Как называется кольцо данных на одной стороне жесткого диска
Обновлено: 21.11.2024
В этом подразделе представлена терминология, связанная с жесткими дисками. Если вы уже знакомы с терминами и понятиями, можете пропустить этот подраздел.
Процессор (CPU) и фактический диск обмениваются данными через контроллер диска. Это избавляет остальную часть компьютера от необходимости знать, как использовать диск, поскольку контроллеры для разных типов дисков можно настроить так, чтобы они использовали один и тот же интерфейс по отношению к остальной части компьютера. Таким образом, компьютер может просто сказать: «Эй, диск, дай мне то, что я хочу», вместо длинной и сложной серии электрических сигналов, чтобы переместить головку в нужное место и ждать, когда под головкой появится правильное положение и делать все другие неприятные вещи, необходимые. (На самом деле интерфейс контроллера по-прежнему сложный, но гораздо менее сложный, чем мог бы быть в противном случае.) Контроллер также может выполнять другие функции, такие как кэширование или автоматическая замена поврежденных секторов.
Обычно вышеизложенное — это все, что нужно знать об оборудовании. Есть и другие вещи, такие как двигатель, который вращает пластины и перемещает головки, и электроника, управляющая работой механических частей, но они в основном не имеют отношения к пониманию принципов работы жесткого диска.
Поверхности обычно делятся на концентрические кольца, называемые дорожками , которые, в свою очередь, делятся на сектора . Это разделение используется для указания местоположений на жестком диске и для выделения дискового пространства для файлов. Чтобы найти заданное место на жестком диске, можно сказать "поверхность 3, дорожка 5, сектор 7". Обычно количество секторов одинаково для всех дорожек, но некоторые жесткие диски помещают больше секторов на внешние дорожки (все сектора имеют одинаковый физический размер, поэтому на более длинных внешних дорожках помещается больше секторов). Обычно сектор содержит 512 байт данных. Сам диск не может обрабатывать меньшее количество данных, чем один сектор.
Рисунок 5-1. Схематическое изображение жесткого диска.
Каждая поверхность одинаково разделена на дорожки (и сектора). Это означает, что когда головка для одной поверхности находится на дорожке, головки для других поверхностей также находятся на соответствующих дорожках. Все соответствующие дорожки вместе взятые называются цилиндром. Для перемещения головок с одной дорожки (цилиндра) на другую требуется время, поэтому, размещая данные, к которым часто обращаются, вместе (скажем, файл) так, чтобы они находились в пределах одного цилиндра, нет необходимости перемещать головки для чтения. все это. Это повышает производительность. Не всегда есть возможность разместить файлы таким образом; файлы, хранящиеся в нескольких местах на диске, называются фрагментированными.
Количество поверхностей (или головок, что одно и то же), цилиндров и секторов сильно различается; спецификация числа каждого называется геометрией жесткого диска. Геометрия обычно хранится в специальной области памяти с питанием от батареи, называемой CMOS RAM , откуда операционная система может получить ее во время загрузки или инициализации драйвера.
К сожалению, у BIOS есть конструктивное ограничение, из-за которого невозможно указать номер дорожки больше 1024 в CMOS RAM, что слишком мало для большого жесткого диска. Чтобы преодолеть это, контроллер жесткого диска лжет о геометрии и переводит адреса, данные компьютером, во что-то, что соответствует действительности. Например, жесткий диск может иметь 8 головок, 2048 дорожек и 35 секторов на дорожку. Его контроллер мог солгать компьютеру и заявить, что он имеет 16 головок, 1024 дорожки и 35 секторов на дорожку, тем самым не превысив лимит на дорожки, и транслирует адрес, который дает ему компьютер, уменьшая вдвое номер головки и удваивая число секторов. номер дорожки. В действительности математика может быть сложнее, потому что цифры не такие красивые, как здесь (но опять же, детали не важны для понимания принципа). Этот перевод искажает представление операционной системы об организации диска, что делает непрактичным использование трюка со всеми данными на одном цилиндре для повышения производительности.
Перевод представляет собой проблему только для IDE-дисков. Диски SCSI используют последовательный номер сектора (т. е. контроллер преобразует последовательный номер сектора в головку, цилиндр и тройку секторов) и совершенно другой метод взаимодействия ЦП с контроллером, поэтому они изолированы от проблемы. Обратите внимание, однако, что компьютер также может не знать реальную геометрию диска SCSI.
Поскольку Linux часто не знает реальной геометрии диска, его файловые системы даже не пытаются хранить файлы в пределах одного цилиндра. Вместо этого он пытается присвоить файлам последовательно пронумерованные сектора, что почти всегда дает одинаковую производительность. Проблема еще больше осложняется кэшированием на контроллере и автоматической предварительной выборкой, выполняемой контроллером.
Каждый жесткий диск представлен отдельным файлом устройства. Жестких дисков IDE может (обычно) быть только два или четыре.Они известны как /dev/hda, /dev/hdb, /dev/hdc и /dev/hdd соответственно. Жесткие диски SCSI известны как /dev/sda, /dev/sdb и так далее. Аналогичные соглашения об именах существуют и для других типов жестких дисков; см. главу 4 для получения дополнительной информации. Обратите внимание, что файлы устройств для жестких дисков предоставляют доступ ко всему диску, независимо от разделов (которые будут обсуждаться ниже), и легко испортить разделы или данные в них, если вы не будете осторожны. Файлы устройств дисков обычно используются только для получения доступа к основной загрузочной записи (что также будет рассмотрено ниже).
Жесткий диск — это запечатанный блок, содержащий несколько пластин в стеке. Жесткие диски могут быть установлены в горизонтальном или вертикальном положении. В этом описании жесткий диск установлен горизонтально.
Электромагнитные головки чтения/записи расположены над и под каждой пластиной. Когда пластины вращаются, приводные головки перемещаются к центральной поверхности и выдвигаются к краю. Таким образом, головки дисков могут достигать всей поверхности каждого диска.
Создание дорожек
На жестком диске данные хранятся тонкими концентрическими полосами. Головка привода, находясь в одном положении, может читать или записывать кольцевое кольцо или полосу, называемую дорожкой. На 3,5-дюймовом жестком диске может быть более тысячи дорожек. Секции внутри каждой дорожки называются секторами. Сектор — это наименьшая физическая единица хранения на диске, и почти всегда его размер составляет 512 байт (0,5 КБ).
На рисунке ниже показан жесткий диск с двумя пластинами.
Части жесткого диска
Структура старых жестких дисков (например, до Windows 95) будет относиться к обозначению цилиндр/головка/сектор. Цилиндр формируется, когда все головки дисковода находятся в одном и том же положении на диске.
Наложенные друг на друга гусеницы образуют цилиндр. Эта схема постепенно устраняется с современными жесткими дисками. Во всех новых дисках используется коэффициент перевода, чтобы фактическая аппаратная компоновка выглядела непрерывной, поскольку именно так работают операционные системы, начиная с Windows 95 и более поздних версий.
Для операционной системы компьютера дорожки имеют скорее логическую, чем физическую структуру, и устанавливаются при низкоуровневом форматировании диска. Дорожки нумеруются, начиная с 0 (крайний край диска) и заканчивая дорожкой с наибольшим номером, обычно 1023 (ближе к центру). Точно так же на жестком диске имеется 1024 цилиндра (пронумерованных от 0 до 1023).
Стопка пластин вращается с постоянной скоростью. Головка диска, расположенная близко к центру диска, считывает данные с поверхности, которая проходит медленнее, чем поверхность на внешних краях диска.
Чтобы компенсировать эту физическую разницу, дорожки рядом с внешней стороной диска менее плотно заполнены данными, чем дорожки ближе к центру диска. Результатом разной плотности данных является то, что один и тот же объем данных может быть прочитан за один и тот же период времени при любом положении головки диска.
Дисковое пространство заполняется данными по стандартному плану. Одна сторона одной пластины содержит пространство, зарезервированное для информации о позиционировании аппаратных дорожек, и недоступное для операционной системы. Таким образом, дисковая сборка, содержащая две пластины, имеет три стороны, доступные для данных. Данные о позиционировании трека записываются на диск во время сборки на заводе. Контроллер системного диска считывает эти данные, чтобы поместить головки дисков в правильное положение сектора.
Секторы и кластеры
Сектор, являющийся наименьшей физической единицей хранения на диске, почти всегда имеет размер 512 байт, поскольку 512 — это степень числа 2 (2 в степени 9). Число 2 используется потому, что в самых основных компьютерных языках есть два состояния — включено и выключено.
Каждый сектор диска помечен с использованием заводских данных о расположении дорожек. Данные идентификации сектора записываются в область непосредственно перед содержимым сектора и определяют начальный адрес сектора.
Оптимальный способ хранения файла на диске — непрерывная серия, т. е. все данные в потоке хранятся в одной строке от начала до конца. Поскольку размер многих файлов превышает 512 байт, файловая система сама должна выделить сектора для хранения данных файла. Например, если размер файла составляет 800 байт, для файла выделяется два сектора по 512 КБ.
Кластер может состоять из одного или нескольких последовательных секторов. Количество секторов всегда является показателем степени 2. Кластер может состоять из 1 сектора (2^0) или, что чаще, из 8 секторов (2^3). Единственное нечетное число a секторов, из которых может состоять кластер, равно 1. Это не может быть 5 секторов или четное число, которое не является показателем степени 2. Это не будет 10 секторов, но может быть 8 или 16 секторов.
Они называются кластерами, потому что пространство зарезервировано для содержимого данных. Этот процесс защищает сохраненные данные от перезаписи.Позже, если данные добавляются к файлу и его размер увеличивается до 1600 байт, выделяются еще два кластера, сохраняя весь файл в четырех кластерах.
Если непрерывные кластеры недоступны (кластеры, расположенные рядом друг с другом на диске), вторые два кластера могут быть записаны в другом месте на том же диске, в том же цилиндре или в другом цилиндре — везде, где файловая система найдет доступны два сектора.
Файл, хранящийся таким несмежным образом, считается фрагментированным. Фрагментация может снизить производительность системы, если файловая система должна направлять головки дисков по нескольким разным адресам, чтобы найти все данные в файле, который вы хотите прочитать. Дополнительное время, затрачиваемое головками на перемещение по ряду адресов, приводит к задержке перед получением всего файла.
Размер кластера можно изменить для оптимизации хранения файлов. Больший размер кластера снижает вероятность фрагментации, но увеличивает вероятность того, что в кластере останется неиспользуемое пространство. Использование кластеров размером более одного сектора уменьшает фрагментацию и уменьшает объем дискового пространства, необходимого для хранения информации об используемых и неиспользуемых областях на диске.
Большинство дисков, используемых сегодня в персональных компьютерах, вращаются с постоянной угловой скоростью. Дорожки ближе к внешней стороне диска менее плотно заполнены данными, чем дорожки ближе к центру диска. Таким образом, фиксированный объем данных может быть прочитан за постоянный период времени, даже несмотря на то, что скорость поверхности диска выше на дорожках, расположенных дальше от центра диска.
Современные диски резервируют одну сторону одной пластины для информации о расположении дорожек, которая записывается на диск на заводе во время сборки диска.
Он недоступен для операционной системы. Контроллер диска использует эту информацию для точной настройки расположения головок, когда головки перемещаются в другое место на диске. Когда сторона содержит информацию о положении дорожки, эта сторона не может использоваться для данных. Таким образом, дисковая сборка, содержащая две пластины, имеет три стороны, доступные для данных.
О нас
LSoft Technologies Inc. — частная североамериканская компания-разработчик программного обеспечения. Наша цель — создавать лучшие в мире решения для восстановления данных, безопасности и резервного копирования, обеспечивая высочайшую производительность, инновации и непревзойденное обслуживание клиентов.
Это магнит. Это электрический. Он фотонный. Нет, речь пойдет не о новом трио супергероев во вселенной Marvel. Это все о наших драгоценных цифровых данных. Нам нужно хранить его в надежном и стабильном месте таким образом, чтобы мы могли получить его и изменить быстрее, чем вы успеете моргнуть. Забудьте о Железном человеке и Торе — мы говорим о накопителях!
Итак, давайте подготовимся к театру, начисто вымоем руки и углубимся в анатомию того, что мы используем сегодня, чтобы хранить триллионы цифровых битов.
Мы разделили Анатомию накопителя на три части, опубликованные одновременно, чтобы проанализировать жесткие диски, твердотельные накопители и оптические приводы. Перейдите по ссылкам ниже, чтобы прочитать их все вместе с нашей предыдущей опубликованной работой над этой серией.
Серия изданий TechSpot "Анатомия компьютерного оборудования"
У вас может быть настольный ПК на работе, в школе или дома. Вы можете использовать его, чтобы работать с налоговыми декларациями или играть в новейшие игры; вы можете даже заниматься сборкой и настройкой компьютеров. Но насколько хорошо вы знаете компоненты, из которых состоит ПК?
Ты меня крутишь, детка
Начнем изучение накопителей с тех, которые используют магнетизм для хранения цифровых данных. Механический жесткий диск (HDD) уже более 30 лет является стандартной системой хранения данных для ПК по всему миру, но технология, стоящая за всем этим, намного старше.
IBM выпустила первый коммерчески доступный жесткий диск в 1956 году, всего 3,75 МБ. И вообще, общая структура за это время не сильно изменилась. Есть еще диски, которые используют магнетизм для хранения данных, и есть устройства для чтения/записи этих данных. Что изменилось, и очень сильно, так это объем данных, которые можно хранить на них.
В 1987 году жесткий диск емкостью 20 МБ можно было купить примерно за 350 долларов США; сегодня за такие деньги вы получите 14 ТБ дискового пространства: в 700 000 раз больше места.
Мы собираемся разобрать кое-что не совсем такого размера, но все еще довольно приличное на сегодняшний день: 3,5-дюймовый жесткий диск Seagate Barracuda емкостью 3 ТБ, а именно модель ST3000DM001, печально известную своей высокой частотой отказов и последующими судебными исками. тоже мертв, так что на самом деле это скорее вскрытие, чем урок анатомии.
Большая часть жесткого диска выполнена из литого металла.Силы внутри устройства при интенсивном использовании могут быть довольно серьезными, поэтому использование толстого металла предотвращает изгибание и вибрацию корпуса. Даже в крошечных 1,8-дюймовых жестких дисках используется металл для корпуса, хотя они, как правило, изготавливаются из алюминия, а не из стали, поскольку они максимально легкие.
Перевернув диск, мы увидим печатную плату и кучу разъемов. Один в верхней части платы предназначен для двигателя, который вращает диски, тогда как нижние три слева направо являются перемычками, позволяющими настроить диск для определенных настроек, данных SATA (Serial ATA) и SATA. мощность.
Serial ATA впервые появился в 2000 году. В настольных ПК это стандартная система, используемая для подключения дисков к остальной части компьютера. Спецификация формата претерпела множество изменений с тех пор, и в настоящее время мы работаем с версией 3.4. Наш труп жесткого диска, однако, является более старой версией, но это влияет только на один контакт в разъеме питания.
Подключения данных используют так называемую дифференциальную сигнализацию для отправки и получения данных: контакты A+ и A- используются для передачи инструкций и данных на жесткий диск, тогда как контакты B используются для получать эти сигналы. Использование таких спаренных проводов значительно снижает влияние электрических помех на сигнал, а значит, его можно передавать быстрее.
Что касается питания, то вы можете видеть, что на каждое напряжение приходится по два (+3,3, +5 и +12 В); однако большинство из них не используются, поскольку жесткие диски не требуют большой мощности. Эта конкретная модель Seagate потребляет менее 10 Вт при большой нагрузке. Контакты питания, помеченные как PC, предназначены для предварительной зарядки: они позволяют извлекать и вставлять жесткий диск, когда компьютер все еще включен (так называемая горячая замена).
Контакт PWDIS позволяет удаленно сбрасывать настройки жесткого диска, но это поддерживается только SATA версии 3.3; так что в нашем приводе это просто еще одна линия +3,3 В. И последний вывод, который нужно закрыть, тот, что помечен как SSU, просто сообщает компьютеру, поддерживает ли жесткий диск ступенчатое вращение.
Диски внутри устройства, которые мы увидим через несколько секунд, должны быть раскручены до полной скорости, прежде чем компьютер сможет их использовать, но если в машине было много жестких дисков, внезапная одновременная потребность для питания может нарушить систему. Пошаговое вращение помогает предотвратить возникновение таких проблем, но это означает, что вам придется подождать еще несколько секунд, прежде чем вы сможете начать крутить жесткий диск.
Снятие печатной платы показывает, как печатная плата соединяется с компонентами внутри привода. Жесткие диски негерметичны, за исключением дисков сверхбольшой емкости — в них вместо воздуха используется гелий, так как он гораздо менее плотный и создает меньше проблем для накопителей с большим количеством дисков. Но вы также не хотите, чтобы они открыто подвергались воздействию окружающей среды.
Использование подобных разъемов помогает свести к минимуму количество точек входа, через которые грязь и пыль могут попасть в накопитель; в металлическом корпусе есть отверстие — внизу слева на изображении выше (большая белая точка) — чтобы давление воздуха оставалось относительно комнатным.
Теперь, когда печатная плата отключена, давайте посмотрим, что здесь находится. Есть 4 основных фишки, на которых стоит сосредоточиться:
- LSI B64002: основная микросхема контроллера, которая обрабатывает инструкции, входящие и исходящие потоки данных, исправление ошибок и т. д.
- Samsung K4T51163QJ: 64 МБ памяти DDR2 SDRAM с тактовой частотой 800 МГц, используемой для кэширования данных.
- Smooth MCKXL: управляет двигателем, вращающим диски.
- Winbond 25Q40BWS05: 500 КБ последовательной флэш-памяти, используемой для хранения прошивки накопителя (немного похожей на BIOS ПК)
Если говорить о компонентах на печатной плате, между широким ассортиментом жестких дисков практически нет различий. Больший объем хранилища требует большего объема кэш-памяти (на последних монстрах можно найти до 256 МБ памяти DDR3), а чип основного контроллера может быть немного сложнее в плане обработки ошибок, но в нем не так уж много.
Открыть привод достаточно просто, просто отвинтите несколько штуцеров Torx и вуаля! Мы в деле.
Учитывая, что он занимает большую часть устройства, наше внимание сразу же привлекает большой металлический круг, поэтому нетрудно понять, почему они называются дисками. Их правильное название — тарелка, и они сделаны из стекла или алюминия, покрытых несколькими слоями различных составов.Этот накопитель емкостью 3 ТБ имеет три пластины, поэтому каждая из них должна хранить по 500 ГБ с каждой стороны.
Изображение этих пыльных, волосатых тарелок не отражает инженерной и производственной точности, необходимой для их производства. В нашем примере с жестким диском сам алюминиевый диск имеет толщину 0,04 дюйма (1 мм), но он отполирован до такой степени, что средняя высота вариаций поверхности составляет менее 0,000001 дюйма (примерно 30 нм).
На металл нанесен базовый слой толщиной всего 0,0004 дюйма (10 микрон), состоящий из нескольких слоев компаундов. Это делается с помощью химического осаждения, а затем осаждения из паровой фазы, что подготавливает диск для магнитного материала, который используется для хранения цифровых данных.
Этот материал обычно представляет собой сложный сплав кобальта и расположен в виде концентрических колец, каждое из которых имеет ширину около 0,00001 дюйма (примерно 250 нм) и глубину 0,000001 дюйма (25 нм). В микроскопическом масштабе металлические сплавы образуют зерна, похожие на мыльные пузыри, плавающие в воде.
Каждая крупинка имеет собственное магнитное поле, но его можно выровнять в заданном направлении. Группировка этих полей приводит к 0 и 1 битам данных. Если вы хотите более глубокого технического погружения в эту тему, прочтите этот документ Йельского университета. Окончательные покрытия представляют собой слой углерода для защиты, а затем слой полимера для уменьшения контактного трения. Вместе они имеют толщину не более 0,0000005 дюйма (12 нм).
Мы скоро увидим, почему пластины должны изготавливаться с такими высокими допусками, но удивительно осознавать, что всего за 15 долларов США вы можете стать счастливым обладателем нанометрового производства!
Давайте снова вернемся ко всему жесткому диску и посмотрим, что там еще есть.
Желтой рамкой отмечена металлическая крышка, которая надежно удерживает диск на шпиндельном двигателе – электрическом приводе, вращающем диски. В этом HDD они вращаются со скоростью 7200 об/мин, но другие модели работают медленнее. Более медленные диски снижают уровень шума и энергопотребления, но также снижают производительность, в то время как другие более быстрые диски могут достигать скорости 15 000 об/мин.
Чтобы уменьшить вредное воздействие пыли и влаги в воздухе, рециркуляционный фильтр (зеленая рамка) улавливает мельчайшие частицы и удерживает их внутри. Воздух, перемещаемый вращением пластин, обеспечивает постоянный поток через фильтр. Поверх дисков и рядом с фильтром находится один из трех дисковых разделителей: они помогают уменьшить вибрации, а также максимально регулируют поток воздуха.
В левом верхнем углу изображения, отмеченном синей рамкой, находится один из двух постоянных стержневых магнитов. Они создают магнитное поле, необходимое для перемещения выделения компонента красным цветом. Давайте удалим некоторые из этих частей, чтобы увидеть это лучше.
То, что выглядит как толстый лейкопластырь, – это еще один фильтр, за исключением того, что он улавливает частицы и газы снаружи, поскольку они проникают через отверстие, которое мы видели раньше. Металлические шипы — это приводные рычаги, удерживающие головки чтения/записи жесткого диска. скорость.
Посмотрите это видео, любезно предоставленное The Slow Mo Guys, чтобы увидеть, насколько это быстро:
Вместо того, чтобы использовать что-то вроде шагового двигателя, чтобы защелкнуть рычаги на место, электрический ток подается по катушке провода у основания рычага.
Обычно их называют звуковыми катушками, потому что это тот же принцип, по которому громкоговорители и микрофоны перемещают мягкие конусы. Ток создает вокруг себя магнитное поле, которое противодействует полю, создаваемому постоянными стержневыми магнитами.
Не забывайте, что дорожки данных крошечны, поэтому позиционирование рычагов должно быть очень точным, как и все остальное на диске. Некоторые жесткие диски имеют многоступенчатые приводы, которые могут выполнять небольшие изменения направления с помощью всего лишь части целого рычага.
На некоторых жестких дисках дорожки данных фактически перекрывают друг друга. Эта технология называется последовательной магнитной записью, и требования к точности и аккуратности (т. е. попаданию в нужное место снова и снова) еще выше.
На самых концах плеч расположены тонкие головки чтения/записи. Наш жесткий диск имеет 3 пластины и 6 головок, и каждая из них плавает над диском при его вращении. Для этого головы подвешены на двух сверхтонких металлических полосках.
Именно здесь мы можем понять, почему наш образец анатомии мертв: по крайней мере одна голова оторвалась, и то, что вызвало первоначальное повреждение, также погнуло некоторые опорные рычаги. Весь компонент головы настолько мал, что получить хорошее изображение обычной камерой действительно сложно, как мы можем видеть ниже.
Однако мы можем разобрать некоторые детали. Серый блок представляет собой специально обработанную деталь, называемую ползунком, так как диск вращается под ним, поток воздуха создает подъемную силу, поднимая головку над поверхностью. И когда мы говорим "выкл", мы имеем в виду зазор всего 0,0000002 дюйма или менее 5 нм.
Еще дальше, и головки не смогут обнаружить изменения магнитных полей в дорожке; если бы головки действительно упирались в поверхность, они бы просто соскребали покрытие. Вот почему воздух внутри корпуса диска необходимо фильтровать: пыль и влага на поверхности диска просто выбьют головки.
Крошечный металлический "стержень" на конце головы отвечает за общую аэродинамику. Однако нам нужна более качественная картина, чтобы увидеть части, которые фактически выполняют чтение и запись.
На приведенном выше изображении другого жесткого диска части, которые выполняют чтение и запись, находятся под всеми электрическими дорожками. Запись осуществляется с помощью тонкопленочной индукционной (TFI) системы, тогда как чтение осуществляется с помощью туннелирования магниторезистивного ( TMR).
Сигналы, создаваемые TMR, очень слабые, и их необходимо пропустить через усилитель, чтобы повысить уровни, прежде чем их можно будет отправить дальше. Чип, отвечающий за это, виден возле основания рычагов привода на изображении ниже.
Как упоминалось во введении к этой статье, механические компоненты и принцип работы жесткого диска не претерпели значительных изменений за прошедшие годы. Больше всего улучшилась технология магнитной дорожки и головок чтения/записи, которая позволяет создавать более узкие и плотные дорожки, что в конечном итоге приводит к большему объему памяти.
Тем не менее, у механических жестких дисков есть явные ограничения производительности. Для перемещения рычагов привода в требуемое положение требуется время, и если данные разбросаны по разным дорожкам на отдельных пластинах, то накопитель потратит относительно большое количество микросекунд на поиск битов.
Прежде чем мы перейдем к разбору другого типа накопителей, давайте возьмем за основу производительность типичного жесткого диска. Мы использовали CrystalDiskMark для тестирования жесткого диска WD 3,5 дюйма, 5400 об/мин, емкостью 2 ТБ:
Первые две строки отображают пропускную способность в мегабайтах в секунду при последовательном (длинный, непрерывный список) и случайном (перескакивание по диску) чтении и записи. В следующей строке показано значение IOPS, то есть количество операций ввода-вывода, выполняемых каждую секунду. В последней строке отображается средняя задержка (время в микросекундах) между выполнением операции чтения/записи и получением значения данных.
Вообще говоря, вы хотите, чтобы значения в первых трех строках были как можно больше, а в последней строке — как можно меньше. Не беспокойтесь о самих цифрах, мы будем использовать их для сравнения, когда будем рассматривать следующий тип накопителей: твердотельные накопители.
Цель этой статьи — показать, как устроен современный жесткий диск или жесткий диск. Каковы его основные части, как они выглядят и каковы названия и сокращения этих частей. В качестве примера мы собираемся разобрать 3,5-дюймовый диск SATA.
Сбой жесткого диска?
Услуги восстановления данных DigiLab одобрены и рекомендованы создателем утилиты HDDScan
Мы собираемся разорвать диск Seagate ST31000333AS емкостью 1 ТБ. Давайте посмотрим на нашу "морскую свинку".
Причудливый кусок зеленого стекла и меди с разъемами SATA и питания называется печатной платой или печатной платой. Плата удерживает на месте и соединяет электронные компоненты жесткого диска. Алюминиевый корпус, окрашенный в черный цвет, со всем, что внутри, называется Head and Disk Assembly или HDA. Сам кейс называется Базой.
Теперь давайте удалим плату и увидим электронные компоненты с другой стороны.
Сердцем печатной платы является самая большая микросхема посередине, называемая блоком микроконтроллера или MCU. На современных жестких дисках MCU обычно состоит из центрального процессорного блока или ЦП, который выполняет все вычисления, и канала чтения/записи — специального блока, который преобразует аналоговые сигналы с головок в цифровую информацию в процессе чтения и кодирует цифровую информацию в аналоговые сигналы, когда диску необходимо записать. MCU также имеет порты ввода-вывода для управления всем на печатной плате и передачи данных через интерфейс SATA.
Память представляет собой микросхему памяти типа DDR SDRAM. Емкость микросхемы памяти определяет емкость кэш-памяти жесткого диска. На этой плате установлен чип памяти Samsung 32MB DDR, что теоретически означает, что HDD имеет кэш-память 32MB (и вы можете найти такую информацию в техпаспорте на этот HDD), но это не совсем так. Потому что память логически разделена на буферную или кеш-память и память прошивки. ЦП потребляет часть памяти для хранения модулей прошивки, и, насколько нам известно, только диски Hitachi/IBM показывают реальный размер кэша в таблицах данных для других дисков, вы можете просто догадаться, насколько велик реальный размер кэша.
Следующая микросхема — это контроллер мотора звуковой катушки или контроллер VCM. Этот парень потребляет больше всего электроэнергии на печатной плате. Он управляет вращением двигателя шпинделя и движениями головок. Ядро контроллера VCM может выдерживать рабочую температуру 100C/212F.
Чип флэш-памяти хранит часть прошивки накопителя. Когда вы подаете питание на накопитель, микросхема MCU считывает содержимое флэш-чипа в память и запускает код. Без такого кода привод даже не раскрутился бы. Иногда на печатной плате отсутствует флэш-чип, что означает, что содержимое флэш-памяти находится внутри микроконтроллера.
Датчик удара может обнаруживать чрезмерные удары, приложенные к приводу, и отправлять сигнал на контроллер VCM. Контроллер VCM сразу паркует головки и иногда останавливает привод. Теоретически это должно защитить накопитель от дальнейших повреждений, но на практике этого не происходит, так что не роняйте накопитель — он не выживет. На некоторых приводах датчики удара могут обнаруживать даже малейшие вибрации, и сигналы от таких датчиков помогут контроллеру VCM настроить движения головок. Такие диски должны иметь не менее двух датчиков удара.
Еще одно защитное устройство, называемое диодом подавления переходного напряжения или диодом TVS. Защищает печатную плату от скачков напряжения внешнего источника питания. Когда диод TVS обнаруживает скачок напряжения, он подгорает и создает короткое замыкание между разъемом питания и землей. На этой плате два диода TVS - один на 5В и один на 12В защиты.
Давайте кратко рассмотрим HDA
Видны контакты мотора и головок, которые прятались под платой. Также есть небольшая, почти незаметная дырочка на гермоблоке. Это отверстие называется отверстием для дыхания. Возможно, вы слышали старый слух о том, что жесткий диск имеет вакуум внутри, но это неправда. HDD использует дыхательное отверстие для выравнивания давления внутри и снаружи HDA. Изнутри Дыхательное отверстие закрыто Дыхательным фильтром, чтобы сделать воздух чистым и сухим.
Пришло время заглянуть под капот. Мы собираемся снять крышку дисковода.
Сама крышка ничего интересного. Просто кусок стали с резиновым шнуром для защиты от пыли. Наконец мы увидим HDA изнутри.
Важная информация хранится на дисках, верхний диск виден на картинке. Пластины изготовлены из полированного алюминия или стекла и покрыты несколькими слоями различных соединений, в том числе ферромагнитным слоем, на котором собственно и хранятся все данные. Как видите, часть пластины покрыта демпфером. Демпферы, иногда называемые сепараторами, расположены между пластинами и уменьшают колебания воздуха и акустический шум. Обычно заслонки изготавливаются из алюминия или пластика. Алюминиевые заслонки лучше подходят для охлаждения воздуха внутри HDA.
На следующем рисунке пластины и заслонки показаны сбоку
Головки устанавливаются на узле блока головок или HSA. Этот диск имеет парковочную площадку ближе к шпинделю, и если на диск не подается питание, HSA нормально паркуется, как на картинке.
Жесткий диск — это точный механизм, и для его работы требуется очень чистый воздух внутри. Во время работы жесткий диск может создавать внутри очень мелкие частицы металла и масла. Для очистки воздуха сразу же в приводе используется рециркуляционный фильтр.Этот высокотехнологичный фильтр постоянно собирает и поглощает даже самые мелкие частицы. Фильтр расположен на пути движения воздуха, создаваемого вращением пластин.
Теперь мы удалим верхний магнит, чтобы посмотреть, что находится под ним.
В жестких дисках используются очень сильные неодимовые магниты. Такой магнит настолько силен, что может поднять вес, в 1300 раз превышающий собственный вес, поэтому не суйте пальцы между магнитом и сталью или другим магнитом — он может оказать сильное воздействие. Как вы можете видеть на этой картинке, на магните есть стопор HSA. Стопоры HSA ограничивают движения HSA, поэтому головки не ударяются о зажим пластин, а с другой стороны не слетают с пластин. Стопоры HSA могут иметь разную конструкцию, но их всегда две и они всегда присутствуют на современных HDD. На этом диске второй стопор HSA расположен на HDA под верхним магнитом.
А вот что вы можете увидеть под верхним магнитом.
Есть еще одна пробка HSA. И вы также можете увидеть второй магнит. Звуковая катушка является частью HSA, звуковая катушка и магниты образуют двигатель звуковой катушки или VCM. VCM и HSA образуют Актуатор - устройство, которое двигает головки. Хитрая черная пластиковая штуковина, называемая защелкой актуатора, является защитным устройством - она высвободит HSA, когда привод нормально распаковывает (загружает) головки, и должна блокировать движения HSA в момент удара, если привод упал. По сути, он защищает (по крайней мере, должен) головы от нежелательных движений, когда HSA находится на парковке.
Следующим шагом мы собираемся убрать HSA
HSA имеет точный подшипник, чтобы движения были красивыми и плавными. Большая часть HSA вырезана из куска алюминия, называемого Arm. Головки Gimbal Assembly или HGA крепятся к рукоятке. HGA и Arms обычно производятся на разных заводах. Гибкий оранжевый виджет, называемый гибкая печатная схема или FPC, соединяет HSA и пластину с контактами головок.
Давайте подробнее рассмотрим каждую часть HSA.
Звуковая катушка подключена к FPC
Вот пеленг
На следующей картинке вы видите контакты HSA
Прокладка делает соединение герметичным. Единственный способ проникновения воздуха внутрь HDA — через дыхательное отверстие. На этом диске контакты покрыты тонким слоем золота, для лучшей проводимости.
Это классическое определение руки. Иногда подразумевается, что рука представляет собой цельную металлическую часть HSA.
Маленькие черные элементы в конце HGA называются ползунками. Во многих источниках вы можете обнаружить, что слайдеры заявлены как настоящие головки, но сам слайдер не является головкой чтения/записи, это крыло, которое помогает элементам чтения и записи летать над поверхностью пластины. Высота полета головок на современных жестких дисках составляет порядка 5-10 нанометров. Например: средний человеческий волос имеет диаметр около 25000 нанометров. Если какая-либо частица попадет под ползунок, она может моментально перегреть (из-за трения) головки и убить их, поэтому так важен чистый воздух внутри HDA. Собственно элементы чтения и записи расположены в конце ползунка и они настолько малы, что их можно увидеть только под хорошим микроскопом.
Как видите, поверхность слайдера не плоская, а имеет аэродинамические канавки. Эти канавки помогают слайдеру летать на определенной высоте. Воздух под ползунком образует Air Bearing Surface или ABS. ABS заставляет слайдер летать почти параллельно поверхности диска.
Вот еще одно изображение ползунка
Отчетливо видны контакты руководителей.
Есть очень важная часть HSA, которую мы еще не обсуждали. Он называется предусилителем или предусилителем. Предусилитель — это микросхема, которая управляет головками и усиливает сигналы от/к ним.
Причина, по которой предусилитель находится внутри гермоблока, проста - сигналы с головок очень слабые и на современных винчестерах имеют частоту более 1ГГц, если вынуть предусилитель из гермоблока такие слабые сигналы не выживут, они пропадут. на пути к печатной плате.
Предусилитель имеет больше дорожек, идущих к головкам (правая сторона), чем к HDA (левая сторона), это связано с тем, что HDD может работать только с одной «головкой» (парой элементов чтения и записи) одновременно. HDD подает управляющие сигналы на предусилитель, а предусилитель выбирает ту головку, которая нужна HDD в данный момент. У этого HDD по шесть контактов на "голову", зачем столько? Один контакт для земли, еще два - дифференциальная пара для считывающего элемента. Еще два — дифференциальная пара для элемента записи. И, наконец, последний контакт для обогревателя. Нагреватель может помочь отрегулировать высоту полета головы. Нагреватель может нагревать карданный вал - специальный шарнир, который соединяет ползунок с ВГА, карданный вал сделан из двух полос из разных сплавов с разным тепловым расширением. Как только подвес нагревается, он изгибается к поверхности диска, и это действие уменьшает высоту полета головы. После остывания подвес сам выпрямляется. На более новых HDD могут быть еще два сигнала для микроактуаторов - специальных пьезоэлектрических устройств, которые могут двигать или вращать ползунок, это помогает настроить положение головок для лучшего "следования" трека.
Хватит о головах, продолжим разборку. Мы собираемся снять верхний демпфер.
Вот как это выглядит
А на следующем рисунке показан HDA без верхнего демпфера и HSA
Теперь верхняя пластина не закрыта, а также виден нижний магнит
Идем дальше и снимаем фиксатор пластин
Зажим пластин удерживает пластины на месте и вдавливает их в пакет пластин.
Диски сидят на ступице шпинделя, зажим пластин создает достаточное трение, чтобы удерживать диски на ступице при вращении шпинделя.
Теперь, когда ничто не держит пластины, мы собираемся удалить верхнюю пластину, и на следующем рисунке показано, что мы можем видеть под ней.
Теперь вы видите, что в пакете тарелок есть место для головок - тарелки лежат на проставочных кольцах. Вы можете видеть второй диск и второй демпфер.
Распорное кольцо представляет собой точную деталь из немагнитного сплава или полимера. Давайте уберем его.
Наконец-то мы собираемся вытряхнуть все остальное из HDA и посмотреть основу
Вот так выглядит фильтр дыхания. А дыхательное отверстие находится прямо под дыхательным фильтром. Давайте посмотрим на дыхательный фильтр поближе.
Поскольку воздух снаружи определенно содержит пыль, дыхательный фильтр имеет несколько слоев фильтрации и намного толще, чем фильтр рециркуляции, внутри него также может быть силикагель для снижения влажности воздуха.
Вот оно! Жесткий диск полностью разобран.
Если вы хотите опубликовать или воспроизвести какую-либо часть этой статьи на других интернет-ресурсах, вам необходимо получить соглашение, подписанное автором этой статьи.
Дополнительные ресурсы:
Secure Data Recovery предоставляет экспертные услуги по восстановлению данных RAID в помещении SSAE 18 SOC с использованием чистых помещений класса 10 ISO 4 и собственных инструментов. Их опытные инженеры могут успешно восстановить данные со всех серверов RAID, включая конфигурации RAID 5 и RAID 0.
Читайте также: