Каково устройство жесткого диска или HDD?

Существует не так уж много  компонентов персонального компьютера, которые вызывали бы у пользователя столь живой интерес, как компонент, который в списке характеристик компьютера  принято обозначать краткой аббревиатурой HDD. И это неудивительно, ведь одной из важнейших функций компьютера является хранение информации, и именно  HDD (Hard Disk Drive), также часто называемый жестким диском, накопителем на жестких магнитных дисках (НЖМД) или винчестером, ответственен за долговременное хранение всей информации пользователя, порой являющейся результатом его кропотливого и плодотворного труда.

Описание и назначение

Несмотря на то, что винчестер обычно устанавливается внутри системного блока (хотя существуют и такое устройство, как внешний жесткий диск), как правило, его принято относить к системе внешней памяти компьютера. Предназначение HDD – долговременное хранение больших объемов данных, использующихся компьютером, файлов операционной системы и программ.

Винчестер является одним из самых сложных устройств компьютера и единственным из важнейших компонентов компьютера, в котором одновременно используются как механические, так и электронные элементы.

Винчестер подключается к системной плате при помощи специального кабеля данных, а также кабеля питания. Существует несколько стандартов интерфейсов для подключения HDD и среди них можно отметить такие интерфейсы как IDE (Parallel ATA), Serial ATA (SATA) и SCSI. Кроме того, такая разновидность винчестера, как внешний жесткий диск, может подключаться к персональному компьютеру при помощи шины USB.

История

Жесткий магнитный диск, как и использующиеся в нем технологии, имеет долгую историю. Прежде всего, стоит отметить, что методика записи информации на магнитный носитель была разработана еще в конце позапрошлого века. Что же касается  компьютерных устройств, записывающих информацию на магнитные диски, то они были созданы в середине 1950-х гг. фирмой IBM для своих суперкомпьютеров. Правда, тогдашний винчестер мало походил на современный – его емкость составляла всего несколько мегабайт, а размером он был с большой шкаф.

В последующие годы фирма IBM также оставалась флагманом в области разработки НЖМД. В частности, ею в начале 1970-х гг. была разработана сравнительно компактная модель накопителя под кодовым названием «Винчестер» (в честь популярной разновидности ружья). Конструкция данной модели оказалась столь удачной, что сохранилась в общих чертах вплоть до сегодняшних дней, а ее кодовое название стало нарицательным для всех устройств данного типа.

Тем не менее, несмотря на то, что в больших компьютерах жесткие магнитные диски  широко использовались в течение десятилетий, в персоналках они появились далеко не сразу. Во многом это объяснялось громоздкостью и дороговизной тогдашних накопителей на жестких дисках  Однако к концу 1980-х гг в большинстве компьютеров семейства IBM PC уже был установлен винчестер. Преимущества жестких дисков перед накопителями на гибких магнитных дисках были очевидны – это большая емкость, быстродействие и надежность хранения данных.

Устройство

Общий вид разобранного жесткого диска с несколькими пластинами

Теперь стоит подробнее рассмотреть устройство жесткого диска, и изучить, какие основные элементы его составляют. Прежде всего, следует прояснить вопрос о том, почему данный тип накопителя называется жестким диском или накопителем на жестких дисках, и в чем состоит его отличие от накопителя для гибких дисков (флоппи-дисковода). Данный термин подчеркивает основную особенность HDD – то, что информация в этом устройстве размещается на достаточно толстых негнущихся пластинах (платтерах), на которые нанесен магнитный слой. Эта особенность выгодно отличает винчестер от гибкого диска, поскольку значительно облегчает точное позиционирование магнитных головок, а также гарантирует большую степень сохранности информации.

Из самого названия устройства ­- накопитель на жестких дисках, следует тот факт, что подобных пластин в накопителе не одна, а несколько. И действительно, в НЖМД может присутствовать несколько магнитных пластин. Однако это обстоятельство справедливо, в основном, для старых дисков, в современных же накопителях, часто используется всего одна пластина, причем иногда лишь одна ее сторона.

Основа пластин HDD изготавливается из алюминиевого сплава или специального стекла. На нее наносится особый слой из ферромагнитного материала — диоксида хрома. Современный винчестер имеет чрезвычайно высокую плотность записи информации – до 1 Тбит на квадратный дюйм. Полный же объем жесткого диска на сегодняшнее время составляет значительную величину – до 8 ТБайт для 3,5-дюймовых серверных накопителей топ-уровня.

После включения HDD пластины раскручиваются и вращаются с большой и постоянной скоростью в течение всей работы устройства. Эта скорость у разных винчестеров может иметь разные значения (например, 5400 или 7200 об/мин), причем от данного параметра  во многом зависит скорость считывания данных с диска.

Для считывания информации с диска и одновременно для записи на него информации служат магнитные головки, которые способны  поворачиваться при помощи специального соленоидного привода таким образом, что могут получить быстрый доступ к любой точке диска, которая может быть расположена как на его внешнем крае, так и на внутреннем. Время, которое требуется головкам для позиционирования к любой части диска, называется временем произвольного доступа и тоже является одним из важнейших параметров накопителя. Как правило, для современных HDD время произвольного доступа составляет от 2,5 до 16 мс.

Магнитная головка жесткого диска

Для того, чтобы избежать повреждения пластины и головок во время возможных соударений, поверхность диска тщательно обрабатывается с целью удаления мельчайших неровностей и полируется. При работе диска головки плотно прилегают к поверхности пластины, однако, все-таки не соприкасаются с ней, а отделены от нее небольшим воздушным зазором. При выключении диска, чтобы избежать нежелательного падения головок на поверхность диска, предусмотрена процедура парковки головок, то есть отвод их за пределы поверхности магнитной пластины.

Пластина жесткого диска представляет собой неплохое зеркало

Работой накопителя на жестких дисках управляет контроллер, или блок электроники, который встроен в корпус самого диска. Кроме микросхем, управляющих работой механики и электроники диска, в блоке электроники расположена также кэш-память, которая необходима для ускорения операций чтения-записи.

Плата контроллера жесткого диска

Корпус HDD может изготавливаться в нескольких форм-факторах. Внутренние диски форм-фактора 3,5 дюйма, как правило, используются в настольных компьютерах, а накопители форм-фактора 2,5 дюйма – в ноутбуках.

Логическая структура данных на винчестере

Устройство жесткого диска во многом определяет такое важное понятие, как структура размещения информации на HDD или геометрия диска. Геометрия диска включает такие координатные элементы, как головки, цилиндры и сектора. Под головкой в данном случае подразумевается не собственно магнитная головка, а та сторона магнитной пластины, к которой эта головка относится. Цилиндр представляет собой набор дорожек на пластинах, расположенных на одинаковом расстоянии от края диска, а сектор, являющийся самой младшей координатой жесткого диска – это часть окружности, на которой расположен цилиндр. Сектор жесткого диска, как правило, имеет объем в 512 байт.

Процедура нанесения на поверхность диска границ цилиндров и секторов носит название низкоуровневого форматирования. Однако стоит иметь в виду, что у современных дисков логическая геометрия, т.е. геометрия, доступная пользователю, например, в опциях BIOS, не соответствует физической, т.е. реальной геометрии. Информация о физической геометрии диска обычно скрыта от пользователя и  доступна лишь контроллеру накопителя.

Головки, цилиндры и сектора

Разновидности

По способу размещения относительно корпуса компьютера жесткие диски делятся на такие типы, как внутренний жесткий диск и внешний жесткий диск (также известный, как съемный жесткий диск). О последнем типе жестких дисков стоит, пожалуй, рассказать более подробно.

Внешний жесткий диск является сравнительно недавним  изобретением, которое стало доступно после появления технологий, которые повысили степень надежности хранения информации на жестком диске, считавшемся ранее довольно хрупким устройством.  Внешний жесткий диск не находится постоянно в корпусе персонального компьютера, а подключается к нему извне, как правило, при помощи порта USB. Съемный жесткий диск обычно не требует дополнительного источника питания, хотя бывают и исключения. Как правило, внешний жесткий диск имеет один из тех форм-факторов, которые характерны и для внутренних накопителей – это форм-факторы 3,5 и 2,5 дюйма.

В последнее время внешний жесткий диск является незаменимым устройством для тех пользователей, которые желают обладать объемным и относительно компактным переносным носителем информации. Внешний жесткий диск можно использовать для увеличения объема информации, доступного на компьютере. Кроме того, внешний жесткий диск представляет собой удобное средство для создания резервных копий информации, содержащейся на основном жестком  диске.

Если еще несколько лет назад внешний жесткий диск стоил намного дороже внутреннего, то теперь разница в стоимости между этими типами дисков составляет всего несколько процентов, что делает съемный жесткий диск неплохим выбором для устройства хранения информации.

Будущее жестких дисков и перспективные технологии записи

Мало найдется таких компьютерных устройств, которым компьютерные аналитики столь часто предрекали бы скорую смерть, и которые раз за разом опровергали все пессимистические прогнозы насчет своего будущего, как жесткие диски. Хотя винчестер, как устройство для хранения информации, имеет ряд обусловленных наличием механических приводов очевидных недостатков, таких, как низкие быстродействие и надежность, а также высокий уровень шума, тем не менее, на сегодняшний день жесткие диски являются безусловными лидерами среди накопителей по такому параметру, как стоимость на единицу объема информации. Кроме того, максимальный объем жесткого диска на сегодняшний день тоже превосходит подобный параметр для других типов накопителей.

Это связано, во многом, с тем, что многочисленные прогнозы о кончине жестких дисков при достижении ими естественной границы емкости, обусловленной физическими размерами магнитных доменов, пока что не сбылись. В последние годы было разработано немало инновационных технологий, позволивших значительно увеличить плотность записи информации на магнитных пластинах, например, технология поперечной записи, позволяющая размещать магнитные домены перпендикулярно поверхности пластины. На подходе же еще более многообещающие технологии, такие, как технологии структурированной записи и термоассистируемой записи, позволяющие увеличить плотность информации на магнитной пластине более чем в 50 раз по сравнению с сегодняшним уровнем. Поэтому, несмотря на появление в последние годы таких перспективных типов устройств для хранения информации, как, например, твердотельные накопители, в ближайшее десятилетие гегемонии жестких дисков в сегменте накопителей большого и сверхбольшого объема, похоже, ничто не угрожает.

Заключение

Винчестер – одно из сложнейших устройств персонального компьютера, совмещающее многие лучшие достижения современной науки и технологии в области физики, механики и электроники.

В настоящее время жесткие диски повсеместно используются в компьютерном мире и не только для хранения информации, доступной отдельным пользователям персональных компьютеров, но и для хранения информации, доступной миллиардам пользователей глобальной сети Интернет, в том числе и того текста, который вы в данный момент читаете. Современную компьютерную цивилизацию трудно представить как без скромного винчестера домашнего компьютера, так и без быстродействующих сетевых накопителей, использующихся в мощных профессиональных серверах.