Что такое HDD, жёсткий диск и винчестер
Что такое HDD, жёсткий диск и винчестер — эти слова являются разными широко распространёнными терминами одного и того же устройства, входящего в состав компьютера. В связи с необходимостью хранения информации на компьютере появились устройства, хранители информации как жёсткий диск и стали неотъемлемой частью персонального компьютера.
Ранее на первых вычислительных машинах информация хранилась на перфолентах — это картонная бумага с пробитыми дырками, следующим шагом человека в развитие компьютера появилась магнитная запись, принцип работы которой сохранён в нынешних жёстких дисках. В отличие от сегодняшних терабайтных HDD, информация для сохранения помещаемая на них насчитывала десятки килобайт, это ничтожные размеры по сравнению с сегодняшней информацией.
Устройство жесткого диска
Правильное название данного устройства звучит как — накопитель на жестких магнитных дисках или hard (magnetic) disk drive на английском языке. Так же широко распространены следующие варианты: винчестер, винт, хард, НМЖД, HDD, HMDD. Почему его называют винчестер есть множество версий, но наиболее распространенная версия, что первый жесткий диск в современном понимании этого слова разработанный компанией IBM имел внутренне сокращенное наименование «30-30», что совпадало с популярной охотничьей винтовкой Winchester Model 1894 применявшей патрон .30-30 Winchester . Название «винт» является его сокращением в компьютерном сленге.
Мы не будем подробно описывать принципы магнитной записи и устройства HDD, так как обычным пользователям это не нужно, а рассмотрим основные моменты работы жесткого диска и его характеристики. Технически представляет собой устройство записи и хранения информации основанное на принципе магнитной записи. Информация записывается на круглые жесткие диски (пластины или блины) покрытые слоем ферромагнитного материала и расположенные на одной оси привода. Чтение и запись данных осуществляется с помощью подвижных считывающих головок. Принцип напоминает проигрыватель на виниловых пластинках, однако в винчестере считывающие головки не касаются поверхности пластин, в отличие от иглы проигрывателя. В рабочем положении они парят над поверхностью пластин на высоте нескольких нанометров за счет потока набегающего воздуха от быстрого вращения пластин. В выключенном состоянии, головки располагаются в парковочной зоне, чтобы исключить случайное взаимное повреждение деталей от сотрясения винчестера.
Наличие подвижных механических частей несколько снижает надежность устройства, однако отсутствие прямого механического контакта между подвижными деталями компенсирует этот недостаток и обеспечивает надежность и большой ресурс работы винчестеров. Тем не менее, иногда на диске могут все-таки появляться поврежденные участки по различным причинам. Помимо пластин, привода и считывающих головок в одном корпусе с ними располагается управляющая электроника.
Стоит отметить, что сейчас активно развивается технология твердотельных накопителей (SSD). Так же используется для долговременного хранения информации в компьютере, но в них используются микросхемы памяти и отсутствуют движущиеся части. Кроме этого, есть гибридные жесткие диски, сочетающие в одном устройстве традиционный жесткий диск и SSD маленького объема для кэша.
Подвижная головка состоит из двух частей: головка чтения и головка записи. В зависимости от необходимой в данный момент времени операции, используется нужная головка. Количество пластин в корпусе жесткого диска может быть различно и зависит от его емкости и примененных технологий записи. Меньшее количество пластин уменьшает энергопотребление, снижает количество подвижных частей, улучшает температурный режим работы накопителя, что положительно сказывается на его надежности и долговечности. Правда это все в теории, а на практике, каждый конкретный экземпляр индивидуален и утверждать, что накопитель с четырьмя пластинами хуже, чем с двумя неверно.
Чтобы на пластины можно было записывать информацию, их поверхность разбивают на дорожки — концентрические кольцевые области. Все дорожки на всех пластинах HDD находящиеся на одинаковом расстоянии от центра называются цилиндр. В свою очередь, дорожки делятся на равные отрезки называемые секторами. Из объединения соседних секторов в группу образуется кластер. На рисунке ниже, представлена упрощенная схема структуры пластины жесткого диска компьютера.
На рисунке цифрами указано:
1 — геометрический сектор
2 — сектор дорожки
3 — дорожка
4 — кластер
Кластер — минимальная логическая ячейка для хранения информации на жестком диске компьютера. В настоящее время стандартным является кластер размером 4 096 байт , состоящий из восьми секторов по 512 байт каждый. Ознакомиться подробнее с влиянием его размера на параметры HDD можно в статье посвященной файловой системе в операционной системе Windows.
Методы магнитной записи данных на диск
В двух словах принцип записи информации выглядит следующем образом. Пластины жесткого диска вращаются с большой скоростью (обычно 5400 или 7200 об/мин для персональных компьютеров), а головки парят над ними. При подаче на головку переменного электрического тока возникает переменное магнитное поле изменяющее направление вектора намагниченности доменов находящихся под головкой в данный момент в зависимости от величины сигнала. Другими словами происходит заполнение пластин логическими нулями и единицами или процесс записи. Чтение данных с поверхности пластин происходит в обратном порядке, перемещение намагниченных доменов под считывающей головкой приводит появлению переменного электрического сигнала в катушке головки под влиянием эффекта электромагнитной индукции. Поскольку физические размеры пластин ограниченны и стандартизованы увеличение емкости жестких дисков возможно в двух направлениях: увеличение количества пластин в одном устройстве или увеличение количества записанной информации на одной пластине (плотность записи).
Метод продольной записи
Традиционный способ записи, применявшийся в накопителях на магнитных дисках. Вектор намагниченности домена параллелен поверхности пластины. Рост емкости жестких дисков привел в итоге к тому, что она больше не позволяла обеспечивать необходимые емкости дисков. В настоящее время практически не используется.
Метод перпендикулярной записи
Данный метод пришел на смену традиционному способу. За счет вертикальной ориентации доменов, плотность записи значительно возросла и следовательно на одну пластину можно записать больше информации.
Технологии не стоят на месте и ведутся исследования по дальнейшему увеличению плотности записи на пластину, например метод тепловой магнитной записи или метод самосборки полимеров.
Как измеряется производительность жёстких дисков
Для оценки скорости жёстких дисков используются три метрики:
1. Скорость последовательной записи или чтения. При таких бенчмарках информация записывается или считывается в ячейки памяти, идущие по порядку. Средний показатель для большинства HDD — 200–300 Мбит/с .
2. Скорость случайной записи или чтения. В подобных тестах данные записываются или считываются в ячейках памяти из разных областей, не следующих по порядку. Средний показатель для большинства HDD — 50–100 Мбит/с.
3. Количество операций ввода/вывода в секунду (IOPS). Здесь оценивается количество блоков, которое успевает считаться или записаться на носитель за секунду. В среднем HDD показывают от 130 до 230 IOPS. В то же время SSD могут демонстрировать результаты в десятки тысяч IOPS.
Также дополнительно существует параметр времени доступа. Он показывает время задержки от момента получения запроса доступа к данным до момента начала передачи информации.
Как работает жесткий диск?
В отличие от энергозависимого хранилища, такого как ОЗУ, HDD имеет постоянную память, и хранит свои данные даже при выключенном питании. Вот почему вы можете перезагрузить компьютер, который выключает жесткий диск, но по-прежнему имеет доступ ко всем данным, когда он снова включен.
Внутри жесткого диска находятся сектора, расположенные на дорожках, которые хранятся на вращающихся пластинах. Эти пластины имеют магнитные головки, которые перемещаются с помощью рычага привода для чтения и записи данных на привод.
Внешний жесткий диск
Внешний жесткий диск — это переносное устройство для хранения информации, подключаемое к компьютеру через USB, USB-C или же при помощи более современных и скоростных интерфейсов (eeSATA, Fire-Vire, Thunderbolt). Представляет собой собственно хранитель информации в комплекте с платой-переходником и источником питания. Защищен пластиковым или металлическим корпусом.
Внешние жесткие диски предназначены для:
- очистки компьютера от ненужных в данное время файлов;
- разгрузки оперативной памяти;
- долгосрочное хранения информации;
- переноса больших объемов информации между устройствами.
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.
Выбор жесткого диска
Для того чтобы не ошибиться с выбором жесткого диска важно четко понимать, для чего этот диск будет использоваться. Во-первых, нужно определиться с типом жесткого диска. Сейчас существуют внешние и внутренние жесткие диски. Внешние жесткие диски обычно имеют защитный корпус и USB интерфейс, который позволяет подключать этот диск к компьютеру как обычную флешку. Такой тип дисков обычно используют для переноса или резервного копирования данных. Внутренние жесткие диски обычно оснащаются интерфейсом SATA и предназначаются для установки внутрь компьютера.
А во-вторых, нужно выбрать форм-фактор. Современные диски выпускаются в двух вариантах: 2.5 и 3.5 дюйма. 2.5 дюймовые версии устанавливаются в ноутбуки, а 3.5 дюймовые в настольные компьютеры. Внешние жесткие диски также могут быть как на 2.5, так и 3.5 дюйма. Внешние диски на 2.5 дюйма более компактные и не требуют дополнительного питания, в то время как внешние диски на 3.5 дюйма предлагают больший объем за ту же цену.
После того как вы определились с типом и форм-фактором жесткого диска, можно смотреть на объем и другие характеристики. Например, очень важны такие характеристики как скорость вращения шпинделя и объем кэша. Чем они выше, тем быстрее будет работать накопитель. Также важен производитель жестких дисков, сейчас самые качественные модели выпускают компании Western Digital и Seagate.
