Накопитель на жёстких магнитных дисках

Схема устройства накопителя на жёстких магнитных дисках.

Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках, НЖМД, жёсткий диск, винче́стер (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD; в просторечии винт, хард, харддиск) — энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Название «Винчестер»

По одной из версий название «винчестер» накопитель получил благодаря фирме 1973 году выпустила жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30»^[1] предложил назвать этот диск «винчестером»^[2].

В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слов «винт» (наиболее употребимый вариант), «винч» и «веник».

Характеристики

Разобранный жёсткий диск Quantum fireball (модель 2001 года)

Интерфейс (англ. interface) — набор, состоящий из линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил обмена. Современные накопители могут использовать интерфейсы Serial ATA, SAS, FireWire, Fibre Channel.

Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 2000 Гб. (2 Тб) В отличие от принятой в информатике (случайно) системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину (кило=1024, мега=1 048 576 и т. д.; позже для этого были не очень успешно введены двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются кратные 1000 величины. Так, напр., «настоящая» ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 Гб», составляет 186,2 ГиБ.

[3]

Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension) — почти все современные (2001—2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках. Так же получили распространение форматы — 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в формфакторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа (англ. random access time) — время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик от 2,5 до 16 мс, как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс^[4]), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5^[5]).

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF). См. также: Технология SMART (S.M.A.R.T. (англ. Self Monitoring Analysing and Reporting Technology) — технология оценки состояния жёсткого диска встроенной аппаратурой самодиагностики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя).

Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп./сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии

 — важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate):

• Внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с
• Внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с

Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных (2008 год) HDD он обычно варьируется от 8 до 32 Мб.

Производители

Большая часть всех винчестеров производятся всего несколькими компаниями: Seagate, Western Digital, Samsung, а также ранее принадлежавшим Hitachi. Fujitsu продолжает выпускать жёсткие диски для ноутбуков и 2001 году. Maxtor. В 2006 году состоялось слияние Seagate и Maxtor. В середине 1990-х годов существовала компания Conner, которую купила Seagate. В первой половине 1990-х существовала ещё фирма Micropolice, производившая очень дорогие диски premium-класса. Но при выпуске первых в отрасли винчестеров на 7200 об/мин ею были использованы некачественные подшипники главного вала, поставленные фирмой Nidek, и Micropolice понесла фатальные убытки на возвратах, разорилась и была на корню куплена той же Seagate.

Устройство

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.

Гермозона

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.

Блок головок — пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с большим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (4200, 5400, 7200, 10 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных, как правило неодимовых, постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок.

Вопреки расхожему мнению, внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а так же при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр — пылеуловитель.

Низкоуровневое форматирование

На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются — на них формируются дорожки и секторы.

Ранние «винчестеры» (подобно дискетам) содержали одинаковое количество секторов на всех дорожках. На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в несколько зон. Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на каждой дорожке внешней зоны секторов больше, и чем зона ближе к центру, тем меньше секторов приходится на каждую дорожку зоны. Это позволяет добиться более равномерной плотности записи и, как следствие, увеличения ёмкости пластины без изменения технологии производства.

Границы зон и количество секторов на дорожку для каждой зоны хранятся в ПЗУ блока электроники.

Кроме того, в действительности на каждой дорожке есть дополнительные резервные секторы. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remaping). Конечно, данные, хранившиеся в нём, скорее всего, будут потеряны, но ёмкость диска не уменьшится. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая в процессе эксплуатации.

Таблицы переназначения секторов также хранятся в ПЗУ блока электроники.

Во время операций обращения к «винчестеру» блок электроники самостоятельно определяет, к какому физическому сектору следует обращаться и где он находится (с учётом зон и переназначений). Поэтому со стороны внешнего интерфейса «винчестер» выглядит однородным.

В связи с вышеизложенным существует очень живучая легенда о том, что корректировка таблиц переназначения и зон может увеличить ёмкость жёсткого диска. Для этого существует масса утилит, но на практике оказывается, что если прироста и удаётся добиться, то незначительного. Современные диски настолько дёшевы, что подобная корректировка не стоит потраченных на это ни сил, ни времени.

Блок электроники

В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управление шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood — максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнении принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

Технологии записи данных

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них, изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Метод параллельной записи

На данный момент это всё ещё самая распространенная технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи

Метод перпендикулярной записи — это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных образцов — 15-23 Гбит/см², в дальнейшем планируется довести плотность до 60—75 Гбит/см².

Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, но их плотность уже превышает 150 Гбит/см². Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носители до 7,75 Тбит/см².^[6] Широкого распространения данной технологии следует ожидать после 2010 года.

Сравнение интерфейсов

	Пропускная способность, Мбит/с	Максимальная длина кабеля, м	Требуется ли кабель питания	Количество накопителей на канал	Число проводников в кабеле	Другие особенности
Ultra	2	40/80	Controller+2Slave, горячая замена невозможна
FireWire/400	400	4,5 (при последовательном соединении до 72 м)	Да/Нет (зависит от типа интерфейса и накопителя)	63	4/6	устройства равноправны, горячая замена возможна
FireWire/800	800	4,5 (при последовательном соединении до 72 м)	Нет	63	4/6	устройства равноправны, горячая замена возможна
USB 2.0	480	5 (при последовательном соединении, через хабы, до 72 м)	Да/Нет (зависит от типа накопителя)	127	4	Host/Slave, горячая замена возможна
Ultra-320
SAS	3000	8	Да	Свыше 16384		горячая замена; возможно подключение
eSATA	2400	2	Да	1 (с умножителем портов до 15)	4	Host/Slave, горячая замена возможна

История прогресса накопителей

Примечания

См. также

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

Как выбрать внешний жесткий диск (2018) | Блог

«Памяти много не бывает» — истина, известная каждому владельцу компьютера, ноутбука или планшета. Рано или поздно, встроенный диск устройства оказывается набит «под завязку», причем исключительно нужными программами и данными, стереть что-то из которых просто невозможно.

Пора увеличивать дисковую память и неудивительно, что многие в первую очередь вспоминают о внешних жестких дисках – ведь это самый простой способ подключить к системе дополнительный жесткий диск, а в случае с многими планшетами – так и вовсе единственный.

Сегодня в продаже встречаются внешние жесткие диски двух видов – SSD и HDD.

SSD (Solid State Disk – Твердотельный диск) использует для хранения данных микросхемы flash-памяти. SSD являются, фактически, разновидностью USB flash накопителей, отличаясь от «флешек» габаритами, максимальным объемом, наличием кэш-памяти и высокими скоростными показателями.

HDD (Hard Disk Drive – Накопитель на жестком диске) хранит данные на дисках из ферромагнитного материала, запись и чтение производится с помощью блока головок. Поэтому скорости чтения-записи у жестких дисков в разы (а в некоторых случаях – в десятки раз) меньше, чем у SSD. Кроме того, HDD боятся сотрясений во время работы – зазор между головкой и вращающимся диском составляет всего около 0,1 мкм, касание же головкой диска может привести к потере данных и даже к выходу HDD из строя. Почему же HDD сохраняют популярность?

— HDD намного дешевле. Средний HDD почти в 10 раз дешевле аналогичного по емкости SSD.

— Максимальный объем HDD больше – в продаже можно найти HDD накопители объемом до 24 ТБ. У SSD предел скромнее – 2 ТБ.

— При частой перезаписи данных HDD проработает дольше – у SSD ограничено количество циклов записи. Использование SSD в качестве рабочего диска для часто меняющихся данных быстро выведет его из строя. У HDD такого недостатка нет.

Резюмируя, можно сказать, что если вам нужен мобильный и не боящийся ударов накопитель не слишком большого объема для хранения редко меняющихся данных (архивы, музыка, изображения, видеофайлы, базы данных) и вам важна скорость чтения с этого накопителя, то SSD подойдет лучше.

Если же вам нужен диск большого объема по минимальной цене, и вы готовы мириться с недостатками HDD, то осталось только разобраться в остальных его характеристиках и выбрать модель, наиболее вам подходящую.

Характеристки внешних жестких дисков

Объем – основной параметр любого накопителя, определяющий как его привлекательность, так и цену. «Аппетиты» современных программ постоянно растут, как и объемы видеофайлов и файлов с фотографиями, поэтому желание приобрести накопитель большого объема вполне понятно. С другой стороны внешние HDD большого объема стоят дороже иного компьютера. Где же «золотая середина»?

Как видно из графика, выгоднее всего покупать диски объема 4-8 ТБ – у них стоимость 1 ТБ объема будет самой низкой.

Форм-фактор.

Исторически сложилось, что жесткие диски для компьютеров и ноутбуков выпускаются в двух форм-факторах – 2,5″ – для ноутбуков и 3,5″ – для стационарных компьютеров.

А поскольку внешний жесткий диск – это обычный жесткий диск в отдельном корпусе, форм-факторы сохранились те же – 3,5″ и 2,5″. Диски форм-фактора 2,5″ компактнее и мобильнее, но максимальный объем их ограничен 5ТБ. Внешние HDD большего объема бывают либо в форм-факторе 3,5″, либо составные из нескольких HDD.

Вид накопителя.

Портативные внешние диски имеют небольшой размер и не требуют отдельного питания. Большинство портативных HDD выполнены в форм-факторе 2,5″. Портативный HDD удобно использовать в качестве мобильного накопителя для ноутбука или планшета.

Стационарные жесткие диски могут состоять из одного или нескольких HDD и достигать объема 24 ТБ. Стационарные накопители зачастую требуют отдельного питания, кроме того, их размеры и вес намного больше, чем у портативных. Такой жесткий диск лучше использовать в качестве внешнего накопителя для стационарного компьютера.

Скорость вращения шпинделя влияет на скорость чтения и записи данных с жесткого диска. Разница особенно сильно проявляется при записи и чтении больших нефрагментированных файлов, но и при работе с мелкими файлами скорость доступа к данным на более высокооборотистых HDD, как правило, выше. Это справедливо для сравнимых HDD одного производителя, к примеру, жесткие диски WD с частотой вращения шпинделя в 5400 rpm почти вдвое уступают по скорости чтения дискам того же производителя, но с частотой вращения 7200 rpm.

Сравнительный анализ скорости чтения 3х жестких дисков WesternDigital в различных режимах работы

Сравнивать по скорости вращения шпинделя разные жесткие диски разных производителей некорректно – скорость чтения/записи зависит не только от частоты вращения, но и от скорости позиционирования головок, от схемотехники контроллера жесткого диска и т.д.

Объем кэш-памяти.

Кэш-память предназначена для буферизации данных перед чтением и записью на диск, для хранения часто используемой информации (индексов, загрузочных записей, таблиц размещения файлов) или информации, которая может потребоваться в ближайшее время (например, содержимое секторов, ближайших к уже прочитанному). Наличие кэш-памяти значительно ускоряет работу с данными на жестком диске.

А вот объем кэш-памяти влияет на скорость работы незначительно – минимального для современных жестких дисков объема кэша в 8 МБ вполне достаточно для хранения служебной информации о диске, а для заметного ускорения работы за счет кэширования необходимо, чтобы объем кэша заметно превышал объем обрабатываемых файлов.

Поскольку размер в десятки мегабайт для современных файлов совсем не редкость, то проявляться эффект ускорения за счет кэширования будет нечасто. При работе с небольшими файлами разницу между объемом кэша в 8 МБ и в 64 МБ еще можно будет заметить, а вот между 32 и 64 уже вряд ли. При работе же с большими файлами размер кэша вообще не повлияет на скорость их считывания или записи.

Интерфейс подключения.

— USB 2.0 на сегодняшний день считается уже устаревшим. Его максимальная пропускная способность составляет 480 Мб/с (т.е. 60 Мбайт/с), а скорости чтения/записи на современных HDD зачастую превышают 100 Мбайт/с. Впрочем, такую скорость жесткие диски выдают только при чтении или записи больших нефрагментированных файлов, при обычной работе скорость будет в разы меньше. Но если вы часто копируете на внешний диск и обратно большие файлы (например, фильмы) и хотите, чтобы процесс шел побыстрее, то лучше предпочесть накопитель с более скоростным интерфейсом.

— USB 3.0 имеет максимальную скорость передачи данных 5 Гб/с, чего вполне достаточно для любого жесткого диска. С учетом распространенности этого интерфейса его можно считать оптимальным для внешних жестких дисков на сегодняшний день, тем более что обратная совместимость интерфейса USB позволяет подключать устройства USB 3.0 к старым компьютерам, не имеющим USB 3.0 портов (разумеется, со снижением скорости до стандартов 2.0). Но следует иметь в виду, что сила тока в разъеме USB 3.0 может быть почти в два раза выше, чем у 2.0, и многие USB 3.0 устройства рассчитаны именно на повышенный ток. И в этом случае устройство просто не заработает, будучи подключено к разъему USB 2.0. Проблемы не возникнет, если у жесткого диска есть отдельное питание, но такой накопитель скорее всего не получится использовать в отрыве от розетки.

Впрочем, есть способ без отдельного питания подключить внешнее устройство, потребляющее 950 мА, к разъему USB 2.0, выдающему максимум 500 мА — это раздвоенный интерфейсный кабель. Один из разъемов служит и для питания и для обмена данными, а второй — только для добора недостающего питания.

Нельзя забывать, что повышенное энергопотребление USB 3.0 устройств ведет к сокращению срока автономной работы ноутбуков и планшетов. С USB 2.0 устройством розетка потребуется не так быстро.

— USB 3.1 имеет максимальную скорость в 10Гб/с, что для жестких дисков является даже излишним, поэтому гнаться за поддержкой именно этого интерфейса не стоит – жесткий диск все равно не сможет обеспечить скорость передачи данных, при которой будет важна поддержка именно USB 3.1. Обратная совместимость работает и с этим интерфейсом, USB 3.1 устройство можно подключать к разъемам USB 3.0 и USB 2.0 – но только в том случае, если интерфейсный кабель снабжен разъемом Standard-A (Type-A). Многие внешние жесткие диски с этим интерфейсом комплектуются переходником, позволяющим подключать их к любому типу разъема. Более практичный вариант – универсальный интерфейсный кабель с двумя разъемами или с разъемом-трансформером.

Но при подключении к старым разъемам опять могут возникнуть проблемы с питанием — стандарт USB 3.1 может выдавать ток силой до 3 А и напряжением до 20 В. Если устройство рассчитано на повышенное напряжение и/или ток, на старых разъемах оно работать не будет, и даже раздвоенный кабель уже может не помочь. Если вы планируете подключать внешний жесткий диск к старым компьютерам, не имеющим даже USB 3.0 разъемов, то перед покупкой следует обязательно убедиться, что устройство будет работать на разъеме USB 2.0 — уверений продавца об «обратной совместимости USB» тут явно недостаточно.

— Thunderbolt применяется только на компьютерах Apple, поэтому внешний жесткий диск с поддержкой этого интерфейса будет интересен в первую очередь владельцам MacBook-ов и iMac-ов. Впрочем, чтобы не терять остальных покупателей, большинство производителей устройств с поддержкой thunderbolt снабжают их также поддержкой USB 3.0/3.1

-Firewire (IEEE 1394) – стандарт, разработанный фирмой Apple в 1995г, обеспечивал скорость до 400Мб/с, чем – на тот момент – значительно превосходил другие существующие стандарты. В конце 90-х годов стандарт считался наиболее перспективным, но лицензионная политика Apple и слабая совместимость между различными версиями стандарта привели к тому, что на сегодняшний день он уже почти не применяется, повсеместно уступив стандарту USB 3.0/3.1

Защита от внешнего воздействия – немаловажная для всех для внешних накопителей характеристика в случае жестких дисков становится еще более востребованной. Если вы подбираете внешний жесткий диск для ноутбука или планшета и собираетесь эксплуатировать его в самых различных условиях, озаботьтесь наличием на жестком диске защиты от ударов или, хотя бы, чтобы он был в резиновом или силиконовом корпусе. Для работы на открытом воздухе или в производственных помещениях не повредит наличие защиты от пыли и влаги.

Варианты выбора внешних жестких дисков

Если вам нужен внешний жесткий диск по минимальной цене, имейте в виду, что [url=»https://www.dns-shop.ru/catalog/17a8ad6e16404e77/vneshnie-zhestkie-diski/?p=1&mode=list&f=28nq]накопители объемом в 500Гб имеют самую большую стоимость единицы объема среди всех внешних жестких дисков. Лучше с минимальной доплатой приобрести [url=»https://www.dns-shop.ru/catalog/17a8ad6e16404e77/vneshnie-zhestkie-diski/?p=1&mode=list&f=28nv-28nx-28ny]диск объемом от 1 ТБ.

Если вы желаете получить максимум объема за минимум денег, выбирайте среди [url=»https://www.dns-shop.ru/catalog/17a8ad6e16404e77/vneshnie-zhestkie-diski/?p=1&mode=list&f=28o4-28o8-28o6-28o9]внешних жестких дисков объема 4-8 ТБ – в этом диапазоне стоимость 1 ТБ самая низкая.

Если вам важна скорость обмена данных с накопителем, выбирайте среди внешних жестких дисков с частотой вращения шпинделя 7200 rpm

Если вы хотите надолго забыть о недостатке места, выбирайте среди [url=»https://www.dns-shop.ru/catalog/17a8ad6e16404e77/vneshnie-zhestkie-diski/?p=1&mode=list&f=28o9-fpvk]жестких дисков большого объема – 8-10 ТБ.

Если вы собираетесь использовать накопитель в не самых благоприятных условиях и опасаетесь за его сохранность, выбирайте [url=»https://www.dns-shop.ru/catalog/17a8ad6e16404e77/vneshnie-zhestkie-diski/?p=1&mode=list&f=28pt-9dlg&f=28m6-9a6h-28m5]модели в корпусе из резины или силикона и с защитой от внешних воздействий.

club.dns-shop.ru

Накопители на жёстких дисках

Подробности

Родительская категория: Накопители на жестких дисках

Категория: Принципы работы накопителей на жестких дисках

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с концентрических окружностей вращающихся магнитных дисков (дорожек), разбитых на секторы емкостью 512 байт (см. рисунок).

В накопителях обычно устанавливается несколько дисковых пластин и данные записываются на обеих сторонах каждой из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (см. рисунок ниже). Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или приводе. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга, т.е. двигаются только синхронно.

Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения даже в большинстве первых моделей составляла 3600 об/мин (т.е. в 10 раз больше, чем в накопителе на гибких дисках) и до последнего времени была почти стандартом для жестких дисков. Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла. Несмотря на то что скорость вращения может изменяться, современные устройства раскручивают пластины до 4200, 5400, 7200, 10000 и даже 15000 об/мин. Некоторые диски малых формфакторов с целью экономии электроэнергии раскручиваются всего до 4200 об/мин, в то время как высокоскоростные можно встретить в основном в рабочих станциях и серверах, где повышенная цена, а также дополнительный шум и тепловыделение не играют решающей роли. Высокая скорость вращения в сочетании со скоростным механизмом подачи головок и большим количеством секторов на дорожке — вот главные факторы, определяющие общую производительность жесткого диска.

При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка “столкнется” с диском, вращающимся “на полном ходу”. Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные “взлеты” и “приземления” головок, а также более серьезные потрясения.

В некоторых современных накопителях вместо конструкции CSS (Contact Start Stop) используется механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам входить в контакт с жесткими дисками даже при отключении питания накопителя. Этот механизм впервые был использован в 2,5-дюймовых накопителях портативных компьютеров, для которых устойчивость к механическим воздействиям играет весьма важную роль. В механизме загрузки/разгрузки используется наклонная панель, расположенная непосредственно над внешней поверхностью жесткого диска. Когда накопитель выключен или находится в режиме экономии потребляемой мощности, головки съезжают на эту панель. При подаче электроэнергии головки разблокируются только тогда, когда скорость вращения жестких дисков достигнет нужной величины. Поток воздуха, создаваемый при вращении дисков (аэростатический подшипник), позволяет избежать возможного контакта между головкой и поверхностью жесткого диска.

Поскольку пакеты магнитных дисков содержатся в плотно закрытых корпусах и их ремонт не предусмотрен, плотность дорожек на них очень высока — до 96000 и более на дюйм (Hitachi Travelstar 80GH). Блоки HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков) собирают в специальных цехах в условиях практически полной стерильности. Обслуживанием HDA занимаются считанные фирмы, поэтому ремонт или замена каких-либо деталей внутри герметичного блока HDA обходится очень дорого. Вам придется смириться с мыслью, что рано или поздно накопитель выйдет из строя, и вопрос только в том, когда это произойдет и успеете ли вы сохранить свои данные.

Внимание!

Вскрывать накопитель на жестких дисках в домашних условиях не рекомендуется. Некоторые производители накопителей конструктивно выполняют их таким образом, что при вскрытии обрывается защитная лента. Самостоятельно вскрыв накопитель, вы тем самым разрываете эту защитную ленту и лишаетесь гарантийных обязательств производителя.

Многие пользователи считают накопители на жестких дисках самыми хрупкими и ненадежными узлами компьютеров, и, вообще говоря, они правы. Однако во время проводимых мною семинаров по аппаратному обеспечению компьютеров и проблемам восстановления данных накопители практически постоянно работали со снятыми крышками. Иногда приходилось даже снимать и устанавливать на место крышки работающих накопителей, и несмотря на это они по сей день продолжают успешно работать и с крышками, и без них. Разумеется, я не советую вам делать то же самое со своими устройствами.

perscom.ru

Накопитель на жестком диске

3. Внешние запоминающие устройства: классификация, принципы работы, основные характеристики

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) или, как его чаще назы­ва­ют, Винчестер или Хард-диск (Hard Disk — Жесткий диск), является важнейшим устройством долговременного хранения данных на компьютере. Винчестеры ( возможно была аналогия с номером винтовки, популярной в США, либо это по имени города Винчестер в Англии, где в лаборатории IBM впервые бы­ла разработана технология изготовле­ния плавающей головки для жестких дис­ков) мо­гут также назы­ваться HDD — Hard Disk Drive (Дисковод жесткого диска).

Винчестер представляет собой один или несколько жестких (алюминиевых, ке­рамиче­ских или стеклянных) дисков, покрытых маг­нитным материалом, которые вместе с го­лов­ками чтения-записи, электроникой и приводом, осуществляющим враще­ние дисков и позиционирование головок, заключены в нераз­борный герметичный корпус. Укрепленные на шпинделе электродвига­теля диски вращаются с высокой скоро­стью, а информация читается/записывается магнитными головками, количество кото­рых соот­ветствует количеству поверхностей, используемых для хранения информации. Объем диска характеризуется па­раметром «количество цилинд­ров». Цилиндр образуют дорожки всех поверхностей диска, распо­ложенных одна под другой, т.е. на одинаковом расстоянии от центра диска.

Головки объединены в блок головок и могут перемещаться одновременно от края диска, т.е. от цилиндра с номером 0, к его центру до цилиндра с максимальным номе­ром. Дорожки разбиты на сектора, в каждом из ко­торых хранится 512 бай­тов данных. Адрес блока данных на жестком диске определяется номе­ром цилиндра, номером дорожки и номером сектора.

Для пользователя основной характеристикой жесткого диска является его ем­кость, которая измеряется в мегабайтах (1 Мбайт = 2²⁰ = J 048 576 байт) или гига­байтах (1 Гбайт = 1 073 741 824 байта). Каким бы боль­шим по объему ни казался винчестер, он переполняется на удивление бы­стро: современные про­граммы нередко требуют для установки нескольких сотен мегабайт сво­бодного места на винче­стере. Это операционные системы, интегрированные средства разработки программного обеспечения, мультимедийные системы и др. Винчестер подключается к контроллеру диска, который выполняет всю работу по обме­ну данными между компьютером и диском.

Протокол обмена данными между контроллером и диском называют еще интер­фейсом контроллера диска или просто интерфейсом диска. Чтобы диск и контроллер могли работать друг с другом, они должны поддерживать один и тот же протокол (тип интерфейса). В современ­ных дисках и контроллерах используются чаще всего интер­фейсы IDE (ATA) и SCSI. В по­следнее время стали появляться диски с интерфейсом Se­rial ATA (SATA).

Дня интерфейса IDE (Integrated Drive Electronics — Электроника, встроенная в при­вод) существует несколько модификаций: обычный IDE, EIDE, АТА-3, Ultra DMA-33, Ul­tra DMA-бб, Ultra DMA-100 и Ultra DMA-133. Интерфейс IDE называют еще ATA (AT Attach­ment — Под­ключаемый к AT), а интерфейс Ultra DMA — UltraATA, поскольку диск подклю­чается непосред­ственно к разъему, расположенному на материнской плате. В смысловом отношении АТА и IDE — синонимы.

В модификации АТА-3 увеличена надежность работы в скоростных режимах пе­редачи данных, и введена технология SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Tech­nology -Тех­нология самотестирования и анализа), позволяющая устройствам сообщать о своих неисправ­ностях. В стандарте Ultra DMA-33 скорость передачи данных составляет 33 Мбайт/с, а также обеспечивается контроль правильности передаваемых данных. В интерфейсе Ultra DMA—66 скорость передачи данных повышена уже до 66,6 Мбайт/с. Стандарты Ultra DMA-100 и Ultra DMA-133 обеспечивают скорость передачи данных 100 Мбайт/с и 133 Мбайт/с соответственно.

Скорость работы современных винчестеров зависит в основном от особенно­стей реали­зации интерфейса в системных чипсетах и от пропускной способности внешних шин.

Скорость же внутренней передачи данных у всех жестких дисков примерно оди­накова. Максимальная скорость передачи в режиме PI04 составляет 16,6 Мбайт в се­кунду, а в режиме MW3 DMA по протоколу Ultra DMA-100 -до 100 Мбайт в секунду.

Емкость современных винчестеров постоянно увеличивается за счет повышения плотно­сти записи на каждом диске и совершенствования конструкции винчестеров. В настоя­щее время плотность записи составляет около 75 гигабит на квадратный дюйм, т.е на одну пла­стину 3,5″ жесткого диска помешается 100 Гбайт информации, на пла­стину 2,5″ диска поме­щается 40 Гбайт и на пластину 1,8″ диска помещается 20 Гбайт информации. Созданная по новой технологии CPP—GMR (Current Perpendicular to Plane — Giant Mag­neto—Resistive — Сверх­магниторезистивная головка с перпендикулярной запи­сью) магнит­ная головка для жестких дисков обеспечивает запись и считывание инфор­мации с плот­ностью до 300 гигабит на квад­ратный дюйм. Таким образом емкость 2,5-дюймового диска с одной пластиной может достигать 15O Гбайт. В жестких дисках с интерфейсом IDE обычно используют 1-5 пластин, с интер­фейсом SCSI — до 10.

Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени поиска. Стандартным значением частоты вращения для современных жестких дисков с ин­терфейсом IDE считается значение 5400 оборотов в минуту {среднее время поиска 9-10 мс), с интерфейсом SCSI — 7200 оборотов в минуту (среднее время поиска 7-8 мс). Изделия более высокого уровня имеют частоты вращения соответственно 7200 и 10000 оборотов в минуту (среднее время поиска 5-6 мс). Для интерфейса SCSI появи­лись диски с частотами вращения 12000 оборотов в минуту. Каждая «ступенька» при­роста скорости обеспечивает увеличение общей производительности примерно на 25%. Устройства с высокими частотами вращения (10000 об/мин и более) требуют специаль­ных мер по охлаждению, вплоть до установки от­дельных вентиляторов.

Во всех современных дисковых накопителях устанавливается буферная кэш-па­мять, ус­коряющая обмен данными; чем больше ее емкость, тем выше вероятность того, что в кэш-памяти будет необходимая информация, которую не надо считывать с диска (этот процесс в тысячи раз медленней). Емкость кэш-буфера в разных устройствах мо­жет изменяться в грани­цах от 64 Кбайт до 8 Мбайт.

Очень важной характеристикой жесткого диска является надежность. Обычным показа­телем для дисков с интерфейсом IDE считается наработка на отказ 300 000-500 000 часов, с интерфейсом SCSI — до 1 000 000 часов. Этот параметр чисто статистиче­ский. Для конкрет­ного экземпляра он означает, что за период в 1000 часов его работы вероят­ность выхода из строя составит 0,5% (при показателе наработки на отказ 500 000 часов).

Для повышения надежности большинство производителей применяют в жестких дисках различные вариации технологии SMART (Self—Monitoring Analysis and Reporting Technol­ogy — Технология самотестирования и анализа). Обычно предусматривается ав­томатиче­ская проверка целостности данных, состояния поверхности пластин, перенос информа­ции с критических участков на нормальные и другие операции без участия пользователя. В случае нарастания фатальных ошибок SMART своевременно выдаст со­общение о необходимости принятия срочных мер по спасению данных.

Па­раметр среднее время поиска, которое измеряется в миллисекундах — это величина, примерно равная времени, необходимому для перемещения головки чтения/записи от сред­ней дорожки на первую или последнюю дорожку.

studfile.net

Накопители на жестких магнитных дисках — устройство и основные низкоуровневые характеристики

Некогда простому пользователю компьютера следовало досконально разбираться в его устройстве, языках программирования и прочих, не относящихся напрямую к его непосредственной деятельности, вещах. Просто потому, что первые компьютеры выпускались «голыми» — без какого-либо программного обеспечения. Хочешь работать с компьютером? Учись разговаривать на его «языке». Либо общайся через посредника.

Позднее компьютерная техника развивалась по тому же сценарию, что и вся остальная — в эту область пришло разделение труда. Во-первых, произошло разделение на собственно пользователей, которые применяли для решения своих задач не компьютеры как таковые, а пакеты специализированных прикладных программ, и программистов, которые эти самые программы и писали. Последние тоже быстро разделились на системных и прикладных. Первые по-прежнему должны были разбираться в «железе» досконально, ведь их работой было написание операционных систем и прочих приложений «низкого уровня», в частности — сред для разработки программ. А вторые уже не привязывались сильно к аппаратуре, используя труд первых. Их задачей была разработка прикладных программ, отвечающих потребностям пользователей.

К моменту появления первых персональных компьютеров вся эта многоуровневая система в общем виде уже была выстроена. Но были и свои особенности. В частности, «прослойка» в виде ОС была слишком уж тонкой — писать более-менее сложные прикладные программы, не обращаясь непосредственно к аппаратуре, не получалось. Да и не так много на тот момент было прикладных программ, причем «сложность» их с точки зрения сегодняшнего дня была невысокой, так что иногда пользователю приходилось становиться самому программистом и писать для себя необходимый софт. Впрочем, первое время многих это вполне устраивало (немалое количество персоналок покупали тогда настоящие энтузиасты компьютерной техники), но свой отпечаток на ситуацию на рынке накладывало. Недаром многие руководства пользователя MS DOS начинались с описания команд системы, а заканчивались примерами применения недокументированных прерываний 🙂

С тех беспечальных времен утекло уже немало воды. Многие современные пользователи не знают даже о всех возможностях постоянно используемых ими приложений. Чего уж там говорить об устройстве операционной системы или особенностях упрятанной в системный блок аппаратуры! С одной стороны, это не может не радовать — не знают, поскольку нет необходимости это знать. Люди сейчас просто играют в игры, смотрят фильмы, слушают музыку, переписываются с друзьями по всему земному шару, причем сразу после покупки и установки компьютера на рабочий стол, а не после того, как изучат программирование и архитектуру ЭВМ и сами напишут все необходимые программы.

С другой же стороны, подобная ситуация неминуемо приводит к ряду проблем, как только начинают решаться вопросы более сложные, нежели запуск приложения. В частности, компьютеры пока еще бесплатно не раздаются. А разные модели имеют разные возможности, производительность и цену. И как сделать правильный выбор, чтобы потом о нем не жалеть? Это с электрическими чайниками все просто — лишь три критичных параметра: емкость, мощность и дизайн. Причем все три просты и понятны на бытовом уроне. Последний можно оценить визуально, емкость говорит о том, сколько чая вы можете приготовить за одну операцию, а мощность — сколько времени на это потребуется. С компьютерами же пока все сложнее, благо их функциональность выше. Так что и производительность не есть что-то строго заданное, она определяется решаемыми задачами. Идеальная игровая станция может оказаться не лучшим выбором для видеомонтажа, а хороший компьютер для обработки видео избыточен для «офисных задач» и т. п. Поэтому нередко приходится оценивать не компьютеры в целом, а их компоненты. Следовательно, нужно хотя бы знать, какие 😉 Еще лучше, когда известны принципы их работы — это позволяет быстро, пусть и грубо, оценить и скоростные (и не только скоростные) параметры. Например, это верно для жестких дисков: человек, который понимает их устройство, не удивляется тому, что модели для ноутбуков медленнее и меньше по емкости, нежели настольные.

В общем, знать устройство компьютера и принципы работы его компонентов и сейчас временами полезно. К сожалению, количество подобной информации в свободном доступе за последние годы уменьшилось — это лет 20 назад каждое «пособие для начинающих» включало в себя описания того, как все это устроено и работает, сегодня же авторы обычно считают, что человек это либо уже знает, либо ему это не интересно. Откуда же должны браться базовые знания? Вопрос остается открытым. Поэтому мы постараемся на него ответить. По крайней мере, в отношении таких важных устройств, как накопители на жестких магнитных дисках. Итак, сегодня вашему вниманию предлагается статья из серии «Как это работает?», из которой желающие смогут узнать, как устроены винчестеры с точки зрения физики и как это сказывается на их быстродействии. Поскольку статья предназначена для начинающих, не стоит писать потом гневных писем по поводу того, что информация изложена поверхностно и не учтен ряд тонких нюансов — с ними мы со временем попробуем разобраться, ну а пока займемся фундаментом.

НЖМД с точки зрения механики

Как бы ни были громоздки и тяжеловесны канцеляризмы эпохи 70-х, но зачастую они понятнее и точнее, нежели более простые заимствованные термины. Действительно: сколько информации несет в себе слово «винчестер»? Близко к нулю — современные пользователи в основной своей массе даже не знают, почему за жесткими дисками закрепилось это название. А вот напишешь «НЖМД» — и сразу можно о многом задуматься, просто расшифровав аббревиатуру. Итак, наши сегодняшние герои — Накопители на Жестких Магнитных Дисках.

С первым словом все понятно: термином «накопитель» обозначаются практически все устройства хранения информации в случае их самодостаточности, либо этот термин относят к приводу (для сменных носителей). Винчестеры и USB-флэшдрайвы принадлежат к первой категории — они включают в себя и носитель информации, и всю логику работы с ним, в отличие от, например, оптических дисководов или картоводов, где носитель сменный, причем это принципиальное его качество. Со вторым словом тоже вроде все понятно: бывают и накопители на гибких дисках — в просторечии, тот самый дисковод, который ныне уже стал редкостью, но 20-30 лет назад был весьма важным, а то и (в персональных компьютерах) вообще единственным устройством хранения данных. Некоторые принципы хранения данных на гибких и жестких дисках одинаковы, однако между соответствующими устройствами есть и принципиальные различия, в результате чего и пришлось в свое время жестко разграничить эти накопители.

Теперь о дисках. Такая форма носителя информации принята не случайно — круглый диск является фигурой вращения. Причем, опять же, замечу, что диски — не единственный возможный вариант: в свое время активно применялись и накопители на магнитных барабанах. А вот накопителей на «магнитных квадратах» или треугольниках доселе не встречалось (хотя сейчас над ними уже работают, но они и по принципу функционирования совершенно не похожи на привычные накопители) 🙂 Почему так — мы поговорим чуть позднее. Пока же на будущее запомним, что рабочим телом в винчестерах являются диски. Обычно даже не один, а несколько, насаженных на одну ось и формирующих пакет жестких дисков.

Отсюда сразу вытекают несколько низкоуровневых физических параметров накопителя: диаметр дисков, их количество и угловая скорость вращения. Первые два ограничены сверху требованиями форм-фактора накопителя, да и третий на них сильно завязан. Все дело в наличии силы трения, победить которую полностью — невозможно. Соответственно, чем больше дисков в пакете и/или больше их диаметр, тем пакет тяжелее, а значит (при фиксированной скорости вращения), тем бо́льшую мощность должен иметь электродвигатель, который всю эту конструкцию «разгоняет» до рабочего режима и в нем поддерживает. Это первое ограничение, причем достаточно серьезное: количество энергии нередко достаточно жестко лимитировано. Вторым фактором является то, что сложность изготовления конструкции из быстровращающихся дисков большого диаметра растет в геометрической прогрессии по мере увеличения диаметра и количества дисков. Дело в том, что в реальном мире диски не являются идеально тонкими и ровными, так что следует учитывать разные досадные побочные явления, сопутствующие вращению. Такие, как, например, биения краев в вертикальной плоскости, тем бо́льшие, чем больше диаметр диска. Разумеется, усовершенствование технических процессов изготовления пластин позволяет ослабить воздействие этих факторов, но происходит это достаточно медленно.

Магнитный слой

Возвращаемся к аббревиатуре и вспоминаем, что у нас вращаются не просто какие-то там абстрактные диски, а магнитные, т. е. имеющие покрытие с определенными магнитными свойствами. Именно благодаря ему диски и способны хранить информацию. На первом уровне абстракции можно принять, что каждый микроскопический участок определенной площади (о чем чуть позже) хранит ровно один бит данных. Соответственно, его можно считать или записать.

Магнитное покрытие также имеет свои характеристики. Во-первых, это его площадь нанесения, которая несколько меньше, нежели весь диск. Использовать области у самых краев обычно чревато последствиями из-за особенностей технологии изготовления — не получается в этих областях нанести покрытие идеально. То же самое можно сказать и о центре. Соответственно, вся рабочая область заключена между двумя числами — минимальным и максимальным радиусом, первый из которых строго больше нуля, а второй — строго меньше радиуса самого диска. И вторым важнейшим параметром является плотность записи, т. е. величина, обратная площади, потребной на хранение единицы информации. На практике же этим значением пользуются не часто, оперируя величинами продольной и поперечной плотностей записи, что связано с механикой работы самого накопителя. Изучим этот вопрос поподробнее.

Головки, дорожки, сектора

Несмотря на то что для хранения информации используется почти вся поверхность диска, в каждый момент времени мы можем работать лишь с небольшой ее частью (иначе не нужно было бы и с вращением огород городить). Для чтения или записи данных используется магнитная головка (по одной на каждую используемую сторону дисков в пакете), летящая над поверхностью диска на небольшой высоте. Соответственно, за один оборот диска под ней проходит целая концентрическая дорожка, а для доступа к соседним областям головку необходимо смещать к центру или в обратном направлении. Совокупность всех дорожек, расположенных на равном расстоянии от центра на разных дисках, кстати, именуется цилиндром. Каждая дорожка имеет отличную от нуля ширину, так что на диске помещается конечное их количество. Сколько? Зависит от ширины рабочего слоя (которая, в свою очередь, определяется в основном диаметром диска) и от поперечной плотности записи. Ну или наоборот: поперечная плотность записи — это показатель того, сколько дорожек мы можем разместить в одном дюйме при текущем уровне технологии производства дисков и головок. Обычно определяющим является второе — резкое увеличение поперечной плотности связано с внедрением новых технологий производства магнитных головок, позволяющих им оперировать с дорожками меньшей ширины. Происходит такое, к сожалению, достаточно редко, зато сразу же существенно увеличивает емкость дисков.

Продольная же плотность записи показывает, сколько бит информации можно вместить на один дюйм длины окружности, которую собой представляет дорожка, рассматриваемая в качестве математической абстракции. Эта характеристика тоже зависит от уровня технологии производства дисков и головок, однако менее подвержена скачкообразным  изменениям, поскольку при одной и той же технологии производства головок может быть увеличена за счет улучшения характеристик магнитного покрытия (либо переход на новую технологию, либо улучшение текущей). Правда, несмотря на то что продольная плотность измеряется в битах на дюйм, на самом деле с отдельными битами на дисках не работают — слишком уж мелкая величина. И с байтами, обычно, тоже. Разве что в очень-очень старых компьютерах емкость запоминающих устройств была столь небольшой, что процессору удавалось адресовать не только каждый байт оперативной памяти, но и каждый байт на магнитных барабанах (диски тогда еще не применялись), поэтому иерархическая система памяти не требовалась — она вся могла считаться оперативной.

Однако к моменту появления первых персональных компьютеров емкость дисковых накопителей стала уже слишком большой, чтобы адресовать напрямую каждый байт, так что они окончательно стали устройствами с так называемым блочным доступом: минимальной единицей информации, которую можно считать с диска или записать на него, является блок или сектор. Типичный его размер для IBM PC и последователей составляет, кстати, 512 байт. Хотя изначально допустимы были и другие значения, но стандартными они не стали, так что масса программного обеспечения просто неспособна работать с секторами, отличными от указанного выше размера. Только сейчас некоторые производители жестких дисков начали применять увеличенные в восемь раз секторы (по 4К байт, соответственно), однако этот процесс находится лишь в начальной стадии.

В любом случае, на дорожке должно помещаться целое количество секторов. Причем крайне желательно, чтобы на соседних дорожках количество секторов было одинаковым. В случае дискет или первых винчестеров так и вовсе — считалось, что все дорожки содержат одинаковое количество секторов. Так что фактическая продольная плотность записи весьма быстро возрастала от окраин к центру, вместе с уменьшением длины дорожек. Причем максимальное ее значение ограничивалось технологией, так что, по сути, бо́льшая часть площади внешних дорожек расходовалась нерационально. Впрочем, пока дорожек было мало (на дискетах, например, их количество равно 40 или 80), с этим можно было мириться, а вот с ростом поперечной плотности записи такие потери становились все более и более существенными. Некоторое время с ними ничего не могли поделать, поскольку системное программное обеспечение было рассчитано на постоянное количество секторов на дорожке, однако по мере совершенствования дисковых интерфейсов и переноса большей части электроники непосредственно в накопитель реальную физическую структуру последнего от программ удалось спрятать.

Программы продолжали считать, что на диске количество секторов на дорожку является постоянной величиной, но на деле одинаковым оно осталось лишь в пределе ограниченной полосы из нескольких десятков дорожек, зато таковых зон стало несколько. Конечно, определенные потери дискового пространства есть и при данном методе, поскольку реальная и технологическая плотности записи обязаны совпадать на внутренних дорожках каждой зоны, а на внешних первая быстро становится меньше второй, так что часть информации, которую физически можно было бы разместить на диске, просто «не помещается». Однако потери эти много меньше, чем при наличии всего одной зоны. Ну а по сложности реализации данный метод лишь немногим сложнее «однозонного» и куда проще подхода, при котором количество секторов было бы различным на всех дорожках.

В общем, к чему все это? К тому, что из-за блочной организации дискового пространства с точки зрения операционных систем и прочего программного обеспечения теоретическая продольная плотность записи (обычно указываемая для всего жесткого диска) на практике недостижима. Точнее, достижима она лишь для нескольких дорожек — внутренних в каждой зоне, а на внешних реальная плотность записи ниже теоретической. Впрочем, благодаря зонной организации, отличается она не так уж и сильно, так что для наших целей можно считать и продольную, и поперечную плотность записи постоянными характеристиками НЖМД. Но очень слабо зависящими от производителя — как мы увидим далее, для всех потребительских характеристик накопителя желательно, чтобы плотность записи (в обоих направлениях) была бы максимальной. Именно поэтому о плотности записи вспоминают лишь тогда, когда при смене линеек накопителей производителю удается ее увеличить. А искусственно ее занижать (по сравнению с технологически возможной) просто невыгодно. Вот и не занижают.

Теперь же, разобравшись более-менее с низкоуровневыми характеристиками винчестеров, поднимемся на уровень выше — к тем параметрам, которые нужны нам, как пользователям, на практике.

Емкость

Начнем с самого простого, а для многих — основного и чуть ли не единственного параметра. Действительно: приступая к выбору винчестера, большинство сначала определяется с его емкостью, а потом уже (если есть желание) начинает выбирать конкретную модель из нескольких равных по объему. Кроме того, начинать с этого параметра удобно потому, что он достаточно прост 🙂

Действительно, чему равна емкость НЖМД? Количеству жестких дисков (точнее, рабочих поверхностей — не у каждого диска используются обе стороны из-за ограничений по высоте накопителя, но нам сейчас это не совсем важно), умноженному на емкость каждого из них. А емкость одной рабочей поверхности (одной стороны диска) равна его площади, умноженной на плотность записи. Площадь же круга (опять же — мы помним, что у нас, скорее, кольцо, поскольку внутренние и внешние области не используются, однако их размеры обычно постоянны, так что можно и упростить картину для ясности) пропорциональна квадрату его диаметра. Таким образом, увеличивая диаметр дисков и их количество в пакете при сохранении плотности записи, мы очень быстро увеличиваем емкость накопителя, причем диаметр более важен: количество дисков дает лишь линейный рост емкости, а диаметр — квадратичный. А при равных количестве и диаметре дисков подобный же эффект дает увеличение плотности записи. В общем, для получения максимальной емкости увеличивать нужно все, кроме скорости вращения — она ни малейшего влияния не оказывает.

Энергопотребление

Почему мы ставим эту характеристику на второе место — выше производительности? Мода сейчас такая — на энергоэффективность. Во-первых. Во-вторых же, в фаворе ныне и портативные компьютеры, которые по объемам продаж уже обогнали стационарных, а там экономия энергии не прихоть, а насущная необходимость — многие готовы ради лишнего часа автономной работы пожертвовать и половиной производительности.

Итак, что же влияет на потребление энергии? Очевидно, что плотность записи на нее не влияет. А вот все механические характеристики дисков влияют, причем отрицательным образом. Действительно — работа силы трения тем выше, чем выше скорость вращения, следовательно, низкооборотистые диски будут всегда экономичнее высокооборотистых. Причем при одинаковой скорости вращения требуется тем более мощный электродвигатель, чем тяжелее пакет дисков. А последний тем тяжелее (при прочих равных), чем больше в нем дисков и чем больше их диаметр. Таким образом, для максимальной экономии энергии нужно уменьшать диаметр дисков, их количество и скорость их вращения.

Заметим, что выше описан, так сказать, экстенсивный (т. е. чисто количественный) способ экономии энергии. Кроме него есть и интенсивный — развивать технологии. Например, если мы освоим новый материал для производства дисков, который позволит сделать их более легкими, то при том же диаметре и количестве дисков уменьшится масса всего пакета, а следовательно, и сила трения, и потребляемая на ее преодоление мощность. Аналогичного эффекта можно добиться, применив улучшенные подшипники в системе подвеса дисков. Улучшение технологии магнитных головок позволяет им работать с меньшими областями намагничивания и обходиться в работе меньшими токами, а это тоже благотворно влияет на энергопотребление. В общем, есть масса безусловно полезных способов борьбы с излишним потреблением энергии, которыми пользуются все производители. Но очень часто бывает так, что все технологические ухищрения уже применены, а достигнутого уровня экономии все равно недостаточно. В этом случае не остается ничего иного, кроме как использовать экстенсивные методы.

Скорость выполнения последовательных операций

И вот, наконец-то, мы добрались и до производительности. Начнем с линейных операций, благо многие до сих пор считают скорость копирования файлов мерилом производительности винчестеров. В общем случае это абсолютно неправильно, хотя… если основная и единственная задача накопителя — служить хранилищем видеотеки, то, действительно, последовательные операции наиболее важны: мы работаем с большими файлами, причем читаем или записываем их исключительно последовательно от начала к концу.

Как рассчитать предельную скорость линейных операций? Очень просто — она тем выше, чем большее количество битов информации проходит мимо магнитной головки за единицу времени. Соответственно, очень важное значение имеет последовательная плотность записи — чем она выше, тем больше скорость. Вторым же компонентом в этом произведении является обычная «физическая» скорость движения диска относительно головки, разная для каждой дорожки, поскольку при постоянной угловой скорости вращения диска линейная зависит от радиуса дорожки. Именно поэтому получается такой любопытный эффект, что на внешних дорожках скорость последовательных чтения и записи намного выше, чем на внутренних. Благодаря ему нередко диски массовых серий умудряются на внешних дорожках обгонять своих высокопроизводительных собратьев того же поколения с большей скоростью вращения. А вот диски разных поколений практически всегда имеют разную скорость выполнения последовательных операций даже при одинаковых физических параметрах — плотность записи различается существенно.

В общем, подводя итоги, для увеличения скоростей линейных чтения и записи производителям необходимо увеличивать плотность записи, скорость вращения дисков и их диаметр (последнее никак не повлияет на внутренние дорожки, зато повысит скорость на внешних и, соответственно, увеличит ее и в среднем).

Скорость выполнения случайных операций

Что касается более актуальных ныне (из-за многозадачности современных операционных систем) операций со случайным доступом к дискам, то тут все гораздо сложнее, нежели с «прямолинейной» логикой линейных. Для начала разберемся, каков именно физический смысл времени доступа к информации, определяющего скорость выполнения случайных операций.

Итак, нам необходим определенный блок с данными (мы помним, что именно он является наименьшей единицей). Мы не можем просто взять его и получить (что легко делается в носителях на базе флэш-памяти — там по номеру блока нужный выдается сразу, где бы он ни располагался, что и обеспечивает этим накопителям превосходное время доступа как минимум на операциях чтения) — сначала нужно переместить головку на нужную дорожку, а потом дождаться прохождения под ней нужного сектора. Сумма же времени выполнения этих операций и будет давать нам время доступа.

С первым компонентом все достаточно просто: время, нужное на «попадание» на запрошенную дорожку, прямо пропорционально диаметру пластины. Некогда его «портила» и поперечная плотность записи, поскольку применялись шаговые двигатели, способные за одну операцию сместить головку только на одну дорожку, однако те времена давно прошли. Теперь — только диаметр, да и то косвенно: определенное время на перемещение головки действительно требуется, а в худшем случае ее придется «прогнать» по всему радиусу. Однако сколько на диске дорожек — не слишком важно: внутренние схемы по номеру дорожки определяют примерное ее физическое местоположение и перемещают головку куда нужно (по крайней мере, пытаются), так что уже после первой же операции позиционирования в подборе нужного места участвует не более чем десяток дорожек, вне зависимости от их общего количества на диске.

Ладно — нужную дорожку мы нашли, теперь осталось дождаться нужного сектора. Когда? Угадать сложно — в лучшем случае мы получим нужный нам блок данных сразу же после позиционирования, в худшем его придется ждать целый оборот диска (если он только что «проскочил»). Согласно законам статистики, из этого следует, что в среднем у нас на ожидание нужных данных будет требоваться пол-оборота диска. Из чего неумолимо следует, что чем выше скорость вращения диска, тем меньше время ожидания.

После того, как сектор окажется в нужном месте, его требуется прочитать или записать, так что теоретически на полную скорость выполнения случайных операций влияют и все те факторы, что важны для последовательных операций. Однако на самом деле ими вполне можно пренебречь — блоки данных настолько невелики, что само физическое их чтение занимает много меньше времени, чем позиционирование головки и ожидание. Таким образом, для получения минимального времени доступа к данным (и, следовательно, максимальной производительности на случайных операциях) необходимо уменьшать диаметр диска и увеличивать его скорость вращения.

Некоторые практические примеры

Несложно заметить, что все требования к физическим параметрам жестких дисков весьма противоречивы — например, для увеличения скорости последовательных операций диаметр диска нужно увеличивать, а вот для лучшего поведения на случайных запросах требуется поступать в точности наоборот. Именно поэтому конструкторам постоянно приходится идти на компромиссы, а диски для разных сегментов рынка абсолютно разные. Посмотрим — какие. Для лучшего закрепления материала 🙂

Диски массовых серий

Требуется: высокая емкость при низкой стоимости.

Желательно: высокая производительность на линейных и случайных операциях.

Нежелательно: высокое энергопотребление.

Совокупность этих требований быстро позволяет понять, почему все диски массовых серий у разных производителей одинаковые. Действительно — для получения максимальной емкости и высокой производительности на последовательных операциях требуется увеличивать диаметр дисков, поэтому в этом классе он всегда максимальный и регулируется не особенностями технологии, а сторонними факторами. Например, долгие годы (да и сейчас пока еще) типичным диаметром пластин для массовых дисков было 3,5 дюйма, однако все больший рост популярности ноутбуков, возможно, приведет к существенному увеличению доли дисков на 2,5 дюйма, переориентации промышленности на них и «отмиранию» более крупных винчестеров (как это было в свое время с моделями на 5,25″). Хотя производители будут сопротивляться этому всеми силами — недаром они иногда даже пытаются идти против течения с тем или иным успехом. Достаточно вспомнить серию Quantum Bigfoot: пятидюймовые винчестеры, которые начали выпускаться уже во времена тотального господства меньших форм-факторов. Ну и что? Большой диаметр пластин помогал им иметь достаточную емкость даже при одном диске (что сильно упрощало и удешевляло механику) и неплохую скорость выполнения последовательных операций даже при низкой частоте вращения. Все испортили только медлительные случайные операции, из-за которых диски слабо годились для применения в компьютере в единственном числе. В общем, опередили они свое время — вот сейчас во времена массового использования видеотек на жестких дисках очень многие не отказались бы от пятидюймового монстрика терабайт эдак на 10 (что при нынешнем уровне технологий вполне достижимо для таких моделей), который будет использоваться как раз только для хранения и воспроизведения мультимедийных файлов (т. е. будет либо вторым в компьютере, либо вообще станет основой для стационарного ВЖД).

Почему производители не увеличивают количество дисков в этих моделях? На самом деле, увеличивают: несколько лет назад типичным было применение всего двух пластин, ныне же три-четыре для старших моделей в линейках — стандарт де-факто. Но слишком ускорять такой процесс не получается, поскольку, во-первых, ограничены внешние размеры, а во-вторых, многодисковые винчестеры требуют применения более сложной (и дорогой!) механики. По тем же причинам очень медленно растет со временем и «оборотистость» таких накопителей: дорого в производстве и не слишком-то нужно (на емкости не сказывается, а скорость последовательных операций лучше наращивать при помощи плотности записи). В общем, по всем этим причинам на сегодняшний день стандартным вариантом для массовых жестких дисков стал следующий: пластины диаметром 3,5 дюйма, общим количеством до четырех (пять в некоторых моделях одного производителя), вращающиеся со скоростью 7200 оборотов в минуту.

Высокоскоростные накопители

Требуется: высокая скорость выполнения случайных операций.

Желательна: высокая производительность на линейных шаблонах.

Попробуем подняться классом выше — на уровень накопителей для рабочих станций и серверов. Здесь не нужна слишком уж высокая емкость отдельного диска — они все равно используются в составе массивов. Да и из двух видов производительности существенно более важны случайные модели доступа. Именно поэтому производители таких моделей практически всегда предлагают рынку высокооборотистые (частота вращения 10-15 тысяч оборотов в минуту) модели на пластинах уменьшенного диаметра (2,5-2,8 дюйма). Как мы уже писали выше, это приводит к тому, что по скорости выполнения последовательных операций они не сильно-то лучше представителей массовых серий, да еще и очень сильно отстают от них по емкости: пластины маленькие, и их меньше (иначе слишком уж растет сложность изготовления накопителя и его энергопотребление). Впрочем, при этом скоростные показатели даже на последовательных шаблонах «более равномерны», поскольку выше скорость на внутренних дорожках, ну а производительность на случайных операциях, естественно, существенно выше, чем у всех остальных семейств жестких дисков.

Энергоэффективные НЖМД

Требуется: высокая емкость при низкой стоимости и энергопотреблении.

В последнее время направление «экологичных винчестеров» развивается бурными темпами. Во многом это связано с тем, что производительность не так уж и важна в ряде сфер. Особенно для некомпьютерного применения — в бытовом магнитофоне, к примеру, любая скорость будет избыточной, поскольку даже HD-поток исчисляется десятками мегабит, а даже самые древние винчестеры на последовательных операциях (случайных в таком устройстве не будет вовсе) способны на десятки мегабайт в секунду. Внешние жесткие диски до последнего времени были ограничены производительностью наиболее распространенного интерфейса USB 2.0, так что высокая скорость самому винчестеру тут тоже не нужна. Да и в компьютере вовсе не обязательно использовать диски с одинаковой скоростью — если винчестеров несколько, то часть из них, используемая преимущественно для хранения больших объемов данных, может быть медленнее «основного», на который установлена операционная система и прикладные программы. Но если скорость не важна, то на первое место начинают выходить уже такие параметры, как энергопотребление и шум, а уменьшить их, сохраняя емкость, можно простым снижением скорости вращения. Причем нельзя сказать, что производительность этих моделей так уж плоха — плотность-то записи растет постоянно (без этого увеличивать объем не получится), так что скорость выполнения линейных операций обычно несколько ниже, чем у массовых моделей того же поколения, но выше, чем у более ранних устройств (причины этого объяснены выше). В общем, в этот класс ныне попадают винчестеры с пластинами по 3,5 дюйма, но более низкой скоростью вращения, чем у типовых накопителей (7200 оборотов в минуту). Насколько более низкой? Зависит от моделей. Обычно от 5000 до 5900 об/мин, хотя мы не удивимся, если через некоторое время скорость вращения продолжит снижаться и далее.

Мобильные винчестеры

Требуется: компактность, низкое энергопотребление.

Желательна: высокая емкость.

Иногда потребление накопителей даже предыдущего класса оказывается слишком высоким, а в некоторых сферах их применение просто невозможно — например, в большинство ноутбуков винчестер на пластинах по 3,5 дюйма просто не поместится. Выход очевиден — нужно уменьшать диаметр пластин. Обычно это 2,5 дюйма, хотя бывает и меньше. От высокоскоростных же накопителей эти модели отличаются низкой скоростью вращения — максимум 7200 об/мин, а чаще 5400 или даже 4200 оборотов в минуту. Связано это не только с требованиями экономичности, но и с тем, что желательно получить максимально возможную емкость — так площадь пластины используется более полно, чем в моделях высокой производительности, в том числе и «неудобные» внутренние и самые дальние от центра дорожки. Но работают такие винчестеры медленно еще и по другой причине — приходится использовать и более компактную (а следовательно, и низкопроизводительную) механику магнитных головок. Все это приводит к тому, что даже самые быстрые ноутбучные модели медленнее не только массовых, но и энергоэффективных настольных винчестеров. Даже при большей скорости вращения и несмотря на уменьшенные пластины — головки приходится перемещать на меньшее расстояние, но и движутся они медленнее. Таким образом, топовый мобильный винчестер по скорости будет всегда проигрывать самому бюджетному «зеленому». А по емкости проиграет и массовому — ввиду жесткого ограничения на энергопотребление, в дисках с более высокой скоростью вращения приходится использовать меньшее количество пластин. Но этот самый уровень энергопотребления и в одном, и в другом случае просто недостижим для менее портативного класса винчестеров.

Итого

В целом, как видим, все достаточно просто и легко объяснимо. Правда у особо дотошных читателей уже наверняка на языке вертится вопрос — а почему же тогда диски разных производителей (и даже разных семейств одного производителя) даже при примерно равных низкоуровневых характеристиках нередко сильно различаются по производительности? Самый простой, но на деле ничего не объясняющий ответ — а потому, что у них разная электроника. В чем там бывают различия и как они сказываются на производительности и других характеристиках — все это будет темой следующих статей.

www.ixbt.com

Накопители на жестких магнитных дисках. Конструкция, принцип действия, характеристики

Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках или НЖМД (англ.hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, вкомпьютерном сленге«винче́стер», «винт», «хард», «харддиск» —устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинствекомпьютеров. Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевыеилистеклянные)пластины, покрытые слоемферромагнитногоматериала, чаще всегодвуокисихрома. В НЖМД используется одна или несколько пластин на однойоси.Считывающие головкив рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет нескольконанометров(в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации совмещён с накопителем, приводом и блоком электроники и (в персональных компьютерах в подавляющем количестве случаев) обычно установлен внутри системного блока компьютера.

Характеристики

Интерфейс. Серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA(он же IDE и PATA),SATA,eSATA,SCSI,SAS,FireWire,SDIOиFibre Channel.

Ёмкость — количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жёстких дисков (с форм-фактором3,5 дюйма) на ноябрь 2010г. достигает 3000 ГБ (3 Терабайт). В отличие от принятой винформатикесистемы приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2ГБ.

Физический размер (форм-фактор). Почти все современные (2001—2008 года) накопители дляперсональных компьютеровисерверовимеют ширину либо 3,5, либо 2,5дюйма— под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах иноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа — время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик — от 2,5 до 16мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски, самым большим из актуальных — диски для портативных устройств.

Скорость вращения шпинделя — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 7200 и 10000 (персональные компьютеры), 10000 и 15000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах для ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в неподвижных компьютерах.

Надёжность — определяется как среднее время наработки на отказ(MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологиюS.M.A.R.T.

Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Сопротивляемость ударам — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных при последовательном доступе:

• внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;

• внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных дисках он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Устройство

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.

Рис 2 — Схема устройства накопителя на жёстких магнитных дисках.

Рис 3 – Фотография гермозоны жёсткого диска Samsung HD753LJ

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электроприводшпинделя.

Блок головок — пакет рычагов из пружинистой стали(по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика— окисловжелеза,марганцаи других металлов. Точный состав и технология нанесения составляюткоммерческую тайну. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с бо́льшим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (3600, 4200, 5000, 5400, 5900, 7200, 9600, 10 000, 12 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Шпиндельный двигательжёсткого диска трёхфазный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статордвигателя содержит три обмотки, включенных «звездой» с отводом посередине, а ротор — постоянный секционный магнит.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов, а также катушки на подвижном блоке головок. В подавляющем большинстве устройств внутри гермозоны нетвакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности,азотом, а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколькомикрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления (например, в самолёте) и температуры, а также при прогреве устройства во время работы.

Блок электроники. В ранних жёстких дискахуправляющая логика была вынесена наMFMили RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управления шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит:управляющий блок, постоянное запоминающее устройство(ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающуюуправляющие воздействияприводом, коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосныйакселерометр, используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная памятьсглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood — максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

Рис 4 – Макрофото магнитной головки

Рис 5 – Запаркованная магнитная головка

Рис 6 – Плата контроллера на 3,5″ диске

Рис 7 – Механическая и электрическая составляющие привода магнитных головок

Рис 8 – Последствие касания магнитной головкой поверхности диска

Низкоуровневое форматирование

На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются— на них формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, как минимум, на каждую дорожку наносится магнитная метка, обозначающая её начало.

Существуют утилиты, способные тестировать физические секторы диска, и ограниченно просматривать и править его служебные данные. Конкретные возможности подобных утилит сильно зависят от модели диска и технических сведений, известных автору по соответствующему семейству моделей.

Геометрия магнитного диска

Рис 9 – Геометрия магнитного диска

С целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки — концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки — секторы. Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов.

Цилиндр — совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора — конкретный сектор на дорожке.

Чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нем. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную; в стандарте ATA-1 была введена функция автоопределения геометрии (команда Identify Drive).

Особенности геометрии жёстких дисков со встроенными контроллерами

Зонирование. На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в несколько зон (англ.Zoned Recording). Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на дорожках внешних зон секторов больше, чем на дорожках внутренних. Это позволяет, используя бо́льшую длину внешних дорожек, добиться более равномерной плотности записи, увеличивая ёмкость пластины при той же технологии производства.

Резервные секторы. Для увеличения срока службы диска на каждой дорожке могут присутствовать дополнительные резервные секторы. Если контроллеру не удается никак прочитать записанные данные в сектор, то этот сектор должен быть исключен из дальнейшего использования и применен резервный сектор. Резервные секторы обычно находятся в конце каждого физического трека. Данные, хранившиеся в нём, при этом могут быть потеряны или восстановлены при помощи ECC, а ёмкость диска останется прежней. При большом количестве дефектных блоков на треке происходит переназначение всего трека на резервную область, которая находится на внутренних цилиндрах. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая — в процессе эксплуатации. Границы зон, количество секторов на дорожку для каждой зоны и таблицы переназначения секторов хранятся в ЗУ блока электроники.

Логическая геометрия. По мере роста емкости выпускаемых жёстких дисков их физическая геометрия перестала вписываться в ограничения, накладываемые программными и аппаратными интерфейсами (см.: Барьеры размеров жёстких дисков). Кроме того, дорожки с различным количеством секторов несовместимы со способом адресации CHS. В результате контроллеры дисков стали сообщать не реальную, а фиктивную, логическую геометрию, вписывающуюся в ограничения интерфейсов, но не соответствующую реальности. Так, максимальные номера секторов и головок для большинства моделей берутся 63 и 255 (максимально возможные значения в функциях прерывания BIOS INT 13h), а число цилиндров подбирается соответственно ёмкости диска. Сама же физическая геометрия диска не может быть получена в штатном режиме работы и другим частям системы неизвестна.

Адресация данных

Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является сектор. Размер сектора традиционно равен 512 байт. В 2006 году IDEMAобъявила о переходе на размер сектора 4096 байт, который планируется завершить к 2010 году.

Существует 2 основных способа адресации секторов на диске: цилиндр-головка-сектор (англ.cylinder-head-sector, CHS) и линейная адресация блоков (англ. linear block addressing, LBA).

CHS. При этом способе сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами — номером цилиндра, номером головки и номером сектора. В дисках, объёмом больше 528 482 304 байт (504 Мб), со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами» (см. выше).

LBA. При этом способе адрес блоков данных на носителе задаётся с помощью логического линейного адреса. LBA-адресация начала внедряться и использоваться в 1994 году совместно со стандартом EIDE (Extended IDE). Стандарты ATA требуют однозначного соответствия между режимами CHS и LBA:

LBA = [ (Cylinder * no of heads + heads) * sectors/track ] + (Sector-1)

Метод LBA соответствует Sector Mapping для SCSI.BIOSSCSI-контроллера выполняет эти задачи автоматически, то есть для SCSI-интерфейса метод логической адресации был характерен изначально.

Технологии записи данных

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует наферромагнетикповерхности диска и изменяет направление вектора намагниченностидоменовв зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока вмагнитопроводеголовки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряжённости магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Метод продольной записи. Битыинформации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей —доменов. При этом вектор намагниченности домена расположен продольно, то есть параллельно поверхности диска. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи. Метод перпендикулярной записи — это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поляи снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных (на 2009 год) образцов — 400 Гбит на кв/дюйм. Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

Метод тепловой магнитной записи (англ.Heat-assisted magnetic recording, HAMR). На данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, плотность записи которых 150 Гбит/см². Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носителей до 7,75 Тбит/см². Широкого распространения данной технологии следует ожидать в 2011—2012 годах.

studfile.net

Как устроен жесткий диск компьютера (HDD) или винчестер

Приветствую всех читателей блога pc-information-guide.ru. Многих интересует вопрос — как устроен жесткий диск компьютера. Поэтому я решил посвятить этому сегодняшнюю статью.

Жесткий диск компьютера (HDD или винчестер) нужен для хранения информации после выключения компьютера, в отличие от ОЗУ (оперативной памяти) — которая хранит информацию до момента прекращения подачи питания (до выключения компьютера).

Жесткий диск, по-праву, можно назвать настоящим произведением искусства, только инженерным. Да-да, именно так. Настолько сложно там внутри все устроено. На данный момент во всем мире жесткий диск — это самое популярное устройство для хранения информации, он стоит в одном ряду с такими устройствами, как: флеш-память (флешки), SSD. Многие наслышаны о сложности устройства жесткого диска и недоумевают, как в нем помещается так много информации, а поэтому хотели бы узнать, как устроен или из чего состоит жесткий диск компьютера. Сегодня будет такая возможность).

Устройство жесткого диска компьютера

Жесткий диск состоит из пяти основных частей. И первая из них — интегральная схема, которая синхронизирует работу диска с компьютером и управляет всеми процессами.

Вторая часть — электромотор (шпиндель), заставляет вращаться диск со скоростью примерно 7200 об/мин, а интегральная схема поддерживает скорость вращения постоянной.

А теперь третья, наверное самая важная часть — коромысло, которое может как записывать, так и считывать информацию. Конец коромысла обычно разделен, для того чтобы можно было работать сразу с несколькими дисками. Однако головка коромысла никогда не соприкасается с дисками. Существует зазор между поверхностью диска и головкой, размер этого зазора примерно в пять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса!

Но давайте все же посмотрим, что случится, если зазор исчезнет и головка коромысла соприкоснется с поверхностью вращающегося диска. Мы все еще со школы помним, что F=m*a (второй закон Ньютона, по-моему), из которого следует, что предмет с небольшой массой и огромным ускорением — становится невероятно тяжелым. Учитывая огромную скорость вращения самого диска, вес головки коромысла становится весьма и весьма ощутимым. Естественно, что повреждение диска в таком случае неизбежно. Кстати, вот что случилось с диском, у которого этот зазор по каким то причинам исчез:

Так же важна роль силы трения, т.е. ее практически полного отсутствия, когда коромысло начинает считывать информацию, при этом смещаясь до 60 раз за секунду. Но постойте, где же здесь находится двигатель, что приводит в движение коромысло, да еще с такой скоростью? На самом деле его не видно, потому что это электромагнитная система, работающая на взаимодействии 2 сил природы: электричества и магнетизма. Такое взаимодействия позволяет разгонять коромысло до скоростей света, в прямом смысле.

Четвертая часть — сам жесткий диск, это то, куда записывается и откуда считывается информация, кстати их может быть несколько.

Ну и пятая, завершающая часть конструкции жесткого диска — это конечно же корпус, в который устанавливаются все остальные компоненты. Материалы применяются следующие: почти весь корпус выполнен из пластмассы, но верхняя крышка всегда металлическая. Корпус в собранном виде нередко называют «гермозоной». Бытует мнение, что внутри гермозоны нету воздуха, а точнее, что там — вакуум. Мнение это опирается на тот факт, что при таких высоких скоростях вращения диска, даже пылинка, попавшая внутрь, может натворить много нехорошего. И это почти верно, разве что вакуума там никакого нету — а есть очищенный, осушенный воздух или нейтральный газ — азот например. Хотя, возможно в более ранних версиях жестких дисков, вместо того, чтобы очищать воздух — его просто откачивали.

Это мы говорили про компоненты, т.е. из чего состоит жесткий диск. Теперь давайте поговорим про хранение данных.

Как и в каком виде хранятся данные на жестком диске компьютера

Данные хранятся в узких дорожках на поверхности диска. При производстве, на диск наносится более 200 тысяч таких дорожек. Каждая из дорожек разделена на секторы.

Карты дорожек и секторов позволяют определить, куда записать или где считать информацию. Опять же вся информация о секторах и дорожках находится в памяти интегральной микросхемы, которая, в отличие от других компонентов жесткого диска, размещена не внутри корпуса, а снаружи и обычно снизу.

Сама поверхность диска — гладкая и блестящая, но это только на первый взгляд. При более близком рассмотрении структура поверхности оказывается сложнее. Дело в том, что диск изготавливается из металлического сплава, покрытого ферромагнитным слоем. Этот слой как раз и делает всю работу. Ферромагнитный слой запоминает всю информацию, как? Очень просто. Головка коромысла намагничивает микроскопическую область на пленке (ферромагнитном слое), устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний: о или 1. Каждый такой ноль и единица называются битами. Таким образом, любая информация, записанная на жестком диске, по-факту представляет собой определенную последовательность и определенное количество нулей и единиц. Например, фотография хорошего качества занимает около 29 миллионов таких ячеек, и разбросана по 12 различным секторам. Да, звучит впечатляюще, однако в действительности — такое огромное количество битов занимает очень маленький участок на поверхности диска. Каждый квадратный сантиметр поверхности жесткого диска включает в себя несколько десятков миллиардов битов.

Принцип работы жесткого диска

Мы только что с вами рассмотрели устройство жесткого диска, каждый его компонент по отдельности. Теперь предлагаю связать все в некую систему, благодаря чему будет понятен сам принцип работы жесткого диска.

Итак, принцип, по которому работает жесткий диск следующий: когда жесткий диск включается в работу — это значит либо на него осуществляется запись, либо с него идет чтение информации, или с него загружается ОС, электромотор (шпиндель) начинает набирать обороты, а поскольку жесткие диски закреплены на самом шпинделе, соответственно они вместе с ним тоже начинают вращаться. И пока обороты диска(ов) не достигли того уровня, чтобы между головкой коромысла и диском образовалась воздушная подушка, коромысло во избежание повреждений находится в специальной «парковочной зоне». Вот как это выглядит.

Как только обороты достигают нужного уровня, сервопривод (электромагнитный двигатель) приводит в движение коромысло, которое уже позиционируется в то место, куда нужно записать или откуда считать информацию. Этому как раз способствует интегральная микросхема, которая управляет всеми движениями коромысла.

Распространено мнение, этакий миф, что в моменты времени, когда диск «простаивает», т.е. с ним временно не осуществляется никаких операций чтения/записи, жесткие диски внутри перестают вращаться. Это действительно миф, ибо на самом деле, жесткие диски внутри корпуса вращаются постоянно, даже тогда, когда винчестер находится в энергосберегающем режиме и на него ничего не записывается.

Ну вот мы и рассмотрели с вами устройство жесткого диска компьютера во всех подробностях. Конечно же, в рамках одной статьи, нельзя рассказать обо всем, что касается жестких дисков. Например в этой статье не было сказано про интерфейсы жесткого диска — это большая тема, я решил написать про это отдельную статью.

Нашел интересное видео, про то, как работает жесткий диск в разных режимах

Всем спасибо за внимание, если вы еще не подписаны на обновления этого сайта — очень рекомендую это сделать, дабы не пропустить интересные и полезные материалы. До встречи на страницах блога!

 

pc-information-guide.ru