Как работает жесткий диск. Скорость работы жесткого диска

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.

Жесткие диски

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

1. Принцип работы жесткого диска.. 3

2. Устройство диска.. 5

3. Работа жесткого диска.. 10

4. Объем, скорость и время доступа.. 12

5. Интерфейсы жестких дисков.. 14

6. Внешние жесткие диски.. 16

Принцип работы жесткого диска

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

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

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

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

Устройство диска

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Работа жесткого диска

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

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

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

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

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

Похожая информация.

Как выглядит современный жёсткий диск (HDD) внутри? Как его разобрать на части? Как называются части и какие функции в общем механизме хранения информации выполняют? Ответы на эти и другие вопросы можно узнать здесь, ниже. Кроме того, мы покажем связь между русскоязычной и англоязычной терминологиями, описывающими компоненты жёстких дисков.

Для наглядности, разберём 3.5-дюймовый SATA диск. Это будет совершенно новый терабайтник Seagate ST31000333AS. Осмотрим нашего подопытного кролика.

Зелёная закреплённая винтами пластина с проступающим узором дорожек, разъёмами питания и SATA называется платой электроники или платой управления (Printed Circuit Board, PCB). Она выполняет функции электронного управления работой жёсткого диска. Её работу можно сравнить с укладкой в магнитные отпечатки цифровых данных и распознание обратно по первому требованию. Например, как прилежный писарь с текстами на бумаге. Чёрный алюминиевый корпус и его содержимое называется гермоблоком (Head and Disk Assembly, HDA). В среде специалистов принято называть его «банкой». Сам корпус без содержимого также называют гермоблоком (base).

Теперь снимем печатную плату (понадобиться отвертка «звёздочка» T-6) и изучим размещённые на ней компоненты.

Первым в глаза бросается большой чип, расположенный посередине – Система на кристалле (System On Chip, SOC). В ней можно выделить два крупных составляющих:

Центральный процессор, который производит все вычисления (Central Processor Unit, CPU). Процессор имеет порты ввода-вывода (IO ports) для управления остальными компонентами, расположенными на печатной плате, и передачи данных через SATA-интерфейс.
Канал чтения/записи (read/write channel) – устройство, преобразующее поступающий с головок аналоговый сигнал в цифровые данные во время операции чтения и кодирующий цифровые данные в аналоговый сигнал при записи. Так же выполняет слежение за позиционированием головок. Иными словами, создает магнитные образы при записи и распознает их при чтении.

Чип памяти (memory chip) представляет собой обычную DDR SDRAM память. Объём памяти определяет размер кэша жёсткого диска. На этой печатной плате установлена память Samsung DDR объемом 32 Мб, что в теории даёт диску кэш в 32 Мб (и именно такой объём приводится в технических характеристиках жёсткого диска), но это не совсем верно. Дело в том, что память логически разделена на буферную память (кэш) и память прошивки (firmware). Процессору требуется некоторый объём памяти для загрузки модулей прошивки. Насколько известно, только производитель HGST указывают действительный объём кэша в описании технических характеристик; относительно остальных дисков, о реальном объёме кэша остаётся только гадать. В спецификации ATA составители не стали расширять ограничение, заложенное в ранних версиях, равное 16 мегабайт. Поэтому, программы не могут отобразить объем более максимального.

Следующий чип – контроллер управления шпиндельным двигателем и звуковой катушкой, перемещающий блок головок (Voice Coil Motor and Spindle Motor controller, VCM&SM controller). На жаргоне специалистов – это «крутилка». Кроме того, этот чип управляет вторичными источниками питания, расположенными на плате, от которых питается процессор и микросхема предусилителя-коммутатора (preamplifier, preamp), расположенная в гермоблоке. Это главный потребитель энергии на печатной плате. Он управляет вращением шпинделя и движением головок. Так же при отключении питания переключает останавливающийся двигатель в режим генерации и полученную энергию подает на звуковую катушку для плавной парковки магнитных головок. Ядро VCM-контроллера может работать даже при температуре в 100°C.

Часть программы управления (прошивки) диска хранится во флэш-памяти (на рисунке обозначено: Flash). При подаче питания на диск микроконтроллер загружает сначала маленькое boot-ПЗУ внутри себя, а дальше переписывает содержимое флэш-чипа в память и приступает к исполнению кода уже из ОЗУ. Без корректно загруженного кода, диск даже не пожелает запускать двигатель. Если на плате отсутствует флэш-чип, значит, он встроен в микроконтроллер. На современных дисках (где-то с 2004 года и новее, однако исключение составляют жёсткие диски Samsung и они же с наклейками от Seagate) flash-память содержит таблицы с кодами настроек механики и головок, которые уникальны для данного гермоблока и не подойдут к другому. Поэтому операция «перекинуть контроллер» всегда заканчивается либо тем, что диск «не определяется в BIOS», либо определяется заводским внутренним названием, но все равно доступ к данным не даёт. Для рассматриваемого диска Seagate 7200.11 утрата оригинального содержимого flash-памяти приводит к полной потере доступа к информации, так как подобрать или угадать настройки не получится (во всяком случае, автору такая методика не известна).

На youtube-канале R.Lab есть несколько примеров перестановки платы с перепайкой микросхемы c неисправной платы на исправную:
PC-3000 HDD Toshiba MK2555GSX PCB change
PC-3000 HDD Samsung HD103SJ PCB change

Датчик удара (shock sensor) реагирует на опасную для диска тряску и посылает сигнал об этом контроллеру VCM. Контроллер VCM немедленно паркует головки и может остановить вращение диска. Теоретически, такой механизм должен защищать диск от дополнительных повреждений, но на практике он не работает, так что не роняйте диски. Ещё при падении может заклинить шпиндельный двигатель, но об этом позже. На некоторых дисках датчик вибрации обладает повышенной чувствительностью, реагируя на малейшие механические колебания. Полученные с датчика данные позволяют контроллеру VCM корректировать движение головок. На таких дисках установлено, кроме основного, ещё два дополнительных датчика вибрации. На нашей плате дополнительные датчики не припаяны, но места под них есть - обозначены на рисунке как «Vibration sensor».

На плате имеется ещё одно защитное устройство – ограничитель переходного напряжения (Transient Voltage Suppression, TVS). Он защищает плату от скачков напряжения. При скачке напряжения TVS перегорает, создавая короткое замыкание на землю. На этой плате установлено два TVS, на 5 и 12 вольт.

Электроника для старых дисков была менее интегрированная, и каждая функция была разделена на одну и более микросхем.

Теперь рассмотрим гермоблок.

Под платой находятся контакты мотора и головок. Кроме того, на корпусе диска имеется маленькое, почти незаметное отверстие (breath hole). Оно служит для выравнивания давления. Многие считают, что внутри жёсткого диска находится вакуум. На самом деле это не так. Воздух нужен для аэродинамического взлета головок над поверхностью. Это отверстие позволяет диску выровнять давление внутри и снаружи гермозоны. С внутренней стороны это отверстие прикрыто фильтром (breath filter), который задерживает частицы пыли и влаги.

Теперь заглянем внутрь гермозоны. Снимем крышку диска.

Сама крышка не представляет собой ничего интересного. Это просто стальная пластина с резиновой прокладкой для защиты от пыли. Наконец, рассмотрим начинку гермозоны.

Информация хранится на дисках, называемых также «блинами», магнитными поверхностями или пластинами (platters). Данные записываются с двух сторон. Но иногда с одной из сторон головка не установлена, либо физически головка присутствует, но отключена на заводе. На фотографии вы видите верхнюю пластину, соответствующую головке с самым большим номером. Пластины изготавливаются из полированного алюминия или стекла и покрываются несколькими слоями различного состава, в том числе ферромагнитным веществом, на котором, собственно, и хранятся данные. Между пластинами, а также над верхней из них, мы видим специальные вставки, называемыми разделителями или сепараторами (dampers or separators). Они нужны для выравнивания потоков воздуха и снижения акустических шумов. Как правило, их изготавливают из алюминия или пластика. Алюминиевые разделители успешнее справляются с охлаждением воздуха внутри гермозоны. Ниже приведен пример модели прохождения потока воздуха внутри гермоблока.

Вид на пластины и сепараторы сбоку.

Головки чтения-записи (heads), устанавливаются на концах кронштейнов блока магнитных головок, или БМГ (Head Stack Assembly, HSA). Парковочная зона – это область, в которой должны находиться головки исправного диска, если шпиндель остановлен. У этого диска, парковочная зона расположена ближе к шпинделю, что видно на фотографии.

На некоторых накопителях, парковка производится на специальных пластиковых парковочных площадках, расположенных за пределами пластин.

Парковочная площадка накопителя Western Digital 3.5”

В случае парковки головок внутри пластин для съёма блока магнитных головок нужен специальный инструмент, без него снять БМГ очень сложно без повреждения. Для внешней парковки можно вставить между головками пластиковые трубочки, подходящие по размеру, и вынуть блок. Хотя, и для этого случая так же есть съемники, но они более простой конструкции.

Жёсткий диск – механизм точного позиционирования, и для его нормальной работы требуется очень чистый воздух. В процессе использования внутри жёсткого диска могут образовываться микроскопические частицы металла и смазки. Для немедленной очистки воздуха внутри диска имеется циркуляционный фильтр (recirculation filter). Это высокотехнологичное устройство, которое постоянно собирает и задерживает мельчайшие частицы. Фильтр находится на пути потоков воздуха, создаваемых вращением пластин

Теперь снимем верхний магнит и посмотрим, что скрывается под ним.

В жёстких дисках используются очень мощные неодимовые магниты. Эти магниты настолько мощны, что могут поднимать вес в 1300 раз больший их собственного. Так что не стоит класть палец между магнитом и металлом или другим магнитом – удар получится очень чувствительным. На этой фотографии изображены ограничители БМГ. Их задача – ограничить движение головок, оставляя их на поверхности пластин. Ограничители БМГ разных моделей устроены по-разному, но их всегда два, они используются на всех современных жёстких дисках. На нашем накопителе второй ограничитель расположен на нижнем магните.

Вот что можно там увидеть.

Ещё мы видим здесь катушку (voice coil), которая является частью блока магнитных головок. Катушка и магниты образуют привод БМГ (Voice Coil Motor, VCM). Привод и блок магнитных головок образуют позиционер (actuator) – устройство, которое перемещает головки.

Чёрная пластиковая деталь сложной формы называется фиксатором (actuator latch). Он бывает двух типов: магнитный и воздушный (air lock). Магнитный работает как простая магнитная защёлка. Высвобождение осуществляется подачей электрического импульса. Воздушная защёлка освобождает БМГ после того, как шпиндельный двигатель наберёт достаточное число оборотов, чтобы давление воздуха отодвинуло фиксатор с пути звуковой катушки. Фиксатор защищает головки от вылета головок в рабочую область. Если по какой-то причине фиксатор со своей функцией не справился (диск уронили или ударили во включенном состоянии), то головки прилипнут к поверхности. Для дисков 3.5“ последующее включение из-за большей мощности мотора просто оторвет головки. А вот у 2.5“ мощность мотора меньше и шансы восстановить данные, высвободив «из плена» родные головки, довольно высоки.

Теперь снимем блок магнитных головок.

Точность и плавность движения БМГ поддерживается прецизионным подшипником. Самая крупная деталь БМГ, изготовленная из алюминиевого сплава, обычно называется кронштейном или коромыслом (arm). На конце коромысла находятся головки на пружинной подвеске (Heads Gimbal Assembly, HGA). Обычно сами головки и коромысла поставляют разные производители. Гибкий кабель (Flexible Printed Circuit, FPC) идёт к контактной площадке, стыкующейся с платой управления.

Рассмотрим составляющие БМГ подробнее.

Катушка, соединенная с кабелем.

Подшипник.

На следующей фотографии изображены контакты БМГ.

Прокладка (gasket) обеспечивает герметичность соединения. Таким образом, воздух может попасть внутрь блока с дисками и головками только через отверстие для выравнивания давления. У этого диска контакты покрыты тонким слоем золота для предотвращения окисления. А вот со стороны платы электроники окисление случается частенько, что приводит к неисправности HDD. Удалить окисление с контактов можно стирательной резинкой (eraser).

Это классическая конструкция коромысла.

Маленькие чёрные детали на концах пружинных подвесов называют слайдерами (sliders). Многие источники указывают, что слайдеры и головки – это одно и то же. На самом же деле слайдер помогает считывать и писать информацию, поднимая головку над поверхностью магнитных дисков. На современных жёстких дисках головки двигаются на расстоянии 5-10 нанометров от поверхности. Для сравнения: человеческий волос имеет диаметр около 25000 нанометров. Если под слайдер попадёт какая-нибудь частица, это может привести к перегреву головок из-за трения и выходу их из строя, именно поэтому так важна чистота воздуха внутри гермозоны. Ещё попадание пыли может вызвать царапины. От них образуются новые пылинки, но уже магнитные, которые прилипают к магнитному диску и вызывают новые царапины. Это приводит к тому, что диск быстро покрывается царапинами или на жаргоне «запиливается». В таком состоянии ни тонкий магнитный слой, ни магнитные головки уже не работают, и жёсткий диск стучит (клик смерти).

Сами считывающие и записывающие элементы головки находятся на конце слайдера. Они так малы, что разглядеть их можно только в хороший микроскоп. Ниже приведен пример фотографии (справа) через микроскоп и схематическое изображение (слева) взаимного расположения пишущего и читающего элементов головки.

Рассмотрим поверхность слайдера поближе.

Как видите, поверхность слайдера не плоская, на ней имеются аэродинамические канавки. Они помогают стабилизировать высоту полёта слайдера. Воздух под слайдером образует воздушную подушку (Air Bearing Surface, ABS). Воздушная подушка поддерживает почти параллельный поверхности блина полёт слайдера.

Вот ещё одно изображение слайдера.

Здесь хорошо видны контакты головок.

Это ещё одна важная часть БМГ, которая пока не обсуждалась. Она называется предусилителем (preamplifier, preamp). Предусилитель – это чип, управляющий головками и усиливающий поступающий к ним или от них сигнал.

Предусилитель располагают прямо в БМГ по очень простой причине - сигнал, идущий с головок, очень слаб. На современных дисках он имеет частоту более 1 ГГц. Если вынести предусилитель за пределы гермозоны, такой слабый сигнал сильно затухнет по пути к плате управления. Установить же усилитель прямо на голове нельзя, так как она существенно нагревается во время работы, что делает не возможным работу полупроводникового усилителя, вакуумно-ламповых усилителей таких малых размеров ещё не придумали.

От предусилителя к головкам (справа) ведёт больше дорожек, чем к гермозоне (слева). Дело в том, что жёсткий диск не может одновременно работать более чем с одной головкой (парой пишущих и считывающих элементов). Жёсткий диск посылает сигналы на предусилитель, и он выбирает головку, к которой в данный момент обращается жёсткий диск.

Хватит о головках, давайте разбирать диск дальше. Снимем верхний сепаратор.

Вот как он выглядит.

На следующей фотографии вы видите гермозону со снятыми верхним разделителем и блоком головок.

Стал виден нижний магнит.

Теперь прижимное кольцо (platters clamp).

Это кольцо удерживает блок пластин вместе, не давая им двигаться друг относительно друга.

Блины нанизаны на шпиндель (spindle hub).

Теперь, когда блины ничто не удерживает, снимем верхний блин. Вот что находится под ним.

Теперь понятно, за счёт чего создается пространство для головок – между блинами находятся разделительные кольца (spacer rings). На фотографии виден второй блин и второй сепаратор.

Разделительное кольцо – высокоточная деталь, изготовленная из немагнитного сплава или полимеров. Снимем его.

Вытащим из диска все остальное, чтобы осмотреть дно гермоблока.

Так выглядит отверстие для выравнивания давления. Оно располагается прямо под воздушным фильтром. Рассмотрим фильтр внимательнее.

Так как поступающий снаружи воздух обязательно содержит пыль, фильтр имеет несколько слоёв. Он гораздо толще циркуляционного фильтра. Иногда он содержит частицы силикагеля для борьбы с влажностью воздуха. Однако, если жёсткий диск поместить в воду, то она наберется внутрь через фильтр! И это совсем не означает, что попавшая внутрь вода будет чистая. На магнитных поверхностях кристаллизуются соли и наждачка вместо пластин обеспечена.

Немного подробнее про шпиндельный двигатель. Схематически его конструкция показана на рисунке.

Внутри spindle hub закреплен постоянный магнит. Обмотки статора, меняя магнитное поле, заставляют ротор вращаться.

Моторы бывают двух видов, с шариковыми подшипниками и с гидродинамическими (Fluid Dynamic Bearing, FDB). Шариковые перестали использовать более 10 лет назад. Это связано с тем, что у них биение высокое. В гидродинамическом подшипнике биения намного ниже и работает он значительно тише. Но есть и пару минусов. Во-первых, он может заклинить. С шариковыми такого явления не происходило. Шариковые подшипники если и выходили из строя, то начинали громко шуметь, но информация хоть медленно, но читалась. Сейчас же, в случае клина подшипника, нужно при помощи специального инструмента снять все диски и установить их на исправный шпиндельный двигатель. Операция очень сложная и редко приводит к удачному восстановлению данных. Клин может возникнуть от резкого изменения положения за счет большого значения силы Кориолиса, действующей на ось и приводящей к ее сгибанию. Например, есть внешние 3.5” диски в коробочке. Стояла коробочка вертикально, задели, упала горизонтально. Казалось бы, не далеко улетел то?! А нет - клин двигателя, и никакой информации уже не достать.

Во-вторых, из гидродинамического подшипника может вытечь смазка (она там жидкая, ее довольно много, в отличие от смазки-геля, используемой шариковых), и попасть на магнитные пластины. Чтобы предотвратить попадание смазки на магнитные поверхности используют смазку с частицами, имеющими магнитные свойства и улавливающими их магнитные ловушки. Еще используют вокруг места возможной протечки абсорбционное кольцо. Вытеканию способствует перегрев диска, поэтому важно следить за температурным режимом эксплуатации.

Уточнение связи между русскоязычной и англоязычной терминологией выполнено Леонидом Воржевым.

Обновление 2018, Сергей Яценко

Перепечатка или цитирование разрешены при условии сохранения ссылки на перво

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 .

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

Как работает жесткий диск компьютера?

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

Конструкция жесткого диска

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

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

Принцип работы жесткого диска

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

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

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

Форматирование жесткого диска

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