Подробно и просто о жестком диске он же HDD(hard disk drive)

Н акопитель на жестком диске является, чуть ли не одним из самых важных элементов современного компьютера. Так как он предназначен в первую очередь для долгосрочного хранения ваших данных, это могут быть игры, фильмы и другие объемные файлы, хранящиеся у вас на вашем ПК. И было бы очень жалко если он мог бы неожиданно сломаться, в результате чего вы можете потерять все свои данные, которые бывает очень сложно восстановить. И чтобы правильно эксплуатировать и заменять этот элемент, необходимо понимать как он работает и что из себя представляет – жесткий диск.

Из этой статьи вы узнаете о работе жесткого диска, его компонентах и технических характеристиках.

Обычно главными элементами жесткого диска являются несколько круглых пластин из алюминия. В отличие от гибких дисков(забытых дискеток) их сложно согнуть, поэтому и появилось название жесткий диск. В некоторых устройствах они устанавливаются несъемные, и называются фиксированными (fixeddisk). Но в обычных стационарных компьютерах и даже некоторых моделей ноутбуков и планшетов их можно без проблем заменить.

Рисунок: Жесткий диск без верхней крышки

Заметка!

Почему жесткие диски иногда называют – винчестер и какое отношение они имеют к огнестрельному оружию. Когда то в 1960-х годах компания IBMвыпустила скоростной на тот момент жесткий диск с номером разработки 30-30. Что совпало с обозначением известного нарезного оружия Winchester, и поэтому этот термин вскоре закрепился в компьютерном жаргонном сленге. А на самом же деле жесткие диски не имеют ничего общего с настоящими винчестерами.

Как работает накопитель на жестких дисках

Запись и считывание информации, находящейся на концентрических окружностях жесткого диска, разбитых на секторы, производится посредствам универсальных головок записи/чтения.

Все стороны диска предусматривают свою собственную дорожку для записи и чтения, однако головки располагаются на общем для всех дисков приводе. По этой причине головки перемещаются синхронно.

Видео YouTube: Работа открытого жесткого диска

Автор ролика: Joshua Marius — www.letheonline.net

Нормальная работа накопителя не допускает касаний между головками и магнитной поверхностью диска. Однако в случае отсутствия электроэнергии и остановки устройства головки все же опускаются на магнитную поверхность.

Во время работы жесткого диска между поверхностью вращающейся пластины и головкой образуется незначительный воздушный промежуток. Если в этот промежуток проникает пылинка или устройство подвергается встряске, велика вероятность того, что головка столкнется с вращающейся поверхностью. Сильный удар может стать причиной выхода из строя головки. Результатом этого выхода может быть повреждение нескольких байтов или же полная неработоспособность устройства. По этой причине во многих устройствах магнитная поверхность легируется, после чего на нее наносится специальная смазка, позволяющая справляться с периодической встряской головок.

Некоторые современные диски используют механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам касаться магнитной поверхности даже в случае отключения электропитания.

Форматирование высокого и низкого уровня

Использование форматирования высокого уровня позволяет операционной системе создавать структуры, упрощающую работу с хранящимися на жестком диске файлами и данными. Все имеющиеся разделы (логические диски) снабжаются загрузочным сектором тома, двумя копиями таблицы размещения файлов и корневым каталогом. Посредствам вышеуказанных структур, операционной системе удается производить распределение дискового пространства, отслеживание расположения файлов, а также обход поврежденных участков на диске.

Другими словами, форматирования высокого уровня сводится к созданию оглавлений диска и файловой системы (FAT, NTFS и т.п.). К «настоящему» форматированию можно отнести лишь форматирование низкого уровня, во время которого происходит деление диска по дорожкам и секторам. Посредствам DOS-команды FORMAT гибкий диск подвергается сразу обоим типам форматирования, тогда как жесткий — лишь форматированию высокого уровня.

Для того, что бы произвести низкоуровневое форматирование на жестком диске, необходимо использование специальной программы, чаще всего предоставляемой компанией-производителем диска. Форматирование гибких дисков посредствам FORMAT подразумевает выполнение обеих операций, тогда как в случае с жесткими дисками вышеуказанные операции следует выполнять по раздельности. Более того, жесткий диск подвергается и третьей операции — созданию разделов, которые являются необходимым условием для использования на одном ПК более одной операционной системы.

Организация нескольких разделов предоставляет возможность устанавливать на каждый из них свою операционную инфраструктуру с отдельным томом и логическими дисками. Каждый том или логический диск имеет своё буквенное обозначение(например диск C,D или E).

Из чего состоит жесткий диск

Практически каждый современный винчестер включает один и тот же набор компонентов:

• диски (их количество чаще всего доходит до 5 штук);

• головки чтения/записи (их количество чаще всего доходит до 10 штук);

• механизм привода головок (данный механизм устанавливает головки в необходимое положение);

• двигатель привода дисков (устройство, приводящее во вращение диски);

• воздушный фильтр (фильтры, расположенные внутри корпуса накопителя);

• печатную плату со схемами управления (посредствам этого компонента производится управление накопителем и контроллером);

• кабели и разъемы (электронные компоненты HDD).

В качестве корпуса для дисков, головок, механизма привода головок и двигателя привода дисков чаще всего используется герметичный короб — HDA. Обычно данный короб является единым узлом, который практически никогда не вскрывается. Иные компоненты, не входящие в HDA, к числу которых можно отнести элементы конфигурации, печатную плату и лицевую панель, — съемные.

Автоматическая парковка головок и система контроля

На случай отключения питания предусмотрена контактная парковочная система, задача которой сводится к тому, чтобы опустить штангу с головками на сами диски. Независимо от того, что накопитель выдерживает десятки тысяч подъемов и спусков считывающих головок, происходить это все должно на специально отведенных для этих действий участках.

Во время постоянных подъемов и спусков происходит неизбежная абразия магнитного слоя. Если после износа накопитель подвергнется встряске, то вероятней всего произойдет повреждение диска или головок. Для предотвращения вышеуказанных неприятностей, современные накопители снабжаются специальным механизмом загрузки/разгрузки, представляющим собой пластину, которая помещается на внешнюю поверхность жестких дисков. Эта мера позволяет предотвратить касание головки и магнитной поверхности даже в случае отключения питания. При отключении напряжения накопитель самостоятельно «паркует» головки на поверхности наклонной пластины.

Немного о воздушных фильтрах и воздухе

Практически все жесткие диски снабжены двумя воздушными фильтрами: барометрическим и фильтром рециркуляции. Отличает вышеуказанные фильтры от сменяемых моделей, используемых в накопителях старшего поколения, то, что они помещены внутрь корпуса и их замена не предусматривается до конца эксплуатационного срока.

Старые диски использовали технологию постоянной перегонки воздуха внутрь корпуса и обратно, используя при этом фильтр, который нуждался в периодической смене.

Разработчикам современных накопителей от этой схемы пришлось отказаться, а потому фильтр рециркуляции, который расположен в герметичном корпусе HDA, применяется лишь для фильтрации находящегося внутри короба воздуха от мельчайших частиц, оказавшихся внутри корпуса. Независимо от всех предпринятых мер предосторожности, мелкие частицы все же образуются после многократных «посадок» и «взлетов» головок. С учетом того, что корпус накопителя отличается своей герметичностью и в нем происходит перекачка воздуха, он продолжает функционировать даже в условиях сильно загрязненной окружающей среды.

Интерфейсные разъемы и соединения

Многие современные накопители на жестких дисках снабжены несколькими интерфейсными разъемами, предназначенными для подключения к источнику питания и к системе в целом. Как правило, накопитель содержит минимум три разновидности разъемов:

• интерфейсные разъемы;

• разъем для подачи питания;

• разъем для заземления.

Отдельного внимания заслуживают интерфейсные разъемы, поскольку они предназначены для получения/передачи накопителем команд и данных. Многие стандарты не исключают возможность подключения нескольких накопителей к одной шине.

Как уже упоминалось выше, накопители на HDD могут быть снабжены несколькими интерфейсными разъемами:

• MFM и ESDI — вымершие разъемы, использовавшиеся на первых винчестерах;

• IDE/ATA — разъем для подключения накопителей, который долгое время был самым распространённым по причине своей невысокой стоимости. Технически этот интерфейс схож с 16-разрядной шиной ISA. Последующее развитие стандартов IDE поспособствовало росту скорости обмена данными, а также появлению возможности напрямую обратиться к памяти посредствам DMA технологии;

• Serial ATA — разъем, заменивший собой IDE, который физически является однонаправленной линией, используемой для последовательной передачи данных. Будучи в режиме совместимости схож с IDE интерфейсом, однако, наличие «родного» режима позволяет воспользоваться дополнительным набором возможностей.

• SCSI — универсальный интерфейс, который активно применялся на серверах для подключения HDD и иного рода устройств. Несмотря на хорошие технические показатели, не стал таким распространенным как IDE по причине своей дороговизны.

• SAS — последовательный аналог SCSI.

• USB — интерфейс, который необходим для подключения внешних винчестеров. Обмен информацией в данном случае происходит посредствам протокола USB Mass Storage.

• FireWire — разъем аналогичный USB, необходим для подключения внешнего HDD.

• Fibre Channel —интерфейс, используемый системами высокого класса за счет высокой скорости передачи данных.

Показатели качества жестких дисков

• Емкость — объем информации, вмещаемый накопителем. Этот показатель в современных винчестерах может достигать до 4 терабайт(4000 гигабайт);

• Быстродействие. Данный параметр оказывает непосредственное влияние на время отклика и среднюю скорость передачи информации;

• Надежность – показатель, определяемый средним временем наработки на отказ.

Ограничения физической емкости

Максимальный объем емкости, используемой жестким диском, зависит от целого ряда факторов, к числу которых можно отнести интерфейс, драйвера, операционную и файловую систему.

У первого накопителя АТА, выпущенного в 1986 году, имелось ограничение емкости, максимальное значение которого составляло 137 Гб.

Разные версии BIOS также способствовали уменьшению максимальной емкости жестких дисков, а потому системы, скомпонованные до 1998 г., имели емкость – до 8,4 Гб, а системы, выпущенные до 1994 г., — 528 Мб.

Даже после решения проблем с BIOS ограничение емкости накопителей с интерфейсом подключения АТА осталось, максимальное его значение составляло в 137 Гб. Это ограничение было преодолено посредствам стандарта ATA-6, выпущенного в 2001 г. Данный стандарт использовал расширенную схему адресации, что, в свою очередь, поспособствовало увеличению емкости накопителей до 144 Гб. Подобное решение позволило явить свету накопители с интерфейсами PATA и SATA, у которых объем вмещаемой информации — выше указанного ограничения в 137 Гб.

Ограничения ОС на максимальный объем

Практически все современные операционные системы не накладывают каких-либо ограничений на такой показатель как емкость жестких дисков, чего нельзя сказать о более ранних версиях операционных систем.

Так, например, DOS не распознавал жесткие диски, емкость которых превышала 8,4 Гб, поскольку доступ к накопителям в данном случае выполнялся посредствам LBA-адресации, при этом в DOS 6.x и более ранних версиях поддерживалась лишь CHS-адресация.

Ограничение емкости жесткого диска также имеется в случае установки ОС Windows 95. Максимальное значение этого ограничения — 32 Гб. Помимо этого, обновленными версиями Windows 95 поддерживается лишь файловая система FAT16, которая, в свою очередь, налагает ограничение в размере 2 Гб на размеры разделов. Из этого следует, что в случае использования жесткого диска на 30 Гб, его нужно поделить на 15 разделов.

Ограничения операционной системы Windows 98 допускают использование жестких дисков большего объема.

Характеристики и параметры

Каждый жёсткий диск обладает перечнем технических характеристик, согласно которым и устанавливается его иерархия использования.

Первым делом, на что следует обратить внимание, так это на тип используемого интерфейса. С недавних пор каждый компьютер в качестве усовершенствованного и более скоростного интерфейса начал использовать SATA.

Второй не менее важный момент — объём свободного места на жёстком диске. Минимальное его значение на сегодняшний день составляет лишь 80 Гб, при этом максимальное – 4 Тб.

Еще одной важной характеристикой в случае приобретения ноутбука является форм-фактор жесткого диска.

Наиболее востребованными в этом случае считаются модели, размер которых — 2,5 дюйма, при этом в настольных ПК размер составляет 3,5 дюйма.

Не стоит пренебрегать и скоростью вращения шпинделя, минимальные значения – 4200, максимальные – 15000 оборотов в минуту. Все вышеуказанные характеристики оказывают непосредственное влияние на скорость работы винчестера, которая выражается в Мб/С.

Скорость работы жесткого диска

Немаловажным значением обладают скоростные показатели жёсткого диска, которые определяются:

• Скоростью вращения шпинделя, измерение которой проводится в оборотах в минуту. В ее задачу не входит непосредственное выявление реальной скорости обмена, она лишь позволяет отличить более скоростное устройство от менее скоростного устройства.

• Временем доступа. Данный параметр вычисляет затрачиваемое винчестером время от получения команды до передачи информации по интерфейсу. Чаще всего фигурирую среднее и максимальное значения.

• Временем позиционирования головок. Это значение указывает затрачиваемое головками время для перемещения и установки с одного трека на другой трек.

• Пропускной способностью или производительностью диска во время последовательной передачи больших объёмов данных.

• Внутренней скоростью передачи данных или скоростью передаваемой информации от контроллера к головкам.

• Внешней скоростью передачи данных или скоростью передаваемой информации по внешнему интерфейсу.

Немного о S.M.A.R.T.

S.M.A.R.T. – утилита, предназначенная для самостоятельной проверки состояния современных винчестеров, поддерживающих интерфейс PATA и SATA, а также работающих в персональных компьютерах с операционной системой Windows (от NT до Vista).

S.M.A.R.T. производит подсчет и анализ состояния подключенных жестких дисков через равные отрезки времени, независимо от того запущена операционная система или нет. После того, как анализ был проведен, значок результата диагностики отображается в правом углу панели задач. Основываясь на результатах, полученных во время S.M.A.R.T. диагностики, значок может указывать:

• на отличное состояние каждого подключенного к компьютеру винчестера, поддерживающего S.M.A.R.T. технологию;

• на то, что один или несколько показателей состояния не соответствуют пороговому значению, при этом у параметров Pre-Failure / Advisory нулевое значение. Вышеуказанное состояние жесткого диска не считается предаварийным, однако если этот винчестер содержит важную информацию, рекомендуется как можно чаще сохранять ее на другом носителе или произвести замену HDD.

• на то, что один или несколько показателей состояния не соответствуют пороговому значению, при этом у параметров Pre-Failure / Advisory активное значение. По мнению разработчиков жестких дисков, это состояние предаварийное, и хранить информацию на таком винчестере не стоит.

Фактор надежности

Такой показатель, как надежность хранения данных является одним из наиболее важных характеристик жесткого диска. Фактор отказа у винчестера — раз в сто лет, из чего можно сделать вывод, что HDD считается наиболее надежным источником хранения данных. При этом на надежность каждого диска непосредственное влияние оказывает условие эксплуатации и само устройство. Порой производители поставляют на рынок еще совсем «сырой» продукт, а потому пренебрегать резервным копированием и полностью полагаться на винчестер нельзя.

Стоимость и цена

С каждым днем стоимость HDD становится всё меньше. Так, например, сегодня цена жесткого диска ATA на 500 Гб составляет в среднем 120 долларов, к сравнению, в 1983 г. винчестер емкостью 10 Мб стоил 1800 долларов.

Из вышесказанного утверждения можно сделать вывод, что стоимость HDD будет продолжать падать, а потому в дальнейшем все желающие смогут приобрести довольно емкие диски по приемлемым ценам.

Что такое жесткий диск

Жесткий диск – это устройство для записи, автономного хранения и считывания информации, используемой компьютером (сюда относится система Windows, сопутствующие ей программы). Также на нем хранятся документы, игры, видео, фото пользователя.

Устройство жесткого диска

Конструкция устройства жесткого диска — стандартна. Основной элемент — диски, изготовленные из алюминия, керамики или стекла (их может быть от 1 до 10). В просторечии они иногда называются пластинами или блинами. Диски покрыты тонким слоем ферромагнитного вещества, который и делает возможным запись и хранение информации. Для защиты слоя его сверху покрывают одним или (в дорогих моделях) несколькими слоями разного состава.

Блины надеты на подвижную ось (шпиндель), и зафиксированы сверху прижимным кольцом. Необходимые зазоры между дисками обеспечивают разделительные кольца, изготовляемые из полимеров или немагнитных сплавов. Кроме колец, между дисками находятся пластиковые или алюминиевые подковообразные пластины-сепараторы. Их назначение — оптимизация воздушных потоков внутри гермозоны и снижение уровня сопутствующих шумов. Считается, что алюминиевые сепараторы лучше справляются с задачей (они заодно охлаждают разогретый вращающимися дисками воздух).

Внутри корпуса находится двигатель, который раскручивает шпиндель и разгоняет до нужной скорости диски. Он управляется и питается через контактную площадку.

Для каждой «рабочей» поверхности диска есть одна (и только одна) магнитная головка, которая крепится на так называемом слайдере. Миниатюрная пластинка (слайдер) позволяет головке «планировать» над поверхностью диска. Слайдер крепится на пружинной подвеске. Несколько головок соединяются в блок (БМГ). Он установлен на кронштейне, в просторечии — «коромысле» с помощью подшипника, обеспечивающего их плавное перемещение. Конструкцию двигает привод БМГ, состоящий из катушки и двух мощных магнитов. Движение контролируют два ограничителя БМГ. Фиксатор обеспечивает неподвижность головок в зоне парковки.

Ток, поступающий с головок, настолько слаб, что для его усиления прямо на БМГ расположен чип, называемый предусилителем. Как понятно уже из названия, он усиливает сигнал (который сам не дойдет до платы управления, затухнув в пути) и посылает его через кабель на контактную площадку.

Все вышеописанное помещается в металлический корпус — короб, наглухо закрытый крышкой с резиновой прокладкой. Открывать его следует только в исключительных случаях — сбить тонкую настройку внутренних элементов винчестера очень легко.

Корпус называется гермоблоком («банкой» на профессиональном жаргоне). Иногда так называют емкость со всем содержимым. Короб не является полностью герметичным и имеет небольшое отверстие для выравнивания давления. Поскольку для правильного функционирования жесткого диска необходим очень чистый воздух, отверстие закрыто многослойным фильтром. Часто в фильтр добавляют силикагель — это помогает регулировать влажность внутри гермозоны.

Другой фильтр, называемый циркуляционным, расположен на пути воздушных потоков и собирает микроскопические частицы металла и смазки, неизбежно образующиеся в процессе работы любого, даже самого тонкого, устройства.

На внешней стороне корпуса находится плата управления, координирующая работу винчестера. Посредине платы находится процессор, который иногда еще называют микроконтроллером. Новые модели, как правило, состоят из двух частей: самого процессора, выполняющего необходимые расчеты и устройства чтения и записи. Устройство (или по-другому «канал») получая сигнал с головок, преобразует его в двоичный код. В режиме записи оно наоборот, превращает данные в аналоговый код. Процессор также управляет другими компонентами платы через порты ввода и вывода. С начинкой гермозоны он сообщается через контактную площадку.

Здесь же находится стандартный чип памяти, часть которой занята прошивкой. Следующий чип — контроллер, управляет двигателем, вращающим шпиндель с дисками, и блоком головок. Он также контролирует расположенные на плате источники питания, которые поставляют энергию процессору.

На плате установлена автономная флэш-память (в ней находится часть прошивки). После включения компьютера контроллер загружает ее и начинает выполнять полученные команды.

Датчики вибрации (на плате их может быть от двух и больше), улавливают сотрясения и передают данные контроллеру. Последний должен немедленно остановить диски и вернуть головки на парковочное место. Увы, помогает не всегда.

Другое, более надежное защитное устройство на плате — ограничитель напряжения. При его перепадах жертвует собой и сгорает.

Как работает жесткий диск

Рассмотрим детальнее особенности, как работает жесткий диск.

После включения контроллер загружает из флэш-памяти часть хранящейся там информации. Обработав ее, отдает приказ о запуске двигателя в гермозоне. Движок раскручивает до нужной скорости шпиндель и закрепленные на нем диски. Когда над блинами образуется достаточно сильный поток воздуха, контроллер дает команду о перемещении блока головок, которые зависают на высоте 10 нанометров над их поверхностью. «Полет» регулируется слайдерами и пружинными подвесками.

Работа головок начинается со считывания информации о состоянии диска с «нулевой дорожки». Если диск серьезно поврежден, винчестер не запустится. После проверки начинается обработка данных.

В режиме записи каждая головка генерирует электромагнитное поле, изменяющее вектор намагниченности на ферромагнитном покрытии диска. Считывая информацию, головка улавливает изменение в магнитном поле и передает соответствующие сигналы в предусилитель. Оттуда они попадают на контактную пластину, далее — в процессор, где и расшифровываются.

После завершения работы диски перестают вращаться, а головки выводятся в парковочную зону. Обычно так называется внешний край блинов. В некоторых моделях роль парковки выполняют специальные пластины вне дисков.

Виды жестких дисков

Рассмотрим детальнее основные виды жестких дисков.

HHD. Информация, поступающий на винчестер, записывается на диски, покрытые слоем ферромагнитного вещества. Устройство выгодно отличает дешевизна и большой объем памяти.

SSD. В отличии от магнитных жестких дисков, SSD работает по принципу заполнения микросхем памяти. Плюсы: надежность, ударопрочность, бесшумность, низкое энергопотребление, очень высокая скорость передачи информации. Недостатки: высокая цена, ограниченное количество циклов записи, удаленная информация не восстанавливается.

Форм-фактор

Жесткие диски обычно делят на две категории в зависимости от диаметра:

• 3,5 дюйма — устанавливается в домашних компьютерах и обладает относительно большой памятью (до 10 Тб);
• 2,5 дюйма — применяется в ноутбуках, медиаплеерах, портативных внешних дисках.

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

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

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.

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.

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.

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

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

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.

Жесткий диск — устройство и работа

Современные жесткие диски существенно отличаются от первых решений памяти для машин обработки данных. Карты и перфоленты, созданные в первой половине девятнадцатого века, использовались для управления простыми машинами (например, на производственных предприятиях) в соответствии с закодироваными на них очень простыми последовательностями. Только в конце первой половины двадцатого века, с появлением основных электронных вычислительных машин (все еще основанных на ламповой технологии и электромагнитных реле), были начаты попытки использования других решений, позволяющих более эффективно хранить и обрабатывать все большее количество данные. Как следствие, настоящий прорыв произошел с развитием полупроводниковой технологии — вскоре после этого начали создаваться первые решения, использующие ферромагнитные свойства некоторых металлических сплавов. Одним из таких решений были магнитные барабаны (барабанная память). В то же время начали использоваться магнитные ленты и были созданы первые жесткие диски.

Сегодняшний жесткий диск — это один из важнейших компонентов персональных компьютеров. Здесь хранятся все рабочие и конфигурационные данные операционной системы. Это также один из основных носителей информации, позволяющий хранить, редактировать и сохранять рабочие данные пользователя.

Как устроен жёсткий диск

Жесткий диск (HDD) — это энергонезависимое (постоянное) запоминающее устройство, в котором данные в цифровом виде хранятся на быстро вращающихся пластинах. Пластины жесткие (отсюда и слово «hard» в английском названии) — они сделаны из немагнитного материала — стекла или алюминия. На них напыляется полутвердый ферромагнетик, который позволяет формировать стабильные магнитные домены и хранить в них намагниченные по направлению магнитные диполи. В первых дисках в качестве ферромагнетика использовался триоксид железа; в более поздние годы его заменили кобальтовым сплавом.

Вся механика закрыта в герметичном корпусе с вентиляционными отверстиями, которые отводят часть тепла и выравнивают давление внутри диска. Диски запаиваются в стерильных условиях; даже немного пыли в атмосферном воздухе быстро приведет к деградации самого носителя в процессе его эксплуатации.

Диски установлены на подшипниковой ступице двигателя, который приводит в движение жесткий диск. В современных конструкциях используется от 1 до 4 пластин (очень редко больше).

Большее количество дисков (более распространенное в 1980-х и 1990-х годах) увеличивало риск выхода из строя отдельных головок.

Ключевым элементом механики каждого диска является подвижный рычаг (позиционер), на концах которого установлены головные щетки. Он состоит из поворотного осевого подшипника (на котором он установлен), рычага (позволяющего головкам работать над и под каждой из пластин) и электромеханического магнитного сервопривода, позволяющего точно и быстро позиционировать головки на заданной площади.

Сама конструкция позиционера очень точная и хрупкая. Это связано с двумя факторами:

• возрастающие требования к точности позиционирования (из-за увеличивающейся упаковки данных на пластинах),
• возрастающие требования к скорости реакции механики (например, время доступа к фрагментированным блокам данных).

Вышеуказанные требования привели к минимизации отдельных элементов механики жесткого диска. В особенности это относится к их весу и размеру.

Современные диски имеют размеры меньше 10 нм (0,000001 мм) — это требует большой точности и минимально возможного веса рычага позиционера, что позволяет быстро перемещаться по рабочей области пластин.

Кроме того, в большинстве современных приводов позиционер оснащен предусилителем дифференциального сигнала (предусилителем), который обеспечивает подачу стабильного сигнала на внешний электронный модуль.

Структура жесткого диска

• A — пластина диска
• B — ступица двигателя диска
• C — головка диска
• D — рычаг позиционера диска
• E — сервопривод диска
• F — ось позиционера диска
• G — предусилитель сигнала
• H — фильтр вентиляции

Модуль электроники

Внешний модуль электроники установлен снаружи диска. Проще говоря, это микрокомпьютер, который полностью поддерживает (с момента введения стандарта ATA была введена интеграция контроллера) все операции, выполняемые жестким диском. Он состоит из нескольких основных блоков:

• A — сигнальный процессор — блок, который управляет работой всего носителя,
• B — память ROM — содержащая процедурное программное обеспечение,
• C — сигнальный интерфейс — например, ATA, SATA
• D — RAM cache — буферизация чтения и записи
• E — силовой модуль и управление работой двигателя
• F — блок сервоуправления позиционером

Диски отличаются друг от друга сигнальным интерфейсом и скоростью вращения.

В настоящее время доминируют два стандарта (с их производными):

• последовательные интерфейсы word — вид интерфейса, который работает параллельно — наиболее известными стандартами являются IDE (ATA), EIDE и SCSI.
• современные битовые последовательные интерфейсы — разновидность последовательного интерфейса. Интерфейс, в отличие от своего предшественника, передает данные последовательно. По сравнению с предшественником, это не несколько десятков сигналов одновременно, а всего один — но не сравнительно быстрее. Самые известные стандарты — это FC, SATA и SAS.

Скорость вращения современных жестких дисков составляет от 4200 до 15000 оборотов в минуту (об / мин). Скорости в нижнем диапазоне использовались в более старых моделях и в приводах, используемых для портативных устройств. С другой стороны, скорости от 7200 и выше используются в современных дисках и эффективных решениях для серверов или рабочих станций (SAS, SCSI).

Как работает жесткий диск

Когда мы включаем компьютер, сначала начинает работать сигнальный процессор диска. Он читает процедуры, содержащиеся в BIOS диска, которые запускают движок жесткого диска. После достижения предполагаемой скорости вращения пластин активируется сервопривод позиционера, который перемещает свой рычаг над областью пластины, содержащей внутреннее микропрограммное обеспечение самого держателя. Эта область называется Зоной обслуживания (в просторечии: SA).

Достижение минимальной скорости необходимо для образования так называемой «подушки безопасности», которая, слегка приподняв головки, предотвращает их физический контакт с вращающимся диском.

Далее головки считывают заводские пакетные модули, входящие в SA, содержащие такую ​​информацию, как имя диска, серийный номер, транслятор физического диска (на основе заводского списка секторов, содержащих ошибки) и адаптивные параметры работы головок.

После правильного чтения служебных структур диск выдает сообщение «статус готов» — на этом этапе он отображается в BIOS компьютера и готов к работе — он может читать и записывать данные.

Большинство современных дисков имеют магниторезистивные головки — считывание логического состояния отдельных магнитных доменов заключается в изменении сопротивления считывающей головки в зависимости от поляризации содержащихся в них диполей.

Сама запись производится за счет изменения напряженности магнитного поля (генерируемого головкой) — в жестких дисках головка намагничивает ферромагнетик до полного насыщения (изменяя направление намагничивания диполей), используя свойства магнитного гистерезиса. После намагничивания домена и снятия намагничивающего поля полутвердый ферромагнетик остается стабильно намагниченным.

Преимущества HDD

Самым важным преимуществом современных жестких дисков является их емкость. Исследования по их разработке все еще продолжаются во всех крупных лабораториях мира. Такой большой объем данных возможен, в том числе, благодаря постоянно развивающимся исследовательским технологиям.

Один из последних таких примеров — использование так называемой перпендикулярной записи, которая обеспечивает гораздо лучшую упаковку данных (магнитные домены не размещаются на носителе, а направлены глубоко в парамагнитный слой) и более быструю работу диска. Использование этой технологии теоретически позволяет упаковывать данные размером около 1 ТБ на квадратный дюйм. Это означает, что согласно сегодняшним стандартам конструкции 3,5-дюймовых накопителей (4 пластины, 8 рабочих поверхностей) можно будет спроектировать диски емкостью около 300 ТБ.

Еще одна важная особенность современных жестких дисков — это их цена и доступность. Сегодняшний стандарт — это драйвы около 500 — 1000 ГБ, что по цене является наиболее выгодным предложением на рынке памяти массового потребления с точки зрения стоимости 1 ГБ.

Отдельно стоит отметить мобильность и удовлетворительную скорость современных жестких дисков. Они бывают разных внешних размеров — от 0,8 дюйма до 3,5-дюймовых дисков. Это позволяет использовать их даже для очень маленьких устройств (таких как телефоны, фотоаппараты или фотоаппараты) и использовать в качестве портативных запоминающих устройств.

Недостатки HDD

Несомненно, одним из самых слабых мест жестких дисков является их низкая отказоустойчивость. Благодаря своей конструкции они особенно подвержены воздействию всех видов ударных факторов (толчки, удары, падения).

Еще одним фактором, разрушительно влияющим на срок их службы, является высокая температура, возникающая при эксплуатации носителя. Это может привести к физической деградации самого носителя и, как следствие, к необратимому разрушению содержащихся на нем данных.

Как продлить срок службы жесткого диска

В 1992 году IBM впервые применила на своем жестком диске (SCSI) прототип системы, позволяющей контролировать работу носителя. Эта реализация развивалась с течением времени и привела к созданию стандарта SMART (технология самоконтроля, анализа и отчетности), который действует как своего рода система «раннего предупреждения» о возможности сбоя.

Во многих случаях постоянный мониторинг параметров SMART позволяет нам контролировать такие параметры работы диска, как:

• температура,
• появление битых секторов,
• количество запусков и остановок диска,
• общее время движения.

Правильная реакция на возможные неисправности (например, SMART показывает слишком высокую рабочую температуру диска) позволит нам значительно продлить срок службы нашего носителя. К сожалению, следует помнить, что описанная выше система предлагает только пассивное управление рабочим телом; это не защитит нас от последствий внезапного отказа, вызванного другими факторами.

Поэтому есть несколько правил, которые необходимо соблюдать, чтобы свести к минимуму вероятность отказа жесткого диска:

• в настольных компьютерах следует регулярно проверять чистоту; толстый слой пыли на диске может быстро привести к термической декалибровке диска,
• по возможности, установите в компьютере вентилятор, направленный на диск, он эффективно снизит температуру во время работы диска и одновременно замедлит процесс осаждения пыли,
• настольный компьютер не должен стоять под столом у наших ног; даже легкие удары (особенно во время работы) могут быть смертельными для нашего HDD,
• компьютер не следует размещать вблизи источников тепла, например, радиатора,
• если у нас есть компьютер, расположенный на столе (стационарный или переносной), мы также не должны ударяться о его корпус (особенно во время работы — диск подвергается механической декалибровке),
• не забудьте, лучше не оставлять компьютер работающим надолго (конечно, кроме случаев, когда мы вынуждены это делать),
• портативные компьютеры (например, ноутбуки) имеют неэффективную систему вентиляции; Поэтому категорически запрещается выполнять с ними более длительную работу (более десятка минут) в условиях, когда это может привести к перегреву диска. Примером этого является работа на мягкой поверхности, такой как одеяло или постельное белье — в таких условиях эффективность системы отвода тепла падает почти до десятка процентов,
• внешние диски гораздо больше подвержены ударам или термическим факторам; В особенности это касается 3,5-дюймовых накопителей (по статистике около половины из них выходят из строя в течение года!) — поэтому к ним следует относиться крайне осторожно. Оптимальные условия работы для таких дисков — найти для них безопасное место на столе и без кабелей, свисающих над головой,
• всегда следует выбирать внешние диски лежачие и не стоящие (для 3,5 дюймов) — стоячие диски часто падают,
• не перемещайте и не поднимайте внешний диск (это особенно опасно при работе),
• лучше ограничить перемещения диска по максимуму,
• 2,5-дюймовые диски особенно подвержены воздействию — в таких ситуациях головки часто неправильно останавливаются (заедают) на вращающейся пластине,
• перед каждой передачей диска вы должны думать об их соответствующей защите — не перемещайте диск свободно без какой-либо защиты — в случае случайного падения вероятность потери доступа к данным значительно превышает 90%,
• возникновение аномалий напряжения — настоящий бич, когда речь идет о повреждении электроники жестких дисков. В таких ситуациях самым ненадежным элементом является блок питания компьютера — поэтому обратите внимание на его качество.

Следование приведенным выше и многим другим основным правилам позволит вам эффективно продлить срок службы ваших накопителей и минимизировать риск сбоя.

Однако здесь следует указать, что пассивные методы не снижают вероятность потери данных по логическим причинам (удаление данных, форматирование и т. д.). Единственный способ здесь — регулярно выполнять периодическое резервное копирование. Это единственный надежный способ защититься от потери данных.

Источник https://www.white-windows.ru/podrobno-i-prosto-o-zhestkom-diske-on-zhe-hdd-hard-disk-drive/

Источник https://znatoki.org/tehnika/54-chto-takoe-zhestkij-disk.html

Источник https://calcsbox.com/post/zestkij-disk—ustrojstvo-i-rabota.html