В даний час накопичувач на жорстких магнітних дисках є найбільш популярним пристроєм зберігання електронних даних. Він використовується як у наших з Вами звичайних комп'ютерах та ноутбуках, так і в серверах.
Багато хто з Вас напевно чув, як називається жорсткий диск по-іншому. Наприклад, HDD, гвинт чи вінч. І якщо перше скорочення походить від цілком зрозумілого hard disk drive (жорсткий диск), інші вирази більшості нічого не говорять. Так от, дані скорочення пішли від іншої сленгової назви жорсткого диска - вінчестер. Якщо Вам цікаво було б дізнатися, звідки з'явився такий вислів і хто його автор, читайте статтю далі.

Історія виникнення другої назви жорсткого диска

Для більшості вінчестер означає тип вогнепальної зброї, але не комп'ютерний пристрій. Тож чому жорсткий диск називають «вінчестер» і звідки це пішло?

Історично так склалося, що створили інженери корпорації IBM і назву вінчестер він отримав також від них. У 1973 році, при розробці IBM нової моделі накопичувача IBM-3340, інженери для простоти спілкування використовували його внутрішню коротку робочу назву "30-30". Така назва відображала внутрішній пристрій диска. Він складався з двох пакетів дисків у максимальній компоновці по 30 мегабайт кожен. У моделі жорсткого диска 3340 вперше були використані головки читання/запису, які за рахунок аеродинамічних сил, що виникають від швидкості обертання дисків, ширяли над поверхнею, що значно скоротило повітряний зазор між головкою та диском. Так само пластини диска і головки, що зчитують, були об'єднані в одному не розбірному герметичному корпусі, що дозволило виключити будь-який зовнішній вплив і підвищити надійність пристрою. Ну а назву вінчестер (від англ. Winchester), накопичувач отримав завдяки керівнику проекту Кеннету Хотону, який в ході звичайного обговорення, як назвати жорсткий диск, випадково обізвав його вінчестером.

Ця назва виявилася співзвучною дуже популярною на той час мисливською зброєю Winchester Model 1894, що використовують патрон з маркуванням. 1,94 грами.

Ще за однією версією, таку назву жорсткий диск отримав тільки через самі патрони і зброя тут не до чого.

Висновок

Так чи інакше друга назва жорсткого диска - вінчестер, увійшло в історію і поки що залишається в ужитку, хоча іноді його скорочують до слів "гвинт" або "вінч". У Європі та США назва «вінчестер» вийшла з вживання ще в 1990-х роках, у російській мові збереглося і набуло напівофіційного статусу.

Швидше за все з масовим приходом твердотільних накопичувачів, жорсткі диски перестануть так називатися і дана назва сленгу піде в минуле і в нас, але це буде не скоро.

Вітаю всіх читачів блогу. Багатьох цікавить питання - як влаштований жорсткий диск комп'ютера. Тому я вирішив присвятити цьому сьогоднішню статтю.

Жорсткий диск комп'ютера (HDD або вінчестер) потрібен для зберігання інформації після вимкнення комп'ютера, на відміну від ОЗУ () - яка зберігає інформацію до припинення подачі живлення (до вимкнення комп'ютера).

Жорсткий диск, по-праву, можна назвати справжнім витвором мистецтва, лише інженерним. Так Так саме так. Так складно там усередині все влаштовано. На даний момент у всьому світі жорсткий диск - це найпопулярніший пристрій для зберігання інформації, він стоїть в одному ряду з такими пристроями, як флеш-пам'ять (флешки), SSD. Багато хто чує про складність пристрою жорсткого диска і дивується, як у ньому міститься так багато інформації, а тому хотіли б дізнатися, як влаштований або з чого складається жорсткий диск комп'ютера. Сьогодні буде така можливість.

Жорсткий диск складається із п'яти основних частин. І перша з них – інтегральна схема, яка синхронізує роботу диска з комп'ютером та керує всіма процесами.

Друга частина – електромотор(шпиндель), змушує обертатися диск зі швидкістю приблизно 7200 об/хв, а інтегральна схема підтримує швидкість постійної обертання.

А тепер третя, мабуть найважливіша частина - коромисло, Яке може як записувати, так і зчитувати інформацію. Кінець коромисла зазвичай розділений, щоб можна було працювати відразу з кількома дисками. Однак головка коромисла ніколи не стикається з дисками. Існує зазор між поверхнею диска та головкою, розмір цього зазору приблизно в п'ять тисяч разів менший за товщину людського волосся!

Але давайте все ж подивимося, що трапиться, якщо зазор зникне і головка коромисла доторкнеться до поверхні обертового диска. Ми все ще зі школи пам'ятаємо, що F=m*a (другий закон Ньютона, на мою думку), з якого випливає, що предмет з невеликою масою і величезним прискоренням стає неймовірно важким. Враховуючи величезну швидкість обертання самого диска, вага головки коромисла стає дуже відчутною. Природно, що ушкодження диска у разі неминуче. До речі, ось що трапилося з диском, у якого цей зазор з якихось причин зник:

Також важлива роль сили тертя, тобто. її практично повної відсутності, коли коромисло починає зчитувати інформацію, при цьому зміщуючись до 60 разів на секунду. Але заждіть, де ж тут знаходиться двигун, що рухає коромисло, та ще з такою швидкістю? Насправді його не видно, тому що це електромагнітна система, що працює на взаємодії двох сил природи: електрики та магнетизму. Така взаємодія дозволяє розганяти коромисло до швидкостей світла, у сенсі.

Четверта частина- сам жорсткий диск, те, куди записується і звідки зчитується інформація, до речі їх може бути кілька.

Ну і п'ята, завершальна частина конструкції жорсткого диска - це звичайно корпус, в який встановлюються всі інші компоненти. Матеріали застосовуються наступні: майже весь корпус виконаний із пластмаси, але верхня кришка завжди металева. Корпус у зібраному вигляді часто називають "гермозоною". Існує думка, що всередині гермозони немає повітря, а точніше, що там – вакуум. Думка це спирається на той факт, що при таких високих швидкостях обертання диска, навіть порошинка, що потрапила всередину, може наробити багато поганого. І це майже правильно, хіба що вакууму там ніякого немає - а є очищене, осушене повітря або нейтральний газ - азот наприклад. Хоча, можливо, в більш ранніх версіях жорстких дисків, замість того, щоб очищати повітря, його просто відкачували.

Це говорили про компоненти, тобто. із чого складається жорсткий диск. Тепер поговоримо про зберігання даних.

Як і в якому вигляді зберігаються дані на жорсткому диску комп'ютера

Дані зберігаються у вузьких доріжках на диску. При виробництві на диск наноситься понад 200 тисяч таких доріжок. Кожна з доріжок поділена на сектори.

Карти доріжок та секторів дозволяють визначити, куди записати або де рахувати інформацію. Знову ж таки вся інформація про сектори та доріжки знаходиться в пам'яті інтегральної мікросхеми, яка, на відміну від інших компонентів жорсткого диска, розміщена не всередині корпусу, а зовні і зазвичай знизу.

Сама поверхня диска – гладка та блискуча, але це тільки на перший погляд. При ближчому розгляді структура поверхні виявляється складніше. Справа в тому, що диск виготовляється із металевого сплаву, покритого феромагнітним шаром. Цей шар таки робить всю роботу. Феромагнітний шар запам'ятовує всю інформацію, як? Дуже просто. Головка коромисла намагнічує мікроскопічну область на плівці (феромагнітному шарі), встановлюючи магнітний момент такого осередку в один із станів: або 1. Кожен такий нуль і одиниця називаються бітами. Таким чином, будь-яка інформація, записана на жорсткому диску, по-факту є певною послідовністю і певною кількістю нулів і одиниць. Наприклад, фотографія гарної якості займає близько 29 мільйонів таких осередків і розкидана по 12 різних секторах. Так, звучить вражаюче, проте насправді - така величезна кількість бітів займає дуже невелику ділянку на поверхні диска. Кожен квадратний сантиметр поверхні жорсткого диска включає кілька десятків мільярдів бітів.

Принцип роботи жорсткого диска

Ми щойно з вами розглянули пристрій жорсткого диска, кожен його компонент окремо. Тепер пропоную зв'язати все в систему, завдяки чому буде зрозумілий сам принцип роботи жорсткого диска.

Отже, принцип, за яким працює жорсткий дискнаступний: коли жорсткий диск включається в роботу - це означає або на нього здійснюється запис, або з нього йде читання інформації, або з нього електромотор (шпиндель) починає набирати оберти, а оскільки жорсткі диски закріплені на самому шпинделі, відповідно вони разом з ним теж починають обертатися. І поки оберти диска(ів) не досягли того рівня, щоб між головкою коромисла і диском утворилася повітряна подушка, коромисло, щоб уникнути пошкоджень, знаходиться в спеціальній "паркувальній зоні". Ось як це виглядає.

Як тільки обороти досягають потрібного рівня, сервопривід (електромагнітний двигун) надає руху коромисло, яке вже позиціонується в те місце, куди потрібно записати або звідки рахувати інформацію. Цьому якраз сприяє інтегральна мікросхема, яка керує всіма рухами коромисла.

Поширена думка, такий міф, що у моменти часу, коли диск " простоює " , тобто. з ним тимчасово не здійснюється жодних операцій читання/запису, жорсткі диски всередині перестають обертатися. Це дійсно міф, бо насправді жорсткі диски всередині корпусу обертаються постійно, навіть тоді, коли вінчестер знаходиться в енергозберігаючому режимі і на нього нічого не записується.

Ну ось ми і розглянули з вами пристрій жорсткого диска комп'ютера у всіх подробицях. Звичайно ж, в рамках однієї статті не можна розповісти про все, що стосується жорстких дисків. Наприклад, у цій статті не було сказано про - це велика тема, я вирішив написати про це окрему статтю.

Знайшов цікаве відео про те, як працює жорсткий диск у різних режимах

Дякую всім за увагу, якщо ви ще не підписані на оновлення цього сайту - дуже рекомендую це зробити, щоб не пропустити цікаві та корисні матеріали. До зустрічі на сторінках блогу!

Жорсткі диски, або, як їх ще називають, вінчестери є однією з найголовніших складових комп'ютерної системи. Про це знають усі. Але далеко не кожен сучасний користувач навіть у принципі здогадується про те, як функціонує жорсткий диск. Принцип роботи загалом для базового розуміння досить нескладний, проте тут є свої нюанси, про які далі й йтиметься.

Питання призначення та класифікації жорстких дисків?

Питання призначення, звісно, ​​риторичне. Будь-який користувач, нехай навіть самого початкового рівня, відразу відповість, що вінчестер (він же жорсткий диск, він Hard Drive або HDD) відразу відповість, що він служить для зберігання інформації.

Загалом і загалом правильно. Не варто забувати, що на жорсткому диску, крім операційної системи та файлів користувача, є створені ОС завантажувальні сектори, завдяки яким вона і стартує, а також деякі мітки, за якими на диску можна швидко знайти потрібну інформацію.

Сучасні моделі досить різноманітні: звичайні HDD, зовнішні жорсткі диски, високошвидкісні твердотільні накопичувачі SSD, хоча саме до жорстких дисків відносити і не прийнято. Далі пропонується розглянути пристрій та принцип роботи жорсткого диска, якщо не в повному обсязі, то принаймні в такому, щоб вистачило для розуміння основних термінів та процесів.

Зверніть увагу, що є й спеціальна класифікація сучасних HDD за деякими основними критеріями, серед яких можна виділити такі:

• спосіб зберігання інформації;
• тип носія;
• метод організації доступу до інформації.

Чому жорсткий диск називають вінчестером?

Сьогодні багато користувачів замислюються над тим, чому називають вінчестерами, що належать до стрілецької зброї. Здавалося б, що може бути спільного між цими двома пристроями?

Сам термін з'явився ще далекого 1973 року, коли ринку з'явився перший у світі HDD, конструкція якого складалася з двох окремих відсіків в одному герметичному контейнері. Місткість кожного відсіку становила 30 Мб, через що інженери дали диску кодову назву «30-30», що було повною мірою співзвучно з маркою популярної на той час рушниці «30-30 Winchester». Щоправда, на початку 90-х в Америці та Європі ця назва практично вийшла з вживання, проте досі залишається популярною на пострадянському просторі.

Пристрій та принцип роботи жорсткого диска

Але ми відволіклися. Принцип роботи жорсткого диска можна коротко описати як процеси зчитування або запису інформації. Але як це відбувається? Для того щоб зрозуміти принцип роботи жорсткого жорсткого диска, в першу чергу необхідно вивчити, як він влаштований.

Сам жорсткий диск є набором пластин, кількість яких може коливатися від чотирьох до дев'яти, з'єднаних між собою валом (віссю), званим шпинделем. Пластини розташовуються одна над одною. Найчастіше матеріалом їх виготовлення служать алюміній, латунь, кераміка, скло тощо. буд. Кожна така пластина за товщиною становить близько 2 мм.

За запис та читання інформації відповідають радіальні головки (по одній на кожну пластину), а в пластинах використовуються обидві поверхні. За якого може становити від 3600 до 7200 об./хв, і переміщення головок відповідають два електричні двигуни.

При цьому основний принцип роботи жорсткого диска комп'ютера полягає в тому, що інформація записується не абияк, а в строго певні локації, звані секторами, які розташовані на концентричних доріжках або треках. Щоб не було плутанини, застосовуються єдині правила. Мається на увазі, що принципи роботи накопичувачів на жорстких дисках, з погляду їхньої логічної структури, є універсальними. Так, наприклад, розмір одного сектора, прийнятий за єдиний стандарт у всьому світі, становить 512 байт. У свою чергу сектори поділяються на кластери, що є послідовністю поряд секторів, що знаходяться. І особливості принципу роботи жорсткого диска в цьому відношенні полягають у тому, що обмін інформацією якраз і виробляється цілими кластерами (цілим ланцюжком секторів).

Але як відбувається зчитування інформації? Принципи роботи накопичувача на жорстких магнітних дисках виглядають наступним чином: за допомогою спеціального кронштейна головка, що зчитує, в радіальному (спіралеподібному) напрямку переміщається на потрібну доріжку і при повороті позиціонується над заданим сектором, причому всі головки можуть переміщатися одночасно, зчитуючи однакову інформацію не тільки з різних доріг , але з різних дисків (пластин). Усі доріжки з однаковими порядковими номерами називають циліндрами.

При цьому можна виділити ще один принцип роботи жорсткого диска: чим ближче голова, що зчитує, до магнітної поверхні (але не стосується її), тим вище щільність запису.

Як здійснюється запис та читання інформації?

Жорсткі диски, або вінчестери, тому й були названі магнітними, що у них використовуються закони фізики магнетизму, сформульовані ще Фарадеєм та Максвеллом.

Як мовилося раніше, на пластини з немагниточувствительного матеріалу наноситься магнітне покриття, товщина якого становить лише кілька мікрометрів. У процесі роботи виникає магнітне поле, що має так звану доменну структуру.

Магнітний домен є строго обмеженою межами намагніченої області феросплаву. Далі принцип роботи жорсткого диска коротко можна описати так: при виникненні впливу зовнішнього магнітного поля, власне поле диска починає орієнтуватися строго вздовж магнітних ліній, а при припиненні на дисках з'являються зони залишкової намагніченості, в якій і зберігається інформація, яка раніше містилася в основному полі .

За створення зовнішнього поля при записі відповідає зчитуюча головка, а при читанні зона залишкової намагніченості, опинившись навпроти головки, створює електрорушійну силу або ЕРС. Далі все просто: зміна ЕРС відповідає одиниці в двійковому коді, а його відсутність чи припинення – нулю. Час зміни ЕРС прийнято називати бітовим елементом.

Крім того, магнітну поверхню суто з міркувань інформатики можна асоціювати як певну точкову послідовність бітів інформації. Але оскільки розташування таких точок абсолютно точно обчислити неможливо, на диску потрібно встановити якісь заздалегідь передбачені мітки, які допомогли визначити потрібну локацію. Створення таких міток називається форматуванням (приблизно, розбивка диска на доріжки та сектори, об'єднані в кластери).

Логічна структура та принцип роботи жорсткого диска з погляду форматування

Що стосується логічної організації HDD, тут на перше місце виходить саме форматування, в якому розрізняють два основні типи: низькорівневий (фізичний) і високорівневий (логічний). Без цих етапів ні про яке приведення жорсткого диска в робочий стан годі й говорити. Про те, як ініціалізувати новий вінчестер, буде сказано окремо.

Низькорівневе форматування передбачає фізичну дію на поверхню HDD, при якому створюються сектори, розташовані вздовж доріжок. Цікаво, що принцип роботи жорсткого диска такий, що кожен створений сектор має свою унікальну адресу, що включає номер самого сектора, номер доріжки, на якій він розташовується, і номер сторони пластини. Таким чином, при організації прямого доступу та ж оперативна пам'ять звертається безпосередньо за заданою адресою, а не шукає потрібну інформацію по всій поверхні, за рахунок чого досягається швидкодія (хоча це і не найголовніше). Зауважте, що при виконанні низькорівневого форматування стирається абсолютно вся інформація, і відновленню вона в більшості випадків не підлягає.

Інша справа – логічне форматування (у Windows-системах це швидке форматування або Quick format). Крім того, ці процеси застосовні і до створення логічних розділів, що становлять певну область основного жорсткого диска, що працює за тими ж принципами.

Логічне форматування, перш за все, зачіпає системну область, яка складається із завантажувального сектора та таблиць розділів (завантажувальний запис Boot record), таблиці розміщення файлів (FAT, NTFS тощо) та кореневого каталогу (Root Directory).

Запис інформації в сектори проводиться через кластер декількома частинами, причому в одному кластері не може міститися два однакові об'єкти (файли). Власне, створення логічного розділу, як би відокремлює його від основного системного розділу, внаслідок чого інформація, на ньому зберігається, при появі помилок і збоїв змін або видалення не схильна.

Основні характеристики HDD

Здається, загалом принцип роботи жорсткого диска трохи зрозумілий. Тепер перейдемо до основних характеристик, які дають повне уявлення про всі можливості (або недоліки) сучасних вінчестерів.

Принцип роботи жорсткого диска та основні характеристики можуть бути зовсім різними. Щоб зрозуміти, про що йдеться, виділимо основні параметри, якими характеризуються всі відомі на сьогодні накопичувачі інформації:

• ємність (обсяг);
• швидкодія (швидкість доступу до даних, читання та запис інформації);
• інтерфейс (спосіб підключення, тип контролера).

Місткість є загальною кількістю інформації, яка може бути записана і збережена на вінчестері. Індустрія з виробництва HDD розвивається так швидко, що сьогодні у побут увійшли вже жорсткі диски з обсягами близько 2 Тб і вище. І, як вважається, це ще не межа.

Інтерфейс - найважливіша характеристика. Вона визначає, яким саме способом пристрій підключається до материнської плати, який саме контролер використовується, як здійснюється читання та запис і т. д. Основними та найпоширенішими інтерфейсами вважаються IDE, SATA та SCSI.

Диски з IDE-інтерфейсом відрізняються невисокою вартістю, проте серед головних недоліків можна виділити обмежену кількість пристроїв, що одночасно підключаються (максимум чотири) і невисоку швидкість передачі даних (причому навіть за умови підтримки прямого доступу до пам'яті Ultra DMA або протоколів Ultra ATA (Mode 2 і Mode) 4) Хоча, як вважається, їх застосування дозволяє підвищити швидкість читання/запису до рівня 16 Мб/с, але в реальності швидкість набагато нижча. комплект з материнською платою.

Говорячи про те, що являє собою принцип роботи жорсткого диска та характеристики, не можна обминути стороною і який є спадкоємцем версії IDE ATA. Перевага цієї технології полягає в тому, що швидкість читання/запису можна підвищити до 100 Мб/с за рахунок використання високошвидкісної шини Fireware IEEE-1394.

Нарешті, інтерфейс SCSI в порівнянні з двома попередніми є найбільш гнучким і найшвидшим (швидкість запису/читання досягає 160 Мб/с і вище). Але й коштують такі вінчестери практично вдвічі дорожчі. Зате кількість пристроїв зберігання інформації, що одночасно підключаються, складає від семи до п'ятнадцяти, підключення можна здійснювати без знеструмлення комп'ютера, а довжина кабелю може становити близько 15-30 метрів. Власне, цей тип HDD здебільшого застосовується не в ПК, а на серверах.

Швидкодія, що характеризує швидкість передачі і пропускну здатність введення/виводу, зазвичай виражається часом передачі та обсягом переданих розташованих послідовно даних і виражається в Мб/с.

Деякі додаткові параметри

Говорячи про те, що є принципом роботи жорсткого диска і які параметри впливають на його функціонування, не можна обійти стороною і деякі додаткові характеристики, від яких може залежати швидкодія або навіть термін експлуатації пристрою.

Тут першому місці виявляється швидкість обертання, яка безпосередньо впливає час пошуку і ініціалізації (розпізнавання) потрібного сектора. Це так званий прихований час пошуку - інтервал, протягом якого необхідний сектор повертається до головки, що зчитує. Сьогодні прийнято кілька стандартів для швидкості обертання шпинделя, вираженої в обертах за хвилину з часом затримки в мілісекундах:

• 3600 - 8,33;
• 4500 - 6,67;
• 5400 - 5,56;
• 7200 - 4,17.

Неважко зауважити, що чим вища швидкість, тим менший час витрачається на пошук секторів, а у фізичному плані – на оборот диска до установки для голівки потрібної точки позиціонування пластини.

Ще один параметр – внутрішня швидкість передачі. На зовнішніх доріжках вона мінімальна, але при поступовому переході на внутрішні доріжки збільшується. Таким чином, той же процес дефрагментації, що являє собою переміщення часто використовуваних даних у найшвидші області диска, - не що інше, як перенесення їх на внутрішню доріжку з більшою швидкістю читання. Зовнішня швидкість має фіксовані значення і залежить від використовуваного інтерфейсу.

Нарешті, один з важливих моментів пов'язаний з наявністю жорсткого диска власної кеш-пам'яті або буфера. По суті принцип роботи жорсткого диска в плані використання буфера в чомусь схожий на оперативну або віртуальну пам'ять. Чим більший обсяг кеш-пам'яті (128-256 Кб), тим швидше працюватиме жорсткий диск.

Головні вимоги до HDD

Основних вимог, які здебільшого пред'являються жорстким дискам, негаразд і багато. Головне – тривалий термін служби та надійність.

Основним стандартом для більшості HDD вважається термін служби близько 5-7 років з часом напрацювання не менше ніж п'ятсот тисяч годин, але для вінчестерів високого класу цей показник становить не менше мільйона годин.

Що стосується надійності, це відповідає функція самотестування S.M.A.R.T., яка стежить за станом окремих елементів жорсткого диска, здійснюючи постійний моніторинг. За підсумками зібраних даних може формуватися навіть прогноз прогноз появи можливих несправностей надалі.

Зрозуміло, що й користувач не повинен залишатися осторонь. Так, наприклад, при роботі з HDD вкрай важливо дотримуватися оптимального температурного режиму (0 - 50 ± 10 градусів Цельсія), уникати струсів, ударів і падінь вінчестера, потрапляння в нього пилу або інших дрібних частинок і т. д. До речі, багатьом буде Цікаво дізнатися, що ті ж частинки тютюнового диму приблизно вдвічі більше відстані між головкою, що зчитує, і магнітною поверхнею вінчестера, а людського волосся - в 5-10 разів.

Питання ініціалізації у системі при заміні вінчестера

Тепер кілька слів про те, які дії потрібно вжити, якщо з якихось причин користувач змінював жорсткий диск або встановлював додатковий.

Повністю описувати цей процес не будемо, а зупинимося лише на основних етапах. Спочатку вінчестер необхідно підключити та подивитися в налаштуваннях BIOS, чи визначилося нове обладнання, в розділі адміністрування дисків зробити ініціалізацію та створити завантажувальний запис, створити простий том, присвоїти йому ідентифікатор (літеру) та виконати форматування з вибором файлової системи. Тільки після цього новий гвинт буде повністю готовий до роботи.

Висновок

Ось, власне, і все, що коротко стосується основ функціонування та характеристик сучасних вінчестерів. Принцип роботи зовнішнього жорсткого диска не розглядався принципово, оскільки він практично нічим не відрізняється від того, що використовується для стаціонарних HDD. Єдина різниця полягає лише у методі підключення додаткового накопичувача до комп'ютера чи ноутбука. Найбільш поширеним є з'єднання через USB-інтерфейс, який безпосередньо з'єднаний із материнською платою. При цьому, якщо хочете забезпечити максимальну швидкодію, краще використовувати стандарт USB 3.0 (порт усередині пофарбований у синій колір), природно, за умови, що і зовнішній HDD його підтримує.

В іншому ж, здається, багатьом хоч трохи стало зрозуміло, як функціонує жорсткий диск будь-якого типу. Можливо, вище було наведено занадто багато навіть зі шкільного курсу фізики, проте без цього повною мірою зрозуміти всі основні принципи і методи, закладені в технологіях виробництва та застосування HDD, зрозуміти не вдасться.

У цій статті йтиметься лише про жорсткі диски (HDD), тобто про носії на магнітних дисках. Про SSD буде наступна стаття.

Що таке жорсткий диск

За традицією, давайте підглянемо визначення жорсткого диска у Вікіпедії:
Жорсткий диск (гвинт, вінчестер, накопичувач на жорстких магнітних дисках, НЖМД, HDD, HMDD) - пристрій довільного доступу, що запам'ятовує, заснований на принципі магнітного запису.
Використовуються в переважній більшості комп'ютерів, а також як окремі пристрої для зберігання резервних копій даних, як файлового сховища і т.п.
Трохи розберемося. Мені подобається термін "накопичувач на жорстких магнітних дисках". Ці п'ять слів передають усю суть. HDD - пристрій, призначення якого тривалий час зберігати записані дані. Основою HDD є жорсткі (алюмінієві) диски із спеціальним покриттям, на яке за допомогою спеціальних головок записується інформація.
Не розглядатиму в деталях сам процес запису - по суті це фізика останніх класів школи, і вникати в це, певен, у вас бажання немає, та й стаття зовсім не про те.
Також звернемо увагу на фразу: «довільного доступу» що, грубо кажучи, означає, що ми (комп'ютер) можемо у будь-який час рахувати інформацію з будь-якої ділянки залізниці.
Важливим є той факт, що пам'ять HDD не енергозалежна, тобто не важливо, підключено живлення чи ні, записана на пристрій інформація нікуди не зникне. Це важлива відмінність постійної пам'яті комп'ютера від тимчасової (ОЗП).
Поглянувши на жорсткий диск комп'ютера у житті, ви побачите ні дисків, ні головок, оскільки це приховано в герметичному корпусі (гермозона). Зовні вінчестер виглядає так.
Думаю, що таке HDD ви зрозуміли. Йдемо далі.

Для чого комп'ютеру потрібний жорсткий диск

Розглянемо, що таке HDD у комп'ютері, тобто яку роль він грає у ПК. Зрозуміло, що він зберігає дані, але, як і які. Тут виділимо такі функції НЖМД:
- Зберігання ОС, користувальницького ПЗ та їх налаштувань;
- зберігання файлів користувача: музика, відео, зображення, документи і т.д;
- використання частини об'єму жорсткого диска, для зберігання даних, що не містяться в ОЗУ (файл підкачки) або зберігання вмісту оперативної пам'яті під час використання режиму сну;
- Як бачимо, жорсткий диск комп'ютера не просто звалище з фотографій, музики та відео. На ньому зберігається вся операційна система, і крім цього залізнична допомога допомагає справлятися із завантаженістю ОЗУ, беручи на себе частину її функцій.

З чого складається жорсткий диск

Ми частково згадували про складові жорсткого диска, зараз розберемося з цим детальніше. Отже, основні складові HDD:
- Корпус – захищає механізми жорсткого диска від пилу та вологи. Як правило, є герметичним, щоб всередину та сама волога і пил не потрапляли;
- Диски (млинці) - пластини з певного сплаву металів, з нанесеним з обох боків покриттям, на яке записуються дані. Кількість пластин може бути різною - від однієї (у бюджетних варіантах), до кількох;
- Двигун – на шпинделі якого закріплені млинці;
- Блок головок - конструкція зі з'єднаних між собою важелів (коромисел) та головок. Частина ЗД, яка зчитує та записує на нього інформацію. Для одного млинця використовується пара головок, оскільки верхня, і нижня частина у нього робоча;
- Пристрій позиціонування (актуатор) - механізм блок голівок, що приводить в дію. Складається з пари постійних неодимових магнітів та котушки, що знаходиться на кінці блоку головок;
- Контролер – електронна мікросхема керуюча роботою HDD;
- Паркувальна зона – місце всередині вінчестера поруч із дисками або на їх внутрішній частині, куди опускаються (паркуються) головки під час простою, щоб не пошкодити робочу поверхню млинців.
Такий ось нехитрий пристрій жорсткого диска. Сформувалося воно багато років тому, і жодних принципових змін до нього вже давно не вносилося. А ми йдемо далі.

Як працює жорсткий диск

Після того, як на HDD подається живлення, двигун, на шпинделі якого закріплені млинці, починає розкручуватися. Набравши швидкість, коли у поверхні дисків утворюється постійний потік повітря, починають рухатися головки.
Дана послідовність (спочатку розкручуватися диски, а потім починають працювати головки) необхідна для того, щоб за рахунок потоку повітря, що утворився, головки ширяли над пластинами. Так, вони ніколи не стосуються поверхні дисків, інакше останні були б негайно пошкоджені. Тим не менш, відстань від поверхні магнітних пластин до головок настільки маленька (~10 нм), що ви не побачите її неозброєним оком.
Після запуску, в першу чергу відбувається зчитування службової інформації про стан жорсткого диска та інші необхідні відомості про нього, що знаходяться на так званій нульовій доріжці. Тільки потім розпочинається робота з даними.
Інформація на жорсткому диску комп'ютера записується на доріжки, які, у свою чергу, розбиті на сектори (така собі розрізана на шматочки піца). Для запису файлів кілька секторів об'єднують у кластер, і є найменшим місцем, куди може бути записаний файл.
Крім такого «горизонтального» розбиття диска є ще умовне «вертикальне». Оскільки всі головки об'єднані, вони завжди позиціонуються над однією і тією ж за номером доріжкою, кожна над диском. Таким чином, під час роботи HDD голівки малюють циліндр.
Поки HDD працює, він виконує дві команди: читання і запис. Коли необхідно виконати команду запису, відбувається обчислення області на диску, куди вона буде проводиться, потім позиціонуються головки і, власне, виконується команда. Потім результат перевіряється. Крім запису даних прямо на диск, інформація також потрапляє до його кешу.
Якщо контролеру надходить команда читання, насамперед відбувається перевірка наявності необхідної інформації у кеші. Якщо її там немає, знову відбувається обчислення координат для позиціонування головок, далі головки позиціонується і зчитують дані.
Після завершення роботи, коли живлення вінчестера зникає, відбувається автоматичне паркування головок у зоні паркування.
Ось так загалом і працює жорсткий диск комп'ютера. Насправді все набагато складніше, але звичайному користувачу, швидше за все, такі подробиці не потрібні, тому закінчимо з цим розділом і підемо далі.

Види жорстких дисків та їх виробники

На сьогоднішній день, на ринку існує фактично три основні виробники жорстких дисків: Western Digital (WD), Toshiba, Seagate. Вони повністю покривають попит на пристрої всіх видів та вимог. Інші компанії або розорилися, або були поглинені кимось із основної трійки, або перепрофілювалися.
Якщо говорити про види HDD, їх можна поділити таким чином:

1. Для ноутбуків – основний параметр – розмір пристрою в 2,5 дюйма. Це дозволяє їм компактно розміщуватись у корпусі лептопа;
2. Для ПК - у цьому випадку також можливе використання 2,5″ жорстких дисків, але зазвичай використовуються 3,5 дюйма;
3. Зовнішні жорсткі диски - пристрої, що окремо підключаються до ПК/ноутбука, найчастіше виконують роль файлового сховища.
Також виділяють особливий тип жорстких дисків – для серверів. Вони ідентичні звичайним ПКшним, але можуть відрізнятися інтерфейсами для підключення і більшою продуктивністю.

Решта поділу HDD на види походять від їх характеристик, тому розглянемо їх.

Характеристики жорстких дисків

Отже, основні характеристики жорсткого диска комп'ютера:

Об'єм – показник максимально можливої ​​кількості даних, які можна буде вмістити на диску. Перше, на що зазвичай дивляться при виборі HDD. Даний показник може досягати 10 Тб, хоча для домашнього ПК найчастіше вибирають 500 Гб - 1 Тб;
- Форм-фактор – розмір жорстокого диска. Найпоширеніші - 3,5 та 2,5 дюйма. Як говорилося вище, 2,5″ в більшості випадків, встановлюються у ноутбуки. Також їх використовують у зовнішніх HDD. У ПК і сервери встановлюють 3,5″. Форм фактор впливає і на обсяг, тому що на більший диск може поміститися більше даних;
- Швидкість обертання шпинделя – з якою швидкістю обертаються млинці. Найбільш поширені 4200, 5400, 7200 та 10000 об/хв. Ця характеристика безпосередньо впливає на продуктивність, а також ціну пристрою. Чим вище швидкість - тим більше обидва значення;
- Інтерфейс – спосіб (тип роз'єму) підключення HDD до комп'ютера. Найпопулярнішим інтерфейсом для внутрішніх залізничних систем сьогодні є SATA (у старих комп'ютерах використовувався IDE). Зовнішні жорсткі диски підключаються, як правило, USB або FireWire. Крім перерахованих, існують такі інтерфейси як SCSI, SAS;
- Об'єм буфера (кеш-пам'ять) - тип швидкої пам'яті (за типом ОЗП) встановлений на контролері залізничного ПК, призначений для тимчасового зберігання даних, до яких найчастіше звертаються. Об'єм буфера може становити 16, 32 або 64 Мб;
- Час довільного доступу - час, за який HDD гарантовано виконати запис або читання з будь-якої ділянки диска. Коливається від 3 до 15 мс;

Крім наведених характеристик також можна зустріти такі показники як:

Швидкість передачі даних;
- кількість операцій введення-виведення в сек.;
- Рівень шуму;
- надійність;
- опірність ударам і т.д;
Щодо характеристик HDD це все.

Привіт, друзі! Що таке жорсткий дискабо HDD? Жорсткий диск – це накопичувач на жорстких магнітних дисках. Скорочено – НЖМД або hard (magnetic) disk drive – HDD або MHDD. Перший жорсткий диск був випущений компанією IBM в 1956 мав габарити близько одного метра кубічного і був здатний запам'ятати до 3.5 МБ інформації (дивіться малюнок зліва з вікіпедії). До його складу входило 50 магнітних дисків діаметром 610 мм. Поверхня дисків була вкрита чистим залізом, завдяки чому і була можливість намагнічувати ділянки та запам'ятовувати дані. Цей жорсткий диск важить 971 кг та входив до складу першого серійного комп'ютера IBM 305 RAMAC. Далі технології розвивалися і дійшли до того, що ви бачите у своїх настільних ПК та ноутбуках. Жорсткий диск також називають хард, вінчестер або скорочено гвинт. Назва вінчестера пішла їх 70-х років. У той час компанія IBM випустила новий комп'ютер з більш сучасним жорстким диском, який представляв із себе дві шафки, кожен запам'ятовував до 30 МБ інформації. Було проведено аналогію з гвинтівкою Winchester, яка використовувала патрон 30-30. Напевно, після цього за жорсткими дисками, швидше за все назавжди (принаймні у російськомовного населення), закріпилася назва вінчестер або скорочено гвинт.

Сучасний жорсткий диск складається з:

• корпуси
• блоку електроніки
• блоку позиціонування актуатора
• блоки з магнітними пластинами

Розглянемо кожен докладніше

Корпус. Це як кузов автомобіля. На ньому все тримається. Основне завдання - забезпечувати необхідну жорсткість та герметичність. Жорсткість потрібна для захисту диска від зовнішніх пошкоджень. Герметичність — щоб уникнути попадання сторонніх частинок всередину диска. Корпус виготовляється з теплопровідного сплаву, тому що при роботі пристрою виділяється тепло і його потрібно якось відводити. Докладніше про охолодження HDD можна прочитати. Для вирівнювання тисків зовні та всередині корпусу робиться маленьке віконце з гнучкою металевою пластинкою.

Блок електроніки

Складається з:

• інтерфейсного блоку
• буфер або кеш
• керуючого блоку

Інтерфейсний блок відповідає за зв'язок жорсткого диска з комп'ютером. У ПЗУ — постійному пристрої, записується службова інформація і прошивка диска. Буфер - кеш пам'ять на кшталт оперативної пам'яті. У неї міститься інформація, що часто використовується, що збільшує швидкодію HDD. Швидкість читання з кешу наближається до максимальної інтерфейсу диска. На даний момент найбільш поширений інтерфейс SATA III з максимальною пропускною здатністю 6 Гбіт/с. Керуючий блок відповідає за функціонування всього пристрою. Він стежить за швидкістю обертання блоку з магнітними пластинами та положення блоку з актуаторами.

Складається з актуатора (пристрій для запису та читання інформації), кронштейна (на якому все це працює) та приводу. Привід отримує команди, де йому читати і куди записувати інформацію від блоку управління. (Малюнок нижче взятий із сайту http://www.3dnews.ru/editorial/640707)

Блок із запам'ятовуючими пластинами. Складається з приводу, дисків або пластин та сепараторів. Останні служать завдання певного відстані між пластинами. Диски із сепараторами кріпляться на приводі. Останній підтримує постійну швидкість обертання.

2. Як працює жорсткий диск?

При включенні комп'ютера блок управління подає живлення на привід з магнітними дисками і чекає, поки останній не вийде на задану частоту обертання. Як тільки це відбувається, комп'ютер отримує сигнал про готовність HDD. Далі йде запит інформації. У справу входить блок позиціонування, який задає необхідне становище актуатора. Дані зчитуються і потрапляють до інтерфейсного блоку, а від туди до оперативної пам'яті.

Раніше актуатори стосувалися магнітних дисків. Зі збільшенням швидкості останніх знадобилася інша технологія. При цьому актуатор ширяв над магнітною поверхнею і торкався в певному місці диска. Технологія пішла далі, швидкості обертання пластин виросли і блок з актуаторами почали паркувати поза пластинами. Тобто актуатори знаходяться поруч із пластинами доки не досягнуто потрібної швидкості обертання магнітних дисків.

Завдяки високій швидкості обертання дисків створюється повітряний потік, що піднімає головку актуатора над поверхнею. Цей же повітряний потік здуває з поверхні порошини, що потрапили всередину, на спеціальний фільтр в корпусі. Також у корпусі є адсорбент видалення залишків вологи.

У сучасних жорстких дисках відстань між головкою, що зчитує, і поверхнею магнітної платини.< 10 нм. Благодаря тому, что считывающие головки никогда не касаются магнитных пластин отсутствует трение и продлевается срок жизни HDD.

Кожна магнітна пластина розділена на кільцеві доріжки завширшки близько 60 нм. Останні своєю чергою поділені на кластери. Зазвичай кластер дорівнює 4 КБ. Кожен біт інформації є майданчиком на доріжці, яка може бути намагнічена -1 чи ні -0. Ці майданчики називаються доменами. Чим менший розмір цього майданчика, тим більше інформації поміститься на доріжці і більш ємний вийде жорсткий диск. На початку розвитку застосовувався поздовжній запис. Майданчик розташовувався вздовж доріжки. Надалі цю технологію замінив перпендикулярний запис, що дозволило збільшити щільність даних і в свою чергу збільшити ємності HDD.

Сукупність доріжок рівновіддалених від центру обертання двигуна називається циліндром.

Перш ніж жорсткі диски переступили кордон ємності в 500 MB вистачало системи позиціонування CHS (cylinder-head-sector циліндр-головка-сектор). Зі зростанням обсягу 1994 року було прийнято лінійну систему позиціонування LBA (linear block addressing). У випадку з CHS жорсткий диск був прозорий для операційних систем, із застосуванням лінійної адресації система звертається до потрібного сектора жорсткого диска, а вже блок управління HDD розбирається де знаходиться фізично цей сектор.

Блок позиціонування актуатора. Наводиться рух за допомогою соленоїдного двигуна. Останній складається зі статора та котушки. Статор складається з одного або двох постійних сильних неодимових магнітів. Точне позиціонування кронштейна з головками відбувається шляхом подачі напруги певної сили на котушку.

Від сили магнітів залежить швидкість позиціонування головок і отже час доступу до інформації. Останнє у жорстких дисках варіюється в межах від 3 до 12 мс. Чим менший час, тим швидше і дорожче жорсткий диск. У компанії WD є три серії жорстких дисків: зелена, синя та чорна. У зеленій застосовується один неодимовий магніт та швидкість обертання шпинделя 5400 об/хв. За рахунок цього виходить досить скромна продуктивність, натомість пристойна економічність та низьке енергоспоживання. У синіх дисків застосовується такий самий магніт і швидкість обертання піднімається до 7200 об/хв. За швидкісними характеристиками він займає проміжне положення між зеленими та чорними HDD. У чорних застосовуються два магніти і швидкість 7200 об/хв. Це дозволяє досягти максимальної швидкодії. Ще вище підняти швидкодію можна підвищивши швидкість обертання двигуна з магнітними пластинами до 10000 або 15000 об/хв. Ці диски мають мінімальний час доступу до інформації і застосовуються в основному в серверах. Твердотільні диски зі швидкістю доступу< 1 мс пока остаются вне конкуренции.

Жорсткі диски під час роботи виробляють два види шуму. Від магнітних дисків, що швидко обертаються, і від удару блоку з головками об обмежувач. Останній виникає при поверненні блоку з головками в позицію паркувального. Для зменшення цього удару виробники ставлять гумові підкладки, але іноді це не рятує, особливо в спритних дисках. Існує два шляхи зниження шуму HDD. Перший зробити кріплення, що амортизують, в корпусі ПК. Про це докладніше можна прочитати. Шлях другий – використовувати технологію AAM, про яку написав докладніше.

3. Виробництво та виробники жорстких дисків

Спочатку було близько 70 виробників HDD. Завдяки конкуренції їх залишилося лише три. Це Toshiba, Seagate та WD. На схемі нижче ви можете подивитися в які роки відбувалися поглинання

Виробництво. У механічному цеху з алюмінієвої болванки циліндричної форми нарізаються заготовки. Потім заготовкам надається необхідна форма можливо навіть на токарних верстатах. Після заготівлі надходять у полірувальний цех, де поверхні поліруються до потрібного рівня. Потім відбувається контроль та заготівлі йдуть у цех нанесення магнітного покриття. Після цього знову відбувається контроль. Потім відбувається складання жорсткого диска та низькорівневе форматування. При цьому процесі магнітні пластини розбиваються на доріжки і перевіряються на биті сектори, що не читаються. Останні відразу позначаються щоб виключити у них запис інформації. Кожна доріжка має певний резерв секторів. Саме з цього резерву відбувається заміна виявлених під час роботи збійних ділянок.

Окремо необхідно сказати про виробництво головок для читання та запису інформації. У сучасних жорстких дисках кожен актуатор складається із двох головок, для читання та для запису. Складність виробництва головок можна порівняти зі складністю виробництва процесорів, так само використовується фотолітографія. Пристрої головок складає виробничу таємницю.

Висновок

У статті ми торкнулися трохи історії, привівши картинку першого жорсткого диска, випущеного в 1956 році. Сказали можливу причину називання накопичувачів на магнітних жорстких дисках коротким словом — гвинт. Потім розглянули склад жорсткого диска, що ховається всередині його корпусу. Намагалися приділити увагу кожному блоку окремо. Розглянули роботу жорсткого диска. Наприкінці розібралися з виробниками та самим виробництвом HDD. Сподіваюся ви разом зі мною просунулися у темі HDD.