метод перпендикулярной записи
Метод перпендикулярной записи - это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных образцов - 15-23 Гбит/см², в дальнейшем планируется довести плотность до 60-75 Гбит/см².
Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.
Метод тепловой магнитной записи
Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR ) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, но их плотность уже превышает 150 Гбит/см². Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носители до 7,75 Тбит/см². Широкого распространения данной технологии следует ожидать после 2010 года.
Сравнение интерфейсов
| Пропускная способность, Мбит/с | Максимальная длина кабеля, м | Требуется ли кабель питания | Количество накопителей на канал | Число проводников в кабеле | Другие особенности | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ultra | 2 | 40/80 | Controller+2Slave, горячая замена невозможна | |||
| FireWire /400 | 400 | Да/Нет (зависит от типа интерфейса и накопителя) | 63 | 4/6 | ||
| FireWire /800 | 800 | 4,5 (при последовательном соединении до 72 м) | Нет | 63 | 4/6 | устройства равноправны, горячая замена возможна |
| USB 2.0 | 480 | 5 (при последовательном соединении, через хабы , до 72 м) | Да/Нет (зависит от типа накопителя) | 127 | 4 | |
| Ultra-320 | ||||||
| SAS | 3000 | 8 | Да | Свыше 16384 | горячая замена; возможно подключение | |
| eSATA | 2400 | 2 | Да | 1 (с умножителем портов до 15) | 4 | Host/Slave, горячая замена возможна |
Жесткий диск или HDD это устройство, которое позволяет хранить информацию в течении длительного времени и которое является энергонезависимым. Простыми словами, железная коробочка, где находятся все ваши документы, фильмы, операционная система и все прочее. Если проводить жизненную аналогию, то это нечто вроде большого альбома. Взяв карандаш в руки, вы можете рисовать или же писать сочинения. Если вам что-то не понравится, то вы всегда можете взять "стерку". Суть в том, что в то время, когда альбом лежит в полке, то все данные остаются нетронутыми.
Важных аспектов в данном случае два. Первый - длительное хранение. Второй - энергонезависимость. Если в первом случае все должно быть понятно из примера с альбомом, то для второго случая я дам некоторые пояснения. Суть в том, что жесткому диску не требуется питание для хранения информации, в отличии от оперативной памяти . Так что вы можете выключать компьютер от сети и знать, что данные будут в сохранности.
Примечание : Есть распространенная версия откуда пошли жаргонные названия этой коробочки. Сегодня, жесткий диск часто называют винчестер или, сокращенно, винт. Пошло это от того, что первое такое устройство имело код схожий с патронами для винтовки винчестер. Насколько это правда сложно сказать, однако версия считается наиболее реальной.
Рассмотрим же эту коробочку подробнее.
Если вы заметили, то я уже несколько раз упомянул аббревиатуру HDD и не просто так. Дело в том, что техническое название этой коробочки - накопитель на жестких магнитных дисках или hard (magnetic) disk drive.
Но, вернемся у устройству жесткого диска. В основу этой коробочки ложится технология магнитной записи информации. И вот как это устроено. Есть круглые жесткие диски (их еще часто называют блинами), покрытые ферромагнитным материалом (может менять свои магнитные свойства). Есть специальная движущаяся головка (состоит из двух частей), которая, собственно, и осуществляет чтение и запись данных (часть головки для чтения, часть для записи).
Сам процесс происходит следующим образом. Диск постоянно крутится с достаточно высокой скоростью, а головка ходит вдоль диска и в нужный момент либо считывает данные, либо осуществляет запись. При этом важно отметить, что головка не касается диска, так как иначе покрытие диска могло бы повредится. Когда же диск выключен, то головка находится в специальной зоне (парковочной), опять же для предохранения ферромагнитного покрытия от повреждения.
Стоит знать, что внутренний механизм сделан так, чтобы чисто физически было бы очень сложно повредить поверхность диска с данными. Однако, все же со временем части ферромагнитной поверхности могут приходить в негодность. Тут как в известном выражении - "Ничто не вечно".
Так же стоит знать, что таких пластин может быть несколько внутри короба жесткого диска. Как вы уже наверное догадались, количество блинов влияет на объем хранимой информации. Но, не ограничивается этим. К примеру, давным давно диски были раза в 1,5 больше сегодняшних, а помещалось на них 20-40Мб.
Рисунок 1. Упрощенная схема круглого жесткого диска
Примечание : На рисунке цифрами указано: 1 - геометрический сектор, 2 - сектор дорожки, 3 - дорожка, 4 - кластер.
Рассмотрим, чуть более подробно саму поверхность блинов. Чтобы хранение и запись информации можно было структурировать, всю поверхность делят на специальные дорожки. Затем весь диск делится по геометрическим секторам (равным друг другу). Часть дорожки, которая находится внутри этого геометрического объекта называют сектор дорожки или попросту секторами. Объединение нескольких секторов называют кластером.
Так как диски крутятся с достаточно высокой скоростью (например, 7200 оборотов в минуту), то в качестве минимальной единицы хранения используют именно кластер. Обычно, кластер представлен размером 4 Кб и состоит из 8 сектором по 512 байтов. Кстати, именно поэтому реальный размер текстового файла, состоящего всего из одного символа, будет равен 4 Кб, так как, в принципе, размер делится именно по кластерам.
Примечание : Стоит знать, что существуют методы, позволяющие хранить в одном кластере данные нескольких файлов, однако обычно деление идет именно по кластерам.
Примечание : Так же советую ознакомиться со статьей Твердотельный жесткий диск или SSD накопитель , так как это следующий виток устройств для хранения данных.
Характеристики жестких дисков
Если с устройством жестких дисков, надеюсь, вам стало понятно, то для полноты картины осталось рассмотреть вопрос основных характеристик HDD.
1. Форм-фактор . Слова страшные, а по сути означают только лишь физический размер диска. Для стационарных компьютеров он обычно составляет 3,5 дюйма, для ноутбуков меньше, всего 2,5 дюйма
2. Емкость . Это по сути тот размер, сколько данных может хранить жесткий диск. Сегодня, диски измеряются в гигабайтах и террабайтах.
3. Скорость вращения шпинделя . Эта как раз та самая скорость, с которой крутятся блины. Обычно это 5400 для ноутбуков и 7200 для обычных компьютеров. Бывают и другие скорости, но в домашнем использовании они просто не нужны.
4. Уровень шума . Тут, вероятно, вы можете и сами догадаться о чем идет речь. Есть весьма громкие винчестеры, обычно самые простые, а есть и более тихие.
5. Ударостойкость или в простонародье живучесть . По сути, обозначает какие перегрузки может выносить жесткий диск без повреждения данных. Тем не менее, крайне не советую проверять это характеристику.
6. Интерфейс доступа . Интерфейс определяет разъемы, которые используются для подключения дисков к компьютеру. Раньше практически все HDD для домашних компьютеров были IDE, сегодня же в основном речь идет о SATA. В случае внешних дисков обычно USB. Стоит знать, что в реальности разъем самого диска не USB, просто внутри коробочки используется переходник с контроллером.
Здравствуйте, дорогие друзья!
В сегодняшней небольшой заметке мы поговорим с вами о жестких дисках (HDD), точнее, что такое жесткий диск, его классификация и типы. Прежде, чем выбирать жесткий диск, следует знать, какие типы дисков бывают вообще и какие типы интерфейсов они поддерживают. В этой заметке вы найдете всю необходимую информацию по указанному вопросу. И начнем мы с вами с вопроса, что такое жесткий диск?
Что такое жесткий диск (HDD)?
Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винчестер» - запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.
Почему жесткий диск называют «винчестером» ? По одной из версий, название «винчестер» (англ. Winchester) накопитель получил благодаря работавшему в фирме IBM Кеннету Хотону (англ. Kenneth E. Haughton), руководителю проекта, в результате которого в 1973 году был выпущен жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30» , что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 мегабайт каждый, что по созвучию совпало с обозначением популярного охотничьего оружия - винтовки Winchester Model 1894, использующего винтовочный патрон 30-30 Winchester .
В отличие от «гибкого» диска (раньше существовали, так называемые, дискеты или floppy-диски), информация в HDD записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома - магнитные диски.
В HDD (жесткий диск) используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной («парковочной») зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.
Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации обычно совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такой жёсткий диск часто используются в качестве несъёмного носителя информации.
Выделяются следующие виды и типы жестких дисков
Жесткий диск для настольных компьютеров: их размер 3.5″, скорость вращения 5400 и 7200 оборотов в минуту, они поддерживают интерфейсы IDE, SATA, SATA-II и SATA-III. Жесткие диски для серверов: они имеют такой же размер, как и диски для настольных компьютеров, но являются более скоростными (их скорость вращения бывает до 15000 оборотов в минуту, возможно уже еще быстрее). Они поддерживают параллельный интерфейс SCSI и последовательные интерфейсы SATA и SAS. По сравнению с дисками для настольных компьютеров диски для серверов значительно качественнее. Время их непрерывного функционирования приблизительно 1000000 часов.
Внешний жесткий диск предназначены для хранения и перевозки больших объемов информации. Их еще называют мобильными носителями. Они позволяют транспортировать, например, аудио и видео файлы или офисные архивы. Внешний жесткий диск комплектуется контроллером подключения к определенному порту. Контроллеры поддерживают интерфейсы USB 2.0, USB 3.0 и FireWire (1394).
Жесткий диск для ноутбуков: их размер 2.5″, скорость вращения 4200 или 5400 оборотов в минуту. Они поддерживают интерфейс SATA и, как правило, обладают (по крайней мере, должны обладать) высокой ударостойкостью.
Типы интерфейсов подключения жестких дисков.
Следует следить за тем, чтобы интерфейс, поддерживаемый жестким диском, был в наличии на материнской плате.
USB - интерфейс последовательной передачи информации. Его пропускная способность 12 Мбит/сек (USB 1.1) и 480 Мбит/сек (USB 2.0). Сейчас появился USB 3.0 с еще большей пропускной способностью. Считается стандартным интерфейсом для подключения жестких дисков, особенно внешних.
IDE - интерфейс параллельной передачи информации. Его пропускная способность 133 Мб/сек. Чаще всего такой интерфейс имеют настольные компьютеры и ноутбуки. Его конкурент - интерфейс SATA.
SATA - интерфейс параллельной передачи информации. Его пропускная способность значительно выше - до 300 Мб/сек. Он более устойчив к помехам и значительно превосходит интерфейс IDE.
SCSI - интерфейс параллельной передачи информации. Используется преимущественно в серверах. Обладает высокой производительностью и надежностью.
SAS - (Serial Attached SCSI) - интерфейс последовательной передачи информации. Это более совершенная модификация интерфейса SCSI с более высокой скоростью передачи данных.
FireWire - интерфейс последовательной передачи информации со скоростью до 400 Мбит/сек и с высокой пропускной способностью. Просто не имеет аналогов при работе с видеоинформацией.
Примечание. Цифры здесь могут быть не точными или устаревшими, потому что технология сегодня не стоит на месте, а развивается быстрыми темпами.
На этом пока все! Надеюсь, что вы нашли в этой заметке что-то полезное и интересное для себя. Если у вас имеются какие-то мысли или соображения по этому поводу, то, пожалуйста, высказывайте их в своих комментариях. До встречи в следующих заметках! Удачи!
При обсуждении компьютеров не редко используются такие термины как жесткий диск, винчестер или HDD. Эти термины обозначают один из основных компонентов современного компьютера, который используется для хранения всех данных пользователя. В данной статье вы узнаете, что такое жесткий диск, почему его называют винчестером, а также как правильно выбрать этот компонент.
Как выглядит жесткий диск без крышки.
Жесткий диск – это устройство для хранения данных, которое работает на основе магнитной записи. В этом устройстве данные записываются на слой ферромагнитного материала, нанесенного на поверхность алюминиевого или стеклянного диска.
В жестком диске используется один или несколько таких дисков, которые зафиксированы на общей оси. В процессе работы устройства эти диски вращаются с большой скоростью (5400 оборотов в минуту или больше), при этом над диском находится магнитная головка, которая считывает и записывает информацию на диск.
Жесткий диск – достаточно чувствительное устройство. В случае возникновения большой перегрузки, например, из-за удара, он может легко выйти из строя. Эта уязвимость особенно актуальна во время работы устройства. Это связано с тем, что при производстве жесткого диска используются минимальные допуски. Например, расстояние между считывающей магнитной головкой и поверхностью диска, который вращается во время работы, составляет всего 10 нанометров.
Сейчас жесткие диски понемногу вытесняются . В отличие от жестких дисков твердотельные накопители не имеют движущихся частей и благодаря этому значительно надежней, они не так сильно боятся ударов и перегрузок. Кроме этого, твердотельные накопители работают . Это позволяет быстрее включать компьютер и запускать программы.
С другой стороны, стоимость хранения 1 гигабайта данных на SSD-накопителе намного выше. Так, жесткий диск на 1 терабайт сейчас стоит около 50 долларов, в то время как 1 терабайт на SSD стоит не меньше 200 долларов. Поэтому жесткие диски все еще являются основным устройством для долговременного хранения данных, производители настольных компьютеров и ноутбуков продолжают встраивать их в свои устройства.
Но, со временем, стоимость твердотельных накопителей будет снижаться и в какой-то момент они полностью заменят жесткие диски. Сейчас же SSD чаще всего используют в паре с жестким диском. На SSD-накопитель записывают операционную систему и программы, а на жесткий диск пользовательские файлы.
Что такое винчестер
Как выглядит жесткий диск.
У жесткого диска есть несколько альтернативных названий. Например, не редко для его обозначения используется аббревиатура HDD, которая расшифровывается как hard disk drive, что можно перевести как накопитель с жестким диском. Еще одно возможное название – винчестер. Это неофициальное сленговое название, появившееся еще в 70-е годы.
Согласно одной из версий, жесткий диск начали называть винчестером из-за сотрудников компании IBM, которые разрабатывали жесткий диск модели 3340. При создании данного устройства инженеры использовали краткое обозначение «30-30». Данное обозначение указывало на то, что жесткий диск состоял из двух модулей по 30 мегабайт. При этом, оно совпало с названием винтовочного патрона.30-30 Winchester для популярной винтовки Winchester Model 1894. Из-за этого совпадения жесткий диск и начали называть винчестером.
Такое название хорошо прижилось и широко использовалось до конца 90-х годов. Позже, оно начало выходить из употребления. Сейчас в США и Европе жесткий диск больше не называют винчестером, но в странах СНГ это называние все еще используется.
Выбор жесткого диска
Для того чтобы не ошибиться с важно четко понимать, для чего этот диск будет использоваться. Во-первых, нужно определиться с типом жесткого диска. Сейчас существуют внешние и внутренние жесткие диски. обычно имеют защитный корпус и USB интерфейс, который позволяет подключать этот диск к компьютеру как обычную флешку. Такой тип дисков обычно используют для переноса или резервного копирования данных. Внутренние жесткие диски обычно оснащаются интерфейсом SATA и предназначаются для установки внутрь компьютера.
А во-вторых, нужно выбрать форм-фактор. Современные диски выпускаются в двух вариантах: 2.5 и 3.5 дюйма. 2.5 дюймовые версии устанавливаются в ноутбуки, а 3.5 дюймовые в настольные компьютеры. Внешние жесткие диски также могут быть как на 2.5, так и 3.5 дюйма. Внешние диски на 2.5 дюйма более компактные и не требуют дополнительного питания, в то время как внешние диски на 3.5 дюйма предлагают больший объем за ту же цену.
После того как вы определились с типом и форм-фактором жесткого диска, можно смотреть на объем и другие характеристики. Например, очень важны такие характеристики как скорость вращения шпинделя и объем кэша. Чем они выше, тем быстрее будет работать накопитель. Также важен производитель жестких дисков, сейчас самые качественные модели выпускают компании Western Digital и Seagate.
