Как записывается информация жесткий диск. Нeкоторыe дополнитeльныe парамeтры. Почему жесткий диск называют винчестером

18.04.2019

Жёсткий диск (HDD) – энергонезависимое запоминающее устройство, назначение которого длительное хранение данных. Информация сохраняется на жестких носителях (дисках из специальных сплавов) имеющих ферромагнитное покрытие (двуокись хрома).

Устройство жесткого диска.

Гермозона

Включает в себя: корпус из прочного сплава, диски с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.

Блок головок

Пакет рычагов из пружинистой стали с закрепленными головками на концах.

Пластины

Изготовлены из металлического сплава и покрыты напылением ферромагнетика (окислов железа, марганца и других металлов). Диски жёстко закреплены на шпинделе, который вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту. При такой скорости вблизи поверхности диска создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью 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 диска.

Устройство позиционирования головок

Состоит из неподвижной пары сильных постоянных магнитов, а также катушки на подвижном блоке головок.

Гермозона - заполняется очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом, а для выравнивания давления устанавливается тонкая металлическая или пластиковая мембрана. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а также 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.

Блок электроники

Содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство, буферную память, интерфейсный блок (передача данных, подача питания) и блок цифровой обработки сигнала.

Блок управления представляет собой систему:

позиционирования головок;
управления приводом;
коммутации информационных потоков с различных головок;
управления работой всех остальных узлов - приёма и обработки сигналов с датчиков устройства:
- одноосный акселерометр - используемый в качестве датчика удара,
- трёхосный акселерометр - используемый в качестве датчика свободного падения,
- датчик давления,
- датчик угловых ускорений,
- датчик температуры.

Блок постоянного запоминающего устройства хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию жесткого диска.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память).

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации).

Характеристики жесткого диска.

Интерфейс — поддерживаемый стандарт обмена данными с накопителями информации: .

Ёмкость — объём данных, которые может хранить жесткий диск (ГБ, ТБ).

Форм-фактор — физический размер диска с ферромагнитным покрытием: 3,5 или 2,5 дюйма.

Время доступа — время, за которое жесткий диск гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска (диапазон от 2,5 до 16 мс).

Скорость вращения шпинделя – параметр от которого зависит время доступа и средняя скорость передачи данных. Жесткие диски для ноутбуков имеют скорость вращения 4200, 5400 и 7200 оборотов в минуту, а для стационарных компьютеров 5400, 7200 и 10 000 об/мин.

Ввод-вывод — количество операций ввода-вывода в секунду. Обычно жесткий диск производит около 50 операций в секунду при произвольном доступе и около 100 при последовательном.

Потребление энергии — потребляемая мощность в Ваттах, важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума – шум в децибелах, который создает механика жесткого диска при его работе (вращение шпинделя, аэродинамика, позиционирование). Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже.

Ударостойкость — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам. Измеряется в единицах допустимой перегрузки (G) во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных – скорость чтения/записи 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 — промежуточная память (Мб), предназначенная для сглаживания разницы скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. Обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Видео на тему: «Жесткий диск: устройство и характеристики»

Для записи на ЖМД используются методы ЧМ, модифицированной частотной модуляции (МЧМ) и RLL-метод, при котором каждый байт данных преобразуется в 16-битовый код.

При методе МЧМ плотность записи данных возрастает вдвое по сравнению с методом ЧМ. Для этого метода (рис. 14.2), если записываемый бит данных является единицей, то стоящий перед ним бит тактового импульса не записывается. Если записывается «0 », а предыдущий бит был «1 », то синхросигнал также не записывается, как и бит данных. Но если перед «0 » стоит бит «0 », то синхросигнал записывается.

В настоящее время существуют 3 вида записи:

Метод параллельной записи

На данный момент это самая распространённая 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. На сегодняшний день, домены становятся настолько малы, что остро встаёт вопрос о их стабильности. Дальнейшее развитие этой технологии под вопросом, многие считают этот метод исчерпавшим себя. Плотность записи, при использовании этого метода, на данный момент равна 150 Гбит/дюйм² (23Гбит/см²).

Метод перпендикулярной записи

Для того чтобы решить проблему с дальнейшим увеличением плотности, многие производители рассматривают технологию, при которой биты информации сохранялись бы в вертикальных доменах. Это позволит использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у экспериментального прототипа - 200 Гбит/дюйм² (31 Гбит/см²), в дальнейшем планируется довести плотность до 400-500 Гбит/дюйм² (60-75 Гбит/см²).

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat assisted magnetic recording - HAMR) на данный момент 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». Именно этот метод собираются использовать компании Seagate и IBM для достижения плотности в 4 Тбит на кв. дюйм (620 Гбит на кв. см). Это позволит изготовить 3,5-дюймовый винчестер объемом 25 Тб. В качестве максимальной отметки плотности пока названо значение 100 Тбит на кв. дюйм (около 15 Тб на кв. см), что соответствует 0,65-Пб (петабайт) объема в форм-факторе 3,5 дюйма.

Формат записи информации на жестком магнитном диске

В НЖМД обычно используются форматы данных с фиксированным числом секторов на дорожке (17, 34 или 52) и с объемом данных в одном секторе 512 или 1024 байта. Секторы маркируются магнитным маркером.

Конкретный формат данных определяется внутренней программной конфигурацией ПЭВМ и техническими характеристиками адаптера накопителя. Структура формата (рис. 14.3) подобна структуре, применяемой в НГМД.

Начало каждого сектора обозначается адресным маркером. В начале идентификатора и поля данных записываются байты синхронизации, служащие для синхронизации схемы выделения данных адаптера НЖМД. Идентификатор сектора содержит адрес диска в пакете, представленный кодами номеров цилиндра, головки и сектора. В отличие от НГМД в НЖМД в идентификатор дополнительно вводят байты сравнения и флага. Байт сравнения представляет одинаковое для каждого сектора число, с помощью которого осуществляется правильность считывания идентификатора. Байт флага содержит флаг - указатель состояния дорожки (основная или запасная, исправная или дефектная).

Контрольные байты записываются в поле идентификатора один раз при записи идентификатора сектора, а в поле данных - каждый раз при каждой новой записи данных. Контрольные байты в НЖМД предназначены не только для определения, но и для коррекции ошибок считывания. Наиболее часто используются полиномные корректирующие коды; использование конкретных кодов зависит от схемной реализации адаптера.

Перед использованием НЖМД производится его начальное форматирование - процедура, выполняемая под управлением специальной программы, при работе которой на дисковый пакет записывается служебная информация и проверяется пригодность полей данных.

В последнее время компании используют адаптивное форматирование . Его суть заключается в том, что каждый экземпляр накопителя индивидуально настраивается на заводе таким образом, чтобы обеспечить лучшую производительность и надежность. Для этого каждая пара «головка-поверхность пластины» собранного диска тестируется на определение характеристик быстродействия, и затем каждая сторона магнитной пластины индивидуально форматируется (размечается на дорожки и сектора) так, чтобы обеспечить наилучшие характеристики при работе именно с данной головкой. В результате, линейная плотность записи на каждой стороне каждой пластины может не совпадать с соседними

Пять различных интервалов в НЖМД используются для синхронизации электронных процессов чтения-записи и управления работы электромеханических узлов накопителя.

В результате начального форматирования определяется расположение секторов, и устанавливаются их логические номера. Поскольку скорость вращения диска очень большая, для обеспечения минимального числа оборотов диска при обращении к последовательным секторам, секторы с последовательными номерами размещаются через N физических секторов друг от друга (рис. 14.4).

Кратность расположения секторов задается при форматировании диска. Коэффициенты чередования бывают 6:1, 3:1, и 1:1. Новейшие модели НЖМД используют коэффициенты 1:1, а их контроллеры считывают с диска за одно его обращение информацию с целой дорожки и затем хранят ее в буферной памяти. При запросе из буферной памяти передается информация уже из требуемых секторов.

Каждая дорожка диска разделяется на одинаковое число секторов, поэтому сектора на дорожках, которые находятся ближе к нулевой дорожке, имеют меньший размер. Для записи таких секторов

используются магнитные поля большей интенсивности (компенсация записи ). Число поверхностей диска (головок), число цилиндров (дорожек) и точка, с которой начинается компенсация записи, являются параметрами для настройки контроллера НЖМД.

Среднее время доступа к информации на НЖМД составляет

t ср =t n +0,5/F+t обм, (14.1)

где t n - среднее время позиционирования; F - скорость вращения диска; t обм - время обмена. Время обмена зависит от технических средств контроллера и типа его интерфейса, наличия встроенное буферной кэш-памяти, алгоритма кодирования дисковых данных и коэффициента чередования.

Принцип работы жесткого диска достаточно прост. Типичный винчестер состоит из нескольких основных узлов, как то:

корпус из ударопрочного сплава,
пластины с магнитным покрытием,
блок головок с устройством для позиционирования,
блок электроники и
электропривод.

Многие пользователи считают, что жесткие диски герметичны. Однако это не так - внутри требуется поддерживать постоянное давление при колебаниях температур. В связи с этим жесткий диск оснащен фильтром, который задерживает частицы диаметром до нескольких микрометров.

Блок электроники содержит собственное запоминающее устройство и несколько подблоков, которые отвечают за цифровую обработку сигнала, управление и работу с интерфейсом. Работа самого жесткого диска сильно напоминает структуру магнитофона. Рабочая поверхность диска движется с определенной скоростью относительно считывающей головки. Во время процедуры записи или чтения головки парят над поверхностью диска на воздушной подушке. Если в зазор между диском и головкой попадет пылинка, то головки могут удариться о поверхность, испортить диск и даже сгореть.

Магнитный диск может быть сделан не только из металла, но и из стекла, как это было в моделях от IBM . На поверхности диска находится магнитный слой, который и служит основой для записи информации. Биты информации записываются с помощью 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.

Изначально поверхность блина абсолютно пустая, то есть магнитные домены никак не ориентированы. Для ориентирования блока магнитных головок на магнитный диск наносятся специальные метки - серво-метки. Это осуществляется «родным» блоком магнитных головок, который управляется в свою очередь внешним устройством. После разметки жесткий диск сам в состоянии читать информацию и записывать на поверхность. При больших объемах винчестера в него устанавливается несколько магнитных дисков, которые закрепляются на шпиндельном двигателе, и образуют стопку блинов.

Характеристики

Интерфейс - в общем случае определяет место или способ соединения/соприкосновения/связи. Этот термин используется в разных областях науки и техники. Современные накопители могут использовать интерфейсы SATA , IDE, USB , IEEE 1394 и т. д.

Физический размер (форм-фактор) - установленный типоразмер жесткого диска. Накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер 3.5 дюйма. Винчестеры в формате 2.5 дюйма чаще применяются в ноутбуках. Другие распространённые форматы - 1.8 дюйма, 1.3 дюйма и 0.85 дюйма.

Скорость вращения шпинделя - 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).

Время произвольного доступа - Параметр своеобразной оценки скорости работы жесткого диска. В английском языке используется аналог random access time. Среднее время доступа для современных моделей колеблется от 3 до 15 мс. Чем меньше значение, тем лучше. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски.

Рынок HDD

История

Название

Для словосочетания типа Hard Disk Drive (HDD) лингвисты используют название-ретроним – термин, придуманный лингвистами для уже нового названия существующего явления, чтобы отличать его от чего-то более нового, в данном случае от гибких дисков. И вот странная ситуация: гибких дисков нет, потребности различать гибкие диски от жестких нет, а ретроним остался, но теперь он служит для отличия HDD от твердотельных накопителей Solid State Drive/Disk (SSD), которые в общем и дисками то не являются.

Огромные магнитофоны

Успех дисков выглядит как некоторый казус. В механическом устройстве, ставшем неотъемлемой частью электронных систем, время перемещения головок измеряется совсем иными величинами, нежели скорость электронных процессов. На отсутствие гармонии в союзе между электроникой и механикой обратили внимание давно, еще в пятидесятые годы, когда создавались первые диски. Но тогда механике не было альтернативы, поскольку полупроводниковые технологии делали только первые шаги, пришлось сознательно пойти на неравный брак ради достижения цели, однако он оказался более чем успешным. Целью же был прямой доступ к большим (по тем меркам) объемам данным, который оставался невозможен до тех пор, пока данные считывались в потоке либо с ленты, либо с перфокарт. Считанные с носителя данные можно было разместить либо в крошечной оперативной памяти, либо делать своппинг и подкачивать данные с барабана. В некоторых операционных системах были утилиты для чтения файлов с лент, но это был ужасно медленный процесс.

На раннем этапе развития компьютерных систем типовые жесткие диски были лишь экспериментальными моделями. Компьютеры были похожи на огромные магнитофоны. В принципе запись и чтение информации ничуть не отличались от обыкновенного кассетника - данные располагались линейно. Те, кто также помнит ПК на основе носителей с магнитной пленкой, знают, каково это дожидаться загрузки очередного уровня - обыкновенной перемотки кассеты на нужное место.

Первые персональные компьютеры использовали в качестве накопителя обычный кассетный аудио магнитофон. Дисковод для них был непозволительной роскошью. Те пользователи, у которых вместе с ПК поставлялся дисковод, уже могли почувствовать некоторое подобие свободы действий. Первые компьютеры фирмы IBM поставлялись с одним или двумя дисководами.

Диски Рабинова

Идея диска как устройства с перемещающимся по пространству головками лежала на поверхности и попытки ее реализовать предпринимались многими компаниями. В Компьютерном музее в Маунтин Вью хранится несколько вариантов дисков. Коммерческий успех раньше других пришел к IBM , способной потратить на разработку больше остальных, поэтому во всех хрониках эволюции дисков в качестве начальной точки указывается дата 1956 год и накопитель на дисках, входивший в состав компьютера IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), в названии которого прямо указано на его уникальную по тому времени возможность произвольного доступа – Random Access Method.

Но IBM не была первой. Раньше всех работающий накопитель сделал самородок-изобретатель Яков Рабинов (1910-1999) в 1951 году, отдавший всю жизнь работе в Национальном бюро стандартов. Он родился в Харькове, в оригинале его фамилия была Рабинович, после революции в 1921 году он с родителями через Китай перебрался в , а потом почти 70 лет проработал в исследовательском подразделении Национального бюро стандартов. Рабинов не стал ученым, но он был гением практических изобретений, среди них, например, усовершенствованная технология чеканки, продлевающая срок жизни монет, изобретение принесло Государственному казначейству много миллиардов экономии на выпуске металлической мелочи. Однако, лишь одно из его изобретений – устройство, которое называлось Notched-Disk Magnetic Memory Device – не принесло ему ни денег, ни прижизненного признания. Оно состояло из десяти 18-ти дюймовых «блинов», так в последующем стали называть собственно диски, с вырезанным сегментом, чтобы их можно было менять на оси.

Эксперты из IBM изучали изобретение Рабинова и не скрывали приоритет. Проанализировав диск Рабинова, в 1953 году они выпустили отчет «Предложения по произвольному доступу к файлам данных» (A Proposal for Rapid Random Access File), который стал основой проекта RAMAC.

1956: IBM RAMAC - шкаф 975 кг

2000-е: Перпендикулярная магнитная запись

Когда производители HDD столкнулись с пределом вместимости в начале 2000-х, Toshiba и Seagate упорядочили расположение битов данных на пластине диска. Изменение с продольной на перпендикулярную магнитную запись увеличило емкость HDD ни много ни мало в 10 раз.

2012: Плотность размещения информации на дисках может удвоиться к 2016 году

Максимальная плотность размещения информации на жестких дисках может удвоиться к 2016 году, по данным очередного исследования IHS iSuppli , опубликованного в 2012 году. Ранее с аналогичным прогнозом уже выступил производитель жестких дисков компания Seagate . По мнению аналитиков, это расширит возможности использования HDD в системах с большими объемами данных, в том числе аудио и визуальных системах.

Увеличить плотность жестких дисков позволят ряд технологий, над которым сейчас работают вендоры, в частности, технология тепло-магнитной записи (heat-assisted magnetic recording, HAMR), которую Seagate запатентовала еще в 2006 году. Компания также заявила, что сможет выпустить 3,5-дюймовый диск на 60 Тб к 2016 году. Диски ноутбуков могут к этому же времени достичь уже 10-20 Тб, говорится в прогнозе IHS iSuppli.

Аналитики также отмечают, что плотность записи вырастет до максимальных 1800 Гбит на квадратный дюйм к 2016 году, на 2011 год аналогичный показатель составлял 744 Гбит. По данным IHS iSuppli, плотность записи информации на диск увеличится к 2016 году до 1800 Гбит на квадратный дюйм с 744 Гбит в 2011 году. С 2011 по 2016 год увеличение плотности записи на HDD будет увеличиться в среднем на 19% в год.

На дату выхода исследования HDD с максимальной плотностью выпущен Seagate в сентябре 2011 года: на нем помещается 4Тб данных, размер диска – 3,5 дюйма. Плотность диска составляет 625 Гбит на квадратный дюйм.

HAMR HDD , который использует лазер на головке чтения\записи жесткого диска чтобы более плотно располагать меньшие биты на вращающемся диске по сравнению с традиционной магнитной записью.

Современное представление о дисках

Диски эволюционировали по нескольким магистральным направлениям:

Нынешняя волна публичного интереса к SDD не должна вводить в сомнение относительного будущего HDD, эти диски жили и будут жить, постоянно развиваясь и совершенствуясь. В ближайшее время появится диск емкостью 20 Тб, а общий выпуск растет постоянно на 1–3% в год.

повышение скорости и емкости дисков; совершенствование доступа к записанным на них данным; поиск альтернативных твердотельных технологий;

Развитие по первому направлению привело к появлению таких HDD, которые способны хранить терабайтные объемы и поддерживать высокие скорости обмена.

По второму – к созданию поддерживающих работу дисков аппаратных и программных средств: файловых систем, способных поддерживать терабайтные диски и абстрагирования от физики хранения, в т.ч. скоростных интерфейсов, RAID-массивов, обеспечивающих высокую надежность хранения, сетей хранения SAN и сетевых накопителей NAS.

По третьему – к появлению совсем недавно созданных твердотельных устройств корпоративного уровня (Solid State Device, SSD) в сочетании с ориентированным на эти устройства интерфейсом NVMe. Теперь открылась возможность «умного хранения», то есть автоматического оптимального по затратам перераспределения хранения данных между SSD, HDD и лентами в зависимости от востребованности данных.

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

Устройство жесткого диска

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

В целом жесткий диск состоит из следующих основных компонентов:

Принцип работы жесткого диска

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

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

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

Форматирование жесткого диска

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

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

Характеристики жесткого диска

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

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

Почему жесткий диск называют винчестером?

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

Как выглядит современный жёсткий диск (HDD) внутри? Как его разобрать на части? Как называются части и какие функции в общем механизме хранения информации выполняют? Ответы на эти и другие вопросы можно узнать здесь, ниже. Кроме того, мы покажем связь между русскоязычной и англоязычной терминологиями, описывающими компоненты жёстких дисков.

Для наглядности, разберём 3.5-дюймовый SATA диск. Это будет совершенно новый терабайтник Seagate ST31000333AS. Осмотрим нашего подопытного кролика.

Зелёная закреплённая винтами пластина с проступающим узором дорожек, разъёмами питания и SATA называется платой электроники или платой управления (Printed Circuit Board, PCB). Она выполняет функции электронного управления работой жёсткого диска. Её работу можно сравнить с укладкой в магнитные отпечатки цифровых данных и распознание обратно по первому требованию. Например, как прилежный писарь с текстами на бумаге. Чёрный алюминиевый корпус и его содержимое называется гермоблоком (Head and Disk Assembly, HDA). В среде специалистов принято называть его «банкой». Сам корпус без содержимого также называют гермоблоком (base).

Теперь снимем печатную плату (понадобиться отвертка «звёздочка» T-6) и изучим размещённые на ней компоненты.

Первым в глаза бросается большой чип, расположенный посередине – Система на кристалле (System On Chip, SOC). В ней можно выделить два крупных составляющих:

Центральный процессор, который производит все вычисления (Central Processor Unit, CPU). Процессор имеет порты ввода-вывода (IO ports) для управления остальными компонентами, расположенными на печатной плате, и передачи данных через SATA-интерфейс.
Канал чтения/записи (read/write channel) – устройство, преобразующее поступающий с головок аналоговый сигнал в цифровые данные во время операции чтения и кодирующий цифровые данные в аналоговый сигнал при записи. Так же выполняет слежение за позиционированием головок. Иными словами, создает магнитные образы при записи и распознает их при чтении.

Чип памяти (memory chip) представляет собой обычную DDR SDRAM память. Объём памяти определяет размер кэша жёсткого диска. На этой печатной плате установлена память Samsung DDR объемом 32 Мб, что в теории даёт диску кэш в 32 Мб (и именно такой объём приводится в технических характеристиках жёсткого диска), но это не совсем верно. Дело в том, что память логически разделена на буферную память (кэш) и память прошивки (firmware). Процессору требуется некоторый объём памяти для загрузки модулей прошивки. Насколько известно, только производитель HGST указывают действительный объём кэша в описании технических характеристик; относительно остальных дисков, о реальном объёме кэша остаётся только гадать. В спецификации ATA составители не стали расширять ограничение, заложенное в ранних версиях, равное 16 мегабайт. Поэтому, программы не могут отобразить объем более максимального.

Следующий чип – контроллер управления шпиндельным двигателем и звуковой катушкой, перемещающий блок головок (Voice Coil Motor and Spindle Motor controller, VCM&SM controller). На жаргоне специалистов – это «крутилка». Кроме того, этот чип управляет вторичными источниками питания, расположенными на плате, от которых питается процессор и микросхема предусилителя-коммутатора (preamplifier, preamp), расположенная в гермоблоке. Это главный потребитель энергии на печатной плате. Он управляет вращением шпинделя и движением головок. Так же при отключении питания переключает останавливающийся двигатель в режим генерации и полученную энергию подает на звуковую катушку для плавной парковки магнитных головок. Ядро VCM-контроллера может работать даже при температуре в 100°C.

Часть программы управления (прошивки) диска хранится во флэш-памяти (на рисунке обозначено: Flash). При подаче питания на диск микроконтроллер загружает сначала маленькое boot-ПЗУ внутри себя, а дальше переписывает содержимое флэш-чипа в память и приступает к исполнению кода уже из ОЗУ. Без корректно загруженного кода, диск даже не пожелает запускать двигатель. Если на плате отсутствует флэш-чип, значит, он встроен в микроконтроллер. На современных дисках (где-то с 2004 года и новее, однако исключение составляют жёсткие диски Samsung и они же с наклейками от Seagate) flash-память содержит таблицы с кодами настроек механики и головок, которые уникальны для данного гермоблока и не подойдут к другому. Поэтому операция «перекинуть контроллер» всегда заканчивается либо тем, что диск «не определяется в BIOS», либо определяется заводским внутренним названием, но все равно доступ к данным не даёт. Для рассматриваемого диска Seagate 7200.11 утрата оригинального содержимого flash-памяти приводит к полной потере доступа к информации, так как подобрать или угадать настройки не получится (во всяком случае, автору такая методика не известна).

На youtube-канале R.Lab есть несколько примеров перестановки платы с перепайкой микросхемы c неисправной платы на исправную:
PC-3000 HDD Toshiba MK2555GSX PCB change
PC-3000 HDD Samsung HD103SJ PCB change

Датчик удара (shock sensor) реагирует на опасную для диска тряску и посылает сигнал об этом контроллеру VCM. Контроллер VCM немедленно паркует головки и может остановить вращение диска. Теоретически, такой механизм должен защищать диск от дополнительных повреждений, но на практике он не работает, так что не роняйте диски. Ещё при падении может заклинить шпиндельный двигатель, но об этом позже. На некоторых дисках датчик вибрации обладает повышенной чувствительностью, реагируя на малейшие механические колебания. Полученные с датчика данные позволяют контроллеру VCM корректировать движение головок. На таких дисках установлено, кроме основного, ещё два дополнительных датчика вибрации. На нашей плате дополнительные датчики не припаяны, но места под них есть - обозначены на рисунке как «Vibration sensor».

На плате имеется ещё одно защитное устройство – ограничитель переходного напряжения (Transient Voltage Suppression, TVS). Он защищает плату от скачков напряжения. При скачке напряжения TVS перегорает, создавая короткое замыкание на землю. На этой плате установлено два TVS, на 5 и 12 вольт.

Электроника для старых дисков была менее интегрированная, и каждая функция была разделена на одну и более микросхем.

Теперь рассмотрим гермоблок.

Под платой находятся контакты мотора и головок. Кроме того, на корпусе диска имеется маленькое, почти незаметное отверстие (breath hole). Оно служит для выравнивания давления. Многие считают, что внутри жёсткого диска находится вакуум. На самом деле это не так. Воздух нужен для аэродинамического взлета головок над поверхностью. Это отверстие позволяет диску выровнять давление внутри и снаружи гермозоны. С внутренней стороны это отверстие прикрыто фильтром (breath filter), который задерживает частицы пыли и влаги.

Теперь заглянем внутрь гермозоны. Снимем крышку диска.

Сама крышка не представляет собой ничего интересного. Это просто стальная пластина с резиновой прокладкой для защиты от пыли. Наконец, рассмотрим начинку гермозоны.

Информация хранится на дисках, называемых также «блинами», магнитными поверхностями или пластинами (platters). Данные записываются с двух сторон. Но иногда с одной из сторон головка не установлена, либо физически головка присутствует, но отключена на заводе. На фотографии вы видите верхнюю пластину, соответствующую головке с самым большим номером. Пластины изготавливаются из полированного алюминия или стекла и покрываются несколькими слоями различного состава, в том числе ферромагнитным веществом, на котором, собственно, и хранятся данные. Между пластинами, а также над верхней из них, мы видим специальные вставки, называемыми разделителями или сепараторами (dampers or separators). Они нужны для выравнивания потоков воздуха и снижения акустических шумов. Как правило, их изготавливают из алюминия или пластика. Алюминиевые разделители успешнее справляются с охлаждением воздуха внутри гермозоны. Ниже приведен пример модели прохождения потока воздуха внутри гермоблока.

Вид на пластины и сепараторы сбоку.

Головки чтения-записи (heads), устанавливаются на концах кронштейнов блока магнитных головок, или БМГ (Head Stack Assembly, HSA). Парковочная зона – это область, в которой должны находиться головки исправного диска, если шпиндель остановлен. У этого диска, парковочная зона расположена ближе к шпинделю, что видно на фотографии.

На некоторых накопителях, парковка производится на специальных пластиковых парковочных площадках, расположенных за пределами пластин.

Парковочная площадка накопителя Western Digital 3.5”

В случае парковки головок внутри пластин для съёма блока магнитных головок нужен специальный инструмент, без него снять БМГ очень сложно без повреждения. Для внешней парковки можно вставить между головками пластиковые трубочки, подходящие по размеру, и вынуть блок. Хотя, и для этого случая так же есть съемники, но они более простой конструкции.

Жёсткий диск – механизм точного позиционирования, и для его нормальной работы требуется очень чистый воздух. В процессе использования внутри жёсткого диска могут образовываться микроскопические частицы металла и смазки. Для немедленной очистки воздуха внутри диска имеется циркуляционный фильтр (recirculation filter). Это высокотехнологичное устройство, которое постоянно собирает и задерживает мельчайшие частицы. Фильтр находится на пути потоков воздуха, создаваемых вращением пластин

Теперь снимем верхний магнит и посмотрим, что скрывается под ним.

В жёстких дисках используются очень мощные неодимовые магниты. Эти магниты настолько мощны, что могут поднимать вес в 1300 раз больший их собственного. Так что не стоит класть палец между магнитом и металлом или другим магнитом – удар получится очень чувствительным. На этой фотографии изображены ограничители БМГ. Их задача – ограничить движение головок, оставляя их на поверхности пластин. Ограничители БМГ разных моделей устроены по-разному, но их всегда два, они используются на всех современных жёстких дисках. На нашем накопителе второй ограничитель расположен на нижнем магните.

Вот что можно там увидеть.

Ещё мы видим здесь катушку (voice coil), которая является частью блока магнитных головок. Катушка и магниты образуют привод БМГ (Voice Coil Motor, VCM). Привод и блок магнитных головок образуют позиционер (actuator) – устройство, которое перемещает головки.

Чёрная пластиковая деталь сложной формы называется фиксатором (actuator latch). Он бывает двух типов: магнитный и воздушный (air lock). Магнитный работает как простая магнитная защёлка. Высвобождение осуществляется подачей электрического импульса. Воздушная защёлка освобождает БМГ после того, как шпиндельный двигатель наберёт достаточное число оборотов, чтобы давление воздуха отодвинуло фиксатор с пути звуковой катушки. Фиксатор защищает головки от вылета головок в рабочую область. Если по какой-то причине фиксатор со своей функцией не справился (диск уронили или ударили во включенном состоянии), то головки прилипнут к поверхности. Для дисков 3.5“ последующее включение из-за большей мощности мотора просто оторвет головки. А вот у 2.5“ мощность мотора меньше и шансы восстановить данные, высвободив «из плена» родные головки, довольно высоки.

Теперь снимем блок магнитных головок.

Точность и плавность движения БМГ поддерживается прецизионным подшипником. Самая крупная деталь БМГ, изготовленная из алюминиевого сплава, обычно называется кронштейном или коромыслом (arm). На конце коромысла находятся головки на пружинной подвеске (Heads Gimbal Assembly, HGA). Обычно сами головки и коромысла поставляют разные производители. Гибкий кабель (Flexible Printed Circuit, FPC) идёт к контактной площадке, стыкующейся с платой управления.

Рассмотрим составляющие БМГ подробнее.

Катушка, соединенная с кабелем.

Подшипник.

На следующей фотографии изображены контакты БМГ.

Прокладка (gasket) обеспечивает герметичность соединения. Таким образом, воздух может попасть внутрь блока с дисками и головками только через отверстие для выравнивания давления. У этого диска контакты покрыты тонким слоем золота для предотвращения окисления. А вот со стороны платы электроники окисление случается частенько, что приводит к неисправности HDD. Удалить окисление с контактов можно стирательной резинкой (eraser).

Это классическая конструкция коромысла.

Маленькие чёрные детали на концах пружинных подвесов называют слайдерами (sliders). Многие источники указывают, что слайдеры и головки – это одно и то же. На самом же деле слайдер помогает считывать и писать информацию, поднимая головку над поверхностью магнитных дисков. На современных жёстких дисках головки двигаются на расстоянии 5-10 нанометров от поверхности. Для сравнения: человеческий волос имеет диаметр около 25000 нанометров. Если под слайдер попадёт какая-нибудь частица, это может привести к перегреву головок из-за трения и выходу их из строя, именно поэтому так важна чистота воздуха внутри гермозоны. Ещё попадание пыли может вызвать царапины. От них образуются новые пылинки, но уже магнитные, которые прилипают к магнитному диску и вызывают новые царапины. Это приводит к тому, что диск быстро покрывается царапинами или на жаргоне «запиливается». В таком состоянии ни тонкий магнитный слой, ни магнитные головки уже не работают, и жёсткий диск стучит (клик смерти).

Сами считывающие и записывающие элементы головки находятся на конце слайдера. Они так малы, что разглядеть их можно только в хороший микроскоп. Ниже приведен пример фотографии (справа) через микроскоп и схематическое изображение (слева) взаимного расположения пишущего и читающего элементов головки.

Рассмотрим поверхность слайдера поближе.

Как видите, поверхность слайдера не плоская, на ней имеются аэродинамические канавки. Они помогают стабилизировать высоту полёта слайдера. Воздух под слайдером образует воздушную подушку (Air Bearing Surface, ABS). Воздушная подушка поддерживает почти параллельный поверхности блина полёт слайдера.

Вот ещё одно изображение слайдера.

Здесь хорошо видны контакты головок.

Это ещё одна важная часть БМГ, которая пока не обсуждалась. Она называется предусилителем (preamplifier, preamp). Предусилитель – это чип, управляющий головками и усиливающий поступающий к ним или от них сигнал.

Предусилитель располагают прямо в БМГ по очень простой причине - сигнал, идущий с головок, очень слаб. На современных дисках он имеет частоту более 1 ГГц. Если вынести предусилитель за пределы гермозоны, такой слабый сигнал сильно затухнет по пути к плате управления. Установить же усилитель прямо на голове нельзя, так как она существенно нагревается во время работы, что делает не возможным работу полупроводникового усилителя, вакуумно-ламповых усилителей таких малых размеров ещё не придумали.

От предусилителя к головкам (справа) ведёт больше дорожек, чем к гермозоне (слева). Дело в том, что жёсткий диск не может одновременно работать более чем с одной головкой (парой пишущих и считывающих элементов). Жёсткий диск посылает сигналы на предусилитель, и он выбирает головку, к которой в данный момент обращается жёсткий диск.

Хватит о головках, давайте разбирать диск дальше. Снимем верхний сепаратор.

Вот как он выглядит.

На следующей фотографии вы видите гермозону со снятыми верхним разделителем и блоком головок.

Стал виден нижний магнит.

Теперь прижимное кольцо (platters clamp).

Это кольцо удерживает блок пластин вместе, не давая им двигаться друг относительно друга.

Блины нанизаны на шпиндель (spindle hub).

Теперь, когда блины ничто не удерживает, снимем верхний блин. Вот что находится под ним.

Теперь понятно, за счёт чего создается пространство для головок – между блинами находятся разделительные кольца (spacer rings). На фотографии виден второй блин и второй сепаратор.

Разделительное кольцо – высокоточная деталь, изготовленная из немагнитного сплава или полимеров. Снимем его.

Вытащим из диска все остальное, чтобы осмотреть дно гермоблока.

Так выглядит отверстие для выравнивания давления. Оно располагается прямо под воздушным фильтром. Рассмотрим фильтр внимательнее.

Так как поступающий снаружи воздух обязательно содержит пыль, фильтр имеет несколько слоёв. Он гораздо толще циркуляционного фильтра. Иногда он содержит частицы силикагеля для борьбы с влажностью воздуха. Однако, если жёсткий диск поместить в воду, то она наберется внутрь через фильтр! И это совсем не означает, что попавшая внутрь вода будет чистая. На магнитных поверхностях кристаллизуются соли и наждачка вместо пластин обеспечена.

Немного подробнее про шпиндельный двигатель. Схематически его конструкция показана на рисунке.

Внутри spindle hub закреплен постоянный магнит. Обмотки статора, меняя магнитное поле, заставляют ротор вращаться.

Моторы бывают двух видов, с шариковыми подшипниками и с гидродинамическими (Fluid Dynamic Bearing, FDB). Шариковые перестали использовать более 10 лет назад. Это связано с тем, что у них биение высокое. В гидродинамическом подшипнике биения намного ниже и работает он значительно тише. Но есть и пару минусов. Во-первых, он может заклинить. С шариковыми такого явления не происходило. Шариковые подшипники если и выходили из строя, то начинали громко шуметь, но информация хоть медленно, но читалась. Сейчас же, в случае клина подшипника, нужно при помощи специального инструмента снять все диски и установить их на исправный шпиндельный двигатель. Операция очень сложная и редко приводит к удачному восстановлению данных. Клин может возникнуть от резкого изменения положения за счет большого значения силы Кориолиса, действующей на ось и приводящей к ее сгибанию. Например, есть внешние 3.5” диски в коробочке. Стояла коробочка вертикально, задели, упала горизонтально. Казалось бы, не далеко улетел то?! А нет - клин двигателя, и никакой информации уже не достать.

Во-вторых, из гидродинамического подшипника может вытечь смазка (она там жидкая, ее довольно много, в отличие от смазки-геля, используемой шариковых), и попасть на магнитные пластины. Чтобы предотвратить попадание смазки на магнитные поверхности используют смазку с частицами, имеющими магнитные свойства и улавливающими их магнитные ловушки. Еще используют вокруг места возможной протечки абсорбционное кольцо. Вытеканию способствует перегрев диска, поэтому важно следить за температурным режимом эксплуатации.

Уточнение связи между русскоязычной и англоязычной терминологией выполнено Леонидом Воржевым.

Обновление 2018, Сергей Яценко

Перепечатка или цитирование разрешены при условии сохранения ссылки на перво