Жорсткий диск: принцип роботи та основні характеристики

Жорсткі диски, або, як їх ще називають, вінчестери, є однією з найголовніших складових комп'ютерної системи. Про це знають всі. Але ось далеко не кожен сучасний користувач навіть в принципі здогадується про те, як функціонує жорсткий диск. Принцип роботи, загалом-то, для базового розуміння досить нескладний, проте тут є свої нюанси, про які далі і піде мова.

Питання призначення та класифікації жорстких дисків?

Питання призначення, звичайно, риторичне. Будь-який користувач, нехай навіть самого початкового рівня, відразу ж відповість, що вінчестер (жорсткий диск, він же Hard Drive або HDD) відразу ж відповість, що він служить для зберігання інформації.


У загальному і цілому вірно. Не варто забувати, що на жорсткому диску, крім операційної системи і користувальницьких файлів, є створені ОЗ завантажувальні сектори, завдяки яким вона і стартує, а також якісь мітки, за якими на диску можна швидко знайти потрібну інформацію. Сучасні моделі досить різноманітні: звичайні HDD, зовнішні жорсткі диски, високошвидкісні твердотільні накопичувачі SSD, хоча їх саме до жорстких дисків відносити і не прийнято. Далі пропонується розглянути пристрій і принцип роботи жорсткого диска, якщо не в повному обсязі, то, принаймні, в такому, щоб вистачило для розуміння основних термінів і процесів. Зверніть увагу, що існує і спеціальна класифікація сучасних HDD за деякими основними критеріями, серед яких можна виділити наступні: спосіб зберігання інформації; тип носія; спосіб організації доступу до інформації.

Чому жорсткий диск називають вінчестером?

Сьогодні багато користувачів замислюється над тим, чому жорсткі диски називають вінчестерами, що відносяться до стрілецької зброї. Здавалося б, що може бути спільного між цими двома пристроями?


Сам термін з'явився ще в далекому 1973 році, коли на ринку з'явився перший у світі HDD, конструкція якого складалася з двох окремих відсіків в одному герметичному контейнері. Ємність кожного відсіку становила 30 Мб, з-за чого інженери дали диску кодову назву «30-30», що було повною мірою співзвучна з маркою популярного в той час рушниці «Winchester 30-30». Правда, на початку 90-х в Америці і Європі ця назва практично вийшло з ужитку, проте до цих пір залишається популярним на пострадянському просторі.

Пристрій і принцип роботи жорсткого диска

Але ми відволіклися. Принцип роботи жорсткого диска коротко можна описати як процеси зчитування або запису інформації. Але як це відбувається? Для того щоб зрозуміти принцип роботи жорсткого магнітного диска, в першу чергу необхідно вивчити, як він влаштований. Сам жорсткий диск являє собою набір пластин, кількість яких може коливатися від чотирьох до дев'яти, сполучених між собою валом (віссю), званим шпинделем. Пластини розташовуються одна над іншою. Найчастіше матеріалом для їх виготовлення служать алюміній, латунь, кераміка, скло і т. д. Самі ж пластини мають спеціальне магнітне покриття у вигляді матеріалу, званого платтером, на основі гамма-ферит-оксиду, окису хрому, фериту барію і т. д. Кожна така пластина по товщині складає близько 2 мм.
За запис і читання інформації відповідають радіальні головки (по одній на кожну пластину), а в пластинах використовуються обидві поверхні. За обертання шпинделя, швидкість якого може становити від 3600 до 7200 про./хв, і переміщення головок відповідають два електричних двигуна. При цьому основний принцип роботи жорсткого диска комп'ютера полягає в тому, що інформація записується не куди попало, а в строго певні локації, які називаються секторами, які розташовані на концентричних доріжках або треках. Щоб не було плутанини, застосовуються єдині правила. Мається на увазі, що принципи роботи накопичувачів на жорстких дисках, з точки зору їх логічної структури, універсальні. Так, наприклад, розмір одного сектора, прийнятий за єдиний стандарт у всьому світі, становить 512 байт. В свою чергу діляться на сектори кластери, які являють собою послідовності, які знаходяться поряд секторів. Та особливості принципу роботи жорсткого диска в цьому відношенні полягає в тому, що обмін інформацією якраз і проводиться цілими кластерами (цілим числом ланцюжків секторів). Але як же відбувається зчитування інформації? Принципи роботи накопичувача на жорстких магнітних диски виглядають наступним чином: за допомогою спеціального кронштейна зчитує головка в радіальному (спіралевидної) напрямку переміщається на потрібну доріжку і при повороті позиціонується над заданим сектором, причому всі головки можуть переміщатися одночасно, зчитуючи однакову інформацію не тільки з різних доріжок, але і з різних дисків (пластин). Всі доріжки з однаковими порядковими номерами прийнято називати циліндрами. При цьому можна виділити ще один принцип роботи жорсткого диска: чим ближче зчитує головка до магнітної поверхні (але не до її), тим вище щільність запису.

Як здійснюється запис і читання інформації?

Жорсткі диски або вінчестери, тому й були названі магнітними, що в них використовуються закони фізики магнетизму, сформульовані ще Фарадеєм і Максвеллом.
Як вже говорилося, на пластини з немагниточувствительного матеріалу наноситься магнітне покриття, товщина якого складає всього лише кілька мікрометрів. В процесі роботи виникає магнітне поле, що має так звану доменну структуру. Магнітний домен являє собою строго обмежену кордонами намагнічену область феросплаву. Далі принцип роботи жорсткого диска коротко можна описати так: при виникненні впливу зовнішнього магнітного поля власне поле диска починає орієнтуватися строго уздовж магнітних силових ліній, а при припиненні впливу на дисках з'являються зони залишкової намагніченості, в якій і зберігається інформація, яка раніше була в основному полі. За створення зовнішнього поля при запису відповідає зчитує головка, а при читанні зона залишкової намагніченості, опинившись навпроти головки, створює електрорушійну силу або ЕРС. Далі все просто: зміна ЕРС відповідає одиниці в двійковому коді, а його відсутність або припинення – нулю. Час зміни ЕРС прийнято називати бітовим елементом. Крім того, магнітну поверхню чисто з міркувань інформатики можна асоціювати, як якусь точкову послідовність бітів інформації. Але, оскільки місцезнаходження таких точок абсолютно точно обчислити неможливо, на диску треба встановити якісь заздалегідь передбачені мітки, які допомогли визначити потрібну локацію. Створення таких міток називається форматуванням (грубо кажучи, розбивка диска на доріжки і сектори, об'єднані в кластери).

Логічна структура та принцип роботи жорсткого диска з точки зору форматування

Що стосується логічної організації HDD, тут на перше місце виходить саме форматування, у якому розрізняють два основних типи: низькорівневе (фізична) і високорівневе (логічне). Без цих етапів ні про яке приведення жорсткого диска в робочий стан говорити не доводиться. Про те, як започаткувати новий вінчестер буде сказано окремо. Низькорівневе форматування передбачає фізичний вплив на поверхню HDD, при якому створюються сектори, розташовані уздовж доріжок. Цікаво, що принцип роботи жорсткого диска такий, що кожен створений сектор має свій унікальний адресу, що включає в себе номер сектора, номер доріжки, на якій він розташований, та номер боку пластини. Таким чином, при організації прямого доступу та ж оперативна пам'ять звертається безпосередньо за заданою адресою, а не шукає потрібну інформацію по всій поверхні, за рахунок чого і досягається швидкодія (хоча це і не найголовніше). Зверніть увагу, що при виконанні низькорівневого форматування стирається абсолютно вся інформація, і відновленню вона в більшості випадків не підлягає. Інша справа - логічне форматування (у Windows-системах це швидке форматування або Quick format). Крім того, ці процеси стосуються і до створення логічних розділів, що представляють собою деяку область основного жорсткого диска, що працює за тим же принципам. Логічне форматування, насамперед, торкається системну область, яка складається з завантажувального сектора і таблиць розділів (завантажувальна запис Boot record), таблиці розміщення файлів (FAT, NTFS і т. д.) і кореневий каталог (Root Directory). Запис інформації в сектори проводиться через кластер кількома частинами, причому в одному кластері не може міститися два однакових об'єкта (файлу). Власне, створення логічного розділу, як би відокремлює його від основного системного розділу, внаслідок чого інформація, що на ньому зберігається, при появі помилок і збоїв зміни або видалення не схильна.

Основні характеристики HDD

Здається, в загальних рисах принцип роботи жорсткого диска трохи зрозумілий. Тепер перейдемо до основних характеристик, які дають повне уявлення про всі можливості (або недоліки) сучасних вінчестерів. Принцип роботи жорсткого диска і основні характеристики можуть бути абсолютно різними. Щоб зрозуміти, про що йде мова, виділимо основні параметри, якими характеризуються всі відомі на сьогодні накопичувачі інформації: місткість (об'єм); продуктивність (швидкість доступу до даних, читання і запис інформації); інтерфейс (спосіб підключення, тип контролера). Ємність являє собою загальна кількість інформації, яка може бути записана і зберігається на вінчестері. Індустрія по виробництву HDD розвивається так швидко, що сьогодні в побут увійшли вже жорсткі диски з обсягами близько 2 Тб і вище. І, як вважається, це ще не межа. Інтерфейс – найбільш значуща характеристика. Вона визначає, яким саме способом пристрій підключається до материнської плати, який саме контролер використовується, як здійснюється читання і запис і т. д. Основними і найбільш поширеними інтерфейсами вважаються IDE, SATA і SCSI. Диски з IDE інтерфейсом відрізняються невисокою вартістю, однак серед головних недоліків можна виділити обмежену кількість одночасно підключаються пристроїв (максимум чотири) і невисоку швидкість передачі даних (причому навіть за умови підтримки прямого доступу до пам'яті Ultra DMA або протоколів Ultra ATA (Mode 2 і 4 Mode). Хоча, як вважається, їх застосування дозволяє підвищити швидкість читання/запису до рівня 16 Мб/с, але в реальності швидкість набагато нижче. Крім того, для використання режиму UDMA потрібна установка спеціального драйвера, який, по ідеї, повинен поставлятися в комплекті з материнською платою. Говорячи про те, що собою являє принцип роботи жорсткого диска і характеристики, не можна обійти стороною і інтерфейс SATA, який є спадкоємцем версії IDE ATA. Перевага даної технології полягає в тому, що швидкість читання/запису можна підвищити до 100 Мб/с за рахунок застосування високошвидкісної шини Fireware IEEE-1394. Нарешті, інтерфейс SCSI порівняно з двома попередніми є найбільш гнучким і самим швидкісним (швидкість запису/читання досягає 160 Мб/с і вище). Але і коштують такі вінчестери практично в два рази дорожче. Зате кількість одночасно підключаються пристроїв зберігання інформації становить від семи до п'ятнадцяти, підключення можна здійснювати без знеструмлення комп'ютера, а довжина кабелю може становити близько 15-30 метрів. Власне, цей тип HDD здебільшого застосовується не в ПК користувача, а на сервері. Швидкодія, що характеризує швидкість передачі і пропускну здатність вводу/виводу, зазвичай виражається часом передачі і обсягом переданих розташованих послідовно даних і виражається в Мб/с.

Деякі додаткові параметри

Говорячи про те, що являє собою принцип роботи жорсткого диска і які параметри впливають на його функціонування, не можна обійти стороною і деякі додаткові характеристики, від яких може залежати швидкодію або навіть термін експлуатації пристрою. Тут на першому місці виявляється швидкість обертання, яка безпосередньо впливає на час пошуку та ініціалізації (розпізнавання) потрібного сектора. Це так зване приховане час пошуку – інтервал, протягом якого необхідний сектор повертається до зчитує голівці. Сьогодні прийнято кілька стандартів для швидкості обертання шпинделя, вираженої в оборотах в хвилину з часом затримки в мілісекундах: 3600 – 833; 4500 – 667; 5400 – 556; 7200 – 417. Неважко помітити, що чим вище швидкість, тим менше часу витрачається на пошук секторів, а у фізичному плані – на оборот диска до установки для головки потрібної точки позиціонування пластини. Ще один параметр – внутрішня швидкість передачі. На зовнішніх доріжках вона мінімальна, але збільшується при поступовому переході на внутрішні доріжки. Таким чином, той же процес дефрагментації, що представляє собою переміщення часто використовуваних даних в найшвидші області диска, - не що інше, як перенесення їх на внутрішню доріжку з більшою швидкістю читання. Зовнішня швидкість має фіксовані значення і безпосередньо залежить від використовуваного інтерфейсу. Нарешті, один з важливих моментів пов'язаний з наявністю у жорсткого диска власної кеш-пам'яті або буфера. По суті, принцип роботи жорсткого диска в плані використання буфера в чомусь схожий на оперативну або віртуальну пам'ять. Чим більше об'єм кеш-пам'яті (128-256 Кб), тим швидше буде працювати жорсткий диск.

Головні вимоги до HDD

Основних вимог, які в більшості випадків пред'являються жорстким дискам, не так вже й багато. Головне – тривалий термін служби і надійність. Основним стандартом для більшості HDD вважається термін служби близько 5-7 років з часом напрацювання не менше п'ятисот тисяч годин, але для вінчестерів високого класу цей показник становить не менше мільйона годин. Що стосується надійності, за це відповідає функція самотестування S. M. A. R. T., яка стежить за станом окремих елементів жорсткого диска, здійснюючи постійний моніторинг. На основі зібраних даних може формуватися навіть якийсь прогноз появи можливих несправностей в подальшому. Само собою зрозуміло, що і користувач не повинен залишатися осторонь. Так, наприклад, при роботі з HDD вкрай важливо дотримуватися оптимальний температурний режим (0 – 50 ± 10 градусів Цельсія), уникати струсів, ударів і падінь вінчестера, попадання в неї пилу або інших дрібних частинок і т. д. до Речі сказати, багатьом буде цікаво дізнатися, що ті ж частинки тютюнового диму приблизно в два рази більше відстані між головкою читання і магнітною поверхнею вінчестера, а людської волосини – в 5-10 разів.

Питання ініціалізації в системі при заміні вінчестера

Тепер кілька слів про те, які дії потрібно зробити, якщо з якихось причин користувач міняв жорсткий диск або встановлював дполнительный. Повністю описувати цей процес не будемо, а зупинимося тільки на основних етапах. Спочатку необхідно підключити вінчестер і подивитися в настройках BIOS, визначилося нове обладнання, в розділі адміністрування дисків провести ініціалізацію і створити завантажувальну запис, створити простий те, присвоїти йому ідентифікатор (літеру) і виконати форматування з вибором файлової системи. Тільки після цього новий «гвинт» буде повністю готовий до роботи.

Висновок

Ось, власне, і все, що коротко стосується основ функціонування і характеристик сучасних вінчестерів. Принцип роботи зовнішнього жорсткого диска тут не розглядався принципово, оскільки він практично нічим не відрізняється від того, що використовується для стаціонарних HDD. Єдина різниця полягає тільки в методі підключення додаткового накопичувача до комп'ютера або ноутбука. Найбільш поширеним є з'єднання через USB-інтерфейс, який безпосередньо з'єднаний з материнською платою. При цьому, якщо хочете забезпечити максимальну швидкодію, краще використовувати стандарт USB 3.0 (порт усередині пофарбований у синій колір), природно, за умови того, що і сам зовнішній HDD його підтримує. В іншому ж, думається, багатьом хоч трохи стало зрозуміло, як функціонує жорсткий диск будь-якого типу. Бути може, вище було наведено дуже багато технічної інформації, тим більше навіть зі шкільного курсу фізики, тим не менш без цього в повній мірі зрозуміти всі основні принципи і методи, закладені в технології виробництва та застосування HDD, зрозуміти не вийде.