Принцип работы жесткого диска

Жесткий диск: принцип работы и основные характеристики

Жесткий диск: принцип работы и основные характеристики - фото 1 - изображение 1

Жесткие диски, или, как их еще называют, винчестеры, являются одной из самых главных составляющих компьютерной системы. Об это знают все. Но вот далеко не каждый современный пользователь даже в принципе догадывается о том, как функционирует жесткий диск. Принцип работы, в общем-то, для базового понимания достаточно несложен, однако тут есть свои нюансы, о которых далее и пойдет речь.

Вопросы предназначения и классификации жестких дисков?

Вопрос предназначения, конечно, риторический. Любой пользователь, пусть даже самого начального уровня, сразу же ответит, что винчестер (он же жесткий диск, он же Hard Drive или HDD) сразу же ответит, что он служит для хранения информации.

Вопросы предназначения и классификации жестких дисков? - фото 2 - изображение 2

В общем и целом верно. Не стоит забывать, что на жестком диске, кроме операционной системы и пользовательских файлов, имеются созданные ОС загрузочные секторы, благодаря которым она и стартует, а также некие метки, по которым на диске можно быстро найти нужную информацию.

Современные модели достаточно разнообразны: обычные HDD, внешние жесткие диски, высокоскоростные твердотельные накопители SSD, хотя их именно к жестким дискам относить и не принято. Далее предлагается рассмотреть устройство и принцип работы жесткого диска, если не в полном объеме, то, по крайней мере, в таком, чтобы хватило для понимания основных терминов и процессов.

Обратите внимание, что существует и специальная классификация современных HDD по некоторым основным критериям, среди которых можно выделить следующие:

  • способ хранения информации;
  • тип носителя;
  • способ организации доступа к информации.

Почему жесткий диск называют винчестером?

Сегодня многие пользователи задумываются над тем, почему жесткие диски называют винчестерами, относящимися к стрелковому оружию. Казалось бы, что может быть общего между этими двумя устройствами?

Почему жесткий диск называют винчестером? - изображение 3 - изображение 3

Сам термин появился еще в далеком 1973 году, когда на рынке появился первый в мире HDD, конструкция которого состояла из двух отдельных отсеков в одном герметичном контейнере. Емкость каждого отсека составляла 30 Мб, из-за чего инженеры дали диску кодовое название «30-30», что было в полной мере созвучно с маркой популярного в то время ружья «30-30 Winchester». Правда, в начале 90-х в Америке и Европе это название практически вышло из употребления, однако до сих пор остается популярным на постсоветском пространстве.

Устройство и принцип работы жесткого диска

Но мы отвлеклись. Принцип работы жесткого диска кратко можно описать как процессы считывания или записи информации. Но как это происходит? Для того чтобы понять принцип работы магнитного жесткого диска, в первую очередь необходимо изучить, как он устроен.

Устройство и принцип работы жесткого диска - фото 4 - изображение 4

Сам жесткий диск представляет собой набор пластин, количество которых может колебаться от четырех до девяти, соединенных между собой валом (осью), называемым шпинделем. Пластины располагаются одна над другой. Чаще всего материалом для их изготовления служат алюминий, латунь, керамика, стекло и т. д. Сами же пластины имеют специальное магнитное покрытие в виде материала, называемого платтером, на основе гамма-феррит-оксида, окиси хрома, феррита бария и т. д. Каждая такая пластина по толщине составляет около 2 мм.

За запись и чтение информации отвечают радиальные головки (по одной на каждую пластину), а в пластинах используются обе поверхности. За вращение шпинделя, скорость которого может составлять от 3600 до 7200 об./мин, и перемещение головок отвечают два электрических двигателя.

Как осуществляется запись и чтение информации? - фотография 5 - изображение 5

При этом основной принцип работы жесткого диска компьютера состоит в том, что информация записывается не куда попало, а в строго определенные локации, называемые секторами, которые расположены на концентрических дорожках или треках. Чтобы не было путаницы, применяются единые правила. Имеется ввиду, что принципы работы накопителей на жестких дисках, с точки зрения их логической структуры, универсальны. Так, например, размер одного сектора, принятый за единый стандарт во всем мире, составляет 512 байт. В свою очередь секторы делятся на кластеры, представляющие собой последовательности рядом находящихся секторов. И особенности принципа работы жесткого диска в этом отношении состоят в том, что обмен информацией как раз и производится целыми кластерами (целым числом цепочек секторов).

Но как же происходит считывание информации? Принципы работы накопителя на жестких магнитных дисках выглядят следующим образом: с помощью специального кронштейна считывающая головка в радиальном (спиралевидном) направлении перемещается на нужную дорожку и при повороте позиционируется над заданным сектором, причем все головки могут перемещаться одновременно, считывая одинаковую информацию не только с разных дорожек, но и с разных дисков (пластин). Все дорожки с одинаковыми порядковыми номерами принято называть цилиндрами.

При этом можно выделить еще один принцип работы жесткого диска: чем ближе считывающая головка к магнитной поверхности (но не касается ее), тем выше плотность записи.

Как осуществляется запись и чтение информации?

Жесткие диски, или винчестеры, потому и были названы магнитными, что в них используются законы физики магнетизма, сформулированные еще Фарадеем и Максвеллом.

Как уже говорилось, на пластины из немагниточувствительного материала наносится магнитное покрытие, толщина которого составляет всего лишь несколько микрометров. В процессе работы возникает магнитное поле, имеющее так называемую доменную структуру.

Магнитный домен представляет собой строго ограниченную границами намагниченную область ферросплава. Далее принцип работы жесткого диска кратко можно описать так: при возникновении воздействия внешнего магнитного поля, собственное поле диска начинает ориентироваться строго вдоль магнитных линий, а при прекращении воздействия на дисках появляются зоны остаточной намагниченности, в которой и сохраняется информация, которая ранее содержалась в основном поле.

За создание внешнего поля при записи отвечает считывающая головка, а при чтении зона остаточной намагниченности, оказавшись напротив головки, создает электродвижущую силу или ЭДС. Далее все просто: изменение ЭДС соответствует единице в двоичном коде, а его отсутствие или прекращение – нулю. Время изменения ЭДС принято называть битовым элементом.

Кроме того, магнитную поверхность чисто из соображений информатики можно ассоциировать, как некую точечную последовательность битов информации. Но, поскольку местоположение таких точек абсолютно точно вычислить невозможно, на диске нужно установить какие-то заранее предусмотренные метки, которые помогли определить нужную локацию. Создание таких меток называется форматированием (грубо говоря, разбивка диска на дорожки и секторы, объединенные в кластеры).

Логическая структура и принцип работы жесткого диска с точки зрения форматирования

Что касается логической организации HDD, здесь на первое место выходит именно форматирование, в котором различают два основных типа: низкоуровневое (физическое) и высокоуровневое (логическое). Без этих этапов ни о каком приведении жесткого диска в рабочее состояние говорить не приходится. О том, как инициализировать новый винчестер, будет сказано отдельно.

Логическая структура и принцип работы жесткого диска с точки зрения форматирования - фотография 6 - изображение 6

Низкоуровневое форматирование предполагает физическое воздействие на поверхность HDD, при котором создаются секторы, расположенные вдоль дорожек. Любопытно, что принцип работы жесткого диска таков, что каждый созданный сектор имеет свой уникальный адрес, включающий в себя номер самого сектора, номер дорожки, на которой он располагается, и номер стороны пластины. Таким образом, при организации прямого доступа та же оперативная память обращается непосредственно по заданному адресу, а не ищет нужную информацию по всей поверхности, за счет чего и достигается быстродействие (хотя это и не самое главное). Обратите внимание, что при выполнении низкоуровневого форматирования стирается абсолютно вся информация, и восстановлению она в большинстве случаев не подлежит.

Основные характеристики HDD - фото 7 - изображение 7

Другое дело - логическое форматирование (в Windows-системах это быстрое форматирование или Quick format). Кроме того, эти процессы применимы и к созданию логических разделов, представляющих собой некую область основного жесткого диска, работающую по тем же принципам.

Логическое форматирование, прежде всего, затрагивает системную область, которая состоит из загрузочного сектора и таблиц разделов (загрузочная запись Boot record), таблицы размещения файлов (FAT, NTFS и т. д.) и корневого каталога (Root Directory).

Запись информации в секторы производится через кластер несколькими частями, причем в одном кластере не может содержаться два одинаковых объекта (файла). Собственно, создание логического раздела, как бы отделяет его от основного системного раздела, вследствие чего информация, на нем хранимая, при появлении ошибок и сбоев изменению или удалению не подвержена.

Основные характеристики HDD

Думается, в общих чертах принцип работы жесткого диска немного понятен. Теперь перейдем к основным характеристикам, которые и дают полное представление обо всех возможностях (или недостатках) современных винчестеров.

Принцип работы жесткого диска и основные характеристики могут быть совершенно разными. Чтобы понять, о чем идет речь, выделим самые основные параметры, которыми характеризуются все известные на сегодня накопители информации:

  • емкость (объем);
  • быстродействие (скорость доступа к данным, чтение и запись информации);
  • интерфейс (способ подключения, тип контроллера).

Емкость представляет собой общее количество информации, которая может быть записана и сохранена на винчестере. Индустрия по производству HDD развивается так быстро, что сегодня в обиход вошли уже жесткие диски с объемами порядка 2 Тб и выше. И, как считается, это еще не предел.

Интерфейс – самая значимая характеристика. Она определяет, каким именно способом устройство подключается к материнской плате, какой именно контроллер используется, как осуществляется чтение и запись и т. д. Основными и самыми распространенными интерфейсами считаются IDE, SATA и SCSI.

Диски с IDE-интерфейсом отличаются невысокой стоимостью, однако среди главных недостатков можно выделить ограниченное количество одновременно подключаемых устройств (максимум четыре) и невысокую скорость передачи данных (причем даже при условии поддержки прямого доступа к памяти Ultra DMA или протоколов Ultra ATA (Mode 2 и Mode 4). Хотя, как считается, их применение позволяет повысить скорость чтения/записи до уровня 16 Мб/с, но в реальности скорость намного ниже. Кроме того, для использования режима UDMA требуется установка специального драйвера, который, по идее, должен поставляться в комплекте с материнской платой.

Говоря о том, что собой представляет принцип работы жесткого диска и характеристики, нельзя обойти стороной и интерфейс SATA, который является наследником версии IDE ATA. Преимущество данной технологии состоит в том, что скорость чтения/записи можно повысить до 100 Мб/с за счет применения высокоскоростной шины Fireware IEEE-1394.

Некоторые дополнительные параметры - изображение 8 - изображение 8

Наконец, интерфейс SCSI по сравнению с двумя предыдущими является наиболее гибким и самым скоростным (скорость записи/чтения достигает 160 Мб/с и выше). Но и стоят такие винчестеры практически в два раза дороже. Зато количество одновременно подключаемых устройств хранения информации составляет от семи до пятнадцати, подключение можно осуществлять без обесточивания компьютера, а длина кабеля может составлять порядка 15-30 метров. Собственно, этот тип HDD большей частью применяется не в пользовательских ПК, а на серверах.

Быстродействие, характеризующее скорость передачи и пропускную способность ввода/вывода, обычно выражается временем передачи и объемом передаваемых расположенных последовательно данных и выражается в Мб/с.

Некоторые дополнительные параметры

Говоря о том, что представляет собой принцип работы жесткого диска и какие параметры влияют на его функционирование, нельзя обойти стороной и некоторые дополнительные характеристики, от которых может зависеть быстродействие или даже срок эксплуатации устройства.

Здесь на первом месте оказывается скорость вращения, которая напрямую влияет на время поиска и инициализации (распознавания) нужного сектора. Это так называемое скрытое время поиска – интервал, в течение которого необходимый сектор поворачивается к считывающей головке. Сегодня принято несколько стандартов для скорости вращения шпинделя, выраженной в оборотах в минуту со временем задержки в миллисекундах:

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

Нетрудно заметить, что чем выше скорость, тем меньшее время затрачивается на поиск секторов, а в физическом плане – на оборот диска до установки для головки нужной точки позиционирования пластины.

Еще один параметр – внутренняя скорость передачи. На внешних дорожках она минимальна, но увеличивается при постепенном переходе на внутренние дорожки. Таким образом, тот же процесс дефрагментации, представляющий собой перемещение часто используемых данных в самые быстрые области диска, - не что иное, как перенос их на внутреннюю дорожку с большей скоростью чтения. Внешняя скорость имеет фиксированные значения и напрямую зависит от используемого интерфейса.

Наконец, один из важных моментов связан с наличием у жесткого диска собственной кэш-памяти или буфера. По сути, принцип работы жесткого диска в плане использования буфера в чем-то похож на оперативную или виртуальную память. Чем больше объем кэш-памяти (128-256 Кб), тем быстрее будет работать жесткий диск.

Главные требования к HDD

Основных требований, которые в большинстве случаев предъявляются жестким дискам, не так уж и много. Главное – длительный срок службы и надежность.

Основным стандартом для большинства HDD считается срок службы порядка 5-7 лет со временем наработки не менее пятисот тысяч часов, но для винчестеров высокого класса этот показатель составляет не менее миллиона часов.

Что касается надежности, за это отвечает функция самотестирования S.M.A.R.T., которая следит за состоянием отдельных элементов жесткого диска, осуществляя постоянный мониторинг. На основе собранных данных может формироваться даже некий прогноз появления возможных неисправностей в дальнейшем.

Само собой разумеется, что и пользователь не должен оставаться в стороне. Так, например, при работе с HDD крайне важно соблюдать оптимальный температурный режим (0 – 50 ± 10 градусов Цельсия), избегать встрясок, ударов и падений винчестера, попадания в него пыли или других мелких частиц и т. д. Кстати сказать, многим будет интересно узнать, что те же частицы табачного дыма примерно в два раза больше расстояния между считывающей головкой и магнитной поверхностью винчестера, а человеческого волоса – в 5-10 раз.

Вопросы инициализации в системе при замене винчестера

Теперь несколько слов о том, какие действия нужно предпринять, если по каким-то причинам пользователь менял жесткий диск или устанавливал дполнительный.

Главные требования к HDD - фото 9 - изображение 9

Полностью описывать это процесс не будем, а остановимся только на основных этапах. Сначала винчестер необходимо подключить и посмотреть в настройках BIOS, определилось ли новое оборудование, в разделе администрирования дисков произвести инициализацию и создать загрузочную запись, создать простой том, присвоить ему идентификатор (литеру) и выполнить форматирование с выбором файловой системы. Только после этого новый «винт» будет полностью готов к работе.

Заключение

Вот, собственно, и все, что вкратце касается основ функционирования и характеристик современных винчестеров. Принцип работы внешнего жесткого диска здесь не рассматривался принципиально, поскольку он практически ничем не отличается от того, что используется для стационарных HDD. Единственная разница состоит только в методе подключения дополнительного накопителя к компьютеру или ноутбуку. Наиболее распространенным является соединение через USB-интерфейс, который напрямую соединен с материнской платой. При этом, если хотите обеспечить максимальное быстродействие, лучше использовать стандарт USB 3.0 (порт внутри окрашен в синий цвет), естественно, при условии того, что и сам внешний HDD его поддерживает.

В остальном же, думается, многим хоть немного стало понятно, как функционирует жесткий диск любого типа. Быть может, выше было приведено слишком много технической информации, тем более даже из школьного курса физики, тем не менее без этого в полной мере понять все основные принципы и методы, заложенные в технологиях производства и применения HDD, понять не получится.

Жесткий диск: устройство и характеристики

Вопросы инициализации в системе при замене винчестера - изображение 10 - изображение 10

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

Устройство жесткого диска.

Гермозона

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

Блок головок

Пакет рычагов из пружинистой стали с закрепленными головками на концах.

Пластины

Изготовлены из металлического сплава и покрыты напылением ферромагнетика (окислов железа, марганца и других металлов). Диски жёстко закреплены на шпинделе, который вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту. При такой скорости вблизи поверхности диска создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности диска.

Устройство позиционирования головок

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

 

Гермозона — заполняется очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом, а для выравнивания давления устанавливается тонкая металлическая или пластиковая мембрана. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а также при прогреве устройства во время работы. Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр — пылеуловитель.

Блок электроники

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

Блок управления представляет собой систему:

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

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

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

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

 

Характеристики жесткого диска.

Интерфейс — поддерживаемый стандарт обмена данными с накопителями информации: ATA (IDE, PATA), SATA.

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

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

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

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

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

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

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

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

Скорость передачи данных – скорость чтения/записи при последовательном доступе (внутренняя зона диска — от 44,2 до 74,5 Мб/с, внешняя зона диска — от 60,0 до 111,4 Мб/с).

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

Преимущества: малый диаметр, быстродействие, экономное потребление энергии.

Недостаток: скромный объем памяти.

Интерфейс

Существует три вида разъемов для подключения винчестера к материнской плате на родном или постороннем компьютере.

IDE. Устройства подключаются через шлейф, причем передача идет в одном направлении (параллельно), менять его приходится вручную, переключая перемычки на шлейфе. Имеет слабую пропускную способность (133 Мб/сек).

SATA. Относительно новый интерфейс. Быстрее подключается (отдельным шлейфом) просто настраивается. Обмен информацией значительно быстрее. Диски с таким интерфейсом потребляют меньше энергии.

SCSI. Диски похожи на собратьев с интерфейсом IDE, но вращаются на большей скорости (до 15 000 оборотов). Это убыстряет получение данных, увеличивая также риск поломки. Диски этого типа имеют дополнительный контролер, управляющий обменом информации.

Внешний жесткий диск

Заключение - фотография 11 - изображение 11

Внешний жесткий диск - это переносное устройство для хранения информации, подключаемое к компьютеру через USB, USB-C или же при помощи более современных и скоростных интерфейсов (eeSATA, Fire-Vire, Thunderbolt). Представляет собой собственно хранитель информации в комплекте с платой-переходником и источником питания. Защищен пластиковым или металлическим корпусом.

Внешние жесткие диски предназначены для:

  • очистки компьютера от ненужных в данное время файлов;
  • разгрузки оперативной памяти;
  • долгосрочное хранения информации;
  • переноса больших объемов информации между устройствами.

Характеристики жесткого диска

Жесткий диск: устройство и характеристики - фотография 12 - изображение 12

Рассмотрим основные характеристики жесткого диска детальнее.

Размер. Имеет значение для внутренних дисков. В ПК ставятся HDD диаметром 3,5, в ноутбуках - 2,5 дюйма.

Тип разъема. Определяет скорость передачи информации с винчестера на материнскую плату и наоборот. Сейчас широко используется стандарт SATA. Для переносных дисков обычно подходит разъем USB.

Память. Минимальный объем выпускаемых сейчас дисков - 500 Гб, максимальный - 14 Тб.

Скорость. Количество оборотов шпинделя в секунду определяет время, за которое система находит и обрабатывает информацию. SSD

Время доступа. Те несколько миллисекунд, за которые головка находит свое место над диском и начинает считывать или записывать информацию. Измеряется среднее время.

Оперативная память. Зарезервирована для выполнения необходимых операций, основные из них - поиск, чтение и запись информации.

Уровень шума. Звуки, которые издает винчестер во время работы, измеряются в децибелах. Естественно, подержанный диск "гудит" громче, чем новый.

Надежность. Количество часов, которое может проработать диск без выключения. Трудно проверяемая величина, приходится верить разработчикам на слово.

Сопротивляемость. Способность жесткого диска не ломаться под воздействием давления и ударов. Измеряется во включенном, а затем в выключенном состоянии.

Почему жесткий диск называют винчестером

Согласно наиболее распространенной версии, жесткий диск называют винчестером, благодаря инженерам компании IBM, впервые выпустившей устройство современного типа (пластины и считывающие головки в герметическом корпусе). В разговорах между собой разработчики называли испытательную модель "30-30" - подразумевая конструкцию из двух модулей по 30 MB. Кеннет Хотон, руководивший проектом, в шутку назвал новый диск "винчестером" из-за аналогии с винтовочным патроном 30-30 Winchester, соответствующей фирмы. Патрон в свое время произвел революцию в оружейном деле, превзойдя по характеристикам все аналоги (именно благодаря ему бледнолицые сумели завоевать прерии).

Диск стал столь же популярен за счет быстродействия и низкой цены: в изобретении IBM, в отличии от дисков других фирм, магнитные головки не выводились за диски после окончания работы. Это ускорило их работу, упростило и удешевило привод головок, сам диск стал компактнее.

Фирма на этом не остановилась: новые технологии позволили отказаться от съемных дисков, их стационарные аналоги оказались проще, надежнее и дешевле. Стандартные (в то время) магнитные диски 14 дюймов в диаметре были заменены на "блины" в 8, затем 5 1/4 дюйма. Последние были использованы во входящих в моду персональных компьютерах.

Изначально такие диски стоили дорого и устанавливались как дополнительное внешнее устройство для самых топовых моделей ПК, но фирмы-производители сумели добиться значительного удешевления винчестера. Уже в начале девяностых он встраивается в каждый компьютер.

Череда усовершенствований и бурная деятельность IBM на рынке ПК привела к тому, что название "винчестер" вошло в обиход пользователей, На Западе оно не прижилось и вышло из употребления еще в прошлом веке, но пришлось по душе жителям СНГ. Оно используется как в технической литературе, так и в сленге программистов. Последние несколько сократили термин: теперь жесткий диск в народе именуют "винт", "винч", или по-свойски - "веник".

Производители жестких дисков

Список производителей жестких дисков более чем скромен. Сейчас на рынке представлена продукция лишь 3 компаний: Toshiba, WD, Seagate. Остальные (а их было свыше 200) отказались от невыгодного производства, влились в состав других фирм или разорились.

Устройство жесткого диска. - фото 13 - изображение 13

Toshiba - старая и уважаемая фирма. Почти все выпускаемые ею жесткие диски предназначены для домашних ПК и отличаются хорошим качеством. Сделав ставку на массовое производство, компания сумела снизить цены и оторваться от конкурентов. Ее продукция - хороший выбор для недорогих компьютеров.

Характеристики жесткого диска. - изображение 14 - изображение 14

Seagate - американская фирма, рабочие мощности которой перенесены в Таиланд и Китай. На качестве сборки это не отразилось. Плюсом жестких дисков компании является более высокая скорость записи и считывания информации. Цены в среднем выше, чем у конкурентов.

Внешний жесткий диск - фотография 15 - изображение 15

WD - компания из Калифорнии, конструкторские бюро которой находится в солнечном штате, а заводы - по всему миру. После поглощения Hitachi стала лидером отрасли. Получив в результате слияния дополнительные мощности, компания начала производить сразу несколько дополнительных линеек (в настоящее время их 6). Наибольшей популярностью пользуются недорогие диски серии Blue, предназначенные для офисных и домашних компьютеров.

Как выбрать жесткий диск

Характеристики жесткого диска - фотография 16 - изображение 16

Перед покупкой стоит вспомнить о функциях вашего компьютера. Если ПК используется лишь для работы с офисными документами и вечерних просмотров фильмов, достаточно выбрать жесткий диск с минимальным объемом памяти (сейчас это 500 Гб). О быстродействии диска тоже можно не беспокоиться.

Если пользователь привык скачивать игры и фильмы из интернета, ему понадобится диск до 1 Тб. Настоящим геймерам и киноманам даже этого может оказаться недостаточно.

Перед приобретением "объемного", а значит, дорогого диска лучше убедиться в возможностях BIOS. Без расширения UEFI он просто не видит диски емкостью свыше 2 Тб.

Игроманам и специалистам, работающим с графическими и видеофайлами, стоит обратить внимание на скорость обработки информации (в технических характеристиках эти данные не указывается, но их результаты тестирования можно найти в интернете). Возможно, что в погоне за скоростью придется перейти с привычного магнитного на гораздо более дорогой, но "шустрый" SSD.

Неисправности жесткого диска

Почему жесткий диск называют винчестером - фото 17 - изображение 17

Случайное или ошибочное форматирование дисков, повреждения файловой системы, повреждение разделов в диске относят к логическим ошибкам. Такие неисправности жесткого диска "лечатся" программными методами и нет необходимости вмешиваться в устройство винчестера.

Аппаратные сбои требуют ремонта внутренних элементов и не всегда есть гарантия успеха.

Повреждение поверхности диска. Могут быть результатом износа либо ударов головки о поверхность, попадания на диск частиц пыли после разгерметизации корпуса. Чтение информации обычным способом с таких участков невозможно. Существует вероятность разрушения головки из-за трения и последующего перегрева. Ремонт невозможен, можно попытаться считать информацию при помощи специальных программ и перенести на резервный носитель.

Неисправность контроллера. Обычно является следствием короткого замыкания из-за попадания на поверхность платы влаги или пыли. Ремонтируется перепайкой части контактов, заменой поврежденных микросхем или самой платы.

Неисправности двигателя. Основных причин две: повреждение обмоток вращающего шпиндель двигателя и заклинивание самого шпинделя. В первом случае есть возможность заменить двигатель без разбалансировки дисков. Во втором - пытаются расклинить вал, что получается не всегда. В случае неудачи диски перемещают в донорский корпус, после чего могут возникнуть проблемы с балансировкой.

Неисправности головок. Иногда при внезапном выключении напряжения головки не успевают уйти в парковочную зону и опускаются на диск. Его поверхность и слайдеры "слипаются" и при повторном включении диск не запустится. Для отделения головок существуют специальные съемники. После операции на поверхности диска остаются нечитаемые "пятна", а сами головки могут быть повреждены.

Причиной разрушения головок могут быть удары о поверхность диска, попадание между головкой и диском частиц пыли, сильное сотрясение. В случае поломки одной или нескольких головок проводится попытка считывания информации при помощи оставшихся. Таким способом возможно восстановить от 20 до 70% объема памяти. Метод подходит для считывания лишь небольших файлов.

Причиной выхода из строя всего блока головок чаще всего становится сгорание предусилителя. Для восстановления памяти проводится пересадка ББМБМГ. Процедура ювелирная и дорогая.

Устройство жесткого диска, фото, видео

Производители жестких дисков - фотография 18 - изображение 18

Самым важным компонентом системного блока персонального компьютера является накопитель на жестких магнитных дисках, так как на нем кроме операционной системы и компьютерных программ, хранится вся пользовательская информация, с которой мы работаем ежедневно.

Далее мы более подробно рассмотрим устройство жесткого диска и принцип его работы.

Выход из строя жесткого диска и потеря информации для пользователя являются трагедией.

Для правильной работы с компьютером и обеспечения максимальной сохранности информации необходимо иметь представление о том, как устроен накопитель на жестких магнитных дисках.

Откуда произошло название

Название «жесткий диск» произошло из-за существенного отличия плотности пластин с магнитным слоем, на которые записываются данные.

Запись и чтение информации происходит с помощью специальных головок, расположенных на рычагах перемещения и фиксирующих информацию на поверхности магнитных дисков, которые вращаются двигателем.

Как выбрать жесткий диск - фото 19 - изображение 19

Скорость вращения магнитных дисков

Скорость вращения жестких магнитных дисков в разы превышает скорость вращения гибких магнитных дисков, и в настоящее время на определенных моделях накопителей доходит до 15 тысяч оборотов в минуту.

Большинство выпускаемых на потребительский рынок моделей имеют скорость 5400 и 7200 оборотов в минуту. Жесткие диски со скоростью вращения выше 10 тысяч оборотов в минуту используются на серверных станциях оборудованных специальной системой охлаждения и не требующих изоляции шума.

Неисправности жесткого диска - фото 20 - изображение 20

Об структуре

В корпус накопителя помещено два или более дисков, изготовленных из металлического сплава и покрытых специальным веществом. Слой этого вещества называется магнитным, и именно он используется для хранения информации.

Диски крепятся к шпинделю, который вращается двигателем и приводит их в движение. Запись и чтение информации происходит с двух сторон каждого диска.

Разметка пластин для записи данных производится на цилиндры, дорожки и секторы. Дорожками являются кольца данных по периметру стороны магнитной пластины, которые в свою очередь объединены в цилиндры.

Устройство жесткого диска, фото, видео - изображение 21 - изображение 21

Для более рациональной адресации данных дорожки разбиваются на секторы, которые являют собой отрезки и условно обозначают единицу хранения информации емкостью 512 байт.

После форматирования жесткого диска в секторы заносится служебная информация, представляющая собой заголовки и заключение, которые используются для определения начала (номера) сектора и целостности информации.

Плата управления

Не обойти вниманием стоит плату управления, имеющуюся на накопителе, которая содержит ряд электрических схем, служащих не только для выполнения функций обмена данными с контролером, но также управление двигателем и считывающими головками.

Откуда произошло название - фотография 22 - изображение 22

Как показывает статистика, довольно распространенным случаем поломки жесткого диска является не механический фактор, а неисправность платы управления. В случае вышеуказанной поломки данные с жесткого диска можно восстановить, заменив плату управления.

Важные критерии

Если Вы затруднены с выбором жесткого диска, то следуйте основным критериям, которыми являются емкость, цена, быстродействие и надежность.

Разобрав указанные характеристики определиться с выбором нужного накопителя на жестких магнитных дисках не составит труда.

14 мифов о жестких дисках, про которые пора забыть

Скорость вращения магнитных дисков - изображение 23 - изображение 23

Привет Пикабу! Очередной материал на тему мифов о компьютерном железе! На этот раз поговорим про HDD. Для любителей почитать - текстовая версия под видео.

Миф №1. Жесткие диски больше не развиваются, и SSD скоро вытеснят их с рынка.

Жесткие диски развиваются постоянно — еще десять лет назад их объем в домашних ПК не превышал 1-2 ТБ, а сейчас можно купить решения объемом в 14 и даже 16 ТБ. Причем на этом прогресс не останавливается: новые типы головок и пластин должны позволить Seagate получать накопители с объемом аж в 20 ТБ через пару лет!

Об структуре - фотография 24 - изображение 24

Конечно, в различных тонких устройствах типа NUC и ультрабуков жесткие диски были полностью вытеснены SSD, но в серверах доля последних просто ничтожна, ибо там нужно хранить огромные объемы данных, а вот высокие скорости в общем и целом не столь нужны.

Поэтому HDD начнут «умирать» только тогда, когда цена за гигабайт у SSD станет ниже или хотя бы на том же уровне, а до этого еще очень долго: хотя в последнее время твердотельные накопители становятся все более и более дешевыми, они все еще как минимум в 4 раза дороже (8 руб/ГБ против 2 у HDD).

Миф №2. При полном форматировании жесткого диска с него стирается вся информация.

Это очень опасный миф для тех, кто хочет стереть с диска конфиденциальную информацию, но при этом не уничтожать сам накопитель. На деле и при быстром, и при полном форматировании жестких дисков средствами Windows происходит всего лишь создание оглавления заново, с той лишь разницей, что при полном форматировании к тому же происходит проверка диска чтением (такое же, как при выполнении команды SCANDISK). Поэтому восстановление информации с отформатированного таким способом HDD проблем не создает — но что делать, если вы хотите гарантированно удалить с него данные?

Для этого есть специальные утилиты, такие как HDD Low Level Format Tool или Paragon Hard Disk Manager, которые записывают во все сектора диска нули или единицы, то есть они полностью перезаписывают все данные на HDD. Да, этот процесс крайне долог, и для накопителя объемом в 1 ТБ может идти сутки, но это единственный способ гарантированно уничтожить следы записанных на него данных.

Миф №3. Внутри жесткого диска вакуум, а сам он герметичен.

Внутри диска просто обязан быть газ, так как сам его принцип работы таков, что головки плывут на определенном расстоянии над вращающимися пластинами на воздушной подушке. Поэтому, очевидно, если бы внутри был вакуум, то такой процесс был бы невозможен.

Плата управления - фотография 25 - изображение 25

Что касается герметичности, то это полуправда ближе к мифу: да, существуют наполненные гелием HDD (для меньшего трения), которые действительно герметичны — но следует понимать, что это достаточно редкие и дорогие решения с объемами обычно больше 10 ТБ. Обычные же жесткие диски на 1-4 ТБ заполнены вполне привычным нам воздухом и имеют полупроницаемые мембраны для выравнивания давления, которые при этом не пропускают внутрь диска пыль. Так что в общем и целом герметичность HDD — миф.

Миф №4. Жесткие диски должны работать строго в горизонтальном положении.

Современным жестким дискам без разницы, есть ли гравитация или нет: как я уже писал выше, их головки поддерживаются на определенном расстоянии от пластин воздушным потоком, который они создают, а ориентируются головки по специальным сервометкам. Поэтому жесткие диски будут без проблем работать хоть в космосе, хоть на боку, и даже «головками вниз».

Важные критерии - фотография 26 - изображение 26

Миф №5. Отключение питания работающего жесткого диска убивает его.

14 мифов о жестких дисках, про которые пора забыть - фотография 27 - изображение 27

Разумеется, инженеры при проектировании HDD учитывали сбои в питании и предусмотрели защиту пластин: чаще всего за это отвечает пружинка, которая при исчезновении питания чисто механически отводит головку от пластины, так что никаких физических повреждений не будет точно, а вот потерянные данные — возможно.

Миф №6. Пластины в жестких дисках раскручиваются только для операций чтения или записи, в другие моменты они неподвижны.

Очевидно, что этот миф идет из-за меняющихся со временем звуков от работающего жесткого диска, однако на деле после подачи на него питания пластины не останавливаются никогда сразу по двум причинам: во-первых, на раскрутку тратится больше энергии, чем на поддержание вращения. Во-вторых, пока пластина не раскрутилась, головка не сможет считать с нее данные, а ведь время на раскрутку в лучшем случае составляет сотни миллисекунд — это слишком много и точно вызвало бы существенные фризы в работе системы, которых на деле нет.

Миф №7. Форматирование приводит к появлению сбойных секторов на диске.

Пластины — это не флеш-память с ограниченным числом циклов перезаписи, так что при форматировании HDD их ресурс не расходуется (хотя при этом процессе изнашивается сама механика накопителя, но это уже другой процесс). Но почему тогда после форматирования число сбойных секторов может увеличиться? Все просто — полное форматирование, как я уже писал выше, проводит в том числе и проверку HDD, поэтому при этом процессе ошибки не появляются, а проявляются.

SSD: устройство, компоненты и принципы работы - фотография 28 - изображение 28

Миф №8. Отключение поддержки SMART в BIOS ускорит работу HDD.

Ничуть — BIOS не может повлиять на поведение контроллера HDD, более того, в Windows вообще не используются функции BIOS при работе с жесткими дисками.

SSD in a nutshell - изображение 29 - изображение 29

Единственное, что делает включенная опция SMART в BIOS, так это позволяет ему считывать определенные характеристики накопителя, и если они выходят за рамки допустимых, то BIOS об этом предупредит. С таким же успехом информацию SMART можно узнать из специальных программ в системе, поэтому отключение этой опции абсолютно никак не влияет на скорость работы HDD.

Миф №9. Низкоуровневое форматирование чинит поврежденные сектора жесткого диска.

Увы — нет, сбойные сектора это не «залипшие» пиксели матрицы, и «раскачать» их не получится. Они навсегда выведены из строя, и единственное, что делает низкоуровневое форматирование, так это находит их и переназначает на рабочие сектора из резервной области. Разумеется, это несколько снизит скорость работы накопителя (так как головке теперь приходится скакать туда-сюда между различными областями диска даже при, казалось бы, последовательном чтении), но зато продлит ему жизнь.

Миф №10. Ударопрочные корпуса для жестких дисков действительно работают.

Отличный пример маркетинга на уровне пленок на мониторы для защиты от излучения. На практике такие прорезиненные чехлы лишь красиво выглядят и могут снизить вибрации от работающего HDD, но от поломки при падении они его не спасут, ибо крайне незначительно снижают перегрузку при ударе.

Из чего состоит SSD - изображение 30 - изображение 30

С учетом того, что включенному современному высокооборотистому жесткому диску достаточно высоты падения в 10-15 см, чтобы гарантированно выйти из строя, лучшей защитой является надутая воздухом подушка, которая будет относительно медленно гасить перегрузку, а отнюдь не тонкий слой резины.

Миф №11. Если жесткий диск работает плохо — постучите по нему, это поможет.

Угу, а еще лучше потрясите — это гарантированно отправит вас в магазин за новым диском, который уж точно будет работать хорошо. HDD — достаточно нежная техника, и любое механическое воздействие может вывести его из строя. К слову, бросание работающего жесткого диска с высоты хотя бы в полметра на пол — отличный способ получить исцарапанные пластины, восстановить информацию с которых будет практически нереально.

Миф №12. Если на диске написано, что он проработает 10 000 часов, то значит его точно хватит на 5 лет непрерывной работы.

Сразу скажу, примерно 2% таких HDD выйдут из строя уже через год. Тут следует понимать, что производители лукавят: если для SSD указывается гарантированное число циклов, после которых флеш-память будет деградировать, то для жестких дисков указывается предположительное время его жизни. Сколько проживет именно ваш HDD, никто не знает. По итогам 2018 года общий показатель отказов в годовом исчислении оказался очень хорошим, всего 1,25%. Для сравнения, в 2013 году цифры были гораздо хуже, а некоторые модели Seagate тогда сыпались вплоть до 25%. Особенно критичными для дисков Seagate тогда стали второй и третий годы эксплуатации. Лучшими, эксперты признают жесткие диски от компании HGST. Первоначально это была дочерняя компания Hitachi, в 2015 году ее купила небезызвестная Western Digital, в 2018 году компания объявила что продукты HGST в дальнейшем будут продаваться под брендом Western Digital. Кстати, напишите в комментарии, какой модели и сколько уже прожил ваш винчестер.

Миф №13. Можно спасти данные из сломанного жесткого диска, переставив из него пластину в рабочий.

Форм-фактор - фото 31 - изображение 31

Как говорится, блажен кто верует: вам нужно найти не только точно такой же жесткий диск, но и еще с такой же прошивкой контроллера, к тому же сам процесс нужно производить в чистой комнате. И нет, ванная не подойдет — нужна настоящая чистая комната без пыли и специальная одежда. Есть у вас все это? Думаю, едва ли.

Миф №14. Чем больше объем кэша у жесткого диска, тем быстрее он будет работать.

В общем и целом, это правда — если взять два одинаковых диска, но DDR-кэш у одного из них будет больше, то он будет работать несколько быстрее (в операциях чтения прирост будет околонулевым, а вот при случайной записи вполне может достигать десятка-другого процентов).

Но, опять же, объем кэша — это лишь одна из характеристик HDD, а ведь есть еще скорость вращения, количество пластин и, вообще говоря, различные прошивки контроллеров у разных жестких дисков. Так что обращать внимание только на кэш не стоит: к примеру, игры с жесткого диска, имеющего 128 МБ кэша и 5400 RPM, будут грузиться медленнее, чем с накопителя с 64 МБ кэша и 7200 RPM.

Как видите, мифов о жестких дисках хватает. Знаете какие-либо еще? Пишите об этом в комментариях.

Источник: Мой Компьютер

SSD: устройство, компоненты и принципы работы

Интерфейс и скорость передачи данных - фото 32 - изображение 32

Введение в мир твердотельных накопителей.

M.2 и NVMe. Современные накопители - фото 33 - изображение 33

Если вы давно задумывались о приобретении SSD, то 2019 год — отличное время для покупки. Почему? Всё очень просто: цены на твердотельные накопители неуклонно падают, а на рынке представлено большое количество моделей на любой вкус, цвет и кошелек.

NAND флэш-память - фото 34 - изображение 34

Виды 3D NAND флэш-памяти - фотография 35 - изображение 35

Да, твердотельные накопители всё ещё заметно дороже жестких дисков аналогичных объемов. Но снижение цен сделало их доступнее, чем полтора года назад, не говоря уже о более ранних периодах.

В сети вы можете найти огромное количество советов и руководств по покупке SSD. Эти статьи представлены в разных форматах и дают как самый минимум информации, так и подробные, развернутые советы. Однако будет правильным не только следовать советам, но и понимать, что именно вам рекомендуют и почему.

Данная статья изначально планировалась как развернутое руководство к выбору SSD, но на пути к публикации серьёзно изменила форму. Она не даст вам прямых советов по выбору и не проведёт через десятки моделей накопителей. Вместо этого она поможет разобраться с тем, что именно вам советуют руководства по покупке, что именно вы покупаете и для чего.

Для того, чтобы аудитории было легче пробиваться сквозь дебри пунктов и подпунктов, не заблудиться и не потерять нить повествования, я предлагаю ориентироваться на следующий примерный план статьи:

1. Введение. Плюсы и минусы твердотелых накопителей.

2. Общее устройство SSD и его компоненты.

3. Характеристики и принципы работы.

— Форм-фактор. Интерфейс подключения. М.2 NVMe.

— NAND-память. 3D NAND и принципы ее работы. 3D XPoint и Intel Optane.

— NAND-контроллер. Объемы памяти. Скоростные характеристики.

4. Несколько примеров. Интересные модели и цены на них.

5. Заключение.

Что ж, давайте начнем.

SSD in a nutshell

Принцип работы и износа 3D NAND памяти - фото 36 - изображение 36

SSD (solid state drive, твердотельный накопитель) — это энергонезависимое запоминающее устройство, которое использует флэш-память для хранения информации.

В чём же заключается преимущество SSD перед классическим жёстким диском? Их несколько:

  • Твердотельный накопитель позволяет работать с файлами более эффективно и на более высоких скоростях, чем классические жёсткие диски, тем самым повышая отзывчивость системы и скорость выполнения операций. Разница в скорости работы может достигать нескольких раз. Это касается не только загрузки системы, но и работы с фото, видео и графикой, а также времени загрузки в играх.

3D XPoint. Intel Optane - фото 37 - изображение 37

  • Как и любая другая электроника, SSD не застрахованы от отказов. Но, по сравнению с классическими жёсткими дисками, твердотельные накопители намного надежнее. Они проще устроены, не обладают движущимися механическими компонентами и более устойчивы к физическим нагрузкам (например, к ударам и падениям).
  • Современные твердотельные накопители легки, компактны и просты в установке. С их помощью можно повысить отзывчивость и скорость работы устаревшей системы путем замены жёсткого диска. Или же просто добавить SSD в систему как дополнительный накопитель.
  • SSD не ограничены одним сценарием использования. Помимо функции накопителя, они могут работать в качестве кэша вашего жёсткого диска, тем самым ускоряя работу наиболее часто используемых программ и файлов.

Технология твердотельных накопителей не идеальна, поэтому стоит сразу упомянуть о некоторых минусах:

  • Все SSD имеют ограниченный ресурс по количеству записываемой информации. Из-за особенностей архитектуры флэш-памяти и методов записи происходит деградация ячеек памяти. Со временем это приводит к уменьшению доступного объёма и отказу накопителя. Но не всё так плохо, как кажется на первый взгляд. Даже относительно бюджетные модели могут обладать ресурсом перезаписи в районе 200 циклов, не говоря уже о более дорогих моделях. Несложно подсчитать, что твердотельный накопитель ёмкостью в 500 ГБ и ресурсом перезаписи в 200 циклов позволит вам на протяжении 5 лет ежедневно записывать и перезаписывать 55 гигабайт информации, что немало.
  • Несмотря на стремительное развитие на протяжении уже 10 лет, цена 1 гигабайта памяти SSD всё ещё значительно превышает цену 1 гигабайта памяти классического жёсткого диска. Разница составляет от двух раз у бюджетных моделей до десяти и более раз по сравнению с моделями верхнего ценового сегмента.

Возможно, SSD никогда полностью не вытеснят жесткие диски из нашей жизни. Но уже сейчас они представляют отличную альтернативу во многих сценариях использования.

Давайте перейдем к самому интересному — устройству, компонентам и принципам работы твердотельных накопителей.

Из чего состоит SSD

Чтобы представленная в статье информация была более понятна, давайте начнем с краткого обзора устройства твердотельного накопителя, а затем перейдём к основной теме статьи — принципам работы.

Итак, основными элементами SSD являются:

  • PCB — печатная плата.
  • NAND-flash — флэш-память NAND; отвечает за хранение данных.
  • NAND-controller — контроллер памяти; выступает в роли посредника между носителем и системой, и является процессором, отвечающим за производительность SSD.
  • DRAM — кэш (присутствует не во всех моделях SSD); выступает временным хранилищем небольшого объема данных и позволяет стабилизировать износ памяти, а также ускорить доступ к файлам.
  • HOST Interface — интерфейс подключения; тип соединения и протокол, через которые SSD соединяется с вашей системой.

NAND-контроллер и его функции - фотография 38 - изображение 38

Внешний вид твердотельных накопителей и их компоновка могут серьёзно отличаться от модели к модели.

Объемы памяти - изображение 39 - изображение 39

Чтобы разобраться в работе SSD и всём разнообразии представленных на рынке моделей, рассмотрим виды твердотельных накопителей, их компоненты и принципы работы.

Форм-фактор

Скоростные характеристики и ресурс - изображение 40 - изображение 40

Как я уже упомянул в начале статьи, на данный момент на рынке представлено огромное количество различных твердотельных накопителей. Первое, что бросается в глаза — это различие форм-факторов. При выборе SSD для своей системы вы можете столкнуться со следующими форматами:

  • mSata — несколько устаревший формат низкопрофильной платы, предназначенный для ноутбуков, планшетов и портативной техники; использует подключение через интерфейс SATA.
  • 2.5 дюйма — всем знакомый по портативным жёстким дискам формат, который используется как в настольных системах, так и в ноутбуках; использует подключение через интерфейс SATA.
  • M.2 — современный формат низкопрофильной платы, позволяющий осуществлять подключение через специальный слот M.2; использует подключение как через интерфейс SATA, так и через PCI-Express.
  • PCI-Express AIC — карты расширения для слотов PCI-Express, предназначенные для настольных компьютеров, рабочих станций и серверов.
  • U.2 — формат 2.5-дюймовых накопителей, разработанный для использования через интерфейс PCI-Express при помощи специального коннектора малого формата.

Интерфейс подключения SSD напрямую влияет на его скорость. Подробнее об этом — в следующем пункте.

Интерфейс и скорость передачи данных

Максимальная скорость передачи данных твердотельного накопителя ограничена типом подключения.

SSD потребительского сегмента используют подключение через интерфейсы SATA и PCI-Express:

  • SATA/mSATA — обеспечивает передачу данных на скоростях до 6 Гбит/сек (SATA III).
  • M.2 SATA — обеспечивает передачу данных на скоростях до 6 Гбит/сек (SATA III).
  • M.2 NVMe — обеспечивает передачу данных по линиям PCI-Exprees на скоростях до 31.5 Гбит/сек (PCI-Express 3.0 x4).
  • AIC NVMe — обеспечивает передачу данных на скоростях до 31.5 Гбит/сек (PCI-Express 3.0 x4).

Далее я бы хотел сделать небольшое отступление и подробнее остановиться на стандарте М.2 и протоколе NVMe, о которых упомянул выше.

M.2 и NVMe. Современные накопители

Поддержка дополнительных функций - изображение 41 - изображение 41

Наиболее распространёнными форм-факторами современных потребительских твердотельных накопителей являются 2.5-дюймовый и М.2 форматы.

2.5-дюймовые SATA SSD можно охарактеризовать как некий переходный вариант в цепи развития твердотельных накопителей. Они позволяют установить новый тип накопителя в старую систему, тем самым получив все плюсы использования SSD без замены ключевых компонентов ПК.

М.2 — это современный стандарт, доля которого на рынке стремительно растет. Твердотельные накопители формата М.2 могут подключаться как по линиям SATA, так и по линиям PCIe, используя протокол NVMe. М.2 отличается от прочих форм-факторов комплексностью. Давайте рассмотрим его подробнее.

Стандарт M.2 был разработан консорциумами PCI-SIG и SATA-IO. Изначально он назывался NGFF — Next Generation Form Factor (Форм-Фактор Следующего Поколения) и был переименован в М.2 в 2013 году.

В форм-факторе М.2 выпускается большое количество карт расширения, такие как:

  • модули Wi-Fi, Bluetooth и NFC.
  • модули WiGig и Wireless WAN (WWAN).
  • модули спутниковый навигации и цифрового радио.
  • модули SSD.

Стандарт М.2 включает в себя:

  • 12 вариантов подключений (keying options), обозначающихся литерами от A до M.
  • 4 варианта ширины устройств (12, 16, 22 и 30 мм).
  • 8 вариантов длины (16, 26, 30, 38, 42, 60, 80 и 110 мм).
  • 7 вариантов толщины (высоты) устройств.

Примеры интересных моделей SSD - фото 42 - изображение 42

Твердотельные накопители М.2 за счёт своей компактности отлично подходят для установки как в обычные модели ноутбуков, так и в ультрабуки.

Самыми распространенными вариантами M.2 SSD являются:

  • 2280 — имеют длину 80 мм и ширину 22 мм
  • 2260 — имеют длину 60 мм и ширину 22 мм
  • 2242 — имеют длину 42 мм и ширину 22 мм
  • 2230 — имеют длину 30 мм и ширину 22 мм

Заключение - фото 43 - изображение 43

Большинство материнских плат стандарта ATX, имеющих в своем составе M.2 слот(ы), поддерживают установки М.2 накопителей длиной от 42 мм до 80 мм. Отдельные модели поддерживают установку M.2 22110 SSD длиной 110мм.

У вас может возникнуть логичный вопрос: а зачем мне нужна эта информация? Всё просто — анализ совместимости накопителей различного типа и размера с вашей системой поможет выбрать подходящую модель, которая подойдет вам как по своим техническим характеристикам, так и по размерам.

NVMe (NVM Express) представляет собой спецификацию протокола доступа к твердотельным накопителям, подключённым по шине PCI-Express. «NVM» в названии спецификации обозначает энергонезависимую память (non-volatile memory).

Логический интерфейс NVM Express был разработан с нуля. Его основные цели — получение низких задержек и эффективное использование высокого параллелизма твердотельных накопителей.

Накопители, использующие NVM Express, могут представлять собой платы расширения PCI-Express (AIC), накопители U.2 и накопители форм-фактора М.2.

Лекция. Устройство и принцип работы жесткого диска - фото 44 - изображение 44

Твердотельные накопители M.2 NVMe отличаются компактными размерами и имеют все преимущества подключения через интерфейс PCI-Express — они обладают более высокими скоростями и более низкими задержками, чем SATA SSD. Их главным минусом является снижение производительности при перегреве (троттлинг), которое может возникать во время длительной высокой нагрузки.

Однако при сравнении производительности NVMe SSD и традиционных SATA SSD в повседневной работе и реальных сценариях использования наблюдается лишь небольшой разрыв. Всё дело в том, что в какой-то момент скорость считывания данных сравнивается со скоростью их обработки, и дальнейший рост характеристик не приводит к улучшению производительности. В таких случаях ситуацию может улучшить дальнейшая оптимизация приложений и увеличение производительности остальных компонентов системы.

Думаю, на этом знакомство с форм-факторами твердотельных накопителей можно наконец завершить и перейти к отдельным компонентам и принципам их работы. Начнем мы с памяти.

NAND флэш-память

Краткое описание принципов работы жесткого диска - фотография 45 - изображение 45

NAND-флэш является основным и самым дорогостоящим компонентом твердотельного накопителя. Выделим три основных типа памяти, используемых в современных SSD:

  • Planar NAND / 2D NAND — устаревший вариант NAND памяти, который характеризуется однослойной структурой расположения ячеек памяти.
  • 3D NAND / V-NAND — современный и самый распространенный на сегодняшний день тип флэш-памяти в твердотелых накопителях, который характеризуется многослойной структурой расположения ячеек памяти.
  • 3D XPOINT — совместная разработка Intel и Micron, являющаяся более быстрой и более дорогой альтернативой 3D NAND памяти.

Так как 3D NAND является самым распространенным типом памяти в твердотельных накопителях, давайте рассмотрим подробнее её виды и принцип работы.

Виды 3D NAND флэш-памяти

реферат Принцип работы и основные блоки жесткого диска. Интерфейсы жестких дисков. Технология S.M.A.R.T. - фотография 46 - изображение 46

Тип 3D NAND памяти, используемый в накопителе, напрямую влияет на его эффективность и долговечность. На данный момент в твердотельных накопителях вы можете встретить следующие типы 3D NAND памяти:

  • SLC — имеет ячейки памяти, содержащие один бит информации; самая эффективная, долговечная и дорогая 3D NAND памятью, использующаяся в серверных и профессиональных накопителях.
  • MLC — имеет ячейки памяти, содержащие два бита информации; следующая по характеристикам и цене после SLC.
  • TLC — имеет ячейки памяти, содержащие три бита информации; самая распространенная память в потребительских устройствах массового сегмента, обеспечивающая хорошее соотношение цены и характеристик.
  • QLC — имеет ячейки памяти, содержащие 4 бита информации, и является самой дешёвой и самой слабой по характеристикам памятью, при этом позволяя создавать на своей основе накопители большого объёма.

Самым главным отличием различных типов 3D NAND памяти является их долговечность. Дабы понять, за счёт чего возникает эта разница, рассмотрим принцип работы 3D NAND памяти.

Принцип работы и износа 3D NAND памяти

Память NAND состоит из ячеек транзистора с плавающим затвором, которые сохраняют заряженное состояние при отсутствии источника питания. Плавающие затворы содержат электроны, а заряженное состояние представлено двоичным разрядом 0 и разряженным состоянием 1. Двоичный бит 0 представляет данные, хранящиеся в памяти NAND.

Принцип работы жесткого диска - фотография 47 - изображение 47

Ячейки присутствуют в сетке, известной как блок. Отдельная строка в блоке называется страницей и поддерживает размеры 2К, 4К, 8К и 16К. Каждый блок содержит 128-256 страниц, поэтому приблизительный его размер варьируется от 256Кб до 4Мб.

3D NAND память типа SLC хранит 1 бит информации, MLC — 2 бита, TLC — 3 бита. Такая схема выглядит следующим образом.

Принцип работы жесткого диска - изображение 48 - изображение 48

Флэш-память сохраняет информацию путем захвата электронов в ячейках. Присвоенный ячейке заряд и определяет наличие данных. Процесс ввода-вывода электронов оказывает негативное воздействие на структуру ячейки, а часть электронов «застревает». Эти электроны создают отрицательный заряд, уменьшая диапазон напряжений, доступных для представления данных. Чем меньше становится этот диапазон, тем труднее твердотельным накопителям выполнять запись и проверять её достоверность.

Накопление электронов особенно разрушительно при более высоких битовых плотностях. MLC-память должна различать четыре возможных значения в пределах уменьшающегося окна напряжений, но TLС-память должна отслеживать в два раза больше значений, а QCL — в четыре раза больше. В результате память с более плотной компоновкой «прожигается» быстрее, тем самым имея меньший ресурс.

Принцип работы жесткого диска - фото 49 - изображение 49

Продолжение цикла записи в конечном итоге приводит к тому, что ячейки становятся ненадёжными. Эти ячейки в дальнейшем удаляются и заменяются флэш-памятью, извлеченной из «резервной области» накопителя. Этот резерв новой области флэш-памяти гарантирует, что твердотельный накопитель сохраняет доступную для пользователя емкость хранилища, даже если отказ отдельных ячеек выводят из строя часть памяти. В конечном итоге и этот резерв истощается, и накопитель начинает выходить из строя.

Рассматривая типы памяти подробнее, нельзя не упомянуть относительно свежую разработку корпорации Intel — память 3D XPoint и накопители Intel Optane на ее основе.

3D XPoint. Intel Optane

Принцип работы жесткого диска - фотография 50 - изображение 50

Intel и Micron начали совместную работу над памятью 3D XPoint в 2012 году. Ранее Intel и Micron уже занимались совместной разработкой других типов энергонезависимой памяти. Архитектура 3D XPoint использует халькогенидные материалы как для селектора, так и для хранения данных в ячейках памяти. Технология не основана на электронах и использует изменение электрического сопротивления материалов.

В отличие от NAND-памяти, у 3D XPoint нет привязки операций записи к страницам и привязки операций стирания к блокам. Кроме того, отсутствует необходимость удалять данные перед операцией записи. Это позволяет добиться сверхнизких задержек и высоких показателей чтения-записи. А так как операции с электронами в памяти 3D XPoint не используются, то и износостойкость у неё очень высокая.

Принцип работы жесткого диска - изображение 51 - изображение 51

Отдельные ячейки памяти в XPoint адресуются при помощи селектора, и для доступа к ним не требуется транзистор (как в технологии NAND), что позволяет уменьшить площадь ячейки и увеличить плотность их размещения на кристалле.

Intel выпускает устройства на базе памяти 3D XPoint под брендом Optane, а Micron — под брендом QuantX.

Потребительские накопители Intel Optane делятся на 3 основных модельных ряда:

  • накопители малого объема для кэширования данных (ускорение работы вашего жесткого диска)
  • накопители среднего объема для установки операционной системы и небольшого набора программ
  • накопители большого объема для любых задач

Если сравнивать цену на 1ГБ памяти 3D NAND и 1ГБ памяти 3D XPoint (на основе цен накопителей), то последняя дороже в 3-4 раза. Однако разница в цене компенсируется большой износостойкостью и невероятно низкими задержками доступа.

Также стоит отметить, что поддержку технологии Intel Optane имеют не все процессоры и наборы системной логики. Для использования этого типа твердотелых накопителей вам понадобится процессор 8-й серии или новее, и материнская плата с чипсетом 200-й серии или новее.

На этом можно закончить долгое отступление о принципах работы памяти и вернуться к объяснению работы отдельных компонентов. На очереди у нас — контроллер памяти.

NAND-контроллер и его функции

Принцип работы жесткого диска - фотография 52 - изображение 52

Каждый SSD включает в себя контроллер, соединяющий компоненты памяти NAND с вашей системой. Контроллер представляет собой встроенный процессор, который выполняет код встроенного программного обеспечения и является одним из наиболее важных для производительности элементов твердотельного накопителя.

Принцип работы жесткого диска - фото 53 - изображение 53

Давайте рассмотрим некоторые функции, за которые отвечает контроллер памяти:

  • Bad Block Mapping — контроль вышедших из строя секторов памяти; позволяет контролировать наличие и положение повреждённых секторов и избегать размещения в них данных
  • Read and Write Caching — кэширование часто используемых данных; позволяет ускорить работу с файлами
  • Encryption — шифрование файлов
  • Crypto-shredding — криптошредирование; «удаления» данных путем преднамеренного удаления или перезаписи ключей шифрования.
  • Error detection and correction via error-correcting code (ECC) — обнаружение и исправление ошибок связи; обеспечивает контроль целостности данных при записи/чтении информации или при её передаче
  • Garbage collection — сборка мусора; технология оптимизации удаления и записи страниц и блоков памяти
  • Read scrubbing and read disturb management — функции исправления «мягких ошибок» памяти и повреждённых блоков
  • Wear leveling — выравнивание износа памяти; позволяет увеличить срок службы твердотелого накопителя

Контроллеры производятся как фирмами-производителя памяти и твердотельных накопителей (Intel, Samsung, Toshiba и др.), так и сторонними компаниями (Marvell, SandForce, SiliconMotion, Phison). Сами контроллеры, как и SSD в которые они устанавливаются, разделяются на категории в зависимости от назначения устройства. В накопители корпоративного сегмента устанавливаются самые дорогие и продвинутые модели, в то время как в бюджетные потребительские решения — базовые.

Объемы памяти

Принцип работы жесткого диска - изображение 54 - изображение 54

Заявленный объем флэш-памяти на устройствах отличается от реального объема доступного пользователю. Это является следствием методики подсчета, используемой производителями.

Однако при выборе SSD легко заметить, что даже заявленные объемы памяти отличаются от таковых у обычных флэш-накопителей. Например:

  • 240 или 250 гигабайт вместо 256
  • 480 или 500 гигабайт вместо 512
  • 960 или 1000 гигабайт вместо 1024

Происходит это из-за использования функции Over-provisioning.

Over-provisioning представляет собой резервирование дополнительного пространства памяти. Оно производится на стадии программирования прошивки для улучшения производительности и уменьшения влияния эффектов износа памяти.

Скоростные характеристики и ресурс

Основными потребительскими характеристиками SSD, которые непосредственно характеризуют его скорость и эффективность работы, являются:

  • Max Sequential Reads/Writes — максимальная скорость последовательного чтения и записи; скорость работы SSD с большими файлами на протяжении длительного отрезка времени
  • IOPS — операции ввода вывода в секунду; демонстрирует скорость работы SSD со случайными блоками по 4 KB и характеризует эффективность накопителя в типовых сценариях использования
  • Access Time (Latency) — время доступа или задержка показывает, какое количество времени необходимо накопителю, чтобы начать обработку файла
  • TBW / Cycles — суммарное количество информации, которое можно записать и перезаписать на SSD; характеризует рабочий ресурс накопителя

Поддержка дополнительных функций

В перечислении ТТХ твердотельных накопителей можно встретить упоминание поддержки функций TRIM и NCQ. Кратко, их работа заключается в следующем:

  • TRIM — команда логического интерфейса ATA, которая помогает улучшить эффективность удаления информации и поддерживать высокую скорость записи
  • NCQ (Native Command Queuing) — технология оптимизации чередования команд, которая способствует ускорению доступа к данным

Примеры интересных моделей SSD

Принцип работы жесткого диска - изображение 55 - изображение 55

Мы разобрали основные характеристики и форматы потребительских SSD, их компоненты и принципы работы. Для того, чтобы всю полученную информацию было легче усвоить, я приведу примеры хороших, на мой взгляд, твердотельных накопителей, которые можно было бы рекомендовать к покупке. Но данный пункт стоит рассматривать не как руководство, а как наглядную демонстрацию различных типов SSD.

Мы остановимся на некоторых моделях компаний Samsung, Western Digital, Intel, AData. На их основе я предложу вам примеры для ознакомления. Остановимся на моделях емкостью 500ГБ и 1ТБ для того, чтобы список не получился огромным. И пусть вас не смущает доминация Samsung в моем списке — конкуренция на рынке накопителей очень большая, и каждый может найти модель для себя.

Формат будет следующим:

Название модели — (краткие характеристики) — средняя цена на Яндекс.Маркете.

Отмечу отдельно — именно средняя! Разница между самой высокой ценой и самой низкой может быть довольно существенна, особенно при выборе дорогих моделей. Поэтому средняя цена служит лишь приблизительным ориентиром.

SSD бюджетного сегмента

WD Blue 2.5 SATA 500GB — (TLC, 84000 IOPS, TBW 200TB, TRIM, NCQ) — 4880 р.

WB Blue M.2 SATA 500GB — (TLC, 84000 IOPS, TBW 200TB, TRIM, NCQ) — 4650 р.

SSD среднего ценового сегмента

Samsung 860 EVO 2.5 SATA 500 GB — (TLC, 90000 OPS. 512MB Cache, TRIM) —7200 р.

Intel 545s 2.5 SATA 512GB — (TLC, 85000 IOPS, TBW 288TB, NCQ, TRIM) — 6500 р.

ADATA XPG SX8200 Pro M.2 NVMe 512GB — (TLC, 380000 IOPS, TBW 320TB) - 7800 р.

WD Blue 2.5 SATA 1TB —(TLC, 84000 IOPS, TLC, TBW 400TB, TRIM, NCQ) — 9500 р.

Western Digital WD Black M.2 NVMe SSD 500GB — (TLC, 330000 IOPS, TBW 300TB, TRIM) — 9500 р.

Samsung 970 EVO M.2 NVMe SSD 500GB — (TLC, 450000 IOPS, TBW 300TB, Cache 512MB, TRIM) — 10000 р.

SSD верхнего ценового сегмента

Samsung 970 PRO M.2 NVMe SSD 500GB — (MLC, 500000 IOPS, TBW 600TB, Cache 512MB, TRIM) — 12000 р.

Samsung 860 Pro 2.5 SATA SSD 512GB — (MLC, 90000 IOPS, TBW 600TBm Cache 512MB, TRIM) — 11000 р.

Samsung 860 QVO 2.5 SATA SSD 2000GB — (QLC, 89000 IOPS, TBW 720TB, Cache 2048MB, TRIM, NCQ) — 19000 р.

Samsung 860 PRO 2.5 SATA SSD 1024GB — (MLC, 90000 IOPS, TBW 1200TB, Cache 1024MB, TRIM) — 22000 р.

Intel Optane 800p M.2 NMVe SSD 118GB — (3D XPoint, 145000 IOPS, TBW 365TB) — 16000 р.

Надеюсь, данный пункт дал вам наглядную информацию о разнообразии представленных на рынке моделей. Потому что статья подошла к своему концу и время подводить итог.

Заключение

Принцип работы жесткого диска - фото 56 - изображение 56

Статья получилась достаточно большой и сложной для восприятия, поэтому я сознательно ограничил объем информации и не упомянул о некоторых моментах. Но я надеюсь, что представленная информация будет вам полезна и подвигнет на дальнейшее изучение темы уже самостоятельно. Ведь, по моему мнению, любой человек, активно сталкивающийся с какой-то современной технологией, должен иметь хотя бы базовое представление о принципах ее работы. Но, возможно, это всего лишь я.

В заключении хотелось бы дать ссылки на несколько полезных ресурсов, на которых вы можете посмотреть обзоры твердотельных накопителей или почитать интересные статьи по данной теме. И по многим другим тоже.

Tom's Hardware

Anandtech

Techpowerup

IXBT

Хабр

Не стоит забывать и о Википедии — в ней имеется большое количество статей по теме NAND-памяти, SSD и их компонентам.

На этом всё. Всем добра и качественных железок.

За редактуру выражаю отдельную благодарность Егору Аргунову, Шани и Антону Рахманинову.

.

Принцип работы жесткого диска - изображение 57 - изображение 57

Статья написана участником команды авторов «GANG»Присоединяйся, если хочешь делать интересный контент для DTF

#лонг #long #ssd #dtf_gang #твердотельный_накопитель

Лекция. Устройство и принцип работы жесткого диска

Принцип работы жесткого диска - фото 58 - изображение 58

Во всех современных компьютерах имеется жесткий диск, который предназначен для хранения данных, а также для загрузки операционной системы. Лет 15-20 назад практически все компьютеры оснащались дисководами для гибких дисков, которые использовались для загрузки программ и операционной системы. Операционная система MS-DOS загружалась в оперативную память с дискеты.

Но постепенно, как того и требует прогресс, размер про грамм стал увеличиваться. Для работы в современных операционных системах требуется объем дискового пространства как минимум несколько сот мегабайт. Представляете, сколько дискет понадо бится, чтобы сохранить этот объем? Гибкие диски, несмотря на все ухищрения разработчиков, уже не могли вместить достаточное количество файлов, со держащих графические образы компьютерных игр и звуки. А пользователи требовали все более красочных игр. И, наконец, было принято решение, в результате которого разработали новое устройство — жесткий диск.

Жесткий диск, он же Hard Disk Drive, HDD, винчестер, накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД), или с использова нием жаргона "винт", является прямым потомком дисковода для гибких дисков.

Основное предназначение жесткого дис ка — он должен предоставить пользователю дисковое пространство, столь нужное для хранения файлов операционной системы и всех необходимых программ.

Особенностью жесткого диска в отличие от дисковода для гибких дисков является высокая надежность хранения данных.

Единственный недостаток нового изобретения — отсутствие мобильности носителя, из-за чего остро встала проблема переноса данных. Но жесткий диск изначально создавал ся как несъемное устройство.

Сведения из истории: в 1973 году на фирме IBM по новой технологии был разработан первый жесткий диск, который мог хранить до 16 Кбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров (дорожек), каждая из которых была разбита на 30 секторов, то поначалу ему присвоили незамысловатое название -30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, такие жесткие диски получили прозвище «винчестер».

Внешне жесткий диск похож на небольшую металлическую коробку.

Сверху на корпусе, как правило, имеется наклейка, на которой нанесены основные технические параметры данной модели, такие как на именование производителя, название модели, номинальное напряжение пи тания, информация о положении перемычек, предназначенных для конфи гурирования винчестера, и т. п. Снизу на корпусе прикреплена печатная плата, представляющая собой встроенный контроллер жесткого диска, ко торый необходим для обеспечения его нормальной работы.

Корпус винчестера

Корпус винчестера защищает жесткий диск от повреждений. Воздух, которым заполнен корпус, обязательно должен быть очищен от пыли, иначе даже самая маленькая частица при попадании внутрь может привести в негодность все устройство. Поэтому практически все модели винчестеров имеют фильтр, который представляет собой небольшое окошко, закрытое прочным материалом, пропускающим незначительное количество воздуха.

Внутри корпуса размещаются практически все элементы, необходимые для работы винчестера: носитель информации, который представляет собой все те же, но жесткие диски, а также устройство считывания/записи информа ции (магнитные головки и устройство позиционирования).

Габаритные размеры современных жестких дисков характеризуются так на зываемым форм-фактором, который указывает горизонтальный и верти кальный размеры корпуса. Возможны следующие горизонтальные размеры: 1,8; 2,5; 3,5 или 5,25", из них наиболее распространены два последних (хотя самый последний встречается все реже и реже).

Носитель информации

Винчестер содержит один или несколько дисков (platters), то есть это носитель, который смонтирован на оси-шпинделе, приводимом в движение специальным двигателем (часть привода). Скорость вращения современных винчестеров может быть 5400, 7200, 10000 об/мин. Достигнуты скорости вплоть до 15 000 об/мин., но такие винчестеры пока что слишком дороги для среднего пользователя. Понятно, что чем выше скорость вращения, тем быстрее считывается информация с диска. Следует иметь в виду, что чем выше скорость вращения, тем выше уровень шума, издаваемый винчесте ром. Это является довольно неприятной платой за высокую скорость работы.

Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины, на которые и нанесен специальный магнитный слой (покрытие). С обеих сторон диски покрыты тончайшим слоем ферромагнитного материала (окисью какого-нибудь металла), подобного тому, что применяется для производства, например, дискет. От прочности покрытия зависят некоторые эксплуатационные характеристики, к примеру, ударопрочность винчестеров. В качестве рабочей поверхности обычно ис пользуют обе стороны каждого диска, кроме дисков, расположенных по краям пакета — у этих дисков внешние поверхности, повернутые в сторону корпуса, для хранения информации не используются. Они являются защит ными.

Количество дисков может быть различным – от одного до пяти и выше, число рабочих поверхностей при этом соответственно в два раза больше, правда, не всегда. Иногда наружные поверхности крайних дисков или одного из них не используются для хранения данных, при этом число рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Магнитные головки

Наиболее важной частью любого накопителя являются головки чтения-записи (read-write head). Головки представляют собой магнитные управляемые контуры с сердечни ками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Принцип дей ствия очень похож на принцип работы головок обычного магнитофона, только требования к ним предъявляются значительно более жесткие.

Количество магнитных головок всегда равно количеству физических по верхностей, используемых для хранения данных. Каждая пара головок одета на своеобразную "вилку", обхватывающую диск с обеих сторон. Данная "вилка" имеет очень длинный "хвост", который заканчивает массивным хво стовиком, составляющим противовес головкам и их несущим. Когда винче стер не работает, головки благодаря упругости "вилки" прижимаются к по верхности диска, что позволяет исключить их "дребезг" во время транспор тировки. Все магнитные головки объединены в единый блок, что позволяет организовать их синхронное перемещение.

Практически все современные жесткие диски имеют функцию автоматиче ской "парковки" головок. Парковкой называется процесс перемещения магнитных головок в специальную зону диска, которая называется парковочной зоной" (от англ. Landing Zone). Эта зона не содержит абсолютно никакой по лезной информации, кроме специальной сервисной метки, указывающей на местоположение места "парковки". В "запаркованном" состоянии жесткий диск можно транспортировать при достаточно плохих физических услови ях — вибрация, легкие удары, сотрясения.

Функция "парковки" реализована достаточно просто. В нерабочем состоя нии хвостовик блока головок "приклеивается" к небольшому магниту, рас положенному в устройстве позиционирования. При поступлении напряже ния питания на жесткий диск генерируется достаточно мощный электро магнитный импульс, который "отрывает" хвостовик от посадочного места. Пока жесткий диск работает, постоянно удерживаемое электромагнитное поле не дает хвостовику "прилипнуть" к магниту. Когда же напряжение пи тания исчезает, то головки за счет притяжения постоянного магнита прак тически мгновенно перемещаются в зону парковки, где они благополучно приземляются на поверхность дисков.

Заметим, что в современных винчестерах головки как бы «летят» на расстоянии доли микрона от поверхности дисков, не касаясь их.

Устройство позиционирования

Устройство позиционирования, которое перемещает магнитные головки, внешне очень похоже на башенный кран. С одной стороны находятся длинные тонкие несущие магнитных головок, а с другой — короткий и зна чительно более массивный хвостовик с обмоткой электромагнитного приво да. Обмотку позиционера окружает статор, представляющий собой постоян ный магнит. При подаче в обмотку электромагнита тока определенной величины и полярности хвостовик начинает поворачиваться в соответст вующую сторону с ускорением, пропорциональным силе тока. При измене нии полярности тока хвостовик начинает движение в обратную сторону. Динамически изменяя уровень и полярность тока, можно устанавливать магнитные головки в любое возможное положение (от центра до края дис ков). Такую систему иногда называют Voice Coil (звуковая катушка) — по аналогии с диффузором громкоговорителя. Данное устройство позициони рования еще называют линейным двигателем. Применение в качестве дви жущей силы электромагнитного поля придает головкам равномерное ли нейное перемещение, чего так не хватает шаговым двигателям, которые ис пользуются в дисководах для гибких дисков.

Для определения необходимого положения головок служат специальные сервисные метки, записанные на носитель при изготовлении винчестера и считываемые при позиционировании. В некоторых моделях винчестеров под сервисную информацию отводят отдельную поверхность и специализи рованную магнитную головку, позволяющую с высокой скоростью опреде лить точное местоположение остальных головок, двигающихся синхронно с ней. Если сервисные метки записаны на тех же дорожках, что и данные, то для них выделяется специальный сектор, а чтение производится теми же головками, что и чтение данных. Благодаря использованию линейного дви гателя появилась возможность "тонкой настройки" головок путем их незна чительного перемещения относительно дорожки, что помогает более точно отследить центр окружности сервисной метки. В результате повышается достоверность считываемых данных и исключается необходимость времен ных затрат на процедуры коррекции положения головок, как это происхо дит в дисководах.

Плата электроники

Внутри любого винчестера обязательно находится печатная плата с электронными компонентами. Печатная плата, на которой расположены электронные компоненты систе мы управления жестким диском, обычно прикрепляется к нижней плоско сти корпуса при помощи обычных винтов. В зависимости от модели элек троника может быть либо закрыта металлической пластиной, либо открыта для любых механических воздействий — производители по-разному пред ставляют реальные условия эксплуатации жесткого диска. С внутренней частью винчестера плата соединяется при помощи специального разъема.

Плата электроники предназначена для управления работой механических подвижных частей устройства и формирования электрических импульсов при чтении/записи. Она содержит:

  1. микропроцессор, управляющий всей остальной электроникой жесткого диска;
  2. буферную память, предназначенную для временного хранения данных, которые записываются на диск или считываются с него;
  3. микросхему ПЗУ, используемую для хранения алгоритмов работы, как основного микропроцессора, гак и всех остальных электронных компо нентов;
  4. генератор, питающий переменным током двигатель дисков;
  5. сложную сервисную систему, которая управляет устройством позициони рования блока головок на требуемую дорожку (цилиндр) в соответствии с поступающими сигналами;
  6. усилители записи, формирующие электрические импульсы, которые по даются на магнитные головки при записи данных;
  7. усилители считывания и формирователи выходных сигналов при считы вании информации.

Микропроцессор представляет собой специализированную микросхему, внутренняя структура которой направлена на обработку массивов данных, поступающих в схему электроники, как со стороны магнитных головок, так и со стороны компьютера. Основной задачей этой микросхемы является преобразование цифровых потоков данных, поступающих из компьютера в электромагнитные импульсы, записываемые на диск, а также обратная опе рация: преобразования считываемых импульсов в поток цифровых данных. Помимо этого микропроцессор занимается постоянным наблюдением за состоянием всех функций винчестера, чтобы можно было прогнозировать возможный выход его из строя.

Буферная память необходима жесткому диску, чтобы немного согласовать разницу в скорости работы интерфейса с реальной скоростью чте ния/записи с дисков. При записи информации она сначала сохраняется в буфере, а уже затем записывается на поверхность дисков. При чтении ин формации используется немного другой режим: данные передаются сразу же на интерфейс и параллельно записываются в буферную память. При по вторном обращении к этим же данным чтение производится уже из буфера. На современных жестких дисках объем буферной памяти (иногда встречает ся название кэш-память винчестера) может достигать 2 Мбайт и более, что является оптимальным для большинства выполняемых компьютером задач.

Микросхема ПЗУ предназначена для хранения алгоритмов работы микро процессора, а также технической информации, которую можно прочитать при помощи различных тестовых утилит (модель винчестера, серийный но мер и т. д.). Некоторые дешевые модели жестких дисков хранят всю слу жебную информацию на дисках и при каждом включении загружают ее в обыкновенный модуль оперативной памяти.

Интерфейсная логика представляет целый набор электронных компонентов, задача которых сводится к организации соединения с компьютером, т. е. создании физического соединения интерфейса жесткого диска с контролле ром компьютера.

Важным компонентом электронной платы являются разъемы для подклю чения соединительного кабеля и напряжения питания (рис. 10.3). Между этими разъемами, как правило, располагается набор перемычек, при помо щи которых изменяется конфигурация жесткого диска (Master, Slave). Опи сание всех возможных вариантов вы, скорее всего, найдете на наклейке, которая имеется на верхней плоскости корпуса.

Плата интерфейсной электроники современного винчестера, как вы уже поняли, представляет собой самостоятельное устройство с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и прочими атрибутами, присущими любому компьютеру. По сути, жесткий диск это компьютер в компьютере.

Многие винчестеры имеют на плате электроники специальный технологи ческий интерфейс с разъемом, через который при помощи стендового обо рудования можно выполнять различные сервисные операции с накопи телем — тестирование, форматирование, поиск и "фиксацию" дефектных участков.

Краткое описание принципов работы жесткого диска

Принцип работы жесткого диска - изображение 59 - изображение 59

На жестком диске данные хранятся на магнитной поверхности диска. Информация записывается и снимается с помощью магнитных головок. Внутри жесткого диска может быть установлено несколько пластин (дисков). Двигатель, вращающий диск, включается при подаче питания на диск и остается включенным до снятия питания. Если в разделе Power Management программы Setup в BIOS установлен параметр выключения жесткого диска при отсутствии обращения к нему, то двигатель может быть выключен программой BIOS.

Двигатель вращается с постоянной скоростью, измеряемой в оборотах в минуту (rpm). Данные организованы на диске в цилиндрах, дорожках и секторах. Цилиндры - концентрические дорожки на дисках, расположенные одна над другой. Дорожка затем разделяется на сектора. Диск имеет магнитный слой на каждой стороне пластины. Каждая пара головок одета как бы на "вилку", обхватывающую каждый диск. Эта "вилка" перемещается над поверхностью диска с помощью отдельного серводвигателя. Совокупность вращательного движения диска и радиального перемещения блока головок обеспечивает произвольный доступ к любому сектору диска.

Принцип работы жесткого диска - фото 60 - изображение 60

Основы магнитной записи – замыкание магнитной силовой линии, созданной током в обмотке головки, не через ее зазор, а через магнитный материал поверхности диска. При этом размер намагниченной площадки (один бит информации) определяется зазором в головке и зазором между головкой и диском. Чем меньше эти зазоры – тем меньше размеры площадки и тем больше плотность записи информации на диске. При чтении информации происходит замыкание магнитного потока через систему «головка – площадка», и этот поток индуцирует электрический сигнал в обмотке головки. Ориентация доменов площадки определяет направление потока и, следовательно, знак сигнала, который распознается как двоичный ноль или единица информационного бита.

Поскольку время доступа к информации (время позиционирования головки над информационной единицей) в этой электромеханической системе по изложенным выше причинам не может выйти из миллисекундного диапазона, что на шесть порядков уступает быстродействию электроники компьютера, в системе обмена «винчестер – процессор» не используется побайтные чтение/запись.

Все жесткие диски имеют резервные сектора, которые используются его схемой управления, если на диске обнаружены дефектные сектора.

реферат Принцип работы и основные блоки жесткого диска. Интерфейсы жестких дисков. Технология S.M.A.R.T.

Принцип работы жесткого диска - фотография 61 - изображение 61

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 195)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты