Жесткий диск — устройство и работа
Современные жесткие диски существенно отличаются от первых решений памяти для машин обработки данных. Карты и перфоленты, созданные в первой половине девятнадцатого века, использовались для управления простыми машинами (например, на производственных предприятиях) в соответствии с закодироваными на них очень простыми последовательностями. Только в конце первой половины двадцатого века, с появлением основных электронных вычислительных машин (все еще основанных на ламповой технологии и электромагнитных реле), были начаты попытки использования других решений, позволяющих более эффективно хранить и обрабатывать все большее количество данные. Как следствие, настоящий прорыв произошел с развитием полупроводниковой технологии — вскоре после этого начали создаваться первые решения, использующие ферромагнитные свойства некоторых металлических сплавов. Одним из таких решений были магнитные барабаны (барабанная память). В то же время начали использоваться магнитные ленты и были созданы первые жесткие диски.
Сегодняшний жесткий диск — это один из важнейших компонентов персональных компьютеров. Здесь хранятся все рабочие и конфигурационные данные операционной системы. Это также один из основных носителей информации, позволяющий хранить, редактировать и сохранять рабочие данные пользователя.
Что такое жесткий диск HDD
Жесткий диск (HDD, hard disk, магнитный диск) — это устройство для хранения данных, в котором используются магнитные пластины для записи информации. Применяется в большинстве настольных компьютеров и ноутбуках в качестве основного накопителя.
На сленге часто называется — винчестер, так его прозвали в 1973 году из-за сходства с винтовкой Winchester. Все потому, что у модели HDD 3340 было 2 модуля по 30Мб, а у винтовки патроны назывались 30-30 Winchester. Эта «удивительная» схожесть и породила такое название. Хотя в России чаще его просто называют — винт.
Память на таком устройстве не энергозависима, как, например, у оперативной памяти, это означает, что данные не будут стираться при отключении питания.
На компьютере или ноутбуке просто необходимо, чтобы был установлен какой-либо накопитель информации, это может быть, как раз жесткий диск, или твердотельный накопитель. Такой накопитель выполняет следующие функции:
- Хранит на себе всю операционную систему, ее файлы и настройки
- Все файлы, пользователи, музыка, фото, видеоролики, документы и т.д.
- Используется для хранения временных файлов самой системой, чтобы разгрузить оперативную память
Физическое описание HDD
Обычно их размер сопостовим с толстой книгой в мягкой обложке, но гораздо тяжелее.
На боковых сторонах жесткого диска имеются предварительно просверленные резьбовые отверстия для легкой установки в отсек для 3,5-дюймового диска в корпусе компьютера. Монтаж также возможен в большем 5,25-дюймовом отсеке для дисковода с адаптером. Жесткий диск смонтирован таким образом, чтобы его конец был обращен внутрь компьютера.
Задняя часть HDD содержит порт для кабеля, который подключается к материнской плате. Тип используемого кабеля (SATA или PATA) зависит от типа накопителя, но почти всегда входит в комплект поставки жесткого диска. Также здесь есть подключение для блока питания.
Большинство жестких дисков также имеют перемычки на задней панели, которые определяют, как материнская плата должна распознавать диск, когда присутствует более одного. Эти настройки различаются в зависимости от диска, поэтому уточните подробности у производителя устройства.
Основные моменты в работе HMDD
HDD — это устройство хранения информации по принципу магнитной записи. Информация записывается на пластины, имеющие покрытие ферримагнитным материалом, которые расположены на одной оси. Пластины называют магнитными дисками, а в самом винчестере могут использоваться несколько магнитных пластин.
Запись ровно так же, как и чтение осуществляется при помощи частей подвижной считывающей головки. Хорошим и наглядным примером работы HDD будет сравнение с работой граммофона и его пластинками, но в отличие от его иглы, которая соприкасается с грампластинкой, головка жёсткого диска делает свою работу на расстояние. Само расстояние очень мало, что сквозь воздушный зазор могут пройти частицы пыли или даже табачного дыма.
По мнению экспертов, в прокуренных и запылённых помещения жёсткие диски выходят из строя гораздо чаще.
Головка парит во время работы, а точнее её части для записи и считывания данных, но во время отключения она возвращаются к месту окончанию работы и её же начала, парковочной зоне.
Так же к немаловажной внутренней составляющей жёсткого диска относятся:
Двигатели, предназначенные для вращения магнитных пластин HDD и блок управляющей электроники — руководящий всеми процессами.
Для хранения информации HDD форматируют, то есть он разбит на равные дорожки, которые разбиваются на секторы свою очередь образующие кластеры.
Необходимо знать, что сам жёсткий диск не герметичен, а герметичен его гермоблок, вскрытие которого непременно приведёт к неработоспособности всего жёсткого диска.
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.
Жесткий диск — а почему не мягкий?
Жесткий диск (другие названия — винчестер, хард) — это компактное устройство в системном блоке, которое соединяется с материнской платой небольшими шлейфами (проводами). Его предназначение — хранение абсолютно всей информации пользователя. Сюда входят основные программы, такие как операционная система, драйвера для различных устройств, файлы настроек и прочие элементы управления компьютером. Помимо этого на жестком диске хранится все, что на него загружается самим пользователем.
Игры, музыка, фильмы, фотографии, книги — все это располагается на миллионах кластеров внутри самого устройства.
Жесткий диск так называется потому, что внутри его мощного и прочного корпуса сокрыты пластины из металла, на которые, собственно, и записывается вся информация.
А многими годами раньше хранение данных осуществлялось на тонких пластиковых листах с магнитным напылением. Они, что вполне логично, легко сгибались и ломались.
Сейчас такие нигде не используются ввиду их хрупкости, ненадежности и абсолютной неактуальности. Обычные винчестеры напрочь их вытеснили не только из системных блоков, но даже из сознания людей. Ныне мало кто вспомнит гибкие диски для хранения данных, их великолепно заменяют CD и DVD диски, флешки.
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.
Как выбрать жёсткий диск?
Выбор жёсткого диска для компьютера легче всего сделать, по порядку отвечая на следующие вопросы:
- Как планируется использовать HDD — внутри компьютера или в качестве переносного носителя? О преимуществах и недостатках этих разновидностей написано выше; пользователю, нечасто пускающемуся в дорогу и имеющему в распоряжении обычный стационарный ПК, логичнее будет предпочесть первый вариант; владельцу ноутбука или любителю путешествий — второй.
- Какой на компьютере доступен интерфейс подключения? В настоящее время есть два основных варианта: IDE — сильно устаревший, но всё ещё имеющийся в продаже; SATA первого, второго и третьего поколений — новый, значительно более производительный и энергозащищённый.
Совет: узнать, какой интерфейс нужен, можно, взглянув на разъёмы старого жёсткого диска или свободные шлейфы внутри компьютера — отличить SATA от IDE не составит никакого труда.
- Для чего планируется использовать винчестер? Это основополагающий вопрос; он напрямую определяет сразу два важных параметра: ёмкость носителя и число оборотов магнитных пластинок вокруг своей оси в минуту. Если пользователь хочет запускать с жёсткого диска операционную систему и хранить на нём «рабочую» информацию, хватит объёма от 256 гигабайтов и скорости вращения от 7200 оборотов в минуту. «Вторичные» HDD, нужные для хранения и архивирования информации, должны в современных условиях обладать ёмкостью от терабайта, однако могут иметь меньшую скорость вращения, поскольку время задержки при обращении к ним не является критическим параметром. В целом же действует эмпирическое правило: чем больше, тем лучше — но и дороже; руководствуясь предложенным алгоритмом или игнорируя его, юзер заплатит за винчестер ровно столько, сколько готов отдать — и получит соответствующие результаты.
- В каких условиях будет эксплуатироваться НЖМД? Чем «агрессивнее» обстановка вокруг (с учётом пыли, вибрации, возможных ударов и перепадов напряжения), тем выше должен быть уровень защиты и тем дороже будет модель.
- Будет ли компьютер работать ночью? Жёсткие диски во время вращения издают характерное жужжание — для большинства неприметное, но на некоторых людей действующее раздражающе. Чтобы избежать излишней траты нервов, пользователю рекомендуется сразу выбрать HDD с повышенным уровнем шумоизоляции.
Важно: ориентироваться при выборе винчестера на наименование производителя давно не имеет смысла. Практически весь рынок занят тремя корпорациями: Toshiba, Seagate и Western Digital — в итоге и разброс цен, и разница в качестве продукции при других равных условиях минимальны.
Теперь, определившись с требуемыми параметрами жёсткого диска для компьютера, можно отправляться в магазин — и подобрать для себя оптимальный вариант, не забыв взять у продавца гарантийный талон.
