Метод записи данных на жесткий магнитный диск. Принцип работы жесткого диска

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) \ HDD (Hard Disk Drive) \ винчестер (носитель) – материальный объект, способный хранить информацию.

Накопители информации могут быть классифицированы по следующим признакам:

способу хранения информации: магнитоэлектрические, оптические, магнитооптические;
виду носителя информации: накопители на гибких и жестких магнитных дисках, оптических и магнитооптических дисках, магнитной ленте, твердотельные элементы памяти;
способу организации доступа к информации - накопители прямого, последовательного и блочного доступа;
типу устройства хранения информации - встраиваемые (внутренние), внешние, автономные, мобильные (носимые) и др.

Значительная часть накопителей информации, используемых в настоящее время, создана на базе магнитных носителей.

Устройство жесткого диска

Винчестер содержит набор пластин, представляющих чаще всего металлические диски, покрытые магнитным материалом – платтером (гамма-феррит-оксид, феррит бария, окись хрома…) и соединенные между собой при помощи шпинделя (вала, оси).
Сами диски (толщина примерно 2мм.) изготавливаются из алюминия, латуни, керамики или стекла. (см. Рис)

Для записи используются обе поверхности дисков. Используется 4-9 пластин . Вал вращается с высокой постоянной скоростью (3600-7200 оборотов/мин.)
Вращение дисков и радикальное перемещение головок осуществляется с помощью 2-х электродвигателей .
Данные записываются или считываются с помощью головок записи/чтения по одной на каждую поверхность диска. Количество головок равно количеству рабочих поверхностей всех дисков.

Запись информации на диск ведется по строго определенным местам — концентрическим дорожкам (трекам) . Дорожки делятся на сектора . В одном секторе 512 байт информации.

Обмен данными между ОЗУ и НМД осуществляется последовательно целым числом (кластером). Кластер — цепочки последовательных секторов (1,2,3,4,…)

Специальный двигатель с помощью кронштейна позиционирует головку чтения/записи над заданной дорожкой (перемещает ее в радиальном направлении).
При повороте диска головка располагается над нужным сектором. Очевидно, что все головки перемещаются одновременно и считывают инфоголовки перемещаются одновременно и считывают информацию с одинаковых дорожек разныхрмацию с одинаковых дорожек разных дисков.

Дорожки винчестера с одинаковым порядковым номером на разных дисках винчестера называется цилиндром .
Головки чтения записи перемещаются в вдоль поверхности платтера. Чем ближе к поверхности диска находится головка при этом не касаясь ее, тем выше допустимая плотность записи.

Устройство винчестера

Магнитный принцип чтения и записи информации

магнитный принцап записи информации

Физические основы процессов записи и воспроизведения информации на магнитных носителях заложены в работах физиков М.Фарадея (1791 - 1867) и Д. К. Максвелла (1831 - 1879).

В магнитных носителях информации цифровая запись производится на магнито чувствительный материал. К таким материалам относятся некоторые разновидности оксидов железа, никель, кобальт и его соединения, сплавы, а также магнитопласты и магнитоэласты со вязкой из пластмасс и резины, микропорошковые магнитные материалы.

Магнитное покрытие имеет толщину в несколько микрометров. Покрытие наносится на немагнитную основу, в качестве которой для магнитных лент и гибких дисков используются различие пластмассы, а для жестких дисков - алюминиевые сплавы и композиционные материалы подложки. Магнитное покрытие диска имеет доменную структуру, т.е. состоит из множества намагниченных мельчайших частиц.

Магнитный домен (от лат. dominium - владение) - это микроскопическая, однородно намагниченная область в ферромагнитных образцах, отделенная от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами).

Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего поля на поверхности домена образуются зоны остаточной намагниченности. Благодаря этому свойству на магнитном носителе сохраняется информация, действовавшем магнитном поле.

При записи информации внешнее магнитное поле создается с помощью магнитной головки. В процессе считывания информации зоны остаточной намагниченности, оказавшись напротив магнитной головки, наводят в ней при считывании электродвижущую силу (ЭДС).

Схема записи и чтения с магнитного диска дана на рис.3.1 Изменение направления ЭДС в течение некоторого промежутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения - с нулем. Указанный промежуток времени называется битовым элементом .

Поверхность магнитного носителя рассматривается как последовательность точечных позиций, каждая из которых ассоциируется с битом информации. Поскольку расположение этих позиций определяется неточно, для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помогают находить необходимые позиции записи. Для нанесения таких синхронизирующих меток должно быть произведено разбиение диска на дорожки
и секторы - форматирование .

Организация быстрого доступа к информации на диске является важным этапом хранения данных. Оперативный доступ к любой части поверхности диска обеспечивается, во-первых, за счет придания ему быстрого вращения и, во-вторых, путем перемещения магнитной головки чтения/записи по радиусу диска.
Гибкий диск вращается со скоростью 300-360 об/мин, а жесткий диск - 3600- 7200 об/мин.

Логическое устройство винчестера

Магнитный диск первоначально к работе не готов. Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатирован , т.е. должна быть создана структура диска.

Структура (разметка) диска создается в процессе форматирования.

Форматирование магнитных дисков включает 2 этапа:

физическое форматирование (низкого уровня)
логическое (высокого уровня).

При физическом форматировании рабочая поверхность диска разбивается на отдельные области, называемые секторами , которые расположены вдоль концентрических окружностей – дорожек.

Кроме того, определяются сектора, непригодные для записи данных, они помечаются как плохие для того, чтобы избежать их использования. Каждый сектор является минимальной единицей данных на диске, имеет собственный адрес для обеспечения прямого доступа к нему. Адрес сектора включает номер стороны диска, номер дорожки и номер сектора на дорожке. Задаются физические параметры диска.

Как правило, пользователю не нужно заниматься физическим форматированием, так как в большинстве случаев жесткие диски поступают в отформатированном виде. Вообще говоря, этим должен заниматься специализированный сервисный центр.

Форматирование низкого уровня нужно производить в следующих случаях:

если появился сбой в нулевой дорожке, вызывающий проблемы при загрузке с жесткого диска, но сам диск при загрузке с дискеты доступен;
если вы возвращаете в рабочее состояние старый диск, например, пе¬реставленный со сломавшегося компьютера.
если диск оказался отформатированным для работы с другой операционной системой;
если диск перестал нормально работать и все методы восстановления не дали положительных результатов.

Нужно иметь в виду, что физическое форматирование является очень сильнодействующей операцией — при его выполнении данные, хранившиеся на диске будут полностью стерты и восстановить их будет совершенно невозможно! Поэтому не приступайте к форматированию низкого уровня, если вы не уверены в том, что сохранили все важные данные вне жесткого диска!

После того, как вы выполните форматирование низкого уровня, следует очередной этап — создание разбивки жесткого диска на один или несколько логических дисков — наилучший способ справиться с путаницей каталогов и файлов, разбросанных по диску.

Не добавляя никаких аппаратных элементов в вашу систему, Вы получаете возможность работать с несколькими частями одного жесткого диска, как с несколькими накопителями.
При этом емкость диска не увеличивается, однако можно значительно улучшить его организацию. Кроме того, различные логические диски можно использовать для различных операционных систем.

При логическом форматировании происходит окончательная подготовка носителя к хранению данных путем логической организации дискового пространства.
Диск подготавливается для записи файлов в сектора, созданные при низкоуровневом форматировании.
После создания таблицы разбивки диска следует очередной этап — логическое форматирование отдельных частей разбивки, именуемых в дальнейшем логическими дисками.

Логический диск — это некоторая область жесткого диска, работающая так же, как отдельный накопитель.

Логическое форматирование представляет собой значительно более простой процесс, чем форматирование низкого уровня.
Для того, чтобы выполнить его, загрузитесь с дискеты, содержащей утилиту FORMAT.
Если у вас несколько логических дисков, последовательно отформатируйте все.

В процессе логического форматирования на диске выделяется системная область , которая состоит из 3-х частей:

загрузочного сектора и таблица разделов (Boot reсord)
таблицы размещения файлов (FAT) , в которых записываются номера дорожек и секторов, хранящих файлы
корневой каталог (Root Direсtory).

Запись информации осуществляется частями через кластер. В одном и том же кластере не может быть 2-х разных файлов.
Кроме того, на данном этапе диску может быть присвоено имя.

Жесткий диск может быть разбит на несколько логических дисков и наоборот 2 жестких диска может быть объединены в один логический.

Рекомендуется на жеском диске создавать как минимум два раздела(два логических диска): один из них отводится под операционную систему и программное обеспечение, второй диск исключительно выделяется под данные пользователя. Таким образом данные и системные файлы хранятся отдельно друг от друга и в случае сбоя операционной системы гораздо больше вереятность сохранения данных пользователя.

Характеристики винчестеров

Жесткие диски (винчестеры) отличаются между собой следующими характеристиками:

емкостью
быстродействием – временем доступа к данным, скоростью чтения и записи информации.
интерфейсом (способ подключения) — типом контролера, к которому должен присоединяться винчестер (чаще всего IDE/EIDE и различные варианты SСSI).
другие особенности

1. Емкость — количество информации, помещающееся на диске (определяется уровнем технологии изготовления).
На сегодня емкость составляет 500 -2000 и более Гб. Места на жестком диске никогда не бывает много.

2. Скорость работы (быстродействие) диска характеризуется двумя показателями: временем доступа к данным на диске и скоростью чтения/записи на диске .

Время доступа – время необходимое для перемещения (позиционирования) головок чтения/записи на нужную дорожку и нужный сектор.
Среднее характерное время доступа между двумя случайно выбранными дорожками примерно 8-12мс(миллисекунд), более быстрые диски имеют время 5-7мс.
Время перехода на соседнюю дорожку (соседний цилиндр) меньше 0.5 — 1.5мс. Для поворота в нужный сектор тоже нужно время.
Полное время оборота диска для сегодняшних винчестеров 8 – 16мс, среднее время ожидания сектора составляет 3-8мс.
Чем меньше время доступа, тем быстрее будет работать диск.

Скорость чтения/записи (пропускная способность ввода/вывода) или cкорость передачи данных (трансферт) – время передачи последовательно расположенных данных, зависит не только от диска, но и от его контроллера, типы шины, быстродействие процессора. Скорость медленных дисков 1.5-3 Мб/с, у быстрых 4-5Мб/с, у самых последних 20Мб/с.
Винчестеры со SСSI–интерфейсом поддерживают частоту вращение 10000 об./мин. и среднее время поиска 5мс, скорость передачи данных 40-80 Мб/с.

3. Стандарт интерфейса подключения винчестера — т.е. тип контроллера, к которому должен подключаться жесткий диск. Он находится на материнской плате.
Различают три основных интерфейса подключения

IDE и его различные варианты

IDE(Integrated Disk Eleсtroniс) или (ATA) Advanсed Teсhnology Attaсhment
Достоинства — простота и невысокая стоимость

Скорость передачи:8.3, 16.7, 33.3, 66.6, 100 Мб/с. По мере развития данных интерфейс поддерживает расширение списка устройств: жесткий диск, супер-флоппи, магнитооптика,
НМЛ, СD-ROM, СD-R, DVD-ROM, LS-120, ZIP.

Вводятся некоторые элементы распараллеливания (gneuing и disсonneсt/reсonneсt), контроля за целостностью данных при передаче. Главный недостаток IDE — небольшое количество подключаемых устройств (не больше 4), что для ПК высокого класса явно мало.
Сегодня IDE-интерфейсы перешли на новые протоколы обмена Ultra ATA. Значительно увеличив свою пропускную способность
Mode 4 и DMA (Direсt Memory Aссess) Mode 2 позволяет передавать данные со скоростью 16,6Мб/с, однако реальная скорость передачи данных была бы намного меньше.
Стандарты Ultra DMA/33 и Ultra DMA/66, разработанные в феврале 98г. компанией Quantum имеют 3 режима работы 0,1,2 и 4,соответствено во втором режиме носитель поддерживает
скорость передачи 33Мб/с. (Ultra DMA/33 Mode 2) Для обеспечения такой высокой скорости можно достичь только при обмене с буфером накопителя. Для того, чтобы воспользоваться
стандартами Ultra DMA необходимо выполнить 2 условия:

1. аппаратная поддержка на материнской плате (чипсета) и со стороны самого накопителя.

2. для поддержания режима Ultra DMA, как и другой DMA (direсt memory Aссess-прямой доступ к памяти).

Требуется специальный драйвер для разных наборов микросхем различных. Как правило, они входят в комплект системной платы, в случаи необходимости ее можно «скачать»
из Internet со страницы фирмы-изготовителя материнской платы.

Стандарт Ultra DMA обладает обратной совместимостью с предыдущими контроллерами, работающих в более медленном варианте.
Сегодняшний вариант: Ultra DMA/100 (конец 2000г.) и Ultra DMA/133 (2001г.).

SATA
Замена IDE (ATA) не другую высокоскоростную последовательную шину Fireware (IEEE-1394). Применение новой технологии позволит довести скорость передачи равной 100Мб/с,
повышается надежность системы, это позволит устанавливать устройства не включая ПК, что категорически нельзя в ATA-интерфейсе.

SСSI (Small Сomputer System Interfaсe) — устройства дороже обычных в 2 раза, требуют специального контроллера на материнской плате.
Используются для серверов, издательских системах, САПР. Обеспечивают более высокое быстродействие (скорость до 160Мб/с), широкий диапазон подключаемых устройств хранения данных.
SСSI- контроллер необходимо покупать вместе с соответствующим диском.

SСSI преимущество перед IDE- гибкость и производительность.
Гибкость заключается большим количеством подключаемых устройств (7-15), а у IDE (4 максимально), большей длиной кабеля.
Производительность — высокая скорость передачи и возможность одновременной обработки нескольких транзакций.

1. Ultra Sсsi 2/3(Fast-20) до 40Мб/с 16-разрядный вариант Ultra2- стандарт SСSI до 80Мб/с

2. Другая технология SСSI-интерфейса названа Fibre Сhannel Arbitrated Loop (FС-AL) позволяет подключать до 100Мбс, длина кабеля при этом до 30 метров. Технология FС-AL позволяет выполнить «горячие» подключение, т.е. на «ходу», имеет дополнительные линии для контроля и коррекции ошибок (технология дороже обычного SСSI).

4. Другие особенности современных винчестеров

Огромное разнообразие моделей винчестера затрудняет выбор подходящего.
Кроме нужной емкости, очень важно и производительность, которая определяется в основном его физическими характеристиками.
Такими характеристиками и является среднее время поиска, скорость вращения, внутренняя и внешняя скорость передачи, объем Кэш-памяти.

4.1 Среднее время поиска.

Жесткий диск затрачивает какое-то время для того, чтобы переместить магнитную головку текущего положения в новое, требуемое для считывания очередной порции информации.
В каждой конкретной ситуации это время разное, в зависимости от расстояния, на которое должна переместиться головка. Обычно в спецификациях приводится только усредненные значения, причем применяемые разными фирмами алгоритмы усреднения, в общем случае различаются, так что прямое сравнение затруднено.

Так, фирмы Fujitsu, Western Digital проводят по всем возможным парам дорожек, фирмы Maxtor и Quantum применяют метод случайного доступа. Получаемый результат может дополнительно корректироваться.

Значение времени поиска для записи часто несколько выше, чем для чтения. Некоторые производители в своих спецификациях приводят только меньшее значение (для чтения). В любом случае кроме средних значений полезно учитывать и максимальное (через весь диск),
и минимальное (то есть с дорожки на дорожку) время поиска.

4.2 Скорость вращения

С точки зрения быстроты доступа к нужному фрагменту записи скорость вращения оказывает влияние на величину так называемого скрытого времени, которого для того, чтобы диск повернулся к магнитной головке нужным сектором.

Среднее значение этого времени соответствует половине оборота диска и составляет 8.33 мс при 3600 об/мин, 6.67 мс при 4500 об/мин, 5,56 мс при 5400 об/мин, 4,17 мс при 7200 об/мин.

Значение скрытого времени сопоставимо со средним временем поиска, так что в некоторых режимах оно может оказывать такое же, если не больше, влияние на производительность.

4.3 Внутренняя скорость передачи

— скорость, с которой данные записываются на диск или считываются с диска. Из-за зонной записи она имеет переменное значение – выше на внешних дорожках и ниже на внутренних.
При работе с длинными файлами во многих случаях именно этот параметр ограничивает скорость передачи.

4.4 Внешняя скорость передачи

— скорость (пиковая) с которой данные передаются через интерфейс.

Она зависит от типа интерфейса и имеет чаще всего, фиксированные значения: 8.3; 11.1; 16.7Мб/с для Enhanсed IDE (PIO Mode2, 3, 4); 33.3 66.6 100 для Ultra DMA; 5, 10, 20, 40, 80, 160 Мб/с для синхронных SСSI, Fast SСSI-2, FastWide SСSI-2 Ultra SСSI (16 разрядов) соответственно.

4.5 Наличие у винчестера своей Кэш-памяти и ее объем (дисковый буфер).

Объем и организация Кэш-памяти (внутреннего буфера) может заметно вливать на производительность жесткого диска. Так же как и для обычной Кэш-памяти,
прирост производительности по достижении некоторого объема резко замедляется.

Сегментированная Кэш-память большого объема актуальна для производительных SСSI–дисков, используемых в многозадачных средах. Чем больше КЭШ, тем быстрее работает винчестер (128-256Кб).

Влияние каждого из параметров на общую производительность вычленить довольно трудно.

Требования к жестким дискам

Основное требование к дискам — надежность работы гарантируется большим сроком службы компонентов 5-7 лет; хорошими статистическими показателями, а именно:

среднее время наработки на отказ не менее 500 тысяч часов (высшего класса 1 миллион часов и более.)
встроенная система активного контроля за состоянием узлов диска SMART /Self Monitoring Analysis and Report Teсhnology.

Технология S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Teсhnology) является открытым промышленным стандартом, разработанный в свое время Сompaq, IBM и рядом других производителей жестких дисков.

Смысл этой технологии заключается во внутренней самодиагностике жесткого диска, которая позволяет оценить его текущее состояние и информировать о возможных будущих проблемах, могущих привести к потере данных или к выходу диска из строя.

Осуществляется постоянный мониторинг состояния всех жизненно важных элементов диска:
головок, рабочих поверхностей, электромотора со шпинделем, блока электроники. Скажем, если обнаруживается ослабление сигнала, то информация перезаписывается и происходит дальнейшее наблюдение.
Если сигнал опять ослабляется, то данные переносятся в другое место, а данный кластер помещается как дефектный и недоступный, а вместо него предоставляется в распоряжении другой кластер из резерва диска.

При работе с жестким диском следует соблюдать температурный режим, в котором функционирует накопитель. Изготовители гарантируют безотказную работу винчестера при температуре окружающей их среды в диапазоне от 0С до 50С, хотя, в принципе, без серьезных последствий можно изменить границы по крайней мере градусов на 10 в обе стороны.
При больших отклонениях температуры воздушная прослойка необходимой толщиной может не образовываться, что приведет к повреждению магнитного слоя.

Вообще производители HDD уделяют довольно большое внимание надежности своих изделий.

Основная проблема — попадание внутрь диска посторонних частиц.

Для сравнения: частичка табачного дыма в два раза больше расстояния между поверхностью и головкой, толщина человеческого волоса в 5-10 раза больше.
Для головки встреча с такими предметами обернется сильным ударом и, как следствие, частичным повреждением или же полным выходом из строя.
Внешне это заметно, как появление большого количества закономерно расположенных негодных кластеров.

Опасны кратковременные большие по модулю ускорения (перегрузки), возникающие при ударах, падениях и т.д. Например, от удара головка резко ударяет по магнитному
слою и вызывает его разрушение в соответственном месте. Или, наоборот, сначала движется в противоположную сторону, а затем под действием силы упругости словно пружина бьет по поверхности.
В результате в корпусе появляются частицы магнитного покрытия, которые опять-таки могут повредить головку.

Не стоит думать, что под действием центробежной силы они улетят с диска — магнитный слой
прочно притянет их к себе. В принципе, страшны последствия не самого удара (можно как-нибудь смириться с потерей некоторого количества кластеров), а то, что при этом образуются частицы, которые обязательно вызовут дальнейшую порчу диска.

Для предотвращения таких весьма неприятных случаев различные фирмы прибегают ко всякого рода ухищрениям. Помимо простого повышения механической прочности компонентов диска, применяются также интеллектуальная технология S.M.A.R.T., которая следит за надежностью записи и сохранности данных на носителе (см. выше).

Вообще-то диск всегда отформатирован не на полную емкость, имеется некоторый запас. Связано это главным образом еще и с тем, что практически невозможно изготовить носитель,
на котором абсолютно вся поверхность была бы качественной, обязательно будет иметься bad-кластеры (сбойные). При низкоуровневом форматировании диска его электроника настраивается так,
чтобы она обходила эти сбойные участки, и для пользователя было совершенно не заметно, что носитель имеет дефект. Но вот если они видны (например, после форматирования
утилита выводит их количество, отличное от нуля), то это уже очень плохо.

Если гарантия не истекла (а HDD, на мой взгляд, лучше всего покупать с гарантией), то сразу же отнесите диск к продавцу и потребуйте замены носителя или возврат денег.
Продавец, конечно же, сразу начнет говорить, что парочка сбойных участков – еще не повод для беспокойства, но не верьте ему. Как уже говорилось, это парочка, скорее всего, вызовет еще множество других, а впоследствии вообще возможен полный выход винчестера из строя.

Особенно чувствителен к повреждениям диск в рабочем состоянии, поэтому не следует помещать компьютер в место, где он может быть подвержен различным толчкам, вибрациям и так далее.

Подготовка винчестера к работе

Начнем с самого начала. Предположим, что вы купили накопитель на жестком диске и шлейф к нему отдельно от компьютера.
(Дело в том, что, покупая собранный компьютер, вы получите подготовленный к использованию диск).

Несколько слов об обращении с ним. Накопитель на жестком диске — очень сложное изделие, содержащее кроме электроники прецизионную механику.
Поэтому он требует аккуратного обращения — удары, падения и сильная вибрация могут повредить его механическую часть. Как правило, плата накопителя содержит много малогабаритных элементов, и не закрыта прочными крышками. По этой причине следует позаботиться о ее сохранности.
Первое, что следует сделать, получив жесткий диск — прочитать пришедшую с ним документацию — в ней наверняка окажется много полезной и интересной информации. При этом следует обратить внимание на следующие моменты:

наличие и варианты установки перемычек, определяющих настройку (установку) диска, например, определяющую такой параметр, как физическое имя диска (они могут быть, но их может и не быть),
количество головок, цилиндров, секторов на дисках, уровень прекомпенсации, а также тип диска. Эти данные нужно ввести в ответ на запрос программы установки компьютера (setup).
Вся эта информация понадобится при форматировании диска и подготовке машины к работе с ним.
В случае если ПК сам не определит параметры вашего винчестера, большей проблемой станет установка накопителя, на который нет никакой документации.
На большинстве жестких дисков можно найти этикетки с названием фирмы-изготовителя, с типом (маркой) устройства, а также с таблицей недопустимых для использования дорожек.
Кроме того, на накопителе может быть приведена информация о количестве головок, цилиндров и секторов и об уровне прекомпенсации.

Справедливости ради нужно сказать, что нередко на диске написано только его название. Но и в этом случае можно найти требуемую информацию либо в справочнике,
либо позвонив в представительство фирмы. При этом важно получить ответы на три вопроса:

как должны быть установлены перемычки для того, чтобы использовать накопитель как master \ slave?
сколько на диске цилиндров, головок, сколько секторов на дорожку, чему равняется значение прекомпенсации?
какой тип диска из записанных в ROM BIOS лучше всего соответствует данному накопителю?

Владея этой информацией, можно переходить к установке накопителя на жестком диске.

Для установки жесткого диска в компьютер следует сделать следующее:

Отключить полностью системный блок от питания, снять крышку.
Присоединить шлейф винчестера к контроллеру материнской платы. Если Вы устанавливаете второй диск можно воспользоваться шлейфом от первого при наличии на нем дополнительного разъема, при этом нужно помнить, что ск орость работы разных винчестеров будет сравнена в сторону медленно.
Если требуется, переключить перемычки в соответствии со способом использования жесткого диска.
Установить накопитель на свободное место и присоединить шлейф от контроллера на плате к разъему винчестера красной полосой к питанию, кабель источника питания.
Надежно закрепить жесткий диск четырьмя болтами с двух сторон, акку/spanратно расположить кабели внутри компьютера, так, чтобы при закрывании крышки не перерубить их,
Закрыть системный блок.
Если ПК сам не определил винчестер, то изменить конфигурацию компьютера с помощью Setup, чтобы компьютер знал, что к нему добавили новое устройство.

Фирмы-изготовители винчестеров

Винчестеры одинаковой емкости (но от разных производителей) обычно обладают более-менее сходными характеристиками, а отличия выражаются главным образом в конструкции корпуса, форм-факторе (проще говоря, размерах) и сроке гарантийного обслуживания. Причем о последнем следует сказать особо: стоимость информации на современном винчестере часто во много раз превышает его собственную цену.

Если на вашем диске появились сбои, то пытаться его ремонтировать — зачастую означает лишь подвергать свои данные к дополнительному риску.
Гораздо более разумный путь- замена сбойного устройства на новое.
Львиную долю жестких дисков на российском (да и не только) рынке составляет продукции фирм IBM, Maxtor, Fujitsu, Western Digital (WD), Seagate, Quantum.

название фирмы-изготовителя, производящего данный тип накопителя,

Корпорация Quantum (www. quantum. сom.) , основанная в 1980г.,- одна из ветеранов на рынке дисковых накопителей. Компания известна своими новаторскими техническими решениями, направленными на повышение надежности и производительности жестких дисков, временем доступа к данным на диске и скоростью чтения/записи на диске, возможностью информировать о возможных будущих проблемах, могущих привести к потере данных или к выходу диска из строя.

— Одной из фирменных технологий Quantum является SPS (Shoсk Proteсtion System), призванная защитить диск от ударных воздействий.

— встроенная программа DPS (Data Proteсtion System), предназначенной сохранить самое дорогое — хранящиеся на них данные.

Корпорация Western Digital (www.wdс.сom.) также является одной из старейших компаний-производителей дисковых накопителей, она знала в своей истории и взлеты и падения.
Компания за последние время смогла внедрить в свои диски самые последние технологии. Среди них стоит отметить собственную разработку-технологию Data Lifeguard,которая является дальнейшим развитием системы S.M.A.R.T. В ней сделана попытка логического завершения цепочки.

Согласно этой технологии производится регулярное сканирование поверхности диска в период, когда он незадействован системой. При этом производится чтение данных и проверка их целостности. Если в процессе обращения к сектору отмечаются проблемы, то данные переносятся в другой сектор.
Информация о некачественных секторах заносится во внутренний дефект-лист, что позволяет избежать в будущем записи в будущем записи в дефектные сектора.

Фирма Seagate (www.seagate. Сom) очень известна на нашем рынке. К слову сказать, я рекомендую винчестеры именно этой фирмы, как самык надежные и долговечные.

В 1998 г. она заставила вновь обратить на себя внимание, выпустив серию дисков Medallist Pro
со скоростью вращения 7200 об/мин,применив для этого специальные подшипники. Раньше такая скорость использовалась только в дисках интерфейса SСSI, что позволило увеличить производительность. В этой же серии используется технология SeaShield System, призванная улучшить защиту диска и хранящихся на нем данных от влияния электростатики и ударных воздействий. Одновременно уменьшается также и воздействие электромагнитных излучений.

Все производимые диски поддерживают технологию S.M.A.R.T.
В новых дисках Seagate предусматривает применение улучшенной версии своей системы SeaShield с более широкими возможностями.
Показательно, что Seagate заявил о наибольшей в отрасли стойкости обновленной серии к ударам – 300G в нерабочем состоянии.

Фирма IBM (www. storage. ibm. сom) хотя и не являлась до недавнего времени крупным поставщиком на российском рынке жестких дисков, но успела быстро завоевать хорошую репутацию благодаря своим быстрым и надежным дисковым накопителям.

Фирма Fujitsu (www. Fujitsu. сom) является крупным и опытным производителем дисковых накопителей, причем не только магнитных, но и оптических и магнитооптических.
Правда, на рынке винчестеров с интерфейсом IDE компания отнюдь не лидер: она контролирует (по разным различных исследований) примерно 4% этого рынка, а основные ее интересы лежат в области SСSI-устройств.

Терминологический словарь

Так как некоторые элементы накопителя, играющие важную роль в его работе, часто воспринимаются как абстрактные понятия, ниже приводится объяснение наиболее важных терминов.

Время доступа (Aссes time) — период времени, необходимый накопителю на жестком диске для поиска и передачи данных в память или из памяти.
Быстродействие накопителей на жестких магнитных дисках часто определяется временем доступа (выборки).

Кластер (Сluster) — наименьшая единица пространства, с которой работает ОС в таблице расположения файлов. Обычно кластер состоит из 2-4-8 или более секторов.
Количество секторов зависит от типа диска. Поиск кластеров вместо отдельных секторов сокращает издержки ОС по времени. Крупные кластеры обеспечивают более быструю работу
накопителя, поскольку количество кластеров в таком случае меньше, но при этом хуже используется пространство (место) на диске, так как многие файлы могут оказаться меньше кластера и оставшиеся байты кластера не используются.

Контроллер (УУ) (Сontroller) — схемы, обычно расположенные на плате расширения, обеспечивающие управление работой накопителя на жестком диске, включая перемещение головки и считывание и запись данных.

Цилиндр (Сylinder) — дорожки, расположенные напротив друг друга на всех сторонах всех дисков.

Головка накопителя (Drive head) — механизм, который перемещается по поверхности жесткого диска и обеспечивает электромагнитную запись или считывание данных.

Таблица размещения файлов (FAT) (File Alloсation Table (FAT)) — запись, формируемая ОС, которая отслеживает размещение каждого файла на диске и то, какие сектора использованы, а какие — свободны для записи в них новых данных.

Зазор магнитной головки (Head gap) — расстояние между головкой накопителя и поверхностью диска.

Чередование (Interleave) — отношение между скоростью вращения диска и организацией секторов на диске. Обычно скорость вращения диска превышает способность компьютера получать данные с диска. К тому моменту, когда контроллер производит считывание данных, следующий последовательный сектор уже проходит головку. Поэтому данные записываются на диск через один или два сектора. С помощью специального программного обеспечения при форматировании диска можно изменить порядок чередования.

Логический диск (Logiсal drive) — определенные части рабочей поверхности жесткого диска, которые рассматривают как отдельные накопители.
Некоторые логические диски могут быть использованы для других операционных систем, таких как, например, UNIX.

Парковка (Park) — перемещение головок накопителя в определенную точку и фиксация их в неподвижном состоянии над неиспользуемыми частями диска, для того, чтобы свести к минимуму повреждения при сотрясении накопителя, когда головки ударяются о поверхности диска.

Разбивка (Partitioning) – операция разбивки жесткого диска на логические диски. Разбиваются все диски, хотя небольшие диски могут иметь только один раздел.

Диск (Platter) — сам металлический диск, покрытый магнитным материалом, на который записываются данные. Накопитель на жестких дисках имеет, как правило, более одного диска.

RLL (Run-length-limited) — кодирующая схема, используемая некоторыми контроллерами для увеличения количества секторов на дорожку для размещения большего количества данных.

Сектор (Seсtor) — деление дисковых дорожек, представляющее собой основную единицу размера, используемую накопителем. Секторы ОС обычно содержат по 512 байтов.

Время позиционирования (Seek time) — время, необходимое головке для пе¬ремещения с дорожки, на которой она установлена, на какую-либо другую нужную дорожку.

Дорожка (Traсk) — концентрическое деление диска. Дорожки похожи на дорожки на пластинке. В отличие от дорожек пластинки, которые представляют собой непрерывную спираль, дорожки на диске имеют форму окружности. Дорожки в свою очередь делятся на кластеры и сектора.

Время перехода с дорожки на дорожку (Traсk-to-traсk seek time) — время, необходимое для перехода головки накопителя на соседнюю дорожку.

Скорость передачи данных (Transfer rate) — объем информации, передаваемый между диском и ЭВМ в единицу времени. В него входит и время поиска дорожки.

Приветствую, друзья!

Сегодня мы с вами поговорим о такой штуке, как винчестер. Редкий пользователь компьютера не слышал о нем!

Винчестер, он же HDD (Hard Disk Drive), он же жесткий диск - это устройство для хранения информации.

HDD получил свое жаргонное название по имени знаменитой винтовки, с которой белые люди завоевывали Америку. Одна из первых моделей жестких дисков обозначалась «30/30», что совпадало с калибром этого огнестрельного оружия.

Ниже будет идти речь о компьютерных винчестерах.

Как устроен компьютерный винчестер?

Мы рассмотрим, ка утроен традиционный (электромеханический) винчестер, применяющийся в персональных компьютерах. Основа его - один или несколько информационных дисков. В первых моделях винчестеров использовались диски из алюминия.

Но те первые модели имели большой размер и малую емкость.

Гибкие и жесткие диски

Те «винты» (еще одно жаргонное название) имели физические размеры и объем, примерно равный дисководу гибких дисков 5,25 дюйма. На заре компьютерной индустрии данные хранились и на гибких дисках (дискетах) 5,25 и 3,5 дюймов.

Привод для чтения и записи таких дисков назывался FDD (Floppy Disk Drive).

Эти диски были сделаны из круглого куска пластика с нанесенным на обе стороны ферромагнитным покрытием. Они были тонкими и гибкими, поэтому привод и получил такое название. Для защиты от внешних воздействий эти диски помещались в квадратный пластиковый футляр.

Диски в HDD имеют похожее строение, но они толще и не гнутся, что и отражается в названии. На такой диск наносится с помощью центрифуги тонкий ферромагнитный слой из окислов металлов. Данные записываются и считываются с помощью магнитных головок.

При записи в магнитную головку подается информационный сигнал, который меняет ориентацию доменов (ферромагнитных частиц) в ферромагнитном слое.

При считывании намагниченные участки наводят ток в головке, который затем обрабатывается схемой управления (контроллером). Требования к скорости и объемам данных постоянно росли. В эту область были направлены лучшие умы мира. И жесткие диски, как и остальное компьютерное «железо» непрерывно совершенствовались.

Диски стали делать из стекла и стеклокерамики. Это позволило уменьшить их вес, толщину и увеличить скорость вращения.

Скорость вращения диска возросла с 3600 об/мин до 5400, 7200, а потом до 10 000 и даже до 15 00о об/мин! Для сравнения скажем, что скорость вращения диска в FDD имела величину 360 об/мин.

Чем больше скорость вращения, тем быстрее считываются данные.

Ферромагнитный слой

Ферромагнитный слой на поверхность дисков может наноситься двумя способами - гальваническим осаждением и вакуумным напылением. В первом случае диск погружается в раствор солей металлов, и на него осаждается тонкая пленка металла (кобальта).

При вакуумном напылении диск помещают в герметичную камеру, откачивают из нее воздух и с помощью электрического разряда осаждают частицы металла.

Сверху на магнитный слой наносят защитное углеродистое покрытие. Оно предохраняет тонкий магнитный слой от разрушения (и потери информации) при возможном соприкосновении с головкой.

Винчестер может иметь один физический диск или несколько. В последнем случае диски собраны в единую конструкцию и вращаются синхронно. Каждый диск имеет две стороны с ферромагнитным слоем, данные считываются двумя различными головками (расположенными сверху и снизу).

Головки также собраны в единую конструкцию и перемещаются синхронно.

Механизм перемещения головок содержит в себе катушку с проводом и неподвижно закрепленный постоянный магнит. При подаче току в катушку в ней генерируется магнитное поле, взаимодействующее с магнитом. Возникающая при этом сила двигает катушку со всей подвижной частью механизма (и головками тоже).

Механизм содержит в себе пружину, которая при отсутствии питания перемещает головки в исходное положение (зону парковки). Это предохраняет головки и диски от повреждения.

Отметим, что небольшие неодимовые магниты, создающие постоянное магнитное поле, очень сильны!

В рабочем состоянии диски вращаются с постоянной скоростью, головки «парят» над диском. При вращении возникает аэродинамический поток, приподнимающий головки. По мере совершенствовании технологии расстояние между головками и диском уменьшается.

К настоящему времени доведено до нескольких десятков нанометров!

Уменьшение расстояния позволяет увеличить плотность записи информации. Таким образом, в тот же самый объем можно втиснуть больше информации.

Считывающие и записывающие головки

В современных винчестерах применяются магниторезистивные головки .

Кристалл магниторезистора может изменять свое сопротивление в зависимости от величина и направления магнитного поля. При прохождении головки над областями с различной намагниченностью ее сопротивление меняется, что улавливается схемой управления.

Головка винчестера содержит в себе, собственно, две головки - считывающую и записывающую. Записывающая головка работает на том же принципе, что и головка в старых магнитофонах, в которых использовались кассеты с магнитной лентой.

Она содержит разомкнутый сердечник, в зазоре которого создается магнитное поле, изменяющее ориентацию магнитных доменов на поверхности диска. «Обмотка» головки выполнена печатным способом с помощью фотолитографии.

Шпиндель и гермоблок

Основной двигатель винчестера (шпиндель), крутящий диск, содержит в себе гидродинамический подшипник . Он отличается от шарикоподшипника тем, что он имеет гораздо меньшее радиальное биение.

В современных винчестерах плотность записи информации очень высока, дорожки располагаются очень близко друг к другу.

Большая величина радиального биения не дала бы увеличить плотность записи, либо (при уменьшении расстояния между дорожками) головка «скакала» бы по соседним дорожкам в течение одного оборота. Гидродинамический подшипник содержит в себе тонкий слой смазки между подвижной и неподвижной частью.

В заключение скажем, что шпиндель, диски, головка с приводом помещены в отдельный отсек. Первые модели винчестеров содержали негерметичные отсеки, снабженные фильтром с очень мелкими ячейками для выравнивания давления.

Потом появились герметичные отсеки, которые имели в себе отверстие, закрытое гибкой мембраной. Мембрана может изгибаться в обе стороны, компенсируя перепад давлений воздуха внутри и вне отсека с головками.

В следующей части статьи мы продолжим знакомство с тем, как устроен и как работает винчестер.

С вами был Виктор Геронда. До встречи на блоге!

Во время запуска компьютера, набор микропрограмм, записанных в микросхеме BIOS, производит проверку оборудования. Если все в порядке, он передает управление загрузчику операционной системы. Дальше ОС загружается и вы начинаете пользоваться компьютером. При этом — где до включения компьютера хранилась операционная система? Каким образом ваш реферат, который вы писали всю ночь, остался цел после отключения питания ПК? Снова же — где он хранится?

Ладно, вероятно я слишком загнул и вы все прекрасно знаете, что данные компьютера хранятся на жестком диске. Тем не менее что он из себя представляет и как работает не все знают, и поскольку вы здесь, делаем вывод, что хотели бы узнать. Что же, давайте разбираться!

Что такое жесткий диск

По традиции, давайте подсмотрим определение жесткого диска в Википедии:

Жесткий диск (винт, винчестер, накопитель на жестких магнитных дисках, НЖМД, HDD, HMDD) — запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.

Используются в подавляющем большинстве компьютеров, а также как отдельно подключаемые устройства для хранения резервных копий данных, в качестве файлового хранилища и т.п.

Чуть-чуть разберемся. Мне нравится термин «накопитель на жестких магнитных дисках «. Эти пять слов передают всю суть. HDD — устройство, предназначение которого длительное время хранить записанные на него данные. Основой HDD являются жесткие (алюминиевые) диски со специальным покрытием, на которое при помощи специальных головок записывается информация.

Не буду рассматривать в деталях сам процесс записи — по сути это физика последних классов школы, и вникать в это, уверен, у вас желания нет, да и статья совсем не о том.

Также обратим внимание на фразу: «произвольного доступа » что, грубо говоря, означает, что мы (компьютер) можем в любое время считать информацию с любого участка ЖД.

Важным является тот факт, что память HDD не энергозависима, то есть не важно подключено питание или нет, записанная на устройство информация никуда не исчезнет. Это важное отличие постоянной памяти компьютера, от временной ().

Взглянув на жесткий диск компьютера в жизни, вы не увидите ни дисков, ни головок, так как все это скрыто в герметичном корпусе (гермозона). Внешне винчестер выглядит так:

Для чего компьютеру нужен жесткий диск

Рассмотрим что такое HDD в компьютере, то есть какую роль он играет в ПК. Понятно, что он хранит данные но, как и какие. Здесь выделим такие функции НЖМД:

Хранение ОС, пользовательского ПО и их настроек;
Хранение файлов пользователя: музыка, видео, изображения, документы и т.д;
Использование части объема жесткого диска, для хранения данных не помещающихся в ОЗУ (файл подкачки) или хранение содержимого оперативной памяти во время использования режима сна;

Как видим, жесткий диск компьютера не просто свалка из фотографий, музыки и видео. На нем хранится вся операционная система, и помимо этого ЖД помогает справляться с загруженностью ОЗУ, беря на себя часть ее функций.

Из чего состоит жесткий диск

Мы частично упоминали о составных жесткого диска, сейчас разберемся с этим детальнее. Итак, основные составляющие HDD:

Корпус — защищает механизмы жесткого диска от пыли и влаги. Как правило, является герметичным, дабы внутрь та самая влага и пыль не попадали;
Диски (блины) — пластины из определенного сплава металлов, с нанесенным с обеих сторон покрытием, на которое и записываются данные. Количество пластин может быть разным — от одной (в бюджетных вариантах), до нескольких;
Двигатель — на шпинделе которого закреплены блины;
Блок головок — конструкция из соединенных между собой рычагов (коромысел), и головок. Часть ЖД, которая считывает и записывает на него информацию. Для одного блина используется пара головок, поскольку и верхняя, и нижняя часть у него рабочая;
Устройство позиционирования (актуатор ) — механизм приводящий в действие блок головок. Состоит из пары постоянных неодимовых магнитов и катушки, находящейся на конце блока головок;
Контроллер — электронная микросхема управляющая работой HDD;
Парковочная зона — место внутри винчестера рядом с дисками либо на их внутренней части, куда опускаются (паркуются) головки во время простоя, чтобы не повредить рабочую поверхность блинов.

Такое вот незамысловатое устройство жесткого диска. Сформировалось оно много лет назад, и никаких принципиальных изменений в него уже давно не вносились. А мы идем дальше.

Как работает жесткий диск

После того, как на HDD подается питание двигатель, на шпинделе которого закреплены блины, начинает раскручиваться. Набрав скорость, при которой у поверхности дисков образовывается постоянный поток воздуха, начинают двигаться головки.

Данная последовательность (сначала раскручиваться диски, а затем начинают работать головки) необходима для того, чтобы за счет образовавшегося потока воздуха, головки парили над пластинами. Да, они никогда не касаются поверхности дисков, иначе последние были бы моментально повреждены. Тем не менее, расстояние от поверхности магнитных пластин до головок настолько маленькое (~10 нм), что вы не увидите его невооруженным глазом.

После запуска, в первую очередь происходит считывание служебной информации о состоянии жесткого диска и других необходимых сведениях о нем, находящихся на так называемой нулевой дорожке. Только затем начинается работа с данными.

Информация на жестком диске компьютера записывается на дорожки которые, в свою очередь, разбиты на сектора (такая себе разрезанная на кусочки пицца). Для записи файлов несколько секторов объединяют в кластер, он и является наименьшим местом, куда может быть записан файл.

Кроме такого «горизонтального» разбиения диска, есть еще условное «вертикальное». Поскольку все головки объединены, они всегда позиционируются над одной и той же по номеру дорожкой, каждая над своим диском. Таким образом, во время работы HDD головки как бы рисуют цилиндр:

Пока HDD работает, по сути он выполняет две команды: чтение и запись. Когда необходимо выполнить команду записи, происходит вычисление области на диске куда она будет производится, затем позиционируются головки и, собственно, выполняется команда. Затем результат проверяется. Кроме записи данных прямо на диск, информация также попадает в его кеш.

Если контроллеру поступает команда на чтение, в первую очередь происходит проверка наличия требуемой информации в кеше. Если ее там нет, снова происходит вычисление координат для позиционирования головок, дальше, головки позиционируется и считывают данные.

После завершения работы, когда питание винчестера исчезает, происходит автоматическая парковка головок в парковочных зоне.

Вот так в общих чертах и работает жесткий диск компьютера. В действительности же все намного сложнее, но обычному пользователю, скорее всего, такие подробности не нужны, поэтому закончим с этим разделом и пойдем дальше.

Виды жестких дисков и их производители

На сегодняшний день, на рынке существует фактически три основных производителя жестких дисков: Western Digital (WD), Toshiba, Seagate. Они полностью покрывают спрос на устройства всех видов и требований. Остальные компании либо разорились, либо были поглощены кем-то из основной тройки, или перепрофилировались.

Если говорить о видах HDD, их можно разделить таким образом:

Для ноутбуков — основной параметр — размер устройства в 2,5 дюйма. Это позволяет им компактно размещаться в корпусе лептопа;
Для ПК — в этом случае также возможно использование 2,5″ жестких дисков, но как правило, используются 3,5 дюйма;
Внешние жесткие диски — устройства, отдельно подключаемые к ПК/ноутбуку, чаще всего выполняющие роль файлового хранилища.

Также выделяют особый тип жестких дисков — для серверов. Они идентичны обычным ПКшным, но могут отличаются интерфейсами для подключения, и большей производительностью.

Все остальные разделения HDD на виды происходят от их характеристик, поэтому рассмотрим их.

Характеристики жестких дисков

Итак, основные характеристики жесткого диска компьютера:

Объем — показатель максимально возможного количества данных, которые можно будет вместить на диске. Первое на что обычно смотрят при выборе HDD. Данный показатель может достигать 10 Тб, хотя для домашнего ПК чаще выбирают 500 Гб — 1 Тб;
Форм-фактор — размер жестокого диска. Самые распространенные — 3,5 и 2,5 дюйма. Как говорилось выше, 2,5″ в большинстве случаев, устанавливаются в ноутбуки. Также их используют во внешних HDD. В ПК и на сервера устанавливают 3,5″. Форм фактор влияет и на объем, так как на больший диск может поместиться больше данных;
Скорость вращения шпинделя — с какой скоростью вращаются блины. Наиболее распространены 4200, 5400, 7200 и 10000 об/мин. Эта характеристика напрямую влияет на производительность, а так же и цену устройства. Чем выше скорость — тем больше оба значения;
Интерфейс — способ (тип разъема) подключения HDD к компьютеру. Самым популярным интерфейсом для внутренних ЖД сегодня является SATA (в старых компьютерах использовался IDE). Внешние жесткие диски подключаются, как правило, по USB или FireWire. Кроме перечисленных, существуют еще такие интерфейсы как SCSI, SAS;
Объем буфера (кеш-память) — тип быстрой памяти (по типу ОЗУ) установленный на контроллере ЖД, предназначенный для временного хранения данных, к которым чаще всего обращаются. Объем буфера может составлять 16, 32 или 64 Мб;
Время произвольного доступа — то время, за которое HDD гарантированно выполнить запись или чтение с любого участка диска. Колеблется от 3 до 15 мс;

Кроме приведенных характеристик также можно встретить такие показатели как.

Для записи на ЖМД используются методы ЧМ, модифицированной частотной модуляции (МЧМ) и RLL-метод, при котором каждый байт данных преобразуется в 16-битовый код.

При методе МЧМ плотность записи данных возрастает вдвое по сравнению с методом ЧМ. Для этого метода (рис. 14.2), если записываемый бит данных является единицей, то стоящий перед ним бит тактового импульса не записывается. Если записывается «0 », а предыдущий бит был «1 », то синхросигнал также не записывается, как и бит данных. Но если перед «0 » стоит бит «0 », то синхросигнал записывается.

В настоящее время существуют 3 вида записи:

Метод параллельной записи

На данный момент это самая распространённая 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. На сегодняшний день, домены становятся настолько малы, что остро встаёт вопрос о их стабильности. Дальнейшее развитие этой технологии под вопросом, многие считают этот метод исчерпавшим себя. Плотность записи, при использовании этого метода, на данный момент равна 150 Гбит/дюйм² (23Гбит/см²).

Метод перпендикулярной записи

Для того чтобы решить проблему с дальнейшим увеличением плотности, многие производители рассматривают технологию, при которой биты информации сохранялись бы в вертикальных доменах. Это позволит использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у экспериментального прототипа - 200 Гбит/дюйм² (31 Гбит/см²), в дальнейшем планируется довести плотность до 400-500 Гбит/дюйм² (60-75 Гбит/см²).

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat assisted magnetic recording - HAMR) на данный момент 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». Именно этот метод собираются использовать компании Seagate и IBM для достижения плотности в 4 Тбит на кв. дюйм (620 Гбит на кв. см). Это позволит изготовить 3,5-дюймовый винчестер объемом 25 Тб. В качестве максимальной отметки плотности пока названо значение 100 Тбит на кв. дюйм (около 15 Тб на кв. см), что соответствует 0,65-Пб (петабайт) объема в форм-факторе 3,5 дюйма.

Формат записи информации на жестком магнитном диске

В НЖМД обычно используются форматы данных с фиксированным числом секторов на дорожке (17, 34 или 52) и с объемом данных в одном секторе 512 или 1024 байта. Секторы маркируются магнитным маркером.

Конкретный формат данных определяется внутренней программной конфигурацией ПЭВМ и техническими характеристиками адаптера накопителя. Структура формата (рис. 14.3) подобна структуре, применяемой в НГМД.

Начало каждого сектора обозначается адресным маркером. В начале идентификатора и поля данных записываются байты синхронизации, служащие для синхронизации схемы выделения данных адаптера НЖМД. Идентификатор сектора содержит адрес диска в пакете, представленный кодами номеров цилиндра, головки и сектора. В отличие от НГМД в НЖМД в идентификатор дополнительно вводят байты сравнения и флага. Байт сравнения представляет одинаковое для каждого сектора число, с помощью которого осуществляется правильность считывания идентификатора. Байт флага содержит флаг - указатель состояния дорожки (основная или запасная, исправная или дефектная).

Контрольные байты записываются в поле идентификатора один раз при записи идентификатора сектора, а в поле данных - каждый раз при каждой новой записи данных. Контрольные байты в НЖМД предназначены не только для определения, но и для коррекции ошибок считывания. Наиболее часто используются полиномные корректирующие коды; использование конкретных кодов зависит от схемной реализации адаптера.

Перед использованием НЖМД производится его начальное форматирование - процедура, выполняемая под управлением специальной программы, при работе которой на дисковый пакет записывается служебная информация и проверяется пригодность полей данных.

В последнее время компании используют адаптивное форматирование . Его суть заключается в том, что каждый экземпляр накопителя индивидуально настраивается на заводе таким образом, чтобы обеспечить лучшую производительность и надежность. Для этого каждая пара «головка-поверхность пластины» собранного диска тестируется на определение характеристик быстродействия, и затем каждая сторона магнитной пластины индивидуально форматируется (размечается на дорожки и сектора) так, чтобы обеспечить наилучшие характеристики при работе именно с данной головкой. В результате, линейная плотность записи на каждой стороне каждой пластины может не совпадать с соседними

Пять различных интервалов в НЖМД используются для синхронизации электронных процессов чтения-записи и управления работы электромеханических узлов накопителя.

В результате начального форматирования определяется расположение секторов, и устанавливаются их логические номера. Поскольку скорость вращения диска очень большая, для обеспечения минимального числа оборотов диска при обращении к последовательным секторам, секторы с последовательными номерами размещаются через N физических секторов друг от друга (рис. 14.4).

Кратность расположения секторов задается при форматировании диска. Коэффициенты чередования бывают 6:1, 3:1, и 1:1. Новейшие модели НЖМД используют коэффициенты 1:1, а их контроллеры считывают с диска за одно его обращение информацию с целой дорожки и затем хранят ее в буферной памяти. При запросе из буферной памяти передается информация уже из требуемых секторов.

Каждая дорожка диска разделяется на одинаковое число секторов, поэтому сектора на дорожках, которые находятся ближе к нулевой дорожке, имеют меньший размер. Для записи таких секторов

используются магнитные поля большей интенсивности (компенсация записи ). Число поверхностей диска (головок), число цилиндров (дорожек) и точка, с которой начинается компенсация записи, являются параметрами для настройки контроллера НЖМД.

Среднее время доступа к информации на НЖМД составляет

t ср =t n +0,5/F+t обм, (14.1)

где t n - среднее время позиционирования; F - скорость вращения диска; t обм - время обмена. Время обмена зависит от технических средств контроллера и типа его интерфейса, наличия встроенное буферной кэш-памяти, алгоритма кодирования дисковых данных и коэффициента чередования.

Принцип работы жесткого диска достаточно прост. Типичный винчестер состоит из нескольких основных узлов, как то:

корпус из ударопрочного сплава,
пластины с магнитным покрытием,
блок головок с устройством для позиционирования,
блок электроники и
электропривод.

Многие пользователи считают, что жесткие диски герметичны. Однако это не так - внутри требуется поддерживать постоянное давление при колебаниях температур. В связи с этим жесткий диск оснащен фильтром, который задерживает частицы диаметром до нескольких микрометров.

Блок электроники содержит собственное запоминающее устройство и несколько подблоков, которые отвечают за цифровую обработку сигнала, управление и работу с интерфейсом. Работа самого жесткого диска сильно напоминает структуру магнитофона. Рабочая поверхность диска движется с определенной скоростью относительно считывающей головки. Во время процедуры записи или чтения головки парят над поверхностью диска на воздушной подушке. Если в зазор между диском и головкой попадет пылинка, то головки могут удариться о поверхность, испортить диск и даже сгореть.

Магнитный диск может быть сделан не только из металла, но и из стекла, как это было в моделях от IBM . На поверхности диска находится магнитный слой, который и служит основой для записи информации. Биты информации записываются с помощью 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.

Изначально поверхность блина абсолютно пустая, то есть магнитные домены никак не ориентированы. Для ориентирования блока магнитных головок на магнитный диск наносятся специальные метки - серво-метки. Это осуществляется «родным» блоком магнитных головок, который управляется в свою очередь внешним устройством. После разметки жесткий диск сам в состоянии читать информацию и записывать на поверхность. При больших объемах винчестера в него устанавливается несколько магнитных дисков, которые закрепляются на шпиндельном двигателе, и образуют стопку блинов.

Характеристики

Интерфейс - в общем случае определяет место или способ соединения/соприкосновения/связи. Этот термин используется в разных областях науки и техники. Современные накопители могут использовать интерфейсы SATA , IDE, USB , IEEE 1394 и т. д.

Физический размер (форм-фактор) - установленный типоразмер жесткого диска. Накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер 3.5 дюйма. Винчестеры в формате 2.5 дюйма чаще применяются в ноутбуках. Другие распространённые форматы - 1.8 дюйма, 1.3 дюйма и 0.85 дюйма.

Скорость вращения шпинделя - 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).

Время произвольного доступа - Параметр своеобразной оценки скорости работы жесткого диска. В английском языке используется аналог random access time. Среднее время доступа для современных моделей колеблется от 3 до 15 мс. Чем меньше значение, тем лучше. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски.

Рынок HDD

История

Название

Для словосочетания типа Hard Disk Drive (HDD) лингвисты используют название-ретроним – термин, придуманный лингвистами для уже нового названия существующего явления, чтобы отличать его от чего-то более нового, в данном случае от гибких дисков. И вот странная ситуация: гибких дисков нет, потребности различать гибкие диски от жестких нет, а ретроним остался, но теперь он служит для отличия HDD от твердотельных накопителей Solid State Drive/Disk (SSD), которые в общем и дисками то не являются.

Огромные магнитофоны

Успех дисков выглядит как некоторый казус. В механическом устройстве, ставшем неотъемлемой частью электронных систем, время перемещения головок измеряется совсем иными величинами, нежели скорость электронных процессов. На отсутствие гармонии в союзе между электроникой и механикой обратили внимание давно, еще в пятидесятые годы, когда создавались первые диски. Но тогда механике не было альтернативы, поскольку полупроводниковые технологии делали только первые шаги, пришлось сознательно пойти на неравный брак ради достижения цели, однако он оказался более чем успешным. Целью же был прямой доступ к большим (по тем меркам) объемам данным, который оставался невозможен до тех пор, пока данные считывались в потоке либо с ленты, либо с перфокарт. Считанные с носителя данные можно было разместить либо в крошечной оперативной памяти, либо делать своппинг и подкачивать данные с барабана. В некоторых операционных системах были утилиты для чтения файлов с лент, но это был ужасно медленный процесс.

На раннем этапе развития компьютерных систем типовые жесткие диски были лишь экспериментальными моделями. Компьютеры были похожи на огромные магнитофоны. В принципе запись и чтение информации ничуть не отличались от обыкновенного кассетника - данные располагались линейно. Те, кто также помнит ПК на основе носителей с магнитной пленкой, знают, каково это дожидаться загрузки очередного уровня - обыкновенной перемотки кассеты на нужное место.

Первые персональные компьютеры использовали в качестве накопителя обычный кассетный аудио магнитофон. Дисковод для них был непозволительной роскошью. Те пользователи, у которых вместе с ПК поставлялся дисковод, уже могли почувствовать некоторое подобие свободы действий. Первые компьютеры фирмы IBM поставлялись с одним или двумя дисководами.

Диски Рабинова

Идея диска как устройства с перемещающимся по пространству головками лежала на поверхности и попытки ее реализовать предпринимались многими компаниями. В Компьютерном музее в Маунтин Вью хранится несколько вариантов дисков. Коммерческий успех раньше других пришел к IBM , способной потратить на разработку больше остальных, поэтому во всех хрониках эволюции дисков в качестве начальной точки указывается дата 1956 год и накопитель на дисках, входивший в состав компьютера IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), в названии которого прямо указано на его уникальную по тому времени возможность произвольного доступа – Random Access Method.

Но IBM не была первой. Раньше всех работающий накопитель сделал самородок-изобретатель Яков Рабинов (1910-1999) в 1951 году, отдавший всю жизнь работе в Национальном бюро стандартов. Он родился в Харькове, в оригинале его фамилия была Рабинович, после революции в 1921 году он с родителями через Китай перебрался в , а потом почти 70 лет проработал в исследовательском подразделении Национального бюро стандартов. Рабинов не стал ученым, но он был гением практических изобретений, среди них, например, усовершенствованная технология чеканки, продлевающая срок жизни монет, изобретение принесло Государственному казначейству много миллиардов экономии на выпуске металлической мелочи. Однако, лишь одно из его изобретений – устройство, которое называлось Notched-Disk Magnetic Memory Device – не принесло ему ни денег, ни прижизненного признания. Оно состояло из десяти 18-ти дюймовых «блинов», так в последующем стали называть собственно диски, с вырезанным сегментом, чтобы их можно было менять на оси.

Эксперты из IBM изучали изобретение Рабинова и не скрывали приоритет. Проанализировав диск Рабинова, в 1953 году они выпустили отчет «Предложения по произвольному доступу к файлам данных» (A Proposal for Rapid Random Access File), который стал основой проекта RAMAC.

1956: IBM RAMAC - шкаф 975 кг

2000-е: Перпендикулярная магнитная запись

Когда производители HDD столкнулись с пределом вместимости в начале 2000-х, Toshiba и Seagate упорядочили расположение битов данных на пластине диска. Изменение с продольной на перпендикулярную магнитную запись увеличило емкость HDD ни много ни мало в 10 раз.

2012: Плотность размещения информации на дисках может удвоиться к 2016 году

Максимальная плотность размещения информации на жестких дисках может удвоиться к 2016 году, по данным очередного исследования IHS iSuppli , опубликованного в 2012 году. Ранее с аналогичным прогнозом уже выступил производитель жестких дисков компания Seagate . По мнению аналитиков, это расширит возможности использования HDD в системах с большими объемами данных, в том числе аудио и визуальных системах.

Увеличить плотность жестких дисков позволят ряд технологий, над которым сейчас работают вендоры, в частности, технология тепло-магнитной записи (heat-assisted magnetic recording, HAMR), которую Seagate запатентовала еще в 2006 году. Компания также заявила, что сможет выпустить 3,5-дюймовый диск на 60 Тб к 2016 году. Диски ноутбуков могут к этому же времени достичь уже 10-20 Тб, говорится в прогнозе IHS iSuppli.

Аналитики также отмечают, что плотность записи вырастет до максимальных 1800 Гбит на квадратный дюйм к 2016 году, на 2011 год аналогичный показатель составлял 744 Гбит. По данным IHS iSuppli, плотность записи информации на диск увеличится к 2016 году до 1800 Гбит на квадратный дюйм с 744 Гбит в 2011 году. С 2011 по 2016 год увеличение плотности записи на HDD будет увеличиться в среднем на 19% в год.

На дату выхода исследования HDD с максимальной плотностью выпущен Seagate в сентябре 2011 года: на нем помещается 4Тб данных, размер диска – 3,5 дюйма. Плотность диска составляет 625 Гбит на квадратный дюйм.

HAMR HDD , который использует лазер на головке чтения\записи жесткого диска чтобы более плотно располагать меньшие биты на вращающемся диске по сравнению с традиционной магнитной записью.

Современное представление о дисках

Диски эволюционировали по нескольким магистральным направлениям:

Нынешняя волна публичного интереса к SDD не должна вводить в сомнение относительного будущего HDD, эти диски жили и будут жить, постоянно развиваясь и совершенствуясь. В ближайшее время появится диск емкостью 20 Тб, а общий выпуск растет постоянно на 1–3% в год.

повышение скорости и емкости дисков; совершенствование доступа к записанным на них данным; поиск альтернативных твердотельных технологий;

Развитие по первому направлению привело к появлению таких HDD, которые способны хранить терабайтные объемы и поддерживать высокие скорости обмена.

По второму – к созданию поддерживающих работу дисков аппаратных и программных средств: файловых систем, способных поддерживать терабайтные диски и абстрагирования от физики хранения, в т.ч. скоростных интерфейсов, RAID-массивов, обеспечивающих высокую надежность хранения, сетей хранения SAN и сетевых накопителей NAS.

По третьему – к появлению совсем недавно созданных твердотельных устройств корпоративного уровня (Solid State Device, SSD) в сочетании с ориентированным на эти устройства интерфейсом NVMe. Теперь открылась возможность «умного хранения», то есть автоматического оптимального по затратам перераспределения хранения данных между SSD, HDD и лентами в зависимости от востребованности данных.