Из чего делают корпуса жестких дисков. Новые технологии жестких дисков

Жесткие диски, или, как их еще называют, винчестеры, являются одной из самых главных составляющих компьютерной системы. Об это знают все. Но вот далеко не каждый современный пользователь даже в принципе догадывается о том, как функционирует жесткий диск. Принцип работы, в общем-то, для базового понимания достаточно несложен, однако тут есть свои нюансы, о которых далее и пойдет речь.

Вопросы предназначения и классификации жестких дисков?

Вопрос предназначения, конечно, риторический. Любой пользователь, пусть даже самого начального уровня, сразу же ответит, что винчестер (он же жесткий диск, он же Hard Drive или HDD) сразу же ответит, что он служит для хранения информации.

В общем и целом верно. Не стоит забывать, что на жестком диске, кроме операционной системы и пользовательских файлов, имеются созданные ОС загрузочные секторы, благодаря которым она и стартует, а также некие метки, по которым на диске можно быстро найти нужную информацию.

Современные модели достаточно разнообразны: обычные HDD, внешние жесткие диски, высокоскоростные твердотельные накопители SSD, хотя их именно к жестким дискам относить и не принято. Далее предлагается рассмотреть устройство и принцип работы жесткого диска, если не в полном объеме, то, по крайней мере, в таком, чтобы хватило для понимания основных терминов и процессов.

Обратите внимание, что существует и специальная классификация современных HDD по некоторым основным критериям, среди которых можно выделить следующие:

способ хранения информации;
тип носителя;
способ организации доступа к информации.

Почему жесткий диск называют винчестером?

Сегодня многие пользователи задумываются над тем, почему называют винчестерами, относящимися к стрелковому оружию. Казалось бы, что может быть общего между этими двумя устройствами?

Сам термин появился еще в далеком 1973 году, когда на рынке появился первый в мире HDD, конструкция которого состояла из двух отдельных отсеков в одном герметичном контейнере. Емкость каждого отсека составляла 30 Мб, из-за чего инженеры дали диску кодовое название «30-30», что было в полной мере созвучно с маркой популярного в то время ружья «30-30 Winchester». Правда, в начале 90-х в Америке и Европе это название практически вышло из употребления, однако до сих пор остается популярным на постсоветском пространстве.

Устройство и принцип работы жесткого диска

Но мы отвлеклись. Принцип работы жесткого диска кратко можно описать как процессы считывания или записи информации. Но как это происходит? Для того чтобы понять принцип работы магнитного жесткого диска, в первую очередь необходимо изучить, как он устроен.

Сам жесткий диск представляет собой набор пластин, количество которых может колебаться от четырех до девяти, соединенных между собой валом (осью), называемым шпинделем. Пластины располагаются одна над другой. Чаще всего материалом для их изготовления служат алюминий, латунь, керамика, стекло и т. д. Сами же пластины имеют специальное магнитное покрытие в виде материала, называемого платтером, на основе гамма-феррит-оксида, окиси хрома, феррита бария и т. д. Каждая такая пластина по толщине составляет около 2 мм.

За запись и чтение информации отвечают радиальные головки (по одной на каждую пластину), а в пластинах используются обе поверхности. За которого может составлять от 3600 до 7200 об./мин, и перемещение головок отвечают два электрических двигателя.

При этом основной принцип работы жесткого диска компьютера состоит в том, что информация записывается не куда попало, а в строго определенные локации, называемые секторами, которые расположены на концентрических дорожках или треках. Чтобы не было путаницы, применяются единые правила. Имеется ввиду, что принципы работы накопителей на жестких дисках, с точки зрения их логической структуры, универсальны. Так, например, размер одного сектора, принятый за единый стандарт во всем мире, составляет 512 байт. В свою очередь секторы делятся на кластеры, представляющие собой последовательности рядом находящихся секторов. И особенности принципа работы жесткого диска в этом отношении состоят в том, что обмен информацией как раз и производится целыми кластерами (целым числом цепочек секторов).

Но как же происходит считывание информации? Принципы работы накопителя на жестких магнитных дисках выглядят следующим образом: с помощью специального кронштейна считывающая головка в радиальном (спиралевидном) направлении перемещается на нужную дорожку и при повороте позиционируется над заданным сектором, причем все головки могут перемещаться одновременно, считывая одинаковую информацию не только с разных дорожек, но и с разных дисков (пластин). Все дорожки с одинаковыми порядковыми номерами принято называть цилиндрами.

При этом можно выделить еще один принцип работы жесткого диска: чем ближе считывающая головка к магнитной поверхности (но не касается ее), тем выше плотность записи.

Как осуществляется запись и чтение информации?

Жесткие диски, или винчестеры, потому и были названы магнитными, что в них используются законы физики магнетизма, сформулированные еще Фарадеем и Максвеллом.

Как уже говорилось, на пластины из немагниточувствительного материала наносится магнитное покрытие, толщина которого составляет всего лишь несколько микрометров. В процессе работы возникает магнитное поле, имеющее так называемую доменную структуру.

Магнитный домен представляет собой строго ограниченную границами намагниченную область ферросплава. Далее принцип работы жесткого диска кратко можно описать так: при возникновении воздействия внешнего магнитного поля, собственное поле диска начинает ориентироваться строго вдоль магнитных линий, а при прекращении воздействия на дисках появляются зоны остаточной намагниченности, в которой и сохраняется информация, которая ранее содержалась в основном поле.

За создание внешнего поля при записи отвечает считывающая головка, а при чтении зона остаточной намагниченности, оказавшись напротив головки, создает электродвижущую силу или ЭДС. Далее все просто: изменение ЭДС соответствует единице в двоичном коде, а его отсутствие или прекращение - нулю. Время изменения ЭДС принято называть битовым элементом.

Кроме того, магнитную поверхность чисто из соображений информатики можно ассоциировать, как некую точечную последовательность битов информации. Но, поскольку местоположение таких точек абсолютно точно вычислить невозможно, на диске нужно установить какие-то заранее предусмотренные метки, которые помогли определить нужную локацию. Создание таких меток называется форматированием (грубо говоря, разбивка диска на дорожки и секторы, объединенные в кластеры).

Логическая структура и принцип работы жесткого диска с точки зрения форматирования

Что касается логической организации HDD, здесь на первое место выходит именно форматирование, в котором различают два основных типа: низкоуровневое (физическое) и высокоуровневое (логическое). Без этих этапов ни о каком приведении жесткого диска в рабочее состояние говорить не приходится. О том, как инициализировать новый винчестер, будет сказано отдельно.

Низкоуровневое форматирование предполагает физическое воздействие на поверхность HDD, при котором создаются секторы, расположенные вдоль дорожек. Любопытно, что принцип работы жесткого диска таков, что каждый созданный сектор имеет свой уникальный адрес, включающий в себя номер самого сектора, номер дорожки, на которой он располагается, и номер стороны пластины. Таким образом, при организации прямого доступа та же оперативная память обращается непосредственно по заданному адресу, а не ищет нужную информацию по всей поверхности, за счет чего и достигается быстродействие (хотя это и не самое главное). Обратите внимание, что при выполнении низкоуровневого форматирования стирается абсолютно вся информация, и восстановлению она в большинстве случаев не подлежит.

Другое дело - логическое форматирование (в Windows-системах это быстрое форматирование или Quick format). Кроме того, эти процессы применимы и к созданию логических разделов, представляющих собой некую область основного жесткого диска, работающую по тем же принципам.

Логическое форматирование, прежде всего, затрагивает системную область, которая состоит из загрузочного сектора и таблиц разделов (загрузочная запись Boot record), таблицы размещения файлов (FAT, NTFS и т. д.) и корневого каталога (Root Directory).

Запись информации в секторы производится через кластер несколькими частями, причем в одном кластере не может содержаться два одинаковых объекта (файла). Собственно, создание логического раздела, как бы отделяет его от основного системного раздела, вследствие чего информация, на нем хранимая, при появлении ошибок и сбоев изменению или удалению не подвержена.

Основные характеристики HDD

Думается, в общих чертах принцип работы жесткого диска немного понятен. Теперь перейдем к основным характеристикам, которые и дают полное представление обо всех возможностях (или недостатках) современных винчестеров.

Принцип работы жесткого диска и основные характеристики могут быть совершенно разными. Чтобы понять, о чем идет речь, выделим самые основные параметры, которыми характеризуются все известные на сегодня накопители информации:

емкость (объем);
быстродействие (скорость доступа к данным, чтение и запись информации);
интерфейс (способ подключения, тип контроллера).

Емкость представляет собой общее количество информации, которая может быть записана и сохранена на винчестере. Индустрия по производству HDD развивается так быстро, что сегодня в обиход вошли уже жесткие диски с объемами порядка 2 Тб и выше. И, как считается, это еще не предел.

Интерфейс - самая значимая характеристика. Она определяет, каким именно способом устройство подключается к материнской плате, какой именно контроллер используется, как осуществляется чтение и запись и т. д. Основными и самыми распространенными интерфейсами считаются IDE, SATA и SCSI.

Диски с IDE-интерфейсом отличаются невысокой стоимостью, однако среди главных недостатков можно выделить ограниченное количество одновременно подключаемых устройств (максимум четыре) и невысокую скорость передачи данных (причем даже при условии поддержки прямого доступа к памяти Ultra DMA или протоколов Ultra ATA (Mode 2 и Mode 4). Хотя, как считается, их применение позволяет повысить скорость чтения/записи до уровня 16 Мб/с, но в реальности скорость намного ниже. Кроме того, для использования режима UDMA требуется установка специального драйвера, который, по идее, должен поставляться в комплекте с материнской платой.

Говоря о том, что собой представляет принцип работы жесткого диска и характеристики, нельзя обойти стороной и который является наследником версии IDE ATA. Преимущество данной технологии состоит в том, что скорость чтения/записи можно повысить до 100 Мб/с за счет применения высокоскоростной шины Fireware IEEE-1394.

Наконец, интерфейс SCSI по сравнению с двумя предыдущими является наиболее гибким и самым скоростным (скорость записи/чтения достигает 160 Мб/с и выше). Но и стоят такие винчестеры практически в два раза дороже. Зато количество одновременно подключаемых устройств хранения информации составляет от семи до пятнадцати, подключение можно осуществлять без обесточивания компьютера, а длина кабеля может составлять порядка 15-30 метров. Собственно, этот тип HDD большей частью применяется не в пользовательских ПК, а на серверах.

Быстродействие, характеризующее скорость передачи и пропускную способность ввода/вывода, обычно выражается временем передачи и объемом передаваемых расположенных последовательно данных и выражается в Мб/с.

Некоторые дополнительные параметры

Говоря о том, что представляет собой принцип работы жесткого диска и какие параметры влияют на его функционирование, нельзя обойти стороной и некоторые дополнительные характеристики, от которых может зависеть быстродействие или даже срок эксплуатации устройства.

Здесь на первом месте оказывается скорость вращения, которая напрямую влияет на время поиска и инициализации (распознавания) нужного сектора. Это так называемое скрытое время поиска - интервал, в течение которого необходимый сектор поворачивается к считывающей головке. Сегодня принято несколько стандартов для скорости вращения шпинделя, выраженной в оборотах в минуту со временем задержки в миллисекундах:

3600 - 8,33;
4500 - 6,67;
5400 - 5,56;
7200 - 4,17.

Нетрудно заметить, что чем выше скорость, тем меньшее время затрачивается на поиск секторов, а в физическом плане - на оборот диска до установки для головки нужной точки позиционирования пластины.

Еще один параметр - внутренняя скорость передачи. На внешних дорожках она минимальна, но увеличивается при постепенном переходе на внутренние дорожки. Таким образом, тот же процесс дефрагментации, представляющий собой перемещение часто используемых данных в самые быстрые области диска, - не что иное, как перенос их на внутреннюю дорожку с большей скоростью чтения. Внешняя скорость имеет фиксированные значения и напрямую зависит от используемого интерфейса.

Наконец, один из важных моментов связан с наличием у жесткого диска собственной кэш-памяти или буфера. По сути, принцип работы жесткого диска в плане использования буфера в чем-то похож на оперативную или виртуальную память. Чем больше объем кэш-памяти (128-256 Кб), тем быстрее будет работать жесткий диск.

Главные требования к HDD

Основных требований, которые в большинстве случаев предъявляются жестким дискам, не так уж и много. Главное - длительный срок службы и надежность.

Основным стандартом для большинства HDD считается срок службы порядка 5-7 лет со временем наработки не менее пятисот тысяч часов, но для винчестеров высокого класса этот показатель составляет не менее миллиона часов.

Что касается надежности, за это отвечает функция самотестирования S.M.A.R.T., которая следит за состоянием отдельных элементов жесткого диска, осуществляя постоянный мониторинг. На основе собранных данных может формироваться даже некий прогноз появления возможных неисправностей в дальнейшем.

Само собой разумеется, что и пользователь не должен оставаться в стороне. Так, например, при работе с HDD крайне важно соблюдать оптимальный температурный режим (0 - 50 ± 10 градусов Цельсия), избегать встрясок, ударов и падений винчестера, попадания в него пыли или других мелких частиц и т. д. Кстати сказать, многим будет интересно узнать, что те же частицы табачного дыма примерно в два раза больше расстояния между считывающей головкой и магнитной поверхностью винчестера, а человеческого волоса - в 5-10 раз.

Вопросы инициализации в системе при замене винчестера

Теперь несколько слов о том, какие действия нужно предпринять, если по каким-то причинам пользователь менял жесткий диск или устанавливал дполнительный.

Полностью описывать это процесс не будем, а остановимся только на основных этапах. Сначала винчестер необходимо подключить и посмотреть в настройках BIOS, определилось ли новое оборудование, в разделе администрирования дисков произвести инициализацию и создать загрузочную запись, создать простой том, присвоить ему идентификатор (литеру) и выполнить форматирование с выбором файловой системы. Только после этого новый «винт» будет полностью готов к работе.

Заключение

Вот, собственно, и все, что вкратце касается основ функционирования и характеристик современных винчестеров. Принцип работы внешнего жесткого диска здесь не рассматривался принципиально, поскольку он практически ничем не отличается от того, что используется для стационарных HDD. Единственная разница состоит только в методе подключения дополнительного накопителя к компьютеру или ноутбуку. Наиболее распространенным является соединение через USB-интерфейс, который напрямую соединен с материнской платой. При этом, если хотите обеспечить максимальное быстродействие, лучше использовать стандарт USB 3.0 (порт внутри окрашен в синий цвет), естественно, при условии того, что и сам внешний HDD его поддерживает.

В остальном же, думается, многим хоть немного стало понятно, как функционирует жесткий диск любого типа. Быть может, выше было приведено слишком много тем более даже из школьного курса физики, тем не менее без этого в полной мере понять все основные принципы и методы, заложенные в технологиях производства и применения HDD, понять не получится.

Если рассматривать жесткий диск в целом, то он состоит из двух основных частей: это плата электроники, на которой располагается так сказать "мозг" жесткого диска. На нем расположены процессор, так же присутствует управляющая программа, оперативное запоминающее устройство, усилитель записи и чтения. К механической части относятся такие части как блок магнитных головок имеющих аббревиатуру БМГ, двигатель, который придает вращение пластинам, ну и конечно же сами пластины. Давайте рассмотрим каждую часть более детально.

Гермоблок.

Гермоблок он же корпус жесткого диска - предназначен для крепления всех деталей, а так же выполняет функцию защиты от попадания частиц пыли на поверхность пластин. Стоит отметить что вскрытие гермоблока, можно осуществлять только в специально подготовленном для этого помещении, во избежание как раз таки попадания пыли и грязи внутрь корпуса.

Интегральная схема.

Интегральная схема или плата электроники синхронизирует работу жесткого диска с компьютером и управляет всеми процессами, в частности она поддерживает постоянной скорость вращения шпинделя и соответственно пластины, которая осуществляется двигателем.

Электромотор.

Электромотор или двигатель вращает пластины: около 7200 оборотов в секунду (взято среднее значение, есть винчестеры на которых скорость выше и доходит до 15000 оборотов в секунду, а есть и с меньшей скоростью около 5400, от скорости вращения пластин зависит скорость доступа к нужной информации на жестком диске).

Коромысло.

Коромысло предназначено для записи и чтения информации с пластин жесткого диска. Конец коромысла разделен и на нем находится блок магнитных головок, это сделано для того, что бы можно было записывать и считывать информацию с нескольких пластин.

Блок магнитных головок.

В состав коромысла входит блок магнитных головок, который довольно часто выходит из строя, но это "часто" параметр очень условный. Магнитные головки располагаются сверху и снизу пластин и служат для непосредственного считывания информации с платин, расположенных на жестком диске.

Пластины.

На пластинах непосредственно храниться информация, они изготавливаются из таких материалов как, алюминий, стекло и керамика. Самое большое распространение получил алюминий, а вот из двух остальных материалов изготавливают, так называемые "элитные диски". Первые выпускаемые пластины покрывались окисью железа, но этот ферромагнетик имел большой недостаток. Диски покрытые таким веществом имели небольшую износостойкость. На данный момент большинство производителей жестких дисков покрывают пластины кобальтом хрома, у которого запас прочности на порядок выше, чем у окиси железа. Пластисны крепятся на шпиндель на одинаковом друг от друга расстоянии, такая конструкция имеет название "пакет". Под дисками располагается двигатель или электромотор.

Каждая сторона пластины разбита на дорожки, они в свою очередь разделены на сектора или по другому блоки, все дорожки одного диаметра представляют из себя цилиндр.

Все современные винчестеры имеют так называемый "инженерный цилиндр", на нем хранятся служебная информация, такая как модель hdd, серийный номер и др. Эта информация предназначена для считывания компьютером.

Принцип работы жесткого диска

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 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 ферро магнитным слоем. 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. 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 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.

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

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

По традиции, давайте подсмотрим определение жесткого диска в Википедии:

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

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

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

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

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

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

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

Для чего компьютеру нужен жесткий диск

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

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

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

Из чего состоит жесткий диск

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

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

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

Как работает жесткий диск

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Виды жестких дисков и их производители

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

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

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

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

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

Характеристики жестких дисков

Итак, основные характеристики жесткого диска компьютера:

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

Кроме приведенных характеристик также можно встретить такие показатели как.

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

Устройство жесткого диска

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

В целом жесткий диск состоит из следующих основных компонентов:

Принцип работы жесткого диска

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

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

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

Форматирование жесткого диска

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

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

Характеристики жесткого диска

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

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

Почему жесткий диск называют винчестером?

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

HDD, жёсткий диск, винчестер — всё это названия одного хорошо известного устройства хранения данных. В этом материале мы расскажем вам о технической основе таких накопителей, о том, каким образом на них может храниться информация, и об остальных технических нюансах и принципах функционирования.

Исходя из полного названия данного запоминающего устройства — накопитель на жёстких магнитных дисках (НЖМД) — можно без особых усилий понять, что лежит в основе его работы. Благодаря своей дешевизне и долговечности эти носители информации устанавливают в различные компьютеры: ПК, ноутбуки, серверы, планшеты и т.д. Отличительной чертой HDD является возможность хранить огромные объёмы данных, обладая при этом совсем небольшими габаритами. Ниже мы расскажем о его внутреннем устройстве, принципах работы и прочих особенностях. Приступим!

Гермоблок и плата электроники

Зелёная стеклоткань и дорожки из меди на ней, вместе с разъёмами для подключения блока питания и гнездом SATА называются платой управления (Printed Circuit Board, PCB). Данная интегральная схема служит для синхронизации работы диска с ПК и руководством всех процессов внутри HDD. Корпус из алюминия чёрного цвета и то, что внутри него, называется герметичным блоком (Head and Disk Assembly, HDA).

В центре интегральной схемы расположен чип большого размера — это микроконтроллер (Micro Controller Unit, MCU). В сегодняшних HDD микропроцессор содержит в себе два компонента: центральный вычислительный блок (Central Processor Unit, CPU), который занимается всеми расчётами, и канал чтения и записи — специальное устройство, переводящее аналоговый сигнал с головки в дискретный, когда она занята чтением и наоборот — цифровой в аналоговый во время записи. Микропроцессор обладает портами ввода/вывода , при помощи которых он управляет остальными элементами, расположенными на плате, и совершает обмен информацией через SATA-подключение.

Другой чип, расположенный на схеме, является DDR SDRAM памятью (memory chip). Её количество предопределяет объём кеша винчестера. Данный чип разделён на память прошивки, частично содержащуюся во флеш-накопителе, и буферную, необходимую процессору для того, чтобы загружать модули прошивки.

Третий чип называется контроллером управления двигателем и головками (Voice Coil Motor controller, VCM controller). Он управляет дополнительными источниками электропитания, которые расположены на плате. От них получают питание микропроцессор и предусилитель-коммутатор (preamplifier), содержащийся в герметичном блоке. Этот контроллер требует больше энергии, чем остальные компоненты на плате, так как отвечает за вращение шпинделя и движение головок. Ядро предусилителя-коммутатора способно работать, будучи нагретым до 100° C! Когда на НЖМД подаётся питание, микроконтроллер выгружает содержимое флеш-микросхемы в память и начинает выполнение заложенных в неё инструкций. Если коду не удастся должным образом загрузиться, то HDD не сможет даже начать раскрутку. Также флеш-память может быть встроена в микроконтроллер, а не содержаться на плате.

Расположенный на схеме датчик вибрации (shock sensor) определяет уровень тряски. Если он сочтёт её интенсивность опасной, то будет послан сигнал контроллеру управления двигателем и головками, после чего он немедленно паркует головки или вовсе останавливает вращение HDD. В теории, данный механизм призван обеспечивать защиту HDD от различных механических повреждений, правда, на практике у него это не сильно выходит. Поэтому не стоит ронять жёсткий диск, ведь это способно повлечь за собой неадекватную работу вибродатчика, что может стать причиной полной неработоспособности устройства. Некоторые НЖМД обладают сверхчувствительными к вибрации датчиками, которые реагируют на малейшее её проявление. Данные, которые получает VCM, помогают в корректировке движения головок, поэтому диски оборудуются как минимум двумя такими датчиками.

Ещё одно устройство, созданное для защиты HDD — ограничитель переходного напряжения (Transient Voltage Suppression, TVS), призванный предотвращать возможный выход из строя в случае скачков напряжения. На одной схеме таких ограничителей может быть несколько.

Поверхность гермоблока

Под интегральной платой располагаются контакты от моторов и головок. Тут же можно увидеть почти невидимое техническое отверстие (breath hole), которое выравнивает давление внутри и снаружи герметичной зоны блока, разрушающее миф о том, что внутри винчестера находится вакуум. Внутренняя его область покрыта специальным фильтром, который не пропускает пыль и влагу непосредственно в HDD.

Внутренности гермоблока

Под крышкой герметичного блока, представляющей собой обычный пласт металла и резиновую прокладку, которая защищает его от попадания влаги и пыли, находятся магнитные диски.

Они также могут называться блинами или пластинами (platters). Диски обычно создаются из стекла или алюминия, который был предварительно отполирован. Затем они покрываются несколькими слоями различных веществ, в числе которых присутствует и ферромагнетик — благодаря ему и имеется возможность записывать и хранить информацию на жёстком диске. Между пластинами и над самым верхним блином располагаются разделители (dampers or separators). Они выравнивают потоки воздуха и снижают акустические шумы. Обычно изготавливаются из пластика или алюминия.

Сепараторные пластины, которые были изготовлены из алюминия, лучше справляются с понижением температуры воздуха внутри герметичный зоны.

Блок магнитных головок

На концах кронштейнов, находящихся в блоке магнитных головок (Head Stack Assembly, HSA), расположены головки чтения/записи. Когда шпиндель остановлен, они должны находиться в препаровочной области — это место, где располагаются головки исправного жёсткого диска в то время, когда вал не работает. В некоторых HDD парковка происходит на пластиковых препаровочных областях, которые расположены вне пластин.

Для нормальной работы жёсткого диска требуется как можно более чистый воздух, содержащий минимум сторонних частиц. Со временем в накопителе образовываются микрочастицы смазки и металла. Чтобы их выводить, HDD оборудуются циркуляционными фильтрами (recirculation filter), которые постоянно собирают и задерживают очень маленькие частицы веществ. Они устанавливаются на пути воздушных потоков, которые образуются из-за вращения пластин.

В НЖМД устанавливают неодимовые магниты, способные притягивать и удерживать вес, который может больше собственного в 1300 раз. Предназначение этих магнитов в HDD — ограничение движения головок путем удержания их над пластиковыми или алюминиевыми блинами.

Ещё одной частью блока магнитных головок является катушка (voice coil). Вместе с магнитами она образует привод БМГ , который вместе с БМГ составляет позиционер (actuator) — устройство, перемещающее головки. Защитный механизм для этого устройства называется фиксатором (actuator latch). Он освобождает БМГ, как только шпиндель наберёт достаточное число оборотов. В процессе освобождения участвует давление потока воздуха. Фиксатор предотвращает какие-либо движения головок в препаровочном состоянии.

Под БМГ будет находиться прецизионный подшипник. Он поддерживает плавность и точность данного блока. Тут же находится выполненная из алюминиевого сплава деталь, которая называется коромыслом (arm). На её конце, на пружинной подвеске, расположены головки. От коромысла идет гибкий кабель (Flexible Printed Circuit, FPC), ведущий в контактную площадку, которая соединяется с платой электроники.

Вот так выглядит катушка, которая соединена с кабелем:

Здесь можно увидеть подшипник:

Вот тут изображены контакты БМГ:

Прокладка (gasket) помогает обеспечить герметичность сцепления. Благодаря этому в блок с дисками и головками воздух попадает только через отверстие, которое выравнивает давление. Контакты данного диска покрыты тончайшей позолотой, что улучшает проводимость.

Типичная сборка кронштейна:

На окончаниях пружинных подвесов находятся малогабаритные детали — слайдеры (sliders). Они помогают считывать и записывать данные, поднимая головку над пластинами. В современных накопителях головки работают, располагаясь на расстоянии 5-10 нм от поверхности металлических блинов. Элементы считывания и записи информации расположены на самых концах слайдеров. Они настолько малы, что увидеть их можно только воспользовавшись микроскопом.

Эти детали не являются абсолютно плоскими, так как имеют на себе аэродинамические канавки, служащие для стабилизации высоты полёта слайдера. Воздух под ним создаёт подушку (Air Bearing Surface, ABS), которая поддерживает параллельный поверхности пластины полёт.

Предусилитель — чип, отвечающий за управление головками и усиление сигнала к ним или от них. Расположен он непосредственно в БМГ, потому как сигнал, который производят головки, обладает недостаточной мощностью (около 1 ГГц). Без усилителя в герметичной зоне он бы просто рассеялся по пути к интегральной схеме.

От этого устройства в сторону головок идёт больше дорожек, нежели к герметичной зоне. Объясняется это тем, что жёсткий диск может взаимодействовать только с одной из них в определённый момент времени. Микропроцессор отправляет запросы предусилителю, чтобы он выбрал нужную ему головку. От диска к каждой из них идёт по несколько дорожек. Они отвечают за заземление, чтение и запись, управление миниатюрными приводами, работу со специальным магнитным оборудованием, которое может управлять слайдером, что позволяет увеличить точность расположения головок. Одна из них должна вести к нагревателю, который регулирует высоту их полёта. Работает эта конструкция так: из нагревателя тепло передаётся подвеске, которая соединяет слайдер и коромысло. Подвес создаётся из сплавов, которые имеют отличающиеся параметры расширения от поступающего тепла. При повышении температуры он изгибается в сторону пластины, тем самым уменьшая расстояние от неё до головки. При уменьшении количества тепла, происходит обратное действие — головка отдаляется от блина.

Вот таким образом выглядит верхний разделитель:

На этой фотографии находится герметичная зона без блока головок и верхнего сепаратора. Также можно заметить нижний магнит и прижимное кольцо (platters clamp):

Данное кольцо сдерживает блоки блинов вместе, предотвращая всякое их движение относительно друг друга:

Сами пластины нанизаны на вал (spindle hub):

А вот что находится под верхней пластиной:

Как можно понять, место для головок создаётся при помощи специальных разделительных колец (spacer rings). Это высокоточные детали, которые производятся из немагнитных сплавов или полимеров:

На дне гермоблока находится пространство для выравнивания давления, расположенное прямо под воздушным фильтром. Воздух, который находится вне герметичного блока, безусловно, содержит в себе частицы пыли. Для решения данной проблемы, устанавливается многослойный фильтр, который гораздо толще того же циркулярного. Иногда на нём можно обнаружить следы силикатного геля, который должен абсорбировать в себя всю влагу:

Заключение

В этой статье было приведено подробное описание внутренностей HDD. Надеемся, этот материал был вам интересен и помог узнать много нового из сферы компьютерного оборудования.