Жесткий диск — это что такое? Особенности жестких дисков

Приветствую всех читателей блога pc-information-guide.ru. Многих интересует вопрос — как устроен жесткий диск компьютера. Поэтому я решил посвятить этому сегодняшнюю статью.

Жесткий диск компьютера (HDD или винчестер) нужен для хранения информации после выключения компьютера, в отличие от ОЗУ (оперативной памяти) — которая хранит информацию до момента прекращения подачи питания (до выключения компьютера).

Жесткий диск, по-праву, можно назвать настоящим произведением искусства, только инженерным. Да-да, именно так. Настолько сложно там внутри все устроено. На данный момент во всем мире жесткий диск — это самое популярное устройство для хранения информации, он стоит в одном ряду с такими устройствами, как: флеш-память (флешки), SSD. Многие наслышаны о сложности устройства жесткого диска и недоумевают, как в нем помещается так много информации, а поэтому хотели бы узнать, как устроен или из чего состоит жесткий диск компьютера. Сегодня будет такая возможность).

Устройство жесткого диска компьютера

Жесткий диск состоит из пяти основных частей. И первая из них — интегральная схема, которая синхронизирует работу диска с компьютером и управляет всеми процессами.

Вторая часть — электромотор (шпиндель), заставляет вращаться диск со скоростью примерно 7200 об/мин, а интегральная схема поддерживает скорость вращения постоянной.

А теперь третья, наверное самая важная часть — коромысло, которое может как записывать, так и считывать информацию. Конец коромысла обычно разделен, для того чтобы можно было работать сразу с несколькими дисками. Однако головка коромысла никогда не соприкасается с дисками. Существует зазор между поверхностью диска и головкой, размер этого зазора примерно в пять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса!

Но давайте все же посмотрим, что случится, если зазор исчезнет и головка коромысла соприкоснется с поверхностью вращающегося диска. Мы все еще со школы помним, что F=m*a (второй закон Ньютона, по-моему), из которого следует, что предмет с небольшой массой и огромным ускорением — становится невероятно тяжелым. Учитывая огромную скорость вращения самого диска, вес головки коромысла становится весьма и весьма ощутимым. Естественно, что повреждение диска в таком случае неизбежно. Кстати, вот что случилось с диском, у которого этот зазор по каким то причинам исчез:

Так же важна роль силы трения, т.е. ее практически полного отсутствия, когда коромысло начинает считывать информацию, при этом смещаясь до 60 раз за секунду. Но постойте, где же здесь находится двигатель, что приводит в движение коромысло, да еще с такой скоростью? На самом деле его не видно, потому что это электромагнитная система, работающая на взаимодействии 2 сил природы: электричества и магнетизма. Такое взаимодействия позволяет разгонять коромысло до скоростей света, в прямом смысле.

Четвертая часть — сам жесткий диск, это то, куда записывается и откуда считывается информация, кстати их может быть несколько.

Ну и пятая, завершающая часть конструкции жесткого диска — это конечно же корпус, в который устанавливаются все остальные компоненты. Материалы применяются следующие: почти весь корпус выполнен из пластмассы, но верхняя крышка всегда металлическая. Корпус в собранном виде нередко называют «гермозоной». Бытует мнение, что внутри гермозоны нету воздуха, а точнее, что там — вакуум. Мнение это опирается на тот факт, что при таких высоких скоростях вращения диска, даже пылинка, попавшая внутрь, может натворить много нехорошего. И это почти верно, разве что вакуума там никакого нету — а есть очищенный, осушенный воздух или нейтральный газ — азот например. Хотя, возможно в более ранних версиях жестких дисков, вместо того, чтобы очищать воздух — его просто откачивали.

Это мы говорили про компоненты, т.е. из чего состоит жесткий диск. Теперь давайте поговорим про хранение данных.

Как и в каком виде хранятся данные на жестком диске компьютера

Данные хранятся в узких дорожках на поверхности диска. При производстве, на диск наносится более 200 тысяч таких дорожек. Каждая из дорожек разделена на секторы.

Карты дорожек и секторов позволяют определить, куда записать или где считать информацию. Опять же вся информация о секторах и дорожках находится в памяти интегральной микросхемы, которая, в отличие от других компонентов жесткого диска, размещена не внутри корпуса, а снаружи и обычно снизу.

Сама поверхность диска — гладкая и блестящая, но это только на первый взгляд. При более близком рассмотрении структура поверхности оказывается сложнее. Дело в том, что диск изготавливается из металлического сплава, покрытого ферромагнитным слоем. Этот слой как раз и делает всю работу. Ферромагнитный слой запоминает всю информацию, как? Очень просто. Головка коромысла намагничивает микроскопическую область на пленке (ферромагнитном слое), устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний: о или 1. Каждый такой ноль и единица называются битами. Таким образом, любая информация, записанная на жестком диске, по-факту представляет собой определенную последовательность и определенное количество нулей и единиц. Например, фотография хорошего качества занимает около 29 миллионов таких ячеек, и разбросана по 12 различным секторам. Да, звучит впечатляюще, однако в действительности — такое огромное количество битов занимает очень маленький участок на поверхности диска. Каждый квадратный сантиметр поверхности жесткого диска включает в себя несколько десятков миллиардов битов.

Принцип работы жесткого диска

Мы только что с вами рассмотрели устройство жесткого диска, каждый его компонент по отдельности. Теперь предлагаю связать все в некую систему, благодаря чему будет понятен сам принцип работы жесткого диска.

Итак, принцип, по которому работает жесткий диск следующий: когда жесткий диск включается в работу — это значит либо на него осуществляется запись, либо с него идет чтение информации, или с него загружается ОС, электромотор (шпиндель) начинает набирать обороты, а поскольку жесткие диски закреплены на самом шпинделе, соответственно они вместе с ним тоже начинают вращаться. И пока обороты диска(ов) не достигли того уровня, чтобы между головкой коромысла и диском образовалась воздушная подушка, коромысло во избежание повреждений находится в специальной «парковочной зоне». Вот как это выглядит.

Как только обороты достигают нужного уровня, сервопривод (электромагнитный двигатель) приводит в движение коромысло, которое уже позиционируется в то место, куда нужно записать или откуда считать информацию. Этому как раз способствует интегральная микросхема, которая управляет всеми движениями коромысла.

Распространено мнение, этакий миф, что в моменты времени, когда диск «простаивает», т.е. с ним временно не осуществляется никаких операций чтения/записи, жесткие диски внутри перестают вращаться. Это действительно миф, ибо на самом деле, жесткие диски внутри корпуса вращаются постоянно, даже тогда, когда винчестер находится в энергосберегающем режиме и на него ничего не записывается.

Ну вот мы и рассмотрели с вами устройство жесткого диска компьютера во всех подробностях. Конечно же, в рамках одной статьи, нельзя рассказать обо всем, что касается жестких дисков. Например в этой статье не было сказано про интерфейсы жесткого диска — это большая тема, я решил написать про это отдельную статью.

Нашел интересное видео, про то, как работает жесткий диск в разных режимах

Всем спасибо за внимание, если вы еще не подписаны на обновления этого сайта — очень рекомендую это сделать, дабы не пропустить интересные и полезные материалы. До встречи на страницах блога!

Жёсткий диск (HDD) – энергонезависимое запоминающее устройство, назначение которого длительное хранение данных. Информация сохраняется на жестких носителях (дисках из специальных сплавов) имеющих ферромагнитное покрытие (двуокись хрома).

Устройство жесткого диска.

Гермозона

Включает в себя: корпус из прочного сплава, диски с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.

Блок головок

Пакет рычагов из пружинистой стали с закрепленными головками на концах.

Пластины

Изготовлены из металлического сплава и покрыты напылением ферромагнетика (окислов железа, марганца и других металлов). Диски жёстко закреплены на шпинделе, который вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту. При такой скорости вблизи поверхности диска создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности диска.

Устройство позиционирования головок

Состоит из неподвижной пары сильных постоянных магнитов, а также катушки на подвижном блоке головок.

Гермозона — заполняется очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом, а для выравнивания давления устанавливается тонкая металлическая или пластиковая мембрана. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а также при прогреве устройства во время работы. Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр — пылеуловитель.

Блок электроники

Содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство, буферную память, интерфейсный блок (передача данных, подача питания) и блок цифровой обработки сигнала.

Блок управления представляет собой систему:

• позиционирования головок;
• управления приводом;
• коммутации информационных потоков с различных головок;
• управления работой всех остальных узлов — приёма и обработки сигналов с датчиков устройства:
  • одноосный акселерометр — используемый в качестве датчика удара,
  • трёхосный акселерометр — используемый в качестве датчика свободного падения,
  • датчик давления,
  • датчик угловых ускорений,
  • датчик температуры.

Блок постоянного запоминающего устройства хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию жесткого диска.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память).

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации).

Характеристики жесткого диска.

Интерфейс — поддерживаемый стандарт обмена данными с накопителями информации: ATA (IDE, PATA), SATA.

Ёмкость — объём данных, которые может хранить жесткий диск (ГБ, ТБ).

Форм-фактор — физический размер диска с ферромагнитным покрытием: 3,5 или 2,5 дюйма.

Время доступа — время, за которое жесткий диск гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска (диапазон от 2,5 до 16 мс).

Скорость вращения шпинделя – параметр от которого зависит время доступа и средняя скорость передачи данных. Жесткие диски для ноутбуков имеют скорость вращения 4200, 5400 и 7200 оборотов в минуту, а для стационарных компьютеров 5400, 7200 и 10 000 об/мин.

Ввод-вывод — количество операций ввода-вывода в секунду. Обычно жесткий диск производит около 50 операций в секунду при произвольном доступе и около 100 при последовательном.

Потребление энергии — потребляемая мощность в Ваттах, важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума – шум в децибелах, который создает механика жесткого диска при его работе (вращение шпинделя, аэродинамика, позиционирование). Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже.

Ударостойкость — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам. Измеряется в единицах допустимой перегрузки (G) во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных – скорость чтения/записи при последовательном доступе (внутренняя зона диска — от 44,2 до 74,5 Мб/с, внешняя зона диска — от 60,0 до 111,4 Мб/с).

Объём буфера — промежуточная память (Мб), предназначенная для сглаживания разницы скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. Обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Что такое винчестер в компьютере — обзор конструкции HDD

Что такое винчестер в компьютере — названия HDD, жесткий диск, хард, винчестер, все это относится к одному и тому же компоненту: компьютерное устройства хранения информации. В этой публикации мы поговорим о технической структуре составляющей основу подобных накопителей данных. Наглядно, в картинках покажем принцип их функционирования, как именно там накапливается и хранится информация.

Как устроен жесткий диск?

Основываясь на официальном названии этого устройства хранения данных — hard (magnetic) disk drive или в переводе накопитель на жестких магнитных дисках. То из названия можно сразу догадаться о его назначении и принципе работы. Вследствие, его невысокой стоимости и большого срока эксплуатации эти накопители данных широко используются в разного рода компьютеров.

Характерная особенность винчестера — это возможность накапливать и хранить гигантские размеры информации, имея одновременно с этим незначительные габариты. Далее в статье мы расскажем, что такое жесткий диск в компьютере и о его конструктивных особенностях, какие установлены внутри компоненты и основах их работы.

Герметичный блок и электронная плата

Печатная плата управления выполнена из фольгированного стеклотекстолита с нанесенной на нее красивой зеленой паяльной маской. Также эта электронная плата содержит в себе установленные разъемы, к которым подключается напряжение питания и коннектор для SATA-интерфейса. Принцип работы этого электронного блока управления заключается в осуществлении синхронного функционирования HDD с другими компонентами компьютера. Корпус устройства выполнен из анодированного алюминия, в все расположенные внутри элементы являются герметичным блоком.

Чтобы более детально понять, что такое винчестер в компьютере, нужно хорошо изучить его устройство. Итак продолжим дальше: в центральной части платы управления встроена крупная микросхема — микроконтроллер. Его основное предназначение — это контроль и координация электронных приборов. Современные винчестеры обладают микропроцессорами включающих в себя два электронных модуля. Один, из которых является центральным процессорным блоком, выполняющий функцию основных вычислений. Другой модуль — это канал считывания и записи информации.

Именно это устройство выполняет конвертирование сигнала аналогового канала, поступающего с магнитной головки в дискретный сигнал. Происходит это в момент, когда магнитная головка выполняет чтение данных. И ровно наоборот конвертирует дискретный в аналоговый сигнал в период записи. Микропроцессор снабжен разъемами «ввод/вывод», с которых выполняются координирования остальных компонентов установленными в схеме. Обмен данными происходит с помощью SATA-интерфейса.

Читайте также:  Материнская плата что это

Микросхема DDR SDRAM

Другая микросхема DDR SDRAM, установленная на плате, не что иное как чип памяти, имеющий удвоенную способность пропускания информации. Ее количественное выражение зависит от размера кеша жесткого диска. Данная микросхема разделена на два сегмента. Один раздел предназначен для памяти прошивки, в какой то степени находящейся на флеш-накопителе. Другой раздел — буферный, который нужен процессору, для обеспечения загрузки прошивки модуля. На первый взгляд кажется очень трудно разобраться во всей конструкции жесткого диска, поэтому хорошо понимать, что такое винчестер в компьютере.

Третья интегрированная микросхема является контроллером блока управления магнитными головками и мотором для вращения дисков. Контроллер VCM мгновенно выполняет парковку головки и способен прекратить вращение диска. Он также выполняет координирования вспомогательными источниками питания, которые установлены в схеме. От этого дополнительного источника, подается питание на микропроцессор и коммутирующий предварительный усилитель, расположенный в герметичном блоке.

Микросхема коммутатора предварительного усилителя

Данный микроконтроллер потребляет несколько больше мощности, относительно других компонентов имеющихся в схеме. Это обусловлено тем, что он нагружен мотором вращающем диски и механизмом парковки магнитных головок чтения/записи. Микросхема коммутатора предварительного усилителя HDD, может сохранять работоспособность, даже тогда, когда ее нагрев составляет 100°C!

Продолжаем изучать, что такое винчестер в компьютере. Во время поступления напряжения питания на накопитель на жестких магнитных дисках, контроллер передает данные хранящиеся во флеш-микросхеме в модуль памяти и приступает к реализации заложенных в ней установок.

В случае неудачной загрузки кода, винчестеру скорее всего не удастся даже выполнить раскрутку шпинделя. Что касается флеш-памяти, то она может быть интегрирована в микроконтроллер, а не встроена в электронную плату. Далее, все больше углубляясь в структуру HDD постепенно будем прояснять для себя, что такое винчестер в компьютере.

Датчик вибрации

Установленный в схеме датчик контролирующий уровень вибрации, четко определяет критический момент колебаний. И если он посчитает, что степень вибрации превышает норму, то отправляется сигнал контроллеру. В свою очередь контроллер, корректирующий работу шпинделя и парковку магнитных головок, мгновенно реагирует на это.

И после этого сразу же припарковываются головки либо прекращается вращение шпинделя жесткого диска. На самом деле это устройство предназначено гарантировать защиту винчестеру от всевозможных повреждений. Хотя в процессе эксплуатации это у него не всегда получается. В связи с этим, не допускайте падений HDD на твердую поверхность, дабы избежать выхода из строя датчика вибрации.

И как следствие, прихода в негодность всего устройства. Существую накопители на жестких магнитных дисках снабженные особо чувствительными приборами вибрации способные улавливать незначительный уровень колебания. Информацию, которая приходит на блок управления головками и мотором, способствует регулированию движения головок. Вследствие этого, диски комплектуются как правило парой таких датчиков. И чтобы хорошо себе представлять принцип их работы, нужно знать, что такое винчестер в компьютере.

Читайте также:  Звуковыя карта EVGA NU Audio для геймеров и аудиофилов: Обзор

Есть еще один компонент установленный на плате электроники и служащий для защиты контроллера — это элемент ограничения импульсного напряжения. Одна электронная схема винчестера может содержать в себе от одного и более таких ограничителей.

Наружная плоскость герметичного блока

Под нижней частью электронной платы установлены разъемы для подключения шпиндель-мотора и блока магнитных головок. Здесь же расположено очень маленькое специальное отверстие(Вreath hole), с помощью которого выравнивается давление внутри HDD. Хотя, существует утверждение, что внутри жесткого диска содержится вакуум, но если досконально знать, что такое винчестер в компьютере, то вы поймете — это вымысел. С внутренней стороны гермоблок обработан специальным фильтрующим компонентом, который препятствует проникновению в него влаги и пыли.

Герметичный блок изнутри

Верхняя панель гермоблока выполнена из листового металла специальной конфигурации. С внутренней ее стороны имеется резиновая прокладка, которая обеспечивает защиту от проникновения внутрь пыли. Внутри герметичного блока, расположен механизм магнитных дисковых накопителей.

На компьютерном сленге, эти диски называют еще пластинами (platters). Производят их чаще всего из специального стекла либо из алюминия, прошедший предварительную полировку. Далее на диски наносят несколько слоев определенных субстанций, в составе которых присутствует материал имеющий свойства самопроизвольной намагниченности. Именно эта особенность данного материала дает возможность писать и сохранять данные на винчестере. Пластины имеют между собой разделители, а их функция заключается в выравнивании воздушного потока и уменьшения акустических шумов. Материал для их изготовления обычно применяют либо пластик либо алюминий

Алюминиевые разделительные пластины, как показала практика, лучше всего выполняют работу по снижению температуры нагретого воздуха в герметичном блоке.

Блок магнитных головок

Консольная опора, установленная в механизме магнитных головок, на ее концах установлены головки чтения и записи. Во время остановки мотор-шпинделя они паркуются в отведенную для них пространство.

Одно из условий гарантирующих стабильную и долговременную работу HDD, является наличие чистого воздуха в системном блоке компьютера. Дело в том, что загрязненный воздух в корпусе ПК содержит в себе микрочастицы различных материалов, в том числе и металла. Вот именно они создают большие проблемы для жесткого диска в процессе эксплуатации. Хотя винчестеры и оборудованы фильтрами циркуляции, которые значительно снижают риск попадания внутрь харда этих микрочастиц. Тем не менее, со временем они все же туда попадают.

Используемые источники:

• http://pc-information-guide.ru/zhestkij-disk/kak-ustroen-zhestkij-disk-kompyutera-hdd.html
• https://2hpc.ru/%d0%b6%d0%b5%d1%81%d1%82%d0%ba%d0%b8%d0%b9-%d0%b4%d0%b8%d1%81%d0%ba/
• http://usilitelstabo.ru/chto-takoe-vinchester-v-kompyutere.html