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

Устройство накопителей HDD

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.

Больше интересного в телеграм @calcsbox
Поделитесь с другими:

Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!

Читать по теме
Интересные статьи