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.
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?
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
