Какие основные структурные элементы жесткого диска вы знаете

Обновлено: 21.11.2024

Жесткий диск — это один из основных носителей данных компьютера. Он состоит из одной или нескольких алюминиевых или стеклянных пластин. Диск покрыт ферромагнитными материалами. Подавляющее большинство жестких дисков постоянно фиксируются в драйверах жестких дисков.

Краткое введение

Типы жестких дисков

Жесткий диск можно разделить на три типа:

<р>1. Твердотельные накопители (SSD, новый жесткий диск), в которых для хранения используются частицы флэш-памяти.

<р>2. Механический жесткий диск (жесткий диск, традиционный жесткий диск) обычно использует магнитный диск для хранения данных.

<р>3. Смешанный жесткий диск (HHD или гибридный жесткий диск, новый жесткий диск, основанный на традиционном механическом жестком диске). Это жесткий диск, который объединяет магнитный диск и флэш-память.

Совет. Учитывая, что вы можете перенести ОС на новый SSD или HDD, мы рекомендуем MiniTool Partition Wizard.

Технологии

<р>1. Сброс головок и технология энергосбережения: восстановите головку на досуге, чтобы достичь цели энергосбережения.

<р>2. Технология с несколькими головками (часто применяется на серверах и в центрах баз данных): добавление нескольких головок на один и тот же диск для увеличения скорости чтения/записи диска. Или использовать несколько магнитных головок на нескольких дисках для повышения скорости чтения и записи.

Емкость

Основным параметром диска как запоминающего устройства в компьютерной системе является емкость. Единицы емкости жесткого диска: мегабайты (МБ/МиБ), гигабайты (ГБ/ГиБ), терабайты (ТБ/ТиБ)

Производители часто используют ГБ (1 г = 1000 МБ) в качестве единицы жесткого диска. Но в операционной системе Windows слово «GB» по-прежнему используется для обозначения «GiB». Итак, при входе в биос или в процессе форматирования мы видим, что емкость диска меньше заявленной производителем.

Показатель емкости жесткого диска также включает емкость одного диска. Чем больше емкость одного диска, тем ниже стоимость единицы. В результате среднее время доступа будет меньше.

Обычно, чем больше емкость жесткого диска, тем дешевле обходится единица байта (за исключением жесткого диска, который имеет большую емкость, чем основной).

Скорость вращения/скорость вращения шпинделя (об/мин)

Скорость вращения является важным параметром для обозначения класса жесткого диска. Это ключевой фактор, определяющий внутреннюю скорость передачи. Более того, это напрямую влияет на скорость жесткого диска. При высокой скорости время доступа будет короче, а общая производительность жесткого диска также может быть выше.

Скорость вращения бытового жесткого диска составляет 5400 об/мин или 7200 об/мин. Пользователи ноутбуков часто используют диск со скоростью вращения 4200 об/мин или 5400 об/мин. Некоторые компании выпускают жесткие диски для ноутбуков с емкостью 10 000 об/м (что относительно редко можно увидеть на современном рынке).

Пользователи серверов требуют от жесткого диска максимальной производительности, а скорость вращения его SCSI всегда составляет 10 000 об/мин или даже 15 000 об/мин. Скорость вращения в сервере требует более высокой производительности, чем в бытовой технике.

Высокая скорость шпинделя может сократить среднее время поиска и фактическое время чтения и записи. С постоянным улучшением скорости вращения жесткого диска также появляются некоторые проблемы (например, износ шпинделя двигателя и шум при работе).

Среднее время доступа

Эта концепция используется для измерения времени, необходимого головке для перемещения по дорожке диска до тех пор, пока не будут найдены необходимые данные. Он воплощает в себе скорость чтения и записи жесткого диска. Среднее время доступа включает время поиска на жестком диске и время ожидания.

Среднее время поиска начинается, когда головка перемещается, и заканчивается, когда указанная дорожка найдена. Чем короче, тем лучше.

Примечание. Среднее время поиска на диске обычно составляет от 8 до 12 мс, а среднее время поиска на жестком диске SCSI должно быть меньше или равно 8 мс.

Время ожидания или задержка — это время, затрачиваемое на приведение требуемого сектора в действие механизма чтения-записи. Средняя задержка составляет половину периода вращения.

Скорость передачи данных (МБ/с)

Скорость передачи данных означает скорость чтения и записи жестких дисков. Ее можно разделить на внутреннюю и внешнюю скорость передачи данных.

Внутренняя скорость передачи, также известная как устойчивая скорость передачи, может отражать производительность, когда буфер жесткого диска недоступен. В основном это зависит от скорости вращения жесткого диска.

Внешняя скорость передачи или скорость пакетной передачи данных — это скорость передачи, создаваемая системной шиной и буфером жесткого диска. Он связан с типом интерфейса жесткого диска и размером кеша.

Для интерфейса Fast ATA максимальная скорость передачи данных на внешний жесткий диск составляет 16,6 МБ/с. А что касается интерфейса Ultra ATA, то скорость может достигать 33,3 МБ/с.

В 2012 году двое молодых людей разработали твердотельный накопитель со скоростью передачи данных 1,5 ГБ в секунду.

Кэш-память

Кэш-память находится в контроллере жесткого диска. Это буфер между внутренней памятью жесткого диска и внешним интерфейсом.Размер и скорость кэша могут напрямую влиять на скорость передачи данных жесткого диска. Кэш может значительно улучшить общую производительность жесткого диска. Когда жесткий диск предоставляет доступ к данным, необходим постоянный обмен данными между диском и памятью. При наличии большого кеша вы можете хранить временные данные в кеше, чтобы снизить нагрузку на систему и повысить скорость передачи данных.

Типы интерфейса

<р>1. IDE (встроенная электроника привода)

Он широко известен как параллельный порт PATA.

<р>2. ATA (приложение для передовых технологий)\

Для соединения материнской платы и жесткого диска используется традиционный 40-контактный кабель параллельного порта. Максимальная скорость внешнего интерфейса до 133 МБ/с. Из-за плохой защиты от помех и плохого охлаждения компьютера параллельная линия будет постепенно заменяться SATA.

<р>3. SATA (последовательный ATA)

Он принимает режим последовательного соединения. Шина Serial ATA использует встроенный тактовый сигнал и обладает более сильными возможностями исправления ошибок. По сравнению с предыдущими, он может автоматически проверять инструкции по передаче и исправлять ошибки.

SATA II

В отличие от SATA, скорость внешней передачи SATA II была увеличена со 150 МБ/с до 300 МБ/с. Более того, он также обладает другими функциями, такими как NCQ (собственная очередь команд), множитель портов, поэтапный запуск и так далее. Но не все жесткие диски SATA могут поддерживать технологию NCQ. Не только жесткий диск, но и SATA-контроллер чипсета материнской платы должен поддерживать NCQ.

SATA III (SATARevision3.0)

Скорость передачи была удвоена до 6 Гбит/с. Он совместим с «SATARevision2.6» (или SATA3Gbps). Интерфейс и строка данных не меняются.

<р>4. SAS (SCSI с последовательным подключением)

Он использует последовательную технологию для повышения скорости передачи. И это улучшает внутреннее пространство, укорачивая соединительную линию. Этот интерфейс предназначен для оптимизации эффективности системы хранения, доступности и расширяемости. А также обеспечивает совместимость с жестким диском SATA.

5.SCSI (Системный интерфейс для малых компьютеров)

Он полностью отличается от IDE ATA). Интерфейс IDE представляет собой обычный стандартный интерфейс ПК. И SCSI не предназначен специально для жесткого диска. Он отличается технологией высокоскоростной передачи данных, широко используемой в небольших машинах. Интерфейс SCSI имеет много преимуществ, таких как широкий спектр приложений, многозадачность, большая пропускная способность, низкая загрузка ЦП и горячее подключение. Из-за высокой цены его трудно популяризировать. Таким образом, SCSI в основном применяется в серверах среднего или высокого класса и рабочих станциях высокого класса.

Производит

Продукция Seagate в основном используется для предприятий, настольных компьютеров, мобильных устройств и бытовой электроники (CE).

(Примечание: в 2016 году компания Seagate выпустила самый тонкий в мире мобильный жесткий диск емкостью 2 ТБ.)

Western Digital — продукты для хранения данных для всех пяти континентов.

(Примечание. Говорят, что Western Digital® Corporation завершила сделку по приобретению SanDisk Corporation 12 мая 2016 г.)

В статье «Бесплатное восстановление данных с внешнего жесткого диска WD под контролем» мы готовы рассказать вам подробности о восстановлении данных с жесткого диска WD в любое время.

HITACH - в основном производит жесткие диски для настольных компьютеров и жестких дисков для ноутбуков. Затем его приобрела компания Western Digital.

TOSHIBA — основная продукция — мобильные устройства хранения данных.

(Примечание: внешний жесткий диск Toshiba может не распознаваться компьютером, вы должны решить эту проблему спокойно и терпеливо.)

Samsung – ее жесткие диски используются для настольных компьютеров, мобильных устройств и электронных продуктов. В 2011 году компания Seagate приобрела бизнес по производству жестких дисков Samsung.

(Примечание: данные могут быть потеряны с устройства Samsung внезапно; здесь мы используем восстановление данных Samsung Galaxy S6 в качестве примера, чтобы показать вам, как восстановить данные с устройства Samsung.)

Разные размеры

5-дюймовый жесткий диск для настольных ПК — он широко используется во всех типах настольных компьютеров.
5-дюймовый жесткий диск ноутбука – используется в ноутбуках, моноблоках, мобильных проигрывателях с жесткими дисками и переносных жестких дисках.
8-дюймовый микрожесткий диск — применяется в ультратонких ноутбуках, мобильных жестких дисках и плеерах Apple.
Микрожесткий диск размером 1,3 дюйма — только для мобильных жестких дисков Samsung.
0-дюймовый микрожесткий диск (разработан IBM). Удовлетворяющие стандартам CF II, микрожесткие диски MicroDrive (или MD) можно найти в цифровых зеркальных камерах.
85-дюймовый микрожесткий диск — используется только Hitachi.

Оптоволоконный канал

Он разработан для повышения скорости и гибкости систем хранения на жестких дисках.Он разработан для значительного повышения скорости передачи данных в системе с несколькими жесткими дисками. Его основными функциями являются горячее подключение, высокоскоростная полоса пропускания, удаленное подключение и поддержка большого количества оборудования.

Fiber channel предназначен для серверной системы с жестким диском. Он может удовлетворить потребности в высокой скорости передачи данных на высокопроизводительных рабочих станциях, серверах, подсетях запоминающих устройств и периферийных устройствах через концентраторы, коммутаторы и двухточечное соединение между двусторонней или последовательной системой передачи данных.

Совет. Жесткий диск легко выходит из строя независимо от того, какой у него интерфейс (IDE, ATA, SATA, SCSI и т. д.). Поэтому мы считаем необходимым показать вам, как восстановить важные данные после сбоя жесткого диска.

Физическая структура и логическая структура жесткого диска

Физическая структура

Головки — это не только самая дорогая часть жесткого диска, но и самое важное звено в технологии жестких дисков. Традиционная головка представляет собой электромагнитную индукционную головку, которая представляет собой комбинацию чтения и записи. Но операции чтения и записи полностью отличаются друг от друга, что приводит к ограничению конструкции жесткого диска.

Амплитуда сигнала чтения никак не связана с шириной дорожки, поэтому дорожку можно сделать узкой, чтобы повысить плотность (до 200 МБ на кубический дюйм) диска. Головки MR получили широкое распространение. Также начали распространяться головки GMR (Giant Magneto резистивные), в которых используется многослойная структура и материалы с лучшим эффектом магнитного сопротивления.

Трек:

Фейсбук
Твиттер
Ссылка
Реддит

Присоединяйтесь к эксклюзивам

Свяжитесь с нами, чтобы получать подарки, эксклюзивные акции и последние новости!

Механический жесткий диск состоит из четырех основных компонентов, которые работают вместе в процессах хранения и извлечения данных. Жесткие диски отличаются от системной памяти тем, что устройства используются для хранения данных для компьютера, а не для запуска системных процессов. Магнитные накопители постепенно заменяются более быстрыми и надежными твердотельными накопителями, в которых нет движущихся частей; однако твердотельные накопители стоят дороже за то же хранилище.

Изучите эту статью

1 дисковое хранилище

Пластины жесткого диска — это физическая часть жесткого диска, отвечающая за хранение данных. Пластины — это круглые тонкие металлические диски, диаметр которых немного меньше ширины футляра для хранения устройства. Современные жесткие диски могут иметь более одной пластины, расположенной друг над другом, для увеличения емкости хранилища. Дисковые пластины напоминают оптические диски с более толстым металлом и без защитного пластикового покрытия.

2 шпинделя управляют движением

Шпиндель – это часть жесткого диска, отвечающая за вращение пластин, чтобы рычаг чтения и записи устройства мог получать доступ к данным и сохранять их. Пластины жесткого диска укладываются друг на друга сверху на шпиндель. Диски имеют отверстие в центре для размещения на шпинделе и удерживаются на месте на самом шпинделе с помощью зажимов для дисков. Если пластины не закреплены на шпинделе, они могут столкнуться с другими частями жесткого диска при движении и сломаться.

3 головки для чтения и записи

Рычаг чтения и записи, также называемый исполнительным рычагом, представляет собой часть жесткого диска, которая считывает данные, уже хранящиеся на пластине, и записывает новые данные на пластину. Рычаг исполнительного механизма включает в себя головки чтения и записи, которые перемещаются всего в микронах от пластины и выполняют фактические задачи чтения и записи. Головки чтения и записи физически считывают и записывают магнитные узоры, хранящиеся на пластине.

4 Привод выравнивает головки

Рычаг привода соединен с частью, называемой приводом, которая управляет положением рычага привода относительно пластины диска. Привод работает с двигателем шпинделя, чтобы расположить рычаг привода так, чтобы он выровнялся с диском для чтения и записи данных.

5 Интерфейс и защита других частей

На жестких дисках есть и другие компоненты, не являющиеся центральными для физического процесса хранения данных и доступа к ним. Другие части включают разъем данных, разъем питания, печатную плату и корпус устройства. Разъем данных и печатная плата — это части, которые компьютер использует для запросов данных с жесткого диска, тогда как разъем питания обрабатывает электрический ток, необходимый для работы устройства. Корпус жесткого диска представляет собой герметичный компонент, который защищает устройство и удерживает все компоненты на месте.

ссылки

1 Энциклопедия журнала PC: определение жесткого диска
2 Энциклопедия журнала PC Magazine: определение: твердотельный накопитель
3 Восстановление жесткого диска ReWave: внутренние компоненты жесткого диска
4 Жаргон компьютерной надежды: жесткий диск
5 Руководство для ПК: обзор операций с жестким диском
6 Сканирование жесткого диска: жесткий диск изнутри: основные части
7 аппаратных секретов: строение жесткого диска

Об авторе

Дэн Стоун начал профессионально писать в 2006 году, специализируясь на образовании, технологиях и музыке. Он веб-разработчик в коммуникационной компании, ранее работал на телевидении. Стоун получил степень бакалавра журналистики и магистра искусств в области коммуникативных исследований в Университете Северного Иллинойса.

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.

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.

Читайте также: