Что такое жесткий диск - устройство и характеристики

Как хранить информацию с помощью магнетизма

Наука о магнетизме сложна. Но если вы когда-нибудь дурачились с магнитом и гвоздями, вы знаете, что технология — наука в действии — довольно проста. Железные гвозди изначально не магнитятся, но если вы будете протирать их магнитом назад и вперед, вы можете сделать их магнитными, чтобы они прилипали друг к другу. Магнетизм имеет несколько простых практических применений. Например, на свалках используются электромагниты (огромные магниты, которые можно включать и выключать с помощью электричества), чтобы собирать и перемещать груды металлического лома.

У магнетизма есть еще одно очень важное применение. Предположим, вам нужно оставить сообщение другу, а все, что у вас есть, это магнит и немагнитный железный гвоздь. Предположим, сообщение очень простое: либо вы увидите друга позже, в тот же день, либо нет. Вы можете договориться со своим другом, что забросите гвоздь в его почтовый ящик. Если он намагничен, значит, вы их увидитесь позже, если гвоздь не намагничен, вы этого не сделаете. Ваш друг приходит из школы и находит гвоздь на коврике. Относит к кухонному столу и прикасается к скрепке. Если гвоздь намагничен, она к нему прилипнет. Это довольно странный способ оставить кому-то сообщение, но он иллюстрирует кое-что очень важное: магнетизм можно использовать для хранения информации.

Если у вашего компьютера есть жесткий диск на 20 гигабайт (ГБ), это немного похоже на коробку, содержащую 160 миллиардов микроскопических железных гвоздей, каждый из которых может хранить один крошечный фрагмент информации, называемый бит. Бит — это двоичная цифра — либо ноль, либо единица. В компьютерах числа хранятся не как десятичные (основание 10), а как образцы двоичных цифр. Например, десятичное число 382 сохраняется как двоичное число 101111110. Буквы и другие символы также могут быть сохранены как двоичные числа. Таким образом, компьютеры хранят заглавную букву A как десятичное число 65 или двоичное число 1000001. Предположим, вы хотите сохранить число 1000001 на своем компьютере в этой большой коробке с железными гвоздями. Вам нужно найти ряд из семи неиспользованных гвоздей. Вы намагничиваете первый (чтобы сохранить 1), оставляете следующие пять размагниченными (чтобы сохранить пять нулей) и намагничиваете последний (чтобы сохранить 1).

На жестком диске вашего компьютера нет никаких железных гвоздей. Там просто большая блестящая, круговая «пластина» из магнитного материала, разделенная на миллиарды крошечных областей. Каждая из этих областей может быть независимо намагничена (чтобы сохранить 1) или размагничена (сохранить 0). Магнетизм используется в компьютерных хранилищах, потому что он продолжает хранить информацию даже при отключении питания. Если вы намагнитите гвоздь, он останется намагниченным, пока вы его не размагнитите. Точно так же компьютеризированная информация (или данные), хранящаяся на жестком диске вашего ПК, остается там даже после выключения питания.

Что входит в состав жесткого диска?

Жесткий диск состоит всего из нескольких основных частей. Есть одна или несколько блестящих серебряных пластин или «блинов», на которых информация хранится магнитным способом. Есть устройство позиционирования (актуатор), которое предназначено для перемещения крошечного магнита, называемого головкой чтения-записи, вперед и назад по пластинам для записи или считывания информации. Есть электронная схема для управления всем, которая действует как связующее звено между жестким диском и остальной частью вашего компьютера.

Составляющие HDD:

• Привод, который перемещает рычаг чтения-записи. В старых жестких дисках исполнительными механизмами были шаговые двигатели. Вместо этого в большинстве современных жестких дисков используются простые электромагниты. Они позиционируют рычаг чтения-записи быстрее, точнее и надежнее, чем шаговые двигатели, и менее чувствительны к таким проблемам, как колебания температуры.
• Актуатор поворачивает головку назад и вперед по пластине.
• Центральный шпиндель позволяет «блинам» вращаться с высокой скоростью.
• Магнитный диск хранит информацию в двоичной форме.
• Штекерные соединения подключают жесткий диск к печатной плате персонального компьютера.
• Головка чтения-записи — это крошечный магнит на конце устройства позиционирования.
• Печатная плата на нижней стороне контролирует поток данных к пластине.
• Гибкий разъем передает данные от печатной платы к магнитной головке и пластине.
• Маленький шпиндель позволяет устройству позиционирования перемещаться по пластине.

Пластины — самые важные части жесткого диска. Как следует из названия, это диски, сделанные из твердого материала, такого как керамика или алюминий, и покрыты тонким слоем металла, который можно намагничивать или размагничивать. Небольшой жесткий диск обычно имеет только одну пластину, но каждая его сторона имеет магнитное покрытие. У дисков больших объемов есть несколько пластин, установленных на центральном шпинделе с небольшим зазором между ними. Пластины вращаются со скоростью до 15 000 оборотов в минуту (об/мин), поэтому головки чтения-записи могут получить доступ к любой их части.

Для каждой пластины есть две головки: одна для чтения с верхней поверхности, а другая для чтения с нижней, поэтому для жесткого диска с пятью пластинами (скажем) потребуется десять отдельных головок. Головки установлены на рычаге с электрическим управлением, который перемещается от центра привода к внешнему краю и обратно. Чтобы уменьшить износ, они фактически не касаются диска, а парят над ней. При запуске сначала раскручивается шпиндель с блинами, и только после возникновения необходимого для парения потока воздуха, головки начинают двигаться.

Чтение и запись данных

Самое важное в памяти — это не возможность хранить информацию, а возможность найти ее позже. Представьте, что вы храните намагниченный железный гвоздь в куче из 1,6 миллиона миллионов одинаковых гвоздей, и вы будете иметь некоторое представление о том, с какими проблемами столкнулся бы ваш компьютер, если бы он не использовал очень методичный способ хранения своей информации. Рассмотрим принцип работы винчестера при работе с информацией.

Когда ваш компьютер хранит данные на жестком диске, он не просто забрасывает намагниченные гвозди в коробку, перемешивая их вместе. Данные хранятся в очень упорядоченном виде на каждой пластине. Биты данных располагаются концентрическими круговыми путями, называемыми дорожками. Каждая дорожка разбита на более мелкие области, называемые секторами. Часть жесткого диска хранит карту секторов, на которой видно свободны они или заняты. Когда компьютер хочет сохранить новую информацию, он смотрит на карту, чтобы найти несколько свободных секторов. Затем он дает команду головке чтения-записи перемещаться по пластине точно в нужное место и сохранять там данные. Чтобы прочитать информацию, тот же процесс выполняется в обратном порядке.

Как компьютер управляет всей механической мелочью жесткого диска? Между ними существует интерфейс (связующее оборудование), называемый контроллером. Это небольшая схема, которая управляет исполнительными механизмами, выбирает определенные дорожки для чтения и записи и преобразует параллельные потоки данных, идущие с компьютера, в последовательные потоки данных, записываемых на диск (и наоборот). Контроллеры либо встроены в собственную печатную плату дисковода, либо являются частью основной платы (материнской платы) компьютера.

С таким большим объемом информации, хранящимся в таком крошечном пространстве, жесткий диск представляет собой замечательное произведение инженерной мысли. Это дает не только преимущества, но и недостатки. Один из них заключается в том, что жесткие диски могут выйти из строя, если внутрь них попадет грязь или пыль. Крошечный кусочек пыли может заставить магнитную головку подпрыгивать вверх и вниз, врезаясь в опорный диск и повреждая его магнитный материал. Это известно как сбой диска (или сбой головки), и он может, хотя и не всегда, привести к потере всей информации на жестком диске. Сбой диска обычно происходит внезапно, без предупреждения. Вот почему вы всегда должны хранить резервные копии ваших важных документов и файлов.

Кто изобрел жесткий диск?

Как и многие инновации в вычислительной технике 20-го века, жесткие диски были изобретены в IBM, как способ предоставить компьютерам оперативную память с «произвольным доступом». Проблема с другими устройствами памяти компьютера, такими как перфокарты и катушки с магнитной лентой, заключались в том, что к ним можно получить доступ только последовательно (по порядку, от начала до конца). Поэтому, если бит данных, который вы хотите получить, находится где-то посередине ленты, вы должны довольно медленно прочитать или просмотреть всю запись, чтобы найти то, что вам нужно. С жестким диском все происходит намного быстрее, он может очень быстро перемещать свою головку чтения-записи с одной части диска на другую. Первый жесткий диск был разработан Рейнольдом Б. Джонсоном из IBM и представлен 4 сентября 1956 года как IBM 350 Disk Storage Unit и выглядел он совсем не как современные модели. Он весил 970 килограмм и состоял из 50 алюминиевых пластин, покрытых ферромагнетиком, диаметром 61 сантиметр. 
Более менее похожим на современные экземпляры, правда не по размерам, стал 3340, увидевший свет в 1973 году. С подачи инженеров IBM сделавших устройство на 30 дорожек по 30 секторов в каждой дорожке, по аналогии с маркировкой карабина фирмы Winchester - "30/30", жесткие диски стали именовать "винчестерами", или сокращенно "винтами".

Виды жестких дисков

Чем же отличаются жесткие диски и какой лучше? Если смотреть на виды HDD, то их делят на:

• 1. для ноутбуков, их характеризует форм-фактор в 2,5 дюйма. Это позволяет им помещаться в небольшом корпусе;
• 2. для компьютеров и систем видеонаблюдения. Несмотря на то, что возможно и использование предыдущего варианта, как правило, используются форм-фактор в 3,5 дюйма;
• 3. внешние устройства, отдельно подключаемые к ПК/ноутбуку, в основном используются для хранилища информации;
• 4. для серверов, отличаются большей производительностью и интерфейсом подключения SAS, а не SATA.

Кроме этого, винчестеры разделяют в зависимости от нескольких характеристик:

• 1. объем памяти – варьируется от сейчас от 300 гигабайт до 18 терабайт;
• 2. скорость вращения шпинделя (чем больше, тем выше производительность) – от 5400 до быстрых HDD с 15000 оборотов в минуту;
• 3. интерфейс – SAS 2, SAS 3, SATA 3, другие встречаются гораздо реже, для внешних вариантов основной интерфейс USB;
• 4. объем буфера (кэш-память для временного хранения данных) – от 8 до 512 мегабайт.

Любой жесткий магнитный диск выполняет свое основное назначение, хранит информацию, все остальные нюансы надо учитывать при выборе под конкретную задачу.

Заключение

Жесткие диски давно выпускаются, имеют большой объем и дешевы, но у них тоже есть много недостатков. Одна из проблем, это количество времени, которое требуется головке, чтобы добраться до нужной части диска, чтобы получить доступ к информации. Большой размер жесткого диска и его относительно высокое энергопотребление также являются проблемами, особенно в мобильных устройствах, таких как планшеты и смартфоны. Другой вопрос — надежность. Как вы уже поняли из того, что вы только что прочитали, HDD - это прекрасный образец точной инженерии с множеством сложных движущихся частей. Поэтому всегда есть возможность серьезной механической поломки, вызванной чем-то вроде грязи на одной из пластин или внезапным механическим ударом, после чего возможна потеря всей информации.

Все эти проблемы — вес, энергопотребление, время доступа и надежность — можно решить с помощью твердотельных накопителей (SSD), которые обычно используют флешь-память вместо вращающихся магнитных пластин. Производители компьютеров переходят от жестких дисков к твердотельным накопителям, в течение последнего десятилетия, в основном из-за тенденции отхода от настольных компьютеров к мобильным устройствам.