Как устроен HDD. Как работает жесткий диск

10.08.2019

Инструкция

Конструкция винчестера состоит из блока металлических дисков со специальным покрытием, способным запоминать и хранить воздействие магнитного поля. Современные конструкции состоят из 1–3 дисков, которые отлично сбалансированы и имеют идеально ровную поверхность, потому что скорость вращения достаточно велика и достигает от 7200 до 10000 об/мин, а точность позиционирования головок должна быть высокой.

Для записи и чтения информации на диске используются специальные магнитные головки. Чаще всего по две на диск – с обеих сторон. При воздействии токовых импульсов головки формируют магнитное поле и намагничивают участок диска магнитным моментом заданной направленности (логическая «единица» или логический «ноль»). Процесс записи осуществляется подачей токового импульса в необходимый момент времени, магнитная головка позиционируется в нужном месте. При считывании информации с диска головки реагируют на перемены в магнитном поле через возбуждение силы тока в них. Аналоговый сигнал такого типа считывается и преобразуется в цифровой. В таком виде передается в компьютерную систему.

Информация на магнитном диске размещается и хранится на дорожках, в виде концентрированных окружностей. Все магнитные головки винчестера составляют один общий блок. Перемещаются с одной дорожки диска на другую одновременно. Одна головка обслуживает одну сторону диска. То есть головки находятся на одной и той же дорожке над разными дисками в любой момент времени. Таким образом данная совокупность дорожек образует цилиндр. В последнее время для перемещения магнитных головок используется соленоидный привод. Они перемещаются вокруг своей оси. Катушка, закрепленная с обратной стороны головки, перемещает их над поверхностью диска при помощи электромагнита. Касание головок к диску не допускается, в момент отключения от электропитания они уводятся от поверхности в сторону.

Каждая дорожка диска разделяется на сектора – наименьшие элементы дискового пространства с объемом для хранения информации 512 байт. Общий объем памяти винчестера можно определить произведением количества головок, цилиндров и секторов. Также стоит учесть, что при изготовлении дисков образуются бракованные сектора и дорожки. Этого процесса не избежать. Данные участки при эксплуатации не учитываются. Главное, чтобы сам диск имел необходимый общий объем.

Логическое размещение головок, цилиндров и секторов обычно отличается от физического и указывается на крышке винчестера. Параметры на жесткий диск заносятся программой Setup, и далее компьютер работает с логической разбивкой. Для согласования физических и логических значений устройства используется специальная процедура – трансляция параметров диска. Данный блок расположен на самом винчестере и осуществляет преобразование логических коридоров в физические, чем обеспечивает доступ к нужной части физического диска.

Компьютер – незаменимая составляющая человеческого общества. Он обрабатывает картинки, звуки, числа, слова. К счастью всю информацию можно сохранить, чтобы не потерять когда компьютер выключается.

Задача жесткого диска внутри компьютера – сохранять и выдавать информацию очень быстро. Жесткий диск очень удивительное изобретение компьютерной индустрии. Он может хранить астрономическое количество информации. Этот миниатюрный прибор записывает практически не ограниченное количество информации, пользуясь законами физики.

Если случайно произвести форматирование жесткого диска, то восстановить данные с него будет можно, но долго и дорого.

Как работает жесткий диск?

Чтобы понять – нужно сломать. Жесткий диск состоит из пяти основных частей:

Защищать диск необходимо, если мы хотим пользоваться этим устройством годами. А какие могут быть повреждения? Повреждения диска это не метафора. В таких тонких слоях, вес головки приравнивается к весу 747 самолетов, а вес 747 самолетов сопоставим с весом ста тысяч пассажиров летящих на скорости 100 километров в час. Отклонение в доли миллиметра и все…

Какую же важную роль играет сила трения, когда коромысло начинает считывать информацию, смещаясь до 60 раз в секунду. Двигатель коромысла невидим, потому что эта электромагнитная система работает на взаимодействии двух силах природы – электричества и магнетизма. Такое взаимодействие разгоняет коромысло до скоростей света.

До этого речь шла о компонентах, теперь поговорим о хранении данных. Данные хранятся в узких дорожках на поверхности диска. При производстве на диске создается более двухсот тысяч таких дорожек. Каждая дорожка разделена на секторы. Карта дорожек и секторов позволяет головке определить, куда записать или где считать информацию. Поверхность диска гладкая и блестящая, но при более близком рассмотрении структура оказывается сложнее. Ферримагнитная пленка на поверхности запоминает всю записанную информацию. Головка намагничивает микроскопическую область на пленке устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний «0» или «1», каждый такой ноль и единица называется битами. Значение бита соответствует ориентации магнитного поля плюсу или минусу и не стоит беспокоиться за сохранности данных, потому что фотография хорошего качества занимает около 29 миллионов таких ячеек и разбросана по 12 различным секторам. Звучит впечатляюще, но в действительности такое невероятное количество битов занимает очень маленький участок на поверхности диска. Каждый квадратный сантиметр поверхности включает в себя 31 миллиард битов. Вот это я понимаю память.

Жесткий диск записывает и выдает информацию на скоростях, которую трудно представить. Используя законы магнетизма, тонкая пленка может запомнить множество разных энциклопедий или сотни тысяч фотографий легко. Жесткий диск на самом деле изумительно миниатюрный прибор, записывающий любую информацию в маленьких битах. Этот шедевр инженерной мысли расширяет рамки разумной физики бит за битом.

Как хорошо известно большинству пользователей персонального компьютера, все данные в ПК хранятся на жестком диске - устройстве хранения информации произвольного доступа, которое работает на основе принципа магнитной записи. Современные жесткие диски способны вместить в себе информацию, общим объемом до 6 терабайт (емкость самого вместительного на данный момент диска, выпущенного фирмой HGST), что еще десять лет назад казалось невозможным. Помимо того, что жесткий диск компьютера обладает колоссальной емкостью, благодаря применяющимся в его работе сложным современным технологиям он еще и позволяет получать практически мгновенный доступ к хранящейся на нем информации, без чего продуктивная работа ПК была бы невозможной. Как же устроено это чудо современной техники, и каким образом оно работает?

Устройство жесткого диска

Если снять верхнюю крышку жесткого диска, вы увидите лишь плату электроники и еще одну крышку, под которой находится герметическая зона. Именно в этой гермозоне и расположены основные элементы HDD. Несмотря на распространенное мнение, что гермозона жесткого диска содержит вакуум, это вовсе не так – внутри гермозона заполнена очищенным от пыли сухим воздухом, а в крышке обычно имеется небольшое отверстие с очищающим фильтром, предназначенное для выравнивания давления воздуха внутри гермозоны.

В целом жесткий диск состоит из следующих основных компонентов:

Принцип работы жесткого диска

Что же происходит, когда на жесткий диск компьютера подается питание и он начинает работать? Следуя команде электронного контроллера, двигатель жесткого диска начинает вращаться, приводя тем самым в движение и магнитные диски, которые жестко прикреплены к его оси. Как только скорость вращения шпинделя достигает значения, достаточного для того, чтобы над поверхностью диска образовался постоянный поток воздуха, который не даст считывающейся головке упасть на поверхность накопителя, механизм коромысла начинает двигать считывающие головки, и они зависают над поверхностью диска. При этом расстояние от считывающей головки до магнитного слоя накопителя составляет всего лишь около 10 нанометров, что равно одной миллиардной части метра.

Первым делом при включении жесткого диска происходит считывание с накопителя служебной информации (ее также называют «нулевой дорожкой»), которая содержит сведения о диске и его состоянии. Если сектора со служебной информацией повреждены, то винчестер не будет работать.

Затем начинается непосредственно работа с данными, расположенными на диске. Частицы ферромагнитного материала, которым покрыта поверхность диска, под воздействием магнитной головки условно формируют биты – единицы хранения цифровой информации. Данные на жестком диске распределены по дорожкам, представляющим собой кольцевую область на поверхности одного магнитного диска. Дорожка в свою очередь поделена на одинаковые отрезки, называемые секторами. Таким образом, паря над рабочей поверхностью диска, магнитная головка может посредством изменения магнитного поля осуществлять запись данных строго в определенное место накопителя, а с помощью улавливания магнитного потока происходит считывание информации по секторам.

Форматирование жесткого диска

Для того, чтобы на жесткий диск можно было наносить данные, его предварительно подвергают процессу форматирования. Также форматирование иногда требуется при переустановке операционной системы, правда во втором случае форматируется не весь диск, а лишь один его логический раздел.

Во время форматирования на диск наносится служебная информация, а также данные о нахождении секторов и треков на поверхности диска. Это необходимо для точного позиционирования магнитных головок при работе с жестким диском.

Характеристики жесткого диска

Современный рынок жестких дисков предлагает на выбор самые разнообразные модели винчестеров, отличающиеся между собой по различным техническим параметрам. Вот основные характеристики, по которым различаются жесткие диски:

Интерфейс подключения. Большинство современных жестких дисков подключаются к материнской плате посредством интерфейса SATA, однако встречаются модели и с другими типами подключений: eSATA, FireWire, Thunderbolt и IDE.
Емкость. Величина, характеризующая количество информации, способное поместиться на жестком диске. На данный момент наибольшей популярностью пользуются накопители емкостью 500 Гб и 1 Тб.
Форм-фактор. Современные жесткие диски выпускают в двух физических размерах: 2,5 дюйма и 3,5 дюйма. Первые предназначены для использования в ноутбуках и компактных версиях ПК, вторые используются в обычных настольных компьютерах.
Скорость вращения шпинделя. Чем выше скорость вращения шпинделя жесткого диска, тем быстрее он работает. Основная масса винчестеров на рынке имеют скорость вращения 5400 или 7200 оборотов за минуту, однако встречаются также диски со скоростью вращения шпинделя 10000 об/мин.
Объем буфера. Для сглаживания разницы в скорости чтения/записи и передачи через интерфейс в жестких дисках используется промежуточная память, именуемая буфером. Объем буфера составляет от 8 до 128 мегабайт.
Время произвольного доступа. Это время, которое требуется для выполнение операции по позиционированию магнитной головки на произвольный участок поверхности жесткого диска. Может составлять от 2,5 до 16 миллисекунд.

Почему жесткий диск называют винчестером?

Согласно одной из версий, свое неофициальное прозвище «винчестер» жесткий диск получил в 1973 году, когда был выпущен первый в мире HDD, в котором считывающие аэродинамические головки размещались в одной герметичной коробке с магнитными пластинами. Данный накопитель имел емкость 30 Мбайт плюс 30 Мбайт в сменном отсеке, из-за чего инженеры, которые трудились над его разработкой дали ему кодовое название 30-30, что было созвучно с обозначением популярного ружья, использующего патрон.30-30 Winchester. В начале девяностых годов название «винчестер» вышло из употребления в странах Европы и США, но до сих пор пользуется популярностью в русскоязычных странах. Также нередко можно услышать более сокращенную сленговую версию названия винчестер – «винт», употребляемую в основном компьютерными специалистами.

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.

Жёсткий диск («винчестер», hdd, hard disc drive — eng.) — накопитель информации основанный на магнитных пластинах и эффекте магнетизма.

Применяется повсеместно в персональных компьютерах, ноутбуках, серверах и так далее.

Устройство жёсткого диска. Как жёсткий диск работает.

В полу герметичном блоке находятся двусторонние пластины, с нанесённым на них магнитным слоем , посаженные на вал двигателя и вращающиеся со скоростью от 5400 оборотов в минуту.Блок не совсем герметичен, но самое главное он не пропускает мелкие частицы и не допускает перепадов влажности . Всё это пагубно сказывается на сроке службы и качестве работы жёсткого диска.

В современных жёстких дисках, для вала используются . Это даёт меньший шум при работе, значительно увеличивает долговечность и уменьшает шанс заклинивания вала из-за разрушившегося .

Считывание и запись производится с помощью блока головок .

В рабочем состоянии, головки парят над поверхностью диска на расстоянии ~10нм . Они имеют аэродинамическую форму и поднимаются над поверхностью диска за счёт восходящего потока от крутящейся пластины. Магнитные головки могут находится с двух сторон пластины, если с каждой стороны магнитного диска нанесены магнитные слои.

Соединённый блок головок имеет фиксированное положение , то есть головки перемещаются все вместе.

Всеми головками, управляет специальный привод основанный на электромагнетизме .

Неодимовый магнит создаёт магнитное поле , в котором с высокой скоростью реакции под воздействием тока, может перемещаться блок головок. Это лучший и самый быстрый вариант перемещения блока головок, а ведь когда то блок головок перемещался механически, с помощью шестерёнок.

Когда диск выключается, чтобы головки не опустились на диск и не повредили его, они убираются в зону парковки головок (парковочная зона, parking zone).

Это также, позволяет без особых ограничений транспортировать выключенные жёсткие диски. В выключенном состоянии, диск может выдержать большие нагрузки и не повредиться. Во включенном состоянии, даже небольшой толчёк под определённым углом может разрушить магнитный слой пластины или повредить головки при касании о диск.

Помимо герметичной части, у современных жёстких дисков есть наружная плата управления . Когда то, все платы управления были вставлены в материнскую плату компьютера в слоты расширения. Это было не удобно в плане универсальности и возможностей. Сейчас у жёстких дисков, вся управляющая диском электроника, и интерфейса расположены на небольшой плате в нижней части жёсткого диска. Благодаря этому, можно настроить каждый диск под определённые, выгодные с точки зрения его строения параметры, давая ему выигрыш в скорости, либо более тихую работу к примеру.

Для подключения интерфейса и питания используются стандартные общепринятые разъёмы / и Molex /Power SATA .

Особенности.

Жёсткие диски являются самыми ёмкими хранителями информации и относительно надёжными . Объёмы дисков постоянно растут, но в последнее время это связано с некоторыми сложностями и для дальнейшего расширения объёма, требуются новые технологии. Можно сказать, что жёсткие диски практически вышли на прямую в достижении максимальных возможностей. Распространению жёстких дисков в основном поспособствовало соотношение ценаобъём . В большинстве случаев, гигабайт объёма диска стоит меньше чем 2.5 рубля .

Плюсы и минусы жёстких дисков в сравнении с .

До появления твёрдотельных SSD (solid state drive ) — накопителей, у жёстких дисков не было конкурентов. Теперь у жёстких дисков есть направление куда нужно стремиться.

Минусы жёстких дисков (hard drive)(ssd) накопителями:

низкая скорость последовательного чтения
низкая скорость доступа
низкая скорость чтения
немного более низкая скорость записи
вибрации и небольшой шум при работе

Хотя с другой стороны, у жёстких дисков есть другие, более весомые преимущества, к которым SSD накопителям стремиться и стремиться.

Плюсы жёстких дисков (hard drive) в сравнении с твёрдотельными (ssd) накопителями:

значительно лучший показатель объёмцена
лучший показатель надёжности
больший максимальный объём
при выходе из строя, в разы больший шанс восстановить данные
лучший вариант для использования в медиа центрах, благодаря компактности и большому объёму 2.5 накопителей

О том, на что стоит обращать внимание при выборе жёсткого диска, можно посмотреть в нашей статье ««. Если вам необходим ремонт жесткого диска или восстановление информации, можно обратиться к .