Как жесткий диск записывает информацию. Как работает жесткий диск? Другие особенности современных винчестеров

Артём Рубцов, R.LAB Уточнение связи между русскоязычной и англоязычной терминологией выполнено Леонидом Воржевым.

Цель этой статьи - описать устройство современного жёсткого диска, рассказать о его главных компонентах, показать, как они выглядят и называются. Кроме того, мы покажем связь между русскоязычной и англоязычной терминологиями, описывающими компоненты жестких дисков.

Для наглядности, разберём 3.5-дюймовый SATA диск. Это будет совершенно новый терабайтник Seagate ST31000333AS. Осмотрим нашего подопытного кролика.

Зелёный текстолит с медными дорожками, разъемами питания и SATA называется платой электроники или платой управления (Printed Circuit Board, PCB). Она служит для управления работой жесткого диска. Чёрный алюминиевый корпус и его содержимое называется гермоблоком (Head and Disk Assembly, HDA), специалисты также называют его «банкой». Сам корпус без содержимого также называют гермоблоком (base).

Теперь снимем печатную плату и изучим размещённые на ней компоненты.

Первым в глаза бросается большой чип, расположенный посередине – микроконтроллер, или процессор (Micro Controller Unit, MCU). На современных жёстких дисках микроконтроллер состоит из двух частей – собственно центрального процессора (Central Processor Unit, CPU), который производит все вычисления, и канала чтения/записи (read/write channel) - особого устройства, преобразующего поступающий с головок аналоговый сигнал в цифровые данные во время операции чтения и кодирующий цифровые данные в аналоговый сигнал при записи. Процессор имеет порты ввода-вывода (IO ports) для управления остальными компонентами, расположенными на печатной плате, и передачи данных через SATA-интерфейс.

Чип памяти (memory chip) представляет собой обычную DDR SDRAM память. Объем памяти определяет размер кэша жёсткого диска. На этой печатной плате установлена память Samsung DDR объемом 32 Мб, что в теории даёт диску кэш в 32 Мб (и именно такой объём приводится в технических характеристиках жёсткого диска), но это не совсем верно. Дело в том, что память логически разделена на буферную память (кэш) и память прошивки. Процессору требуется некоторый объём памяти для загрузки модулей прошивки. Насколько нам известно, только Hitachi/IBM указывают действительный объём кэша в описании технических характеристик; относительно остальных дисков, об объёме кэша остаётся только гадать.

Следующий чип – контроллер управления двигателем и блоком головок, или «крутилка» (Voice Coil Motor controller, VCM controller). Кроме того, этот чип управляет вторичными источниками питания, расположенными на плате, от которых питается процессор и микросхема предусилителя-коммутатора (preamplifier, preamp), расположенная в гермоблоке. Это главный потребитель энергии на печатной плате. Он управляет вращением шпинделя и движением головок. Ядро VCM-контроллера может работать даже при температуре в 100° C.

Часть прошивки диска хранится во флэш-памяти. При подаче питания на диск микроконтроллер загружает содержимое флэш-чипа в память и приступает к исполнению кода. Без корректно загруженного кода диск даже не пожелает раскручиваться. Если на плате отстутствует флэш-чип, значит, он встроен в микроконтроллер.

Датчик вибрации (shock sensor) реагирует на опасную для диска тряску и посылает сигнал об этом контроллеру VCM. Контроллер VCM немедленно паркует головки и может остановить вращение диска. Теоретически, такой механизм должен защищать диск от дополнительных повреждений, но на практике он не работает, так что не роняйте диски. На некоторых дисках датчик вибрации обладает повышенной чувствительностью, реагируя на малейшую вибрацию. Полученные с датчика данные позволяют контроллеру VCM корректировать движение головок. На таких дисках установлено как минимум два датчика вибрации.

На плате имеется ещё одно защитное устройство - ограничитель переходного напряжения (Transient Voltage Suppression, TVS). Он защищает плату от скачков напряжения. При скачке напряжения TVS перегорает, создавая короткое замыкание на землю. На этой плате установлено два TVS, на 5 и 12 вольт.

Теперь рассмотрим гермоблок.

Под платой находятся контакты мотора и головок. Кроме того, на корпусе диска имеется маленькое, почти незаметное отверстие (breath hole). Оно служит для выравнивания давления. Многие считают, что внутри жёсткого диска находится ваккум. На самом деле это не так. Это отверстие позволяет диску выровнять давление внутри и снаружи гермозоны. С внутренней стороны это отверстие прикрыто фильтром (breath filter), который задерживает частицы пыли и влаги.

Теперь заглянем внутрь гермозоны. Снимем крышку диска.

Сама крышка не представляет собой ничего интересного. Это просто кусок металла с резиновой прокладкой для защиты от пыли. Наконец, рассмотрим начинку гермозоны.

Драгоценная информация хранится на металлических дисках, называемых также блинами или пластинами (platters). На фотографии вы видите верхний блин. Пластины изготавливаются из полированного алюминия или стекла и покрываются несколькими слоями различного состава, в том числе ферромагнитным веществом, на котором, собственно, и хранятся данные. Между блинами, а также над верхним из них, мы видим специальные пластины, называемыми разделителями или сепараторами (dampers or separators). Они нужны для выравнивания потоков воздуха и снижения акустических шумов. Как правило, их изготавливают из алюминия или пластика. Алюминиевые разделители успешнее справляются с охлаждением воздуха внутри гермозоны.

Вид блинов и сепараторов сбоку.

Головки чтения-записи (heads), устанавливаются на концах кронштейнов блока магнитных головок, или БМГ (Head Stack Assembly, HSA). Парковочная зона - это область, в которой должны находиться головки исправного диска, если шпиндель остановлен. У этого диска, парковочная зона расположена ближе к шпинделю, что видно на фотографии.

На некоторых накопителях парковка производится на специальных пластиковых парковочных площадках, расположенных за пределами пластин.

Жёсткий диск - механизм точного позиционирования, и для его нормальной работы требуется очень чистый воздух. В процессе использования внутри жёсткого диска могут образовываться микроскопические частицы металла и смазки. Для немедленной очистки воздуха внутри диска имеется циркуляционный фильтр (recirculation filter). Это высокотехнологичное устройство, которое постоянно собирает и задерживает мельчайшие частицы. Фильтр находится на пути потоков воздуха, создаваемых вращением пластин.

Теперь снимем верхний магнит и посмотрим, что скрывается под ним.

В жёстких дисках используются очень мощные неодимовые магниты. Эти магниты настолько мощны, что могут поднимать вес в 1300 раз больший их собственного. Так что не стоит класть палец между магнитом и металлом или другим магнитом - удар получится очень чувствительным. На этой фотографии изображены ограничители БМГ. Их задача - ограничить движение головок, оставляя их на поверхности пластин. Ограничители БМГ разных моделей устроены по-разному, но их всегда два, они используются на всех современных жестких дисках. На нашем накопителе второй ограничитель расположен на нижнем магните.

Вот что можно там увидеть.

Ещё мы видим здесь катушку (voice coil), которая является частью блока магнитных головок. Катушка и магниты образуют привод БМГ (Voice Coil Motor, VCM). Привод и блок магнитных головок образуют позиционер (actuator) - устройство, которое перемещает головки. Чёрная пластиковая деталь сложной формы называется фиксатором (actuator latch). Это защитный механизм, освобождающий БМГ после того, как шпиндельный двигатель наберёт определённое число оборотов. Происходит это за счёт давления воздушного потока. Фиксатор защищает головки от нежелательных движений в парковочном положении.

Теперь снимем блок магнитных головок.

Точность и плавность движения БМГ поддерживается прецизионным подшипником. Самая крупная деталь БМГ, изготовленная из алюминиевого сплава, обычно называется кронштейном или коромыслом (arm). На конце коромысла находятся головки на пружинной подвеске (Heads Gimbal Assembly, HGA). Обычно сами головки и коромысла поставляют разные производители. Гибкий кабель (Flexible Printed Circuit, FPC) идёт к контактной площадке, стыкующейся с платой управления.

Рассмотрим составляющие БМГ подробнее.

Катушка, соединенная с кабелем.

Подшипник.

На следующей фотографии изображены контакты БМГ.

Прокладка (gasket) обеспечивает герметичность соединения. Таким образом, воздух может попасть внутрь блока с дисками и головками только через отверстие для выравнивания давления. У этого диска контакты покрыты тонким слоем золота для улучшения проводимости.

Это классическая конструкция коромысла.

Маленькие чёрные детали на концах пружинных подвесов называют слайдерами (sliders). Многие источники указывают, что слайдеры и головки - это одно и то же. На самом же деле слайдер помогает считывать и писать информацию, поднимая головку над поверхностью блинов. На современных жёстких дисках головки двигаются на расстоянии 5–10 нанометров от поверхности блинов. Для сравнения: человеческий волос имеет диаметр около 25000 нанометров. Если под слайдер попадёт какая-нибудь частица, это может привести к перегреву головок из-за трения и выходу их из строя, именно поэтому так важна чистота воздуха внутри гермозоны. Сами считывающие и записывающие элементы находятся на конце слайдера. Они так малы, что разглядеть их можно только в хороший микроскоп.

Как видите, поверхность слайдера не плоская, на ней имеются аэродинамические канавки. Они помогают стабилизировать высоту полёта слайдера. Воздух под слайдером образует воздушную подушку (Air Bearing Surface, ABS). Воздушная подушка поддерживает почти параллельный поверхности блина полёт слайдера.

Вот ещё одно изображение слайдера.

Здесь хорошо видны контакты головок.

Это ещё одна важная часть БМГ, которая пока не обсуждалась. Она называется предусилителем (preamplifier, preamp). Предусилитель - это чип, управляющий головками и усиливающий поступающий к ним или от них сигнал.

Предусилитель располагают прямо в БМГ по очень простой причине - сигнал, идущий с головок, очень слаб. На современных дисках он имеет частоту около 1 ГГц. Если вынести предусилитель за пределы гермозоны, такой слабый сигнал сильно затухнет по пути к плате управления.

От предусилителя к головкам (справа) ведёт больше дорожек, чем к гермозоне (слева). Дело в том, что жёсткий диск не может одновременно работать более чем с одной головкой (парой пишущих и считывающих элементов). Жёсткий диск посылает сигналы на предусилитель, и он выбирает головку, к которой в данный момент обращается жёсткий диск. У этого жёсткого диска к каждой головке ведёт шесть дорожек. Зачем так много? Одна дорожка - земля, ещё две - для элементов чтения и записи. Следующие две дорожки - для управления мини-приводами, особыми пьезоэлектрическими или магнитными устройствами, способными двигать или поворачивать слайдер. Это помогает точнее задать положение головок над треком. Последняя дорожка ведёт к нагревателю. Нагреватель служит для регулирования высоты полёта головок. Нагреватель передаёт тепло подвесу, соединяющему слайдер и коромысло. Подвес изготавливается из двух сплавов, имеющих разные характеристики теплового расширения. При нагреве подвес изгибается к поверхности блина, уменьшая, таким образом, высоту полёта головки. При охлаждении подвес выпрямляется.

Хватит о головках, давайте разбирать диск дальше. Снимем верхний сепаратор.

Вот как он выглядит.

На следующей фотографии вы видите гермозону со снятыми верхним разделителем и блоком головок.

Стал виден нижний магнит.

Теперь прижимное кольцо (platters clamp).

Это кольцо удерживает блок пластин вместе, не давая им двигаться друг относительно друга.

Блины нанизаны на шпиндель (spindle hub).

Теперь, когда блины ничто не удерживает, снимем верхний блин. Вот что находится под ним.

Теперь понятно, за счёт чего создается пространство для головок - между блинами находятся разделительные кольца (spacer rings). На фотографии виден второй блин и второй сепаратор.

Разделительное кольцо - высокоточная деталь, изготовленная из немагнитного сплава или полимеров. Снимем его.

Вытащим из диска все остальное, чтобы осмотреть дно гермоблока.

Так выглядит отверстие для выравнивания давления. Оно располагается прямо под воздушным фильтром. Рассмотрим фильтр внимательнее.

Так как поступающий снаружи воздух обязательно содержит пыль, фильтр имеет несколько слоёв. Он гораздо толще циркуляционного фильтра. Иногда он содержит частицы силикагеля для борьбы с влажностью воздуха.

Многих пользователей интересует устройство жесткого диска. И неспроста, ведь на сегодняшний день самым распространенным накопителем информации на компьютере является HDD. Далее будут разобраны принципы его работы и структура.

Винчестер по своей сути напоминает проигрыватель на пластинках. В нем также содержатся пластинки и считывающие головки. Однако устройство HDD сложнее. Если мы разберем жесткий диск, то увидим, что в основном пластины металлические и покрыты магнитным слоем. Именно на него производится запись данных. В зависимости от объема винчестера пластин от 4 до 9. Они крепятся на валу, который называется «шпиндель» и имеет высокую скорость вращения от 3600 до 10000 оборотов/мин для изделий массового потребления.

Рядом с блоком пластин находится блок считывающих головок. Количество головок определяется количеством магнитных дисков, а именно по одной на каждую поверхность диска. В отличие от проигрывателя на жестких дисках головка не касается поверхности пластин, а зависает над ней. Это позволяет исключить механический износ. Поскольку пластины имеют высокую скорость вращения, а головки должны находиться на крайне малом постоянном расстоянии над ними, очень важно, чтобы во внутрь корпуса ничего не смогло попасть. Ведь малейшая пылинка может нанести физические повреждения. Именно поэтому механическую часть герметично закрывают кожухом, а электронную выносят на наружу.

Некоторые пользователи интересуются тем, как разобрать жесткий диск. Нужно понимать, что разбор рабочего накопителя предусматривает нарушение его герметичности. А это, в свою очередь, приведет его в негодность. Поэтому не стоит этого делать, если вы не готовы потерять все данные на носителе информации. Если у вас нет острой необходимости открывать накопитель, а всего лишь мучает любопытство, из чего состоит жесткий диск, вы можете посмотреть фото разобранного HDD.

Именно поэтому жесткие диски на магнитных дисках при ремонте разбирают и собирают в специальном ламинарном боксе. В нем при помощи системы подачи воздуха высокой очистки и герметичности поддерживается необходимая для проведения таких работ окружающая среда. Разобрав свой диск в домашних условиях Вы однозначно его приведете в неработоспособное состояние.

Считывающие головки в нерабочем состоянии находятся рядом с блоком пластин. Еще это называется «парковочное положение». Специальное устройство выносит головки в рабочую зону только тогда, когда диск разогнался до необходимой скорости. Все они перемещаются вместе, а не каждая отдельно. Это позволяет иметь быстрый доступ ко всем данным.

Электронная плата, или контроллер, как правило, крепится снизу винчестера. Ее ничего не защищает, и от этого она достаточно уязвима для механических и термических повреждений. Именно она осуществляет управление механикой. Винчестер от ноутбука отличается от стандартного 3,5-дюймового только размером. Принцип работы жесткого диска точно такой же. Отличаться они могут только количеством магнитных блинов и емкостью накопителя.

Как можно проследить, устройство жесткого диска подвержено ударам, встряскам, царапинам, значительным изменениям температур и скачкам напряжения. А это делает его не совсем надежным носителем информации. Именно из-за этого жесткий диск на ноутбуке выходит из строя чаще, чем на стационарном ПК. Ведь портативные устройства постоянно подвергают встряскам, порой падениям, выносят на холод или ставят на солнце. А это, в свою очередь, негативно сказывается на винчестере.

Чтобы продлить срок работы HDD, не подвергайте его падениям и ударам, следите за тем, чтобы была достаточная вентиляция корпуса, любые манипуляции с диском производите только при отключенном питании. Эти недостатки привели к появлению нового типа винчестеров SSD. Постепенно они теснят HDD, когда-то выглядевших великолепными носителями.

Логическое устройство

Мы узнали, как выглядит жесткий диск внутри. Теперь будем разбирать его логическое структурирование. Данные пишутся на жесткий диск компьютера на дорожки, которые делятся на определенные сектора. Объем каждого сектора составляет 512 байт. Последовательные сектора объединяются в кластер.

При установке нового HDD нужно произвести форматирование, иначе компьютер попросту не увидит свободное место на накопителе. Форматирование бывает физическое и логическое. Первое подразумевает разбивку диска на сектора. Некоторые из них могут определиться как «плохие», то есть непригодные к записи данных. В большинстве случаев накопитель уже имеет такое форматирование перед продажей.

Логическое форматирование подразумевает создание логического раздела жесткого диска. Это позволяет значительно упростить и оптимизировать работу с информацией. Под логический раздел (или, как еще называют, «логический диск») отводится определенная область накопителя. С ней можно работать как с отдельным винчестером. Чтобы понять, как работает жесткий диск со своими разделами, достаточно визуально разделить винчестер на 2-4 части в зависимости от количества логических томов. К каждому тому можно применить свою систему форматирования: FAT32, NTFS или exFAT.

Технические данные

Друг от друга HDD отличаются по таким данным:

объемом;
скоростью вращения шпинделя;
интерфейсом.

На сегодняшний день средний объем винчестера 500-1000 Гб. Он определяет количество информации, которое вы можете записать на носитель. От скорости вращения шпинделя будет зависеть, как быстро вы сможете иметь доступ к данным, то есть чтение и запись информации. Самым распространенным интерфейсом является SATA, который пришел на смену уже морально устаревшему и медленному IDE. Друг от друга они отличаются пропускной способностью и типом разъема подключения к материнской плате. Отметим, что диск современного ноутбука может иметь только интерфейс SATA или SATA2.

В данной статье было рассмотрено, как устроен жесткий диск, его принципы работы, техданные и логическая структура.

Во время запуска компьютера, набор микропрограмм, записанных в микросхеме BIOS, производит проверку оборудования. Если все в порядке, он передает управление загрузчику операционной системы. Дальше ОС загружается и вы начинаете пользоваться компьютером. При этом — где до включения компьютера хранилась операционная система? Каким образом ваш реферат, который вы писали всю ночь, остался цел после отключения питания ПК? Снова же — где он хранится?

Ладно, вероятно я слишком загнул и вы все прекрасно знаете, что данные компьютера хранятся на жестком диске. Тем не менее что он из себя представляет и как работает не все знают, и поскольку вы здесь, делаем вывод, что хотели бы узнать. Что же, давайте разбираться!

Что такое жесткий диск

По традиции, давайте подсмотрим определение жесткого диска в Википедии:

Жесткий диск (винт, винчестер, накопитель на жестких магнитных дисках, НЖМД, HDD, HMDD) — запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.

Используются в подавляющем большинстве компьютеров, а также как отдельно подключаемые устройства для хранения резервных копий данных, в качестве файлового хранилища и т.п.

Чуть-чуть разберемся. Мне нравится термин «накопитель на жестких магнитных дисках «. Эти пять слов передают всю суть. HDD — устройство, предназначение которого длительное время хранить записанные на него данные. Основой HDD являются жесткие (алюминиевые) диски со специальным покрытием, на которое при помощи специальных головок записывается информация.

Не буду рассматривать в деталях сам процесс записи — по сути это физика последних классов школы, и вникать в это, уверен, у вас желания нет, да и статья совсем не о том.

Также обратим внимание на фразу: «произвольного доступа » что, грубо говоря, означает, что мы (компьютер) можем в любое время считать информацию с любого участка ЖД.

Важным является тот факт, что память HDD не энергозависима, то есть не важно подключено питание или нет, записанная на устройство информация никуда не исчезнет. Это важное отличие постоянной памяти компьютера, от временной ().

Взглянув на жесткий диск компьютера в жизни, вы не увидите ни дисков, ни головок, так как все это скрыто в герметичном корпусе (гермозона). Внешне винчестер выглядит так:

Для чего компьютеру нужен жесткий диск

Рассмотрим что такое HDD в компьютере, то есть какую роль он играет в ПК. Понятно, что он хранит данные но, как и какие. Здесь выделим такие функции НЖМД:

Хранение ОС, пользовательского ПО и их настроек;
Хранение файлов пользователя: музыка, видео, изображения, документы и т.д;
Использование части объема жесткого диска, для хранения данных не помещающихся в ОЗУ (файл подкачки) или хранение содержимого оперативной памяти во время использования режима сна;

Как видим, жесткий диск компьютера не просто свалка из фотографий, музыки и видео. На нем хранится вся операционная система, и помимо этого ЖД помогает справляться с загруженностью ОЗУ, беря на себя часть ее функций.

Из чего состоит жесткий диск

Мы частично упоминали о составных жесткого диска, сейчас разберемся с этим детальнее. Итак, основные составляющие HDD:

Корпус — защищает механизмы жесткого диска от пыли и влаги. Как правило, является герметичным, дабы внутрь та самая влага и пыль не попадали;
Диски (блины) — пластины из определенного сплава металлов, с нанесенным с обеих сторон покрытием, на которое и записываются данные. Количество пластин может быть разным — от одной (в бюджетных вариантах), до нескольких;
Двигатель — на шпинделе которого закреплены блины;
Блок головок — конструкция из соединенных между собой рычагов (коромысел), и головок. Часть ЖД, которая считывает и записывает на него информацию. Для одного блина используется пара головок, поскольку и верхняя, и нижняя часть у него рабочая;
Устройство позиционирования (актуатор ) — механизм приводящий в действие блок головок. Состоит из пары постоянных неодимовых магнитов и катушки, находящейся на конце блока головок;
Контроллер — электронная микросхема управляющая работой HDD;
Парковочная зона — место внутри винчестера рядом с дисками либо на их внутренней части, куда опускаются (паркуются) головки во время простоя, чтобы не повредить рабочую поверхность блинов.

Такое вот незамысловатое устройство жесткого диска. Сформировалось оно много лет назад, и никаких принципиальных изменений в него уже давно не вносились. А мы идем дальше.

Как работает жесткий диск

После того, как на HDD подается питание двигатель, на шпинделе которого закреплены блины, начинает раскручиваться. Набрав скорость, при которой у поверхности дисков образовывается постоянный поток воздуха, начинают двигаться головки.

Данная последовательность (сначала раскручиваться диски, а затем начинают работать головки) необходима для того, чтобы за счет образовавшегося потока воздуха, головки парили над пластинами. Да, они никогда не касаются поверхности дисков, иначе последние были бы моментально повреждены. Тем не менее, расстояние от поверхности магнитных пластин до головок настолько маленькое (~10 нм), что вы не увидите его невооруженным глазом.

После запуска, в первую очередь происходит считывание служебной информации о состоянии жесткого диска и других необходимых сведениях о нем, находящихся на так называемой нулевой дорожке. Только затем начинается работа с данными.

Информация на жестком диске компьютера записывается на дорожки которые, в свою очередь, разбиты на сектора (такая себе разрезанная на кусочки пицца). Для записи файлов несколько секторов объединяют в кластер, он и является наименьшим местом, куда может быть записан файл.

Кроме такого «горизонтального» разбиения диска, есть еще условное «вертикальное». Поскольку все головки объединены, они всегда позиционируются над одной и той же по номеру дорожкой, каждая над своим диском. Таким образом, во время работы HDD головки как бы рисуют цилиндр:

Пока HDD работает, по сути он выполняет две команды: чтение и запись. Когда необходимо выполнить команду записи, происходит вычисление области на диске куда она будет производится, затем позиционируются головки и, собственно, выполняется команда. Затем результат проверяется. Кроме записи данных прямо на диск, информация также попадает в его кеш.

Если контроллеру поступает команда на чтение, в первую очередь происходит проверка наличия требуемой информации в кеше. Если ее там нет, снова происходит вычисление координат для позиционирования головок, дальше, головки позиционируется и считывают данные.

После завершения работы, когда питание винчестера исчезает, происходит автоматическая парковка головок в парковочных зоне.

Вот так в общих чертах и работает жесткий диск компьютера. В действительности же все намного сложнее, но обычному пользователю, скорее всего, такие подробности не нужны, поэтому закончим с этим разделом и пойдем дальше.

Виды жестких дисков и их производители

На сегодняшний день, на рынке существует фактически три основных производителя жестких дисков: Western Digital (WD), Toshiba, Seagate. Они полностью покрывают спрос на устройства всех видов и требований. Остальные компании либо разорились, либо были поглощены кем-то из основной тройки, или перепрофилировались.

Если говорить о видах HDD, их можно разделить таким образом:

Для ноутбуков — основной параметр — размер устройства в 2,5 дюйма. Это позволяет им компактно размещаться в корпусе лептопа;
Для ПК — в этом случае также возможно использование 2,5″ жестких дисков, но как правило, используются 3,5 дюйма;
Внешние жесткие диски — устройства, отдельно подключаемые к ПК/ноутбуку, чаще всего выполняющие роль файлового хранилища.

Также выделяют особый тип жестких дисков — для серверов. Они идентичны обычным ПКшным, но могут отличаются интерфейсами для подключения, и большей производительностью.

Все остальные разделения HDD на виды происходят от их характеристик, поэтому рассмотрим их.

Характеристики жестких дисков

Итак, основные характеристики жесткого диска компьютера:

Объем — показатель максимально возможного количества данных, которые можно будет вместить на диске. Первое на что обычно смотрят при выборе HDD. Данный показатель может достигать 10 Тб, хотя для домашнего ПК чаще выбирают 500 Гб — 1 Тб;
Форм-фактор — размер жестокого диска. Самые распространенные — 3,5 и 2,5 дюйма. Как говорилось выше, 2,5″ в большинстве случаев, устанавливаются в ноутбуки. Также их используют во внешних HDD. В ПК и на сервера устанавливают 3,5″. Форм фактор влияет и на объем, так как на больший диск может поместиться больше данных;
Скорость вращения шпинделя — с какой скоростью вращаются блины. Наиболее распространены 4200, 5400, 7200 и 10000 об/мин. Эта характеристика напрямую влияет на производительность, а так же и цену устройства. Чем выше скорость — тем больше оба значения;
Интерфейс — способ (тип разъема) подключения HDD к компьютеру. Самым популярным интерфейсом для внутренних ЖД сегодня является SATA (в старых компьютерах использовался IDE). Внешние жесткие диски подключаются, как правило, по USB или FireWire. Кроме перечисленных, существуют еще такие интерфейсы как SCSI, SAS;
Объем буфера (кеш-память) — тип быстрой памяти (по типу ОЗУ) установленный на контроллере ЖД, предназначенный для временного хранения данных, к которым чаще всего обращаются. Объем буфера может составлять 16, 32 или 64 Мб;
Время произвольного доступа — то время, за которое HDD гарантированно выполнить запись или чтение с любого участка диска. Колеблется от 3 до 15 мс;

Кроме приведенных характеристик также можно встретить такие показатели как.

Компьютер – незаменимая составляющая человеческого общества. Он обрабатывает картинки, звуки, числа, слова. К счастью всю информацию можно сохранить, чтобы не потерять когда компьютер выключается.

Задача жесткого диска внутри компьютера – сохранять и выдавать информацию очень быстро. Жесткий диск очень удивительное изобретение компьютерной индустрии. Он может хранить астрономическое количество информации. Этот миниатюрный прибор записывает практически не ограниченное количество информации, пользуясь законами физики.

Если случайно произвести форматирование жесткого диска, то восстановить данные с него будет можно, но долго и дорого.

Как работает жесткий диск?

Чтобы понять – нужно сломать. Жесткий диск состоит из пяти основных частей:

Защищать диск необходимо, если мы хотим пользоваться этим устройством годами. А какие могут быть повреждения? Повреждения диска это не метафора. В таких тонких слоях, вес головки приравнивается к весу 747 самолетов, а вес 747 самолетов сопоставим с весом ста тысяч пассажиров летящих на скорости 100 километров в час. Отклонение в доли миллиметра и все…

Какую же важную роль играет сила трения, когда коромысло начинает считывать информацию, смещаясь до 60 раз в секунду. Двигатель коромысла невидим, потому что эта электромагнитная система работает на взаимодействии двух силах природы – электричества и магнетизма. Такое взаимодействие разгоняет коромысло до скоростей света.

До этого речь шла о компонентах, теперь поговорим о хранении данных. Данные хранятся в узких дорожках на поверхности диска. При производстве на диске создается более двухсот тысяч таких дорожек. Каждая дорожка разделена на секторы. Карта дорожек и секторов позволяет головке определить, куда записать или где считать информацию. Поверхность диска гладкая и блестящая, но при более близком рассмотрении структура оказывается сложнее. Ферримагнитная пленка на поверхности запоминает всю записанную информацию. Головка намагничивает микроскопическую область на пленке устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний «0» или «1», каждый такой ноль и единица называется битами. Значение бита соответствует ориентации магнитного поля плюсу или минусу и не стоит беспокоиться за сохранности данных, потому что фотография хорошего качества занимает около 29 миллионов таких ячеек и разбросана по 12 различным секторам. Звучит впечатляюще, но в действительности такое невероятное количество битов занимает очень маленький участок на поверхности диска. Каждый квадратный сантиметр поверхности включает в себя 31 миллиард битов. Вот это я понимаю память.

Жесткий диск записывает и выдает информацию на скоростях, которую трудно представить. Используя законы магнетизма, тонкая пленка может запомнить множество разных энциклопедий или сотни тысяч фотографий легко. Жесткий диск на самом деле изумительно миниатюрный прибор, записывающий любую информацию в маленьких битах. Этот шедевр инженерной мысли расширяет рамки разумной физики бит за битом.

Страница 2 из 11

ЧАСТЬ I. восстановление файлов с жесткого диска

ГЛАВА 1. КАК РАБОТАЕТ ЖЕСТКИЙ ДИСК И КАК НА НЕМ ХРАНЯТСЯ ДАННЫЕ

Немного об устройстве жесткого диска. Общее устройство HDD

Что же представляет собой жесткий диск (по строгому - накопитель на жестких дисках)? Если у вас не было возможности его лицезреть, то скажем, что снаружи он выглядит как единый металлический блок. Причем очень прочный и полностью герметичный. Дело в том, что технология работы диска настолько тонка, что даже мельчайшая инородная частица, попавшая внутрь, способна полностью нарушить его работу. Дополнительно, для предотвращения кризисной ситуации, в жесткий диск был помещен фильтр очистки. Также корпус винчестера служит в качестве экрана от электропомех. На самом деле жесткий диск состоит из двух основных частей - механики и электроники. Основу механической части составляют пластины (диски), имеющие круглую форму. Вообще-то диск может быть и всего один. Все зависит от емкости винчестера в целом. По одной из версий название «винчестер» жесткий диск получил благодаря фирме, которая в 1973 году выпустила жесткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инжене- у ры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30» предложил назвать этот диск «винчестером». В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слов «винт» (наиболее употребимый вариант), «винч» и «веник». Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются следующие типы рабочего слоя:
ОКСИДНЫЙ;
тонкопленочный;
двойной антиферромагнитный (AFC)

В настоящее время встречаются экземпляры жестких дисков, состоящие из четырех и более пластин. Состав дисков может быть различен. Их изготавливают из алюминия, стекла или керамики. Последние два состава более практичны, однако очень дороги, и поэтому они используются для создания «элитных» жестких дисков. После изготовления пластины покрывают слоем ферромагнитного материала. Со времен создания первых винчестеров здесь использовалась окись железа. Однако данное вещество имело существенный недостаток. Диски, покрытые данным ферромагнетиком, имели небольшую износостойкость. В связи с этим в настоящее время в качестве покрытия пластин большинство производителей используют кобальт хрома. Износостойкость данного вещества на порядок превышает годами применявшийся ферромагнетик. К тому же данное покрытие намного тоньше, так как наносится методом напыления, что значительно увеличивает плотность записи. Ферромагнетик наносится на обе стороны диска, поэтому данные будут размещаться также с двух сторон. Пластины помещаются на шпиндель на одинаковое друг от друга расстояние, образовывая таким образом их пакет. Под дисками находится двигатель, который их вращает. С обеих сторон пластин размещены головки чтения/записи. Они устроены таким образом, чтоб перемещаться от края диска до его центра. За это «отвечает» специально выделенный для этого двигатель. Электроника представляет собой плату, на которой помещены различные «нужные» для работы винчестера элементы, такие как процессор, управляющая программа, ОЗУ, усилитель записи/чтения и другие. Каждая сторона пластины разбита на дорожки. Они, в свою очередь, на сектора. Все дорожки одного диаметра всех поверхностей образуют цилиндр. Современные винчестеры имеют «инженерный цилиндр». Он содержит служебную информацию (модель диска, серийный номер и т.п.), предназначенную для дальнейшего считывания компьютером..

Раньше для того, чтобы диск был готов к работе, пользователю необходимо было провести так называемое форматирование на низком уровне. В BIOS даже присутствовал соответствующий пункт. Сейчас же данная разметка производится сразу при производстве винчестеров. Дело в том, что при низкоуровневом форматировании происходит запись сервоинформации. Она содержит специальные метки, которые нужны для стабилизации скорости вращения шпинделя, поиска головками необходимых секторов, а также слежения за положением головок на поверхности пластин. Если вы думаете, что «плохие» сектора на винчестере появляются только в процессе эксплуатации, то вы ошибаетесь. Любой вновь созданный жесткий диск уже имеет bad block. Так вот, при низкоуровневом форматировании данные блоки обнаруживаются и записываются в специальную таблицу переназначения. Затем в процессе эксплуатации контроллер жесткого диска заменит неисправные блоки работоспособными, которые специально резервируются для таких целей уже при производстве. В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с концентрических окружностей вращающихся магнитных дисков (дорожек), разбитых на секторы емкостью 512 байт. Дорожка - это «кольцо» данных на одной стороне диска. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байтов, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами .

Принципы работы жесткого диска

В силу своей специфичности, при работе винчестера не происходит прямого контакта магнитных головок с поверхностью пластин. Можно сказать по-другому: соприкосновение «смерти подобно». Конструкция головок создана так, что она позволяет «парить» над поверхностью пластин. Двигатель вращает шпиндель с такой скоростью (до 15000 об/мин), что от крутящихся дисков создается сильный поток воздуха. При этом получается эффект воздушной подушки. Зазор между головками и дисками составляет доли микрона. Однако, как мы упоминали выше, недопустимо соприкосновение головок с поверхностью. Но ведь бывают сбои в электроснабжении, скажете вы. Да, естественно. Вот для этого случая была придумана так называемая "парковочная зона". И когда происходит ситуация, в которой скорость вращения шпинделя опускается ниже границы допустимой нормы (во время обычной работы или в экстренном режиме при отключении питания), которую постоянно отслеживает процессор жесткого диска, головки отводятся в эту самую парковочную зону. Зона находится у самого шпинделя, где не происходит записи информации, поэтому магнитным головкам можно спокойно «лечь» на поверхность диска. Как же выполняется "запуск" винчестера? В двух словах все происходит примерно так. Как только жесткий диск получил питание, его процессор начинает тестировать электронику и при положительном результате запускает двигатель, вращающий пластины. По мере увеличения скорости вращения достигается эффект воздушной подушки, которая подымает магнитные головки с зоны парковки. Когда скорость достигает необходимой величины, головки покидают парковочную зону и с помощью контроллера "ищут" сервометки, чтобы стабилизировать частоту вращения. Затем производится переназначение "плохих" секторов, а также проверка позиционирования головок. В случае положительного результата проделанной работы контроллер винчестера переходит в рабочий режим. Конечно же, механический процесс работы жесткого диска при более детальном рассмотрении более глубокий, но мы не задаемся целью его подробнейшего описания. Главное, чтоб вы поняли основные принципы механизма взаимодействия головок с пластинами. Если кого-то интересует детализация данного процесса, то на эту тему создано огромное количество материалов. А мы перейдем к другой части рабочего процесса винчестера - технологии чтения/записи данных.

Технологии чтения/записи данных на жестком диске

Чтение/запись информации на диск происходит с помощью магнитных головок, принцип движения которых был рассмотрен выше. Если вы еще застали старый добрый магнитофон, то способ записи/чтения звука на/с магнитной ленты идентичен рассматриваемому нами. Данные преобразуются в переменный электрический ток, который поступает на магнитную головку, после чего он преобразуется в магнитное поле, с помощью которого происходит намагничивание нужных участков магнитного диска. Мы уже знаем, что пластины жесткого диска покрыты ферромагнитным слоем. Отдельно выбранная область данного покрытия может быть намагничена одним из двух возможных способов. Намагничивание одним способом будет обозначать ноль, другим способом - единицу. Такой отдельно намагниченный участок называется доменом. Он представляет собой мини-магнитик с определенной ориентацией южного и северного полюсов. Воздействуя на определенный домен внешним магнитным полем (магнитной головкой), он примет данное соответствие. Прекратив воздействие внешнего поля, на поверхности возникают зоны остаточной намагниченности. Они означают сохраненную на диске информацию. Хочется отметить, что именно от размера домена зависит плотность записи данных, то есть собственно емкость диска. С давних пор было известно о двух технологиях записи информации на винчестер: параллельной и перпендикулярной. Хотя второй метод записи более производителен, он немного сложнее в технологическом разрешении. Поэтому производителями использовался и совершенствовался параллельный способ до тех пор, пока ему не пришел физический предел. Если вкратце описать технологию параллельной записи, то она такова. Намагниченность доменов располагается параллельно плоскости диска. Все, наверное, в детстве «баловались» магнитиками и поэтому знают, что они будут притягиваться, когда повернуть их друг к другу разными полюсами (синим и красным). И наоборот, если попробовать прижать их друг к другу сторонами одинакового цвета, то такая попытка никогда не увенчается успехом. Так вот, при использовании данной технологии на границе соседних доменов возникает поле рассеяния, забирающее энергию их магнитных полей. Вследствие этого крайние частицы доменов становятся менее стабильными, к тому же увеличивается влияние термофлуктуации на его магнитный порядок. При использовании технологии перпендикулярной записи намагниченность доменов располагается под углом 90° к плоскости пластины. Благодаря этому пропадает эффект отталкивания однополюсных соседних доменов, ведь в данном расположении намагниченные частицы повернуты друг к другу разными полюсами. Это позволяет уменьшить размер междоменного пространства по сравнению с параллельной технологией записи, что также увеличивает емкость жестких дисков. Однако для данного способа записи требуется использование более сложного состава магнитного слоя. Под тонким защитным слоем расположен записывающий слой, состоящий из окисленного сплава кобальта, платины и хрома. Подложка состоит из двух слоев сложного химического состава, называемых антиферромагнит-носвязанными слоями. Именно они позволяют снять внутренние напряженности магнитного поля. К тому же перпендикулярная запись требует использования других магнитных меток, которые смогут генерировать более сильное магнитное поле.Плотность перпендикулярной записи составляет 500 Гбит/дюйм2. Это позволит выпускать винчестеры емкостью несколько терабайт. Однако наука не стоит на месте, и уже вовсю идет разработка новых технологий. Одна из них называется HAMR (Heat Assistant Magnetic Recording) - Термомагнитная запись. Эта технология является последователем перпендикулярной записи и направлена на её улучшение. Запись в данном случае происходит с предварительным нагревом с помощью лазера. Нагрев происходит в течение пикосекунды, при этом температура достигает 100 °С. Магнитные частицы домена в данном случае получают больше энергии, поэтому при генерации поля большой напряженности не требуется. А высокая энергия обеспечивает повышенную стабильность записанной информации. Опять же применение данной технологии невозможно без использования материалов с высоким уровнем анизотропности. Однако подходящие для этого сплавы слишком дороги. К тому же при термомагнитной записи потребуется две раздельных головки. Еще нужно позаботиться о том, как отводить тепло от дисков. Но все же огромной мотивацией применения термомагнитной записи служит тот факт, что данная технология позволяет добиться плотности записи до 1 Тбит/дюйм2

Как данные хранятся на жестком диске

Наименьшая единица информации, которой оперирует система управления жесткого диска, носит название сектора. В подавляющем числе современных носителей сектор равен 512 байтам. Используемая в настоящий момент система адресации секторов называется LBA (Logical block addressing). В то же время для дисков небольшой ёмкости или с целью обратной совместимости со старым оборудованием может быть использована система адресации CHS. Аббревиатура CHS расшифровывается как Cylinder, Head, Sector - цилиндр, головка, сектор. Из названия понятен смысл этого типа адресации, как привязанной к частям устройства жесткого диска. Преимущество LBA над CHS в том, что вторая имеет ограничение на максимальное число адресуемых секторов, в количественном представлении равное 8,4 гигабайта, LB А данного ограничения лишена. Первый сектор жесткого диска (а точнее, нулевой) носит название MBR (Master Boot Record), или главной загрузочной записи. В начале этого сектора находится код, куда передает управление базовая система ввода-вывода компьютера при его загрузке. В дальнейшем этот код передает управление загрузчику операционной системы. Также в 0 секторе находится таблица разделов жесткого диска. Раздел представляет собой определенный диапазон секторов. В таблицу заносится запись о разделе, с номером его начального сектора и размером. Всего в таблице разделов может находиться четыре таких записи. Раздел, запись о котором находится в таблице разделов нулевого сектора, носит название первичного (primary). Из-за упомянутых ограничений таких разделов на одном диске может быть максимум четыре. Некоторые операционные системы устанавливаются только на первичные тома. При необходимости использования большего числа разделов в таблицу заносится запись о расширенном (extended) разделе. Данный тип раздела представляет собой контейнер, в котором создаются логические (logical) разделы. Логических томов может быть неограниченное количество, однако в ОС семейства Windows число одновременно подключенных томов ограничено количеством букв латинского алфавита. Эти три типа разделов имеют наиболее широкую АР, поддержку среди подавляющего числа операционных систем и наибольшее распространение. Фактически в домашних условиях либо масштабе клиентских машин организаций встречаются именно эти типы разделов. Однако это не значит, что типы разделов ограничиваются этими тремя видами. Существует большое число специализированных разделов, но и они используют первичные тома в качестве контейнеров. Раздел - это всего лишь размеченное пространство на диске; чтобы сохранить в нем какую-либо информацию для организации структуры хранения данных, должна быть создана файловая система. Данный процесс носит название форматирования раздела. Типов файловых систем существует великое множество, в ОС семейства Windows используются FAT/ NTFS, в операционных системах на ядре Линукс применяются Ext2/3FS, ReiserFS, Swap. Существует множество утилит для кроссплатформен-ного доступа к различным файловым системам из не поддерживающих их изначально операционных систем (например, обеспечивающих возможность доступа из Windows к разделам Linux и наоборот). Некоторые файловые системы, например FAT/NTFS, оперируют более крупными структурами данных на жестком диске, носящими название кластеров. Кластер может включать произвольное число секторов. Манипулирование размером кластера приносит дополнительный выигрыш к произво дительности файловой системы или расходованию свободного пространства. Таким образом, получается следующая логическая структура хранения данных: жесткий диск разбивается на разделы (при этом информация об этом разбиении хранится в так называемой главной загрузочной записи) - они носят названия С:, D:, Е: и т.д., на каждый раздел устанавливается файловая система (в результате форматирования раздела). Файловая система содержит информацию о том, как разграничено пространство раздела (логического диска) и где какие файлы на нем находятся. Ну а далее на разделе хранятся файлы, которые разбиваются на определенное количество кластеров, физически занимающих определенное количество секторов, на которые разбиты дорожки жесткого диска. Файловая система присваивает всем секторам свои адреса, а затем по этим адресам хранит свои файлы, записывая в свою таблицу адреса кластеров (диапазонов кластеров), принадлежащих тем или иным файлам.