Многие слышали такие слова, как HDD , «жесткий диск », «винт » или «винчестер ». Все это слова синонимы одного и того же устройства. Жесткий диск – это устройство хранения и запоминания информации, которое основано на принципах магнитной записи. Винчестер в большинстве современных компьютеров является главным накопителем данных. Он сохраняет в себе информацию даже при выключенном компьютере, его также можно извлечь из системного блока компьютера и подключить к другому ПК .
История появления жесткого диска Главное отличие жесткого диска от дискет – это запись информации на жестких пластинах (алюминиевых или стеклянных), покрытых ферромагнитным материалом, в большинстве случаев двуокисью хрома. Винчестеры чаще всего применяют как несъемный носитель информации , но в последние годы был изобретен съемный жесткий диск , получивший широкое применение. Винчестер обычно совмещают с приводом, накопителем и блоком электроники.
Впервые на компьютерном рынке «винт» появился в далеком 1957 году. Появился на свет он, благодаря компании IBM , задолго до появления персонального компьютера. Он был способен вмещать 5 МБ информации и стоил сумасшедших денег. Чуть позже был разработан 10 МБ жесткий диск, но уже для ПК. Винчестер состоял из 30 дорожек и 30 секторов в каждой. После маркировки «30/30» одноименной с популярным карабином марки «Винчестер » накопитель получил название в разговорной речи «винчестер » или сокращенное «винт». На территории Европы и США этот термин исчез еще в 90-е годы и только в России его продолжают на сленге называть таким образом.
Винчестер состоит из нескольких металлических дисков, покрытых особенным веществом, которое может сохранять магнитное поле. Количество металлических пластин в жестком диске бывает от одной до трех. Такие диски обладают очень гладкой поверхностью и отличной балансировкой. Эти качества необходимы для высокой скорости вращения. Специальные магнитные головки, расположенные по одной с разных сторон дисков, позволяют осуществлять запись на них. Головки обладают магниторезисторными свойствами, чутко реагирующими на изменения магнитного поля через изменения силы тока, возбуждаемого в головке. Получаемый сигнал считывается, а затем преобразуется в цифровую форму. Сама головка под воздействием импульсов тока способна создавать магнитное поле. В зависимости от направления магнитного момента происходит намагничивание участков диска.
Данные на дисках хранятся в так называемых дорожках. По ходу работы винчестера магнитные головки меняют свое месторасположение с одной дорожки на другую. В современных HDD для изменения положения магнитных головок применяется соленоидный привод.
Дорожка состоит из секторов, в каждом из которых хранится 512 байт данных. Наименьший объем диска – это сектор. Произведение цилиндров, секторов и количество головок есть максимально объем, который может храниться на винчестере. Почти все производители стремятся сделать как можно более плотные дорожки и сократить количество дисков.
Во время работы жесткого диска появляются испорченные сектора и дорожки. При низкоуровневом форматировании они специально помечаются и в дальнейшем при работе винчестера не учитываются.
Основные параметры жесткого диска
Основной характеристикой жесткого диска является емкость (объем информации способный вместить в себя). Емкость измеряют в гигабайтах (ГБ ). Один ГБ равен 1000 мегабайтам (МБ ). В свою очередь 1МБ равен 1000 килобайтам (КБ ). Но в информационном мире принята несколько иная система подсчета. Вместо 1000 считают 1024. На это надо обратить внимание. При диагностике компьютера операционная система укажет меньшее количество ГБ , чем указано фирмой-изготовителем.
Другой важной характеристикой является скорость вращения шпинделя. Этот показатель напрямую влияет на скорость работы винчестера (то есть, как быстро будет происходить обмен информацией с другими устройствами компьютера). Чем выше скорость вращения, тем быстрее происходит считывание и запись информации жесткого диска. Для настольных компьютеров неплохим показателем считается 7200 об/мин . При более высоких показателях вращения скорость винчестера значительно увеличивается.
Еще одним важным параметром является время произвольного доступа, тесно связанное со скоростью вращения. Большинство производителей при продажах не указывают этот показатель, но если покопаться в интернете такую информацию можно легко найти. Время произвольного доступа показывает, за какой период жесткий диск прочитает или запишет информацию на любом из участков диска. Этот параметр измеряется в миллисекундах. Чем ниже показатель, тем выше скорость работы винчестера.
Важно знать, каким интерфейсом оснащен «винт ». Простыми словами разъем жесткого диска, которым он присоединяется к материнской плате. Раньше был IDE , но сейчас ему на смену пришел SATA . Последним оборудуются все современные жесткие диски , они быстрее работают и удобнее при установке. Необходимо учитывать, каким интерфейсом оборудована материнская плата. При несовпадении разъемов подключение окажется невозможным.
Бывают еще диски специально для серверов. Они одинаковы по размерам с обычными HDD , но в работе намного шустрее. Скорость вращения таких устройств достигает 15000 об/мин. Они отличаются более высокой надежностью, чем винчестеры для настольных компьютеров. Диски для серверов бывают с последовательным интерфейсом SAS и SATA и параллельным SCSI .
Не так давно были придуманы внешние жесткие диски. Они очень удобны в использовании, обладают меньшими размерами и весом, большими объемами данных. Их еще называют мобильными носителями или «большой флешкой». С помощью внешних HDD удобно переносить различную информацию в виде аудиозаписей, офисных архивов и мультимедийных файлов. Контроллеры способны поддерживать USB 2.0, 3.0 и FireWire.
Средняя скорость вращения жестких дисков для ноутбуков 5400 об/мин или 4200 об/мин. Также, они должны быть ударостойки.
Основные интерфейсы подключения
USB – передача последовательная данных. Пропускная способность USB 1.1 – 12 МБ/с, USB 2.0 – 480 МБ/с USB 3.0 – 5 ГБ/с.
IDE –передача данных параллельная. Пропускная способность примерно 133 МБ/с. Обычно этот интерфейс используется обычно в настольных компьютерах и ноутбуках.
SATA – параллельная передача данных. Пропускная способность около 300 МБ/с. Основной конкурент IDE. SATA более устойчив к помехам и чуть лучше, чем IDE.
SCSI – параллельная передача данных. В основном применяется при работе с серверами. Его отличает высокая производительность и надежность.
Serial Attached SCSI (SAS) – последовательная передача информации. Усовершенствованная версия SCSI с улучшенной производительностью и надёжностью.
FireWire – последовательная передача. Скорость близка к 400 МБ/с. Для работы с видеофайлами – это лучший выбор.
Производители
Еще в конце прошлого века на компьютерном рынке было множество компаний-производителей жестких дисков . Но на данный момент количество фирм заметно сократилось. Некоторые не выдержали конкуренции, другие были куплены более мощными конкурентами, третьи начали заниматься производством отличной от винчестеров продукции.
В середине 90-х годов винчестеры выпускала фирма Conner Peripherials , позже приобретенная Seagate , и Micropolis . Последняя делала высокачественные SCSI накопители премиум-класса для серверов. Компания выпускала весьма дорогую продукцию, но из-за поставок некачественных подшипников шпинделей фирма понесла огромные убытки на возврате и замене винчестеров, а впоследствии разорилась. Она также была выкуплена Seagate.
Популярна и сейчас продукция японской компании Fujitsu . Сейчас она делает ставку на выпуск винчестеров для ноутбуков и SCSI накопители. Но у нее уже не такой оборот, как в прошлом веке. В 2001 году фирма постигла серьезная неудача. В тот год массово выходила из строя микросхема контроллера, в результате компания понесла серьезные финансовые потери, после которых не оправилась до сих пор. А ведь до поломки японская фирма считалась лидером в производстве жестких дисков. Винчестеры этого производителя отличались отличными характеристиками вращающихся поверхностей. В 2009 году массовое производство жестких дисков Fujitsu отошло к Toshiba .
Диски подразделения IBM до начала 2000 года считались эталонными. Но после массовых отказов от накопителей для ПК из-за окисления контактов разъема гермобанки, американское отделение понесло значительные финансовые потери, и было продано Hitachi .
Компания Quantrum оставила яркий след в истории, но из-за массовых поломок HDD в серии СХ , она тоже выпала с компьютерного рынка.
Ведущей в своей области считалась фирма Maxtor. В начале 2001 года она выкупает подразделение Quantrum , занимающееся производством жестких дисков и в наследство получает шлейф проблем купленной компании из-за «тонких» дисков. В 2006 году происходит ее слияние с компанией Seagate .
Весна 2011 году стала последней для Hitachi , очень популярной на рынке жестких дисков . Она приобретена Western Digital , а в том же году подразделение HDD Samsung переходит к Seagate.
Сейчас на рынке винчестеров осталось только три производителя – S eagate, Western Digital и Toshiba . Но в последнее время в связи развитием технологии SSD и появлением внешних жестких дисков, количество компаний готовых предложит новые технологии и разработки начинает опять увеличиваться.
| |
Здравствуйте Друзья! Что такое жесткий диск или HDD? Жесткий диск это накопитель на жестких магнитных дисках. Сокращенно — НЖМД или hard (magnetic) disk drive — HDD или MHDD. Первый жесткий диск был выпущен компанией IBM в 1956 году имел габариты около одного метра кубического и был способен запомнить до 3.5 МБ информации (смотрите рисунок слева из википедии). В его состав входили 50 магнитных дисков диаметром 610 мм. Поверхность дисков была покрыта чистым железом, благодаря чему и была возможность намагничивать участки и запоминать данные. Этот жесткий диск весит 971 кг и входил в состав первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Дальше технологии развивались и дошли до того, что вы видите в своих настольных ПК и ноутбуках . Жесткий диск так же называют хард, винчестер или сокращенно — винт. Название винчестер пошло их 70-х годов. В то время компания IBM выпустила новый компьютер с более современным жестким диском, который представлял из себя два шкафчика, каждый запоминал до 30 МБ информации. Была проведена аналогия с винтовкой Winchester, использовавшей патрон 30-30. Наверно, после этого за жесткими дисками, скорее всего навсегда (по крайней мере у русскоязычного населения), закрепилось название — винчестер или сокращенно — винт.
Современный жесткий диск состоит из:
- корпуса
- блока электроники
- блока позиционирования актуатора
- блока с магнитными пластинами
Рассмотрим каждый подробнее
Корпус . Это как кузов автомобиля. На нем все держится. Основная задача — обеспечивать необходимую жесткость и герметичность. Жесткость необходима для защиты диска от внешних повреждений. Герметичность — для исключения попадания посторонних частиц внутрь диска. Корпус изготавливается из тепло-проводящего сплава, так как при работе устройства выделяется тепло и его нужно как-то отводить. Подробнее об охлаждении HDD можно прочитать . Для выравнивания давлений снаружи и внутри корпуса делается маленькое окошко с гибкой металлической пластинкой.
Блок электроники
Состоит из:
- интерфейсного блока
- буфера или кэша
- управляющего блока
Интерфейсный блок отвечает за связь жесткого диска с компьютером . В ПЗУ — постоянном запоминающем устройстве, записывается служебная информация и прошивка диска. Буфер — кэш память на подобии оперативной памяти . В нее помещается часто используемая информация, что увеличивает быстродействие HDD. Скорость чтения из кэша приближается к максимальной для интерфейса диска. На данный момент наиболее распространен интерфейс SATA III с максимальной пропускной способностью в 6 Гбит/с. Управляющий блок отвечает за функционирование всего устройства. Он следит за скоростью вращения блока с магнитными пластинами и положения блока с актуаторами.
Состоит из актуатора (устройство для записи и чтения информации), кронштейна (на котором все это работает) и привода. Привод получает команды где ему читать и куда записывать информацию от блока управления. (Рисунок ниже взят с сайта http://www.3dnews.ru/editorial/640707)
Блок с запоминающими пластинами . Состоит из привода, дисков или пластин и сепараторов. Последние служат для задания определенного расстояния между пластинами. Диски с сепараторами крепятся на приводе. Последний поддерживает постоянную скорость вращения.
2. Как работает жесткий диск?
При включении компьютера блок управления подает питание на привод с магнитными дисками и ждет пока последний не выйдет на заданную частоту вращения. Как только это происходит компьютер получает сигнал о готовности HDD. Далее идет запрос информации. В дело вступает блок позиционирования, который задает нужное положение актуатора. Данные считываются и попадают в интерфейсный блок, а от туда в оперативную память .
Раньше актуаторы касались магнитных дисков. С увеличением скорости последних потребовалось другая технология. При этом актуатор парил над магнитной поверхностью и касался в определенном месте диска. Технология пошла дальше, скорости вращение пластин выросли и блок с актуаторами стали парковать вне пластин. То есть актуаторы находятся рядом с пластинами пока не достигнута нужная скорость вращения магнитных дисков.
Благодаря высокой скорости вращения дисков создается воздушный поток, который поднимает головку актуатора над поверхностью. Этот же воздушный поток сдувает с поверхности попавшие внутрь пылинки на специальный фильтр в корпусе. Так же в корпусе имеется адсорбент для удаления остатков влаги.
В современных жестких дисках расстояние между считывающей головкой и поверхностью магнитной платины < 10 нм. Благодаря тому, что считывающие головки никогда не касаются магнитных пластин отсутствует трение и продлевается срок жизни HDD.
Каждая магнитная пластина разделена на кольцевые дорожки шириной около 60 нм. Последние в свою очередь поделены на кластеры. Обычно кластер равен 4 КБ. Каждый бит информации представляет собой площадку на дорожке, которая может быть намагничена -1 или нет -0. Эти площадки так же называются доменами. Чем меньше размер этой площадки, тем больше информации поместится на дорожке и более емкий получится жесткий диск. В начале развития применялась продольная запись. Площадка располагалась вдоль дорожки. В дальнейшем эту технологию заменила перпендикулярная запись, что позволило увеличить плотность данных и в свою очередь увеличить емкости HDD.
Совокупность дорожек равноудаленных от центра вращения двигателя называется цилиндром.
До того как жесткие диски перешагнули рубеж ёмкости в 500 MB хватало системы позиционирования CHS (cylinder-head-sector цилиндр-головка-сектор). С ростом объема в 1994 году была принята линейная система позиционирования LBA (linear block addressing). В случае с CHS жесткий диск был прозрачен для операционных систем, С применением же линейной адресации система обращается к нужному сектору жесткого диска, а уже блок управления HDD разбирается где находится физически этот сектор.
Блок позиционирования актуатора. Приводится в движение с помощью соленоидного двигателя. Последний состоит из статора и катушки. Статор состоит из одного или двух постоянных, сильных неодимовых магнитов. Точное позиционирование кронштейна с головками происходит путем подачи напряжения определенной силы на катушку (рисунок взят с http://www.3dnews.ru/editorial/640707)
От силы магнитов зависит скорость позиционирования головок и следовательно — время доступа к информации. Последнее в жестких дисках варьируется в пределах от 3 до 12 мс. Чем время меньше, тем быстрее и дороже жесткий диск. У компании WD есть три серии жесткий дисков : зеленая, синяя и черная. В зеленой применяется один неодимовый магнит и скорость вращения шпинделя 5400 об/мин. За счет этого получается довольно скромная производительность, зато приличная экономичность и низкое энергопотребление. У синих дисков применяется такой же магнит и скорость вращения поднимается до 7200 об/мин. По скоростным характеристикам он занимает промежуточное положение между зелеными и черными HDD. У черных же применяются два магнита и скорость в 7200 об/мин. Это позволяет добиться максимального быстродействия. Еще выше поднять быстродействие можно повысив скорость вращения двигателя с магнитными пластинами до 10000 или 15000 об/мин. Эти диски обладают минимальным временем доступа к информации и применяются в основном в серверах. Твердотельные диски со скоростью доступа < 1 мс пока остаются вне конкуренции.
Жесткие диски при работе производят два вида шума. От быстровращающихся магнитных дисков и от удара блока с головками об ограничитель. Последний возникает при возврате блока с головками в парковочную позицию. Для уменьшения этого удара производители ставят резиновые подкладки, но иногда и это не спасает, особенно в шустрых дисках. Существует два пути снижения шума от HDD. Первый сделать амортизирующие крепления в корпусе ПК. Об этом подробней можно прочитать . Путь второй — использовать технологию AAM, о которой написал подробнее .
3. Производство и производители жестких дисков
В начале было около 70 производителей HDD. Благодаря конкуренции их осталось всего три. Это Toshiba, Seagate и WD. На схеме ниже вы можете посмотреть в какие года происходили поглощения
Производство . В механическом цехе из алюминиевой болванки цилиндрической формы нарезаются заготовки. Затем заготовкам придается нужная форма возможно даже на токарных станках. После заготовки поступают в полировочный цех где поверхности полируются до нужного уровня. Затем происходит контроль и заготовки идут в цех нанесения магнитного покрытия. После снова происходит контроль. Затем происходит сборка жесткого диска и низкоуровневое форматирование . При этом процессе магнитные пластины разбиваются на дорожки и проверяются на битые или не читаемые сектора. Последние сразу помечаются чтобы исключить в них запись информации. На каждой дорожке есть некоторый резерв секторов. Именно из этого резерва происходит замена обнаруженных при работе сбойных участков.
Отдельно необходимо сказать про производство головок для чтения и записи информации. В современных жестких дисках каждый актуатор состоит из двух головок, для чтения и для записи. Сложность производства головок сравнима со сложностью производства процессоров , так же используется фотолитография. Устройства головок составляет производственную тайну.
Заключение
В статье мы затронули немножко истории приведя картинку первого жесткого диска выпущенного в 1956 году. Сказали возможную причину называния накопителей на магнитных жестких диска коротким словом — винт. Затем рассмотрели состав жесткого диска, то что скрывается внутри его корпуса. Постарались уделить внимание каждому блоку отдельно. Рассмотрели работу жесткого диска. В конце разобрались с производителями и самим производством HDD. Надеюсь вы вместе со мной продвинулись в теме HDD.
Жесткий диск (HDD, ВИНТ, ВИНЧЕСТЕР) – это накопитель информации в персональном компьютере. Жесткий диск – предназначен для хранения и передачи информации. На жестком диске данные хранятся на магнитной поверхности диска. Информация записывается и снимается с помощью магнитных головок. Внутри жесткого диска может быть установлено несколько пластин — дисков. Двигатель, вращающий диск, включается при подаче питания на диск и остается включенным до снятия питания. Двигатель вращается с постоянной скоростью, измеряемой в оборотах в минуту (rpm). Данные организованы на диске в цилиндрах, дорожках и секторах. Цилиндры — концентрические дорожки на дисках, расположенные одна над другой. Дорожка затем разделяется на сектора. Диск имеет магнитный слой на каждой своей стороне. Каждая пара головок одета как бы на «вилку», обхватывающую каждый диск. Эта «вилка» перемещается над поверхностью диска с помощью отдельного серводвигателя (а не шагового, как часто ошибочно думают — шаговый двигатель не позволяет быстро перемещаться над поверхностью). Все жесткие диски имеют резервные сектора, которые используются его схемой управления, если на диске обнаружены дефектные сектора.
Устройство жесткого диска:
Интерфейсы жестких дисков
Интерфейсом накопителей называется набор электроники, обеспечивающий обмен информацией между контроллером устройства (кеш-буфером) и компьютером. Интерфейс — это способ взаимодействия жесткого диска и материнской платы компьютера. Он представляет собой набор специальных линий и специального протокола (набора правил передачи данных). То есть чисто физически — это шлейф (кабель, провод), с двух сторон которого находятся входы, а на жестком диске и материнской плате есть специальные порты (места, куда присоединяется кабель). Таким образом, понятие интерфейс — включает в себя соединительный кабель и порты, находящиеся на соединяемых им устройствах.
IDE — в переводе с английского «Integrated Drive Electronics», что буквально означает — «встроенный контроллер». Это уже потом IDE стали называть интерфейсом для передачи данных, поскольку контроллер (находящийся в устройстве, обычно в жестких дисках и оптических приводах) и материнскую плату нужно было чем-то соединять. Его (IDE) еще называют ATA (Advanced Technology Attachment), получается что то вроде «Усовершенствованная технология подсоединения».
Что тут сказать, IDE хоть и был очень медленный (пропускная способность канала передачи данных составляла от 100 до 133 мегабайта в секунду в разных версиях IDE — и то чисто теоретически, на практике гораздо меньше), однако позволял присоединять одновременно сразу два устройства к материнской плате, используя при этом один шлейф.
Причем в случае подключения сразу двух устройств, пропускная способность линии делилась пополам. Однако, это далеко не единственный недостаток IDE. Сам провод, как видно из рисунка, достаточно широкий и при подключении займет львиную долю свободного пространства в системном блоке, что негативно скажется на охлаждении всей системы в целом. В общем IDE уже устарел морально и физически, по этой причине разъем IDE уже не встретить на многих современных материнских платах, хотя до недавнего времени их еще ставили (в количестве 1 шт.) на бюджетные платы и на некоторые платы среднего ценового сегмента.
Следующим, не менее популярным, чем IDE в свое время, интерфейсом является SATA (Serial ATA) , характерной особенностью которого является последовательная передача данных. Стоит отметить, что на момент написания статьи — является самым массовым для применения в ПК.
Интерфейсы SATA, SATA 2(II), SATA 3 (III)
В 2002 году появились первые жёсткие диски, с прогрессивным, на то время, интерфейсомSATA . Максимальная скорость передачи данных которого, составляла 150 Мбайт/c.
Если говорить о преимуществах, то первое что бросается в глаза – это замена 80-жильного шлейфа (рис.1), на семижильный кабель SATA (рис.3), который намного устойчивее к помехам, что позволило увеличить стандартную длину кабеля с 46 см до 1м. Также, были разработаны соответствующие разъёмы SATA (рис.4), которые в несколько раз компактнее, нежели разъёмы предшествующего стандарта IDE. Это позволило разместить на материнской плате больше разъёмов, теперь на новых материнских платах можно встретить более 6 разъёмов SATA, против традиционных 2-3 IDE, в старых материнских платах ориентированных на данный стандарт.
Далее, появился стандарт SATA ІІ, скорость передачи данных докатилась до 300 Мбайт/c. Данный стандарт заимел множество преимуществ, среди них: технология Native Command Queuing (именно она позволила достичь скорости 300Мбайт/с), горячее подключение дисков, выполнение нескольких команд одной транзакцией и другие.
Ну, а в 2009 году на свет был представлен интерфейс SATA 3 . Данным стандартом предусмотрена передача данных со скоростью 600 Мбайт/c (для жёстких дисков «ой» как избыточно).
В актив улучшений интерфейса можно дописать более эффективное управление питанием и, конечно же, повышение скорости.
Следует отметить, что SATA, SATA II и SATA III, полностью совместимы.
- 1956 год - жёсткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, а общий объём памяти 50 вращавшихся в нём покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм составлял около 5 миллионов 6-битных байт.
- 1980 год - первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб.
- 1981 год - 5,25-дюймовый Shugart ST-412, 10 Мб.
- 1986 год - стандарты SCSI, ATA.
- 1990 год - максимальная ёмкость 320 Мб.
- 1995 год - максимальная ёмкость 2 Гб.
- 1997 год - максимальная ёмкость 10 Гб.
- 1998 год - стандарты UDMA/33 и ATAPI.
- 1999 год - IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб.
- 2000 год - IBM выпускает Microdrive ёмкостью 500 Мб и 1 Гб.
- 2002 год - стандарт ATA/ATAPI-6 и накопители емкостью свыше 137 Гб.
- 2003 год - появление SATA.
- 2003 год - Hitachi выпускает Microdrive ёмкостью 2 Гб.
- 2004 год - Seagate выпускает ST1 - аналог Microdrive ёмкостью 2.5 и 5 Гб.
- 2005 год - максимальная ёмкость 500 Гб.
- 2005 год - стандарт Serial ATA 3G.
- 2005 год - появление SAS.
- 2005 год - Seagate выпускает ST1 - аналог Microdrive ёмкостью 8 Гб.
- 2006 год - применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях.
- 2006 год - появление первых «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок флеш-памяти.
- 2006 год - Seagate выпускает ST1 - аналог Microdrive ёмкостью 12 Гб.
- 2007 год - Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 Тб.
- 2009 год - на основе 500-гигабайтных пластин Western Digital, затем Seagate Technology LLC выпустили модели ёмкостью 2 Тб.
- 2009 год - Samsung выпустила первые жёсткие диски с интерфейсом USB 2.0
- 2009 год - Western Digital объявила о создании 2,5-дюймовых HDD объемом 1 Тб
- 2009 год - появление стандарта SATA 3.0.
- 2010 год - Seagate выпускает жёсткий диск объемом 3 Тб.
- 2010 год - Samsung выпускает жёсткий диск с пластинами, у которых плотность записи - 667 Гб на одной пластине
- 2011 год - Western Digital выпустила первый диск на 750 Гб пластинах.
Н
акопитель на жестком диске является, чуть ли не одним из самых важных элементов современного компьютера. Так как он предназначен в первую очередь для долгосрочного хранения ваших данных, это могут быть игры, фильмы и другие объемные файлы, хранящиеся у вас на вашем ПК. И было бы очень жалко если он мог бы неожиданно сломаться, в результате чего вы можете потерять все свои данные, которые бывает очень сложно восстановить. И чтобы правильно эксплуатировать и заменять этот элемент, необходимо понимать как он работает и что из себя представляет – жесткий диск.
Из этой статьи вы узнаете о работе жесткого диска, его компонентах и технических характеристиках.
Обычно главными элементами жесткого диска являются несколько круглых пластин из алюминия. В отличие от гибких дисков(забытых дискеток) их сложно согнуть, поэтому и появилось название жесткий диск. В некоторых устройствах они устанавливаются несъемные, и называются фиксированными (fixeddisk). Но в обычных стационарных компьютерах и даже некоторых моделей ноутбуков и планшетов их можно без проблем заменить.
Рисунок: Жесткий диск без верхней крышки
Заметка!
Почему жесткие диски иногда называют – винчестер и какое отношение они имеют к огнестрельному оружию. Когда то в 1960-х годах компания IBMвыпустила скоростной на тот момент жесткий диск с номером разработки 30-30. Что совпало с обозначением известного нарезного оружия Winchester, и поэтому этот термин вскоре закрепился в компьютерном жаргонном сленге. А на самом же деле жесткие диски не имеют ничего общего с настоящими винчестерами.
Как работает накопитель на жестких дисках
Запись и считывание информации, находящейся на концентрических окружностях жесткого диска, разбитых на секторы, производится посредствам универсальных головок записи/чтения.
Все стороны диска предусматривают свою собственную дорожку для записи и чтения, однако головки располагаются на общем для всех дисков приводе. По этой причине головки перемещаются синхронно.
Видео YouTube: Работа открытого жесткого диска
Нормальная работа накопителя не допускает касаний между головками и магнитной поверхностью диска. Однако в случае отсутствия электроэнергии и остановки устройства головки все же опускаются на магнитную поверхность.
Во время работы жесткого диска между поверхностью вращающейся пластины и головкой образуется незначительный воздушный промежуток. Если в этот промежуток проникает пылинка или устройство подвергается встряске, велика вероятность того, что головка столкнется с вращающейся поверхностью. Сильный удар может стать причиной выхода из строя головки. Результатом этого выхода может быть повреждение нескольких байтов или же полная неработоспособность устройства. По этой причине во многих устройствах магнитная поверхность легируется, после чего на нее наносится специальная смазка, позволяющая справляться с периодической встряской головок.
Некоторые современные диски используют механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам касаться магнитной поверхности даже в случае отключения электропитания.
Форматирование высокого и низкого уровня
Использование форматирования высокого уровня позволяет операционной системе создавать структуры, упрощающую работу с хранящимися на жестком диске файлами и данными. Все имеющиеся разделы (логические диски) снабжаются загрузочным сектором тома, двумя копиями таблицы размещения файлов и корневым каталогом. Посредствам вышеуказанных структур, операционной системе удается производить распределение дискового пространства, отслеживание расположения файлов, а также обход поврежденных участков на диске.
Другими словами, форматирования высокого уровня сводится к созданию оглавлений диска и файловой системы (FAT, NTFS и т.п.). К «настоящему» форматированию можно отнести лишь форматирование низкого уровня, во время которого происходит деление диска по дорожкам и секторам. Посредствам DOS-команды FORMAT гибкий диск подвергается сразу обоим типам форматирования, тогда как жесткий - лишь форматированию высокого уровня.
Для того, что бы произвести низкоуровневое форматирование на жестком диске, необходимо использование специальной программы, чаще всего предоставляемой компанией-производителем диска. Форматирование гибких дисков посредствам FORMAT подразумевает выполнение обеих операций, тогда как в случае с жесткими дисками вышеуказанные операции следует выполнять по раздельности. Более того, жесткий диск подвергается и третьей операции - созданию разделов, которые являются необходимым условием для использования на одном ПК более одной операционной системы.
Организация нескольких разделов предоставляет возможность устанавливать на каждый из них свою операционную инфраструктуру с отдельным томом и логическими дисками. Каждый том или логический диск имеет своё буквенное обозначение(например диск C,D или E).
Из чего состоит жесткий диск
Практически каждый современный винчестер включает один и тот же набор компонентов:
диски (их количество чаще всего доходит до 5 штук);
головки чтения/записи (их количество чаще всего доходит до 10 штук);
механизм привода головок (данный механизм устанавливает головки в необходимое положение);
двигатель привода дисков (устройство, приводящее во вращение диски);
воздушный фильтр (фильтры, расположенные внутри корпуса накопителя);
печатную плату со схемами управления (посредствам этого компонента производится управление накопителем и контроллером);
кабели и разъемы (электронные компоненты HDD).
В качестве корпуса для дисков, головок, механизма привода головок и двигателя привода дисков чаще всего используется герметичный короб — HDA. Обычно данный короб является единым узлом, который практически никогда не вскрывается. Иные компоненты, не входящие в HDA, к числу которых можно отнести элементы конфигурации, печатную плату и лицевую панель, — съемные.
Автоматическая парковка головок и система контроля
На случай отключения питания предусмотрена контактная парковочная система, задача которой сводится к тому, чтобы опустить штангу с головками на сами диски. Независимо от того, что накопитель выдерживает десятки тысяч подъемов и спусков считывающих головок, происходить это все должно на специально отведенных для этих действий участках.
Во время постоянных подъемов и спусков происходит неизбежная абразия магнитного слоя. Если после износа накопитель подвергнется встряске, то вероятней всего произойдет повреждение диска или головок. Для предотвращения вышеуказанных неприятностей, современные накопители снабжаются специальным механизмом загрузки/разгрузки, представляющим собой пластину, которая помещается на внешнюю поверхность жестких дисков. Эта мера позволяет предотвратить касание головки и магнитной поверхности даже в случае отключения питания. При отключении напряжения накопитель самостоятельно «паркует» головки на поверхности наклонной пластины.
Немного о воздушных фильтрах и воздухе
Практически все жесткие диски снабжены двумя воздушными фильтрами: барометрическим и фильтром рециркуляции. Отличает вышеуказанные фильтры от сменяемых моделей, используемых в накопителях старшего поколения, то, что они помещены внутрь корпуса и их замена не предусматривается до конца эксплуатационного срока.
Старые диски использовали технологию постоянной перегонки воздуха внутрь корпуса и обратно, используя при этом фильтр, который нуждался в периодической смене.
Разработчикам современных накопителей от этой схемы пришлось отказаться, а потому фильтр рециркуляции, который расположен в герметичном корпусе HDA, применяется лишь для фильтрации находящегося внутри короба воздуха от мельчайших частиц, оказавшихся внутри корпуса. Независимо от всех предпринятых мер предосторожности, мелкие частицы все же образуются после многократных «посадок» и «взлетов» головок. С учетом того, что корпус накопителя отличается своей герметичностью и в нем происходит перекачка воздуха, он продолжает функционировать даже в условиях сильно загрязненной окружающей среды.
Интерфейсные разъемы и соединения
Многие современные накопители на жестких дисках снабжены несколькими интерфейсными разъемами, предназначенными для подключения к источнику питания и к системе в целом. Как правило, накопитель содержит минимум три разновидности разъемов:
интерфейсные разъемы;
разъем для подачи питания;
разъем для заземления.
Отдельного внимания заслуживают интерфейсные разъемы, поскольку они предназначены для получения/передачи накопителем команд и данных. Многие стандарты не исключают возможность подключения нескольких накопителей к одной шине.
Как уже упоминалось выше, накопители на HDD могут быть снабжены несколькими интерфейсными разъемами:
MFM и ESDI - вымершие разъемы, использовавшиеся на первых винчестерах;
IDE/ATA - разъем для подключения накопителей, который долгое время был самым распространённым по причине своей невысокой стоимости. Технически этот интерфейс схож с 16-разрядной шиной ISA. Последующее развитие стандартов IDE поспособствовало росту скорости обмена данными, а также появлению возможности напрямую обратиться к памяти посредствам DMA технологии;
Serial ATA - разъем, заменивший собой IDE, который физически является однонаправленной линией, используемой для последовательной передачи данных. Будучи в режиме совместимости схож с IDE интерфейсом, однако, наличие «родного» режима позволяет воспользоваться дополнительным набором возможностей.
SCSI - универсальный интерфейс, который активно применялся на серверах для подключения HDD и иного рода устройств. Несмотря на хорошие технические показатели, не стал таким распространенным как IDE по причине своей дороговизны.
SAS - последовательный аналог SCSI.
USB - интерфейс, который необходим для подключения внешних винчестеров. Обмен информацией в данном случае происходит посредствам протокола USB Mass Storage.
FireWire - разъем аналогичный USB, необходим для подключения внешнего HDD.
Fibre Channel
-интерфейс, используемый системами высокого класса за счет высокой скорости передачи данных.
Показатели качества жестких дисков
Емкость — объем информации, вмещаемый накопителем. Этот показатель в современных винчестерах может достигать до 4 терабайт(4000 гигабайт);
Быстродействие . Данный параметр оказывает непосредственное влияние на время отклика и среднюю скорость передачи информации;
Надежность – показатель, определяемый средним временем наработки на отказ.
Ограничения физической емкости
Максимальный объем емкости, используемой жестким диском, зависит от целого ряда факторов, к числу которых можно отнести интерфейс, драйвера, операционную и файловую систему.
У первого накопителя АТА, выпущенного в 1986 году, имелось ограничение емкости, максимальное значение которого составляло 137 Гб.
Разные версии BIOS также способствовали уменьшению максимальной емкости жестких дисков, а потому системы, скомпонованные до 1998 г., имели емкость – до 8,4 Гб, а системы, выпущенные до 1994 г., - 528 Мб.
Даже после решения проблем с BIOS ограничение емкости накопителей с интерфейсом подключения АТА осталось, максимальное его значение составляло в 137 Гб. Это ограничение было преодолено посредствам стандарта ATA-6, выпущенного в 2001 г. Данный стандарт использовал расширенную схему адресации, что, в свою очередь, поспособствовало увеличению емкости накопителей до 144 Гб. Подобное решение позволило явить свету накопители с интерфейсами PATA и SATA, у которых объем вмещаемой информации — выше указанного ограничения в 137 Гб.
Ограничения ОС на максимальный объем
Практически все современные операционные системы не накладывают каких-либо ограничений на такой показатель как емкость жестких дисков, чего нельзя сказать о более ранних версиях операционных систем.
Так, например, DOS не распознавал жесткие диски, емкость которых превышала 8,4 Гб, поскольку доступ к накопителям в данном случае выполнялся посредствам LBA-адресации, при этом в DOS 6.x и более ранних версиях поддерживалась лишь CHS-адресация.
Ограничение емкости жесткого диска также имеется в случае установки ОС Windows 95. Максимальное значение этого ограничения — 32 Гб. Помимо этого, обновленными версиями Windows 95 поддерживается лишь файловая система FAT16, которая, в свою очередь, налагает ограничение в размере 2 Гб на размеры разделов. Из этого следует, что в случае использования жесткого диска на 30 Гб, его нужно поделить на 15 разделов.
Ограничения операционной системы Windows 98 допускают использование жестких дисков большего объема.
Характеристики и параметры
Каждый жёсткий диск обладает перечнем технических характеристик, согласно которым и устанавливается его иерархия использования.
Первым делом, на что следует обратить внимание, так это на тип используемого интерфейса. С недавних пор каждый компьютер в качестве усовершенствованного и более скоростного интерфейса начал использовать SATA .
Второй не менее важный момент — объём свободного места на жёстком диске. Минимальное его значение на сегодняшний день составляет лишь 80 Гб, при этом максимальное – 4 Тб.
Еще одной важной характеристикой в случае приобретения ноутбука является форм-фактор жесткого диска.
Наиболее востребованными в этом случае считаются модели, размер которых — 2,5 дюйма, при этом в настольных ПК размер составляет 3,5 дюйма.
Не стоит пренебрегать и скоростью вращения шпинделя, минимальные значения – 4200, максимальные – 15000 оборотов в минуту. Все вышеуказанные характеристики оказывают непосредственное влияние на скорость работы винчестера, которая выражается в Мб/С.
Скорость работы жесткого диска
Немаловажным значением обладают скоростные показатели жёсткого диска, которые определяются:
Скоростью вращения шпинделя , измерение которой проводится в оборотах в минуту. В ее задачу не входит непосредственное выявление реальной скорости обмена, она лишь позволяет отличить более скоростное устройство от менее скоростного устройства.
Временем доступа . Данный параметр вычисляет затрачиваемое винчестером время от получения команды до передачи информации по интерфейсу. Чаще всего фигурирую среднее и максимальное значения.
Временем позиционирования головок . Это значение указывает затрачиваемое головками время для перемещения и установки с одного трека на другой трек.
Пропускной способностью или производительностью диска во время последовательной передачи больших объёмов данных.
Внутренней скоростью передачи данных или скоростью передаваемой информации от контроллера к головкам.
Внешней скоростью передачи данных
или скоростью передаваемой информации по внешнему интерфейсу.
Немного о S.M.A.R.T.
S.M.A.R.T. – утилита, предназначенная для самостоятельной проверки состояния современных винчестеров, поддерживающих интерфейс PATA и SATA, а также работающих в персональных компьютерах с операционной системой Windows (от NT до Vista).
S.M.A.R.T. производит подсчет и анализ состояния подключенных жестких дисков через равные отрезки времени, независимо от того запущена операционная система или нет. После того, как анализ был проведен, значок результата диагностики отображается в правом углу панели задач. Основываясь на результатах, полученных во время S.M.A.R.T. диагностики, значок может указывать:
На отличное состояние каждого подключенного к компьютеру винчестера, поддерживающего S.M.A.R.T. технологию;
На то, что один или несколько показателей состояния не соответствуют пороговому значению, при этом у параметров Pre-Failure / Advisory нулевое значение. Вышеуказанное состояние жесткого диска не считается предаварийным, однако если этот винчестер содержит важную информацию, рекомендуется как можно чаще сохранять ее на другом носителе или произвести замену HDD.
На то, что один или несколько показателей состояния не соответствуют пороговому значению, при этом у параметров Pre-Failure / Advisory активное значение. По мнению разработчиков жестких дисков, это состояние предаварийное, и хранить информацию на таком винчестере не стоит.
Фактор надежности
Такой показатель, как надежность хранения данных является одним из наиболее важных характеристик жесткого диска. Фактор отказа у винчестера — раз в сто лет, из чего можно сделать вывод, что HDD считается наиболее надежным источником хранения данных. При этом на надежность каждого диска непосредственное влияние оказывает условие эксплуатации и само устройство. Порой производители поставляют на рынок еще совсем «сырой» продукт, а потому пренебрегать резервным копированием и полностью полагаться на винчестер нельзя.
Стоимость и цена
С каждым днем стоимость HDD становится всё меньше. Так, например, сегодня цена жесткого диска ATA на 500 Гб составляет в среднем 120 долларов, к сравнению, в 1983 г. винчестер емкостью 10 Мб стоил 1800 долларов.
Из вышесказанного утверждения можно сделать вывод, что стоимость HDD будет продолжать падать, а потому в дальнейшем все желающие смогут приобрести довольно емкие диски по приемлемым ценам.
Первый серийный жесткий диск емкостью 16 кбайт был выпущен компанией IBM еще в 1973 р., и содержал 30 магнитных цилиндров по 30 дорожек на каждом. Острые на язык разработчики уловили схожесть этих цифр с маркой «30/30», которая соответствует названию оружия — «винчестеру».
— это накопитель информации на жестких магнитных дисках.
Основным элементом накопителей на жестких магнитных дисках (HDD — Hard Disk Drive) является несколько жестких алюминиевых или стеклянных пластин круглой формы — дисков. Поверхность такого диска покрывается тонким слоем вещества, которая способна сохранять остаточную намагниченность после воздействия на нее внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным и на нем сохраняются записанные данные. Накопитель состоит из таких элементов.
- Дисков с вращающимся приводом, которые смонтированы на общей вертикальной оси.
- Головки чтения/записи информации с собственным приводом.
Основной критерий качества — поверхностная плотность записи . Современный показатель — 60-80 Гбайт/пластину.
Любой винчестер состоит из трех основных блоков. Итак, рассмотрим, каковы составляющие структуры жесткого диска .
Первый блок — собственно, само хранилище информации — одна или несколько стеклянных (или металлических) дисков. Структура диска выглядит так: магнитная поверхность каждого диска разделена на концентрические «дорожки (track) «, которые, в свою очередь, делятся на отрезки — секторы . Наряду с дорожками, которые имеют свой номер, и секторами, существуют цилиндры. Цилиндр — это совокупность всех совпадающих друг с другом дорожек по вертикали по всем рабочим поверхностям. Таким образом, чтобы узнать, какое количество цилиндров содержит жесткий диск, необходимо просто умножить число дорожек на суммарное число рабочих поверхностей. При низкоуровневом форматировании диска, которое исполняется на заводе-производителе, сначала и в конце каждого сектора создаются области, которые содержат информацию об их номерах и другое (служебная информация). Размер сектора составляет величину 571 байт, из которых 512 байт отведено под полезные для пользователя данные, другие — под заголовок (header) или префикс, по которому определяется начало и номер сектора и окончание (trailer) или суффикс, где записывается контрольная сумма, необходимая для проверки сохранности диска.
Второй блок — механика жесткого диска, которая отвечает за вращение массива «блинов» и точное позиционирование системы считывающих головок. Каждой рабочей поверхности жесткого диска соответствует одна считывающая головка, причем размещаются они по-вертикали точным столбиком. А значит, в любой момент времени все головки находятся на дорожках с одинаковым номером. То есть, работают в пределах одного цилиндра.
Третий блок включает электронную начинку — микросхемы, отвечающие за обработку данных, коррекцию возможных ошибок и управления механической частью, а также микросхемы кэш-памяти.
Кластер (cluster) — это наименьшая область диска, которая выделяется для файла или его части. Каждый файл занимает на диске пространство, которое равняется целому числу кластеров. Как правило, кластер состоит из нескольких секторов.
Для жестких дисков размер кластера определяется при форматировании и зависит от версии операционной системы и размера диска. Но дисковое пространство занимается неэффективно. Например, необходимо сохранить файл в 500 байт. Зная, что каждый файл может занимать пространство на целом числе кластеров, то в этом случае будет занят один кластер. Файл будет записан с потерей дискового пространства.
Качественные характеристики жесткого диска
Время поиска сектора . Время поиска сектора (latency time) — это среднее время, необходимое для того, чтобы искомый сектор оказался под головкой после ее выведения на дорожку. Среднее время поиска равняется половине периода вращения диска и рассчитывается по формуле:
Среднее время поиска = 1/(число оборотов двигателя в секунду*2)
То есть при частоте вращения 7200 об/хв. время поиска составляет величину 4,17 мс.
Скорость чтения данных и спецификация . Средний показатель скорости чтения данных — около 40-45 Мбайт/с.
Считается, что контроллер на материнской плате спецификации UDMA/33 обязан обеспечивать скорость чтения данных не менее 33 Мбайт/с. А современные спецификации, например, UDMA/100 и UDMA/133 должны гарантировать не менее 100 и 133 Мбайт/с.
Скорость передачи данных определяет объемы данных, которые могут быть переданы из накопителя в компьютер и назад за определенные промежутки времени. Скорость передачи данных определяется двумя факторами:
- Способом подключения накопителей, то есть производительностью интерфейса.
- Скоростью считывания данных головками.
Скорость считывания данных (ее называют внутренней скоростью обмена данными и измеряют в Мбайт/с) можно определить по формуле:
Скорость считывания данных = количество секторов на дорожке * 512* * частота вращения дисков / 1000000.
Частота вращения дисков измеряется в об/с, 512 — количество байт данных в секторе.
Среднее время поиска . Среднее время поиска (Average seek time) — среднестатистическое время, в течение которого головки смещаются из одного цилиндра на другой. Этот показатель зависит от конструкции привода головок и составляет величину до 10 мс.
Среднее время доступа . Определяется как сумма среднего времени поиска и времени задержки и характеризует среднестатистическое время, необходимое для получения доступа к данным, записанным на произвольном секторе.
Скорость вращения диска . Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Существуют параметры 5400 об/хв., 7200 об/хв. (IDE); 10000 об/хв., 15000 об/хв. (SCSI).
Жесткие диски подключаются к материнской плате при помощи специальных шлейфов-кабелей.
Таблица размещения файлов
Таблица размещения файлов — это область на диске, куда заносятся номера кластеров, которые занимаются файлами. Сюда не входят кластеры, которые содержат служебную информацию (загрузочные секторы, сама таблица размещения файлов и данные корневого каталога). В операционных системах производства Microsoft популярна файловая система FAT (File Location Table). На каждом логическом диске может быть создана отдельная файловая система. Таким образом, на одном жестком диске могут существовать файловые системы нескольких типов.
Популярные файловые системы
FAT . Эта файловая система используется в операционных системах MS DOS, Windows 3.x/9.x/2000, ME, XP, OS/2.
HPFS . Название этой файловой системы пошло от High Реrfomаnce File System, что значит высокопродуктивная файловая система. Поддерживается операционными системами OS/2, Windows NT.
NTFS . Название этой файловой системы пошло от Windows NT File System, что значит файловая система Windows NT/2000, поддерживается операционными системами Windows NT/2000, ХР.
Логические диски
Известно, что компьютер присваивает всем дискам, независимо от их конструкции логические имена А:, В:, С:. Имена А:, В: по умолчанию присваиваются накопителям на гибких дисках. Системному логическому диску, тому, на котором записана операционная система, присваивается имя С:.
Пространство жесткого диска можно разбить на разделы и логические диски. Операционные системы работают с логическими дисками, а не с физическими.
Преимущества развития винчестеров на несколько логических дисков:
- Уменьшаются потери дискового пространства.
- Упрощается структуризация данных.
- Упрощается процесс дефрагментации диска, проверки на вирусы, и т. д.
На одном диске можно сохранять рабочие программы, на другом — документацию и архивы, игры (инсталляционные файлы). В случае сбоя в работе потеря информации минимизируется.