Как устроен жесткий диск компьютера (HDD). Что такое жесткий диск

Один из основных узлов любого компьютера – это жесткий магнитный диск, который используется в качестве накопителя постоянной информации.

Это устройство имеет несколько «неформальных» названий: хард-диск, винчестер или «винт».

Почему жесткий диск называют винчестером?

Винчестерами жесткие компьютерные диски начали называть в США в 70-х годах ХХ века. Тогда компанией IBM был выпущен первый аналог современных жестких дисков: устройство, состоящее из двух шкафов, внутри которых располагались магнитные диски емкостью 30 Мб каждый.

Маркировалось оно надписью «30х30» — точно такая же надпись присутствовала на винтовке известной фирмы «Winchester». Сначала жесткие диски называли «винчестерами» в шутку, но вскоре название прочно закрепилось за ними и стало почти официальным.

Как устроен винчестер компьютера?

Принцип устройства жесткого компьютерного диска остается неизменным в течение нескольких десятков лет. Конечно, технические детали претерпели серьезные изменения, но главные черты конструкции остались такими же, как и сорок лет назад.

Винчестер представляет собой несколько тонких стеклянных либо алюминиевых дисков, на поверхность которых нанесен тонкий слой диоксида хрома. Диски закреплены строго параллельно друг другу на шпинделе и закрыты алюминиевым корпусом. Кроме того, внутри корпуса находится блок магнитных головок.

Электродвигатель приводит диски в движение, и они начинают вращаться с постоянной скоростью. Возникающие потоки воздуха удерживают головки на некотором расстоянии от поверхности дисков, благодаря чему на ней не остается царапин или потертостей.

Верхний слой жесткого диска служит для записи и считывания информации. Эту работу выполняют магнитные головки, которые перемещаются над поверхностью дисков, находя нужные положения по специальным меткам на диске.

Конечно, диаметры современных винчестеров значительно уменьшились по сравнению с первыми моделями, а информационная емкость, наоборот, возросла в сотни тысяч раз. Однако первые винчестеры имели примерно такое же принципиальное устройство.

Запись информации на винчестер

Процесс записи и чтения информации основан на двоичном коде: наличии либо отсутствии сигнала. Зашифрованный таким образом информационный блок, преобразованный в колебания электрического тока, подается на блок магнитных головок винчестера.

Головки находят нужный участок диска и преобразуют колебания тока в колебания магнитного поля. При этом на поверхности диска создаются микроскопические участки: одни намагниченные, другие – не намагниченные. Двоичный код записи таким образом оказывается перенесенным на винчестер.

Процесс считывания информации выглядит аналогичным образом: блок магнитных головок проходит над нужным участком диска, и благодаря наличию колебаний магнитного поля, генерируемого поверхностью диска, в головках то возрастает, то уменьшается электрические напряжение.

Считанная информация поступает в , где обрабатывается и выводится на экран. Монитор показывает нам текст или изображение, которое хранится на жестком диске.

Форматирование жесткого диска

Процесс форматирования жесткого диска напоминает стирание информации со школьной доски. Магнитные головки полностью уничтожают все, что было ранее записано на диске, и разбивают его поверхность на секторы для новых записей. Совершенно новые диски тоже подвергаются форматированию: это необходимо для упорядочения процесса записи и чтения.

Представление информации на винчестере

Информация записывается на винчестер не беспорядочно, а в виде окружностей (дорожек), расположенных одна в другой. Винчестер состоит из нескольких дисков, и каждая головка «отвечает» за одну сторону одного диска, но все они перемещаются одновременно на одну и ту же глубину.

Поэтому информация записывается сразу на несколько дисков, дорожки которых образуют цилиндрическую поверхность. Диски разбиваются на секторы, причем одна дорожка сектора содержит 512 байт.

Логическое представление информации отличается от ее физического размещения. Во время форматирования винчестер разбивается на так называемые логические диски, каждый из которых обозначается латинской буквой. Размер каждого логического диска назначается произвольно, по желанию владельца компьютера.

Такое представление информации выбрано для удобства пользователей. Для перевода логических координат в физические существует специальный транслятор, расположенный в корпусе винчестера.

Жесткий диск («hard disk drive» сокр. HDD) - это устройство для постоянного хранения информации. В компьютерном мире его так же называют: хард диск , винчестер , винт . Именно на жестком диске вашего компьютера хранится вся информация и данные: файлы операционной системы, музыка и фильмы, документы и фотографии.

Внешний вид жесткого диска Внутреннее устройство

1. Отверстия для болтов крепления верхней крышки. 2,12. Корпус жесткого диска (винчестера). 3. Шпиндель - вал, на котором вращаются магнитные пластины с информацией. 4. Считывающие головки, которые читают информацию с магнитных пластин. 5,6,7. Привод считывающих головок. 8. Интерфейсный разъем для передачи информации и служебных команд от жесткого диска системе и наоборот. На фото изображен ATA (IDE) разъем, в более новых моделях обычно используется SATA интерфейс (более компактный). 9,10. Конфигурационные перемычки. Служат для того, что бы задавать различные режимы работы жесткого диска, например Slave и Master (загрузочный диск с системой). 11. Разъем для подключения питания (+12 вольт) к диску. 13. Кабель для подключения блока головок к плате управления жесткого диска. 14. Магнитные пластины со всей хранимой информацией. 15. Отверстия для болтов крепления корпуса винчестера внутри компьютера. Принцип работы Если кратко, то принцип работы жестких дисков очень напоминает работу кассетных и катушечных магнитофонов. Магнитные пластины (цилиндры) покрыты специальным слоем из оксида железа, на который считывающая головка записывает данные с помощью переменного магнитного поля. При считывании информации, считывающая головка проходит над намагниченными участками пластины. В результате этого, в головке возникает переменный ток, который передается для обработки на плату жесткого диска, где расположен главный элемент – микроконтроллер. Микроконтроллер – это упрощенный вариант процессора, созданный для выполнения конкретных задач. Именно микроконтроллер в жестком диске отвечает за его функциональность. Структура хранения данных на жёстком диске. Если бы вся информация на жестком диске хранилась как простая последовательность данных, как в кассетном магнитофоне, то это сильно усложнило бы работу пользователя. Ведь невозможно было бы сразу найти начало нужного файла, или определить свободное место для записи новых данных. Именно поэтому любой жесткий диск имеет определенную структуру, которая позволяет почти мгновенно находить нужный документ и сохранять новые файлы. Структурно диск можно разбить на круглые дорожки, которые в свою очередь разбиты на сектора. Именно сектор является минимальным блоком с данными на жестком диске. Структура цилиндров жестких дисков

Так же на любом жестком диске есть специальный служебный сектор, размер которого обычно составляет 10% от размера носителя. В этом секторе записана служебная информация о количестве цилиндров у жесткого диска, количество секторов, их размер и т.д. Так же в этом разделе находится таблица файловой системе. По сути – это база данных жесткого диска. Именно в ней записана вся структура диска: наименование директорий (папок), их содержимое (файлы и вложенные папки) и т.д. Вся структура папок и файлов, которую мы видим, когда работаем на компьютере, формируется как раз из данных, содержащихся в файловой таблице. Когда мы, к примеру, хотим посмотреть видео файл, записанный на этом жестком диске, операционная система читает информацию о том, в каких секторах записаны данные файла, определяет начальный сектор (начало файла) и начинает считывание данных, которые обрабатываются операционной системой или специальной программой (в данном случае это медиа плеер). Именно так, вкратце это все и работает. Специализированные программы для работы с жесткими дисками

В настоящее время накопитель на жестких магнитных дисках, является наиболее популярным устройством хранения электронных данных. Он используется, как в наших с Вами обычных компьютерах и ноутбуках, так и в серверах.
Многие из Вас наверно слышали, как называется жесткий диск по-другому. Например, HDD, винт или винч. И если первое сокращение происходит от вполне понятного hard disk drive (жесткий диск), то другие выражения большинству ничего не говорят. Так вот, данные сокращения пошли от другого сленгового названия жесткого диска — «винчестер». Если Вам интересно было бы узнать, откуда появилось такое выражение и кто его автор, то читайте статью дальше.

История возникновения второго названия жесткого диска

Для большинства винчестер означает тип огнестрельного оружия, но никак не компьютерное устройство. Так почему жесткий диск называют «винчестер» и откуда это пошло?

Исторически так сложилось, что создали инженеры корпорации IBM и название винчестер он получил тоже от них. В 1973 году, при разработке IBM новой модели накопителя IBM-3340, инженеры для простоты общения использовали его внутреннее краткое рабочее название «30-30». Такое название отражало внутреннее устройство диска. Он состоял из двух пакетов дисков в максимальной компоновке по 30 мегабайт каждый. В модели жесткого диска 3340 впервые были использованы головки чтения/записи, которые за счет аэродинамических сил, возникающих от скорости вращения дисков, парили над поверхностью, что значительно сократило воздушный зазор между головкой и диском. Так же пластины диска и считывающие головки были объединены в одном не разборном герметичном корпусе, что позволило исключить любое внешнее воздействие и повысить надежность устройства. Ну а название «винчестер» (от англ. Winchester), накопитель получил благодаря руководителю проекта Кеннету Хотону, который в ходе обычного обсуждения, как назвать жесткий диск, случайно обозвал его винчестером.

Данное название оказалось созвучным очень популярному в то время охотничьему оружию Winchester Model 1894 использующих патрон с маркировкой.30-30 Winchester, что означало размер калибра в сотых долях дюйма «.30» или 7,62 мм и вес пороха в гранах «30» или 1,94 грамма.

Еще по одной версии, такое название жесткий диск получил только из-за самих патронов и оружие тут не причем.

Заключение

Так или иначе второе название жесткого диска – винчестер, вошло в историю и пока еще остается в обиходе, хотя иногда его сокращают до слов «винт» или «винч». В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления еще в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус.

Скорее всего с массовым приходом твердотельных накопителей, жесткие диски перестанут так называться и данное сленговое название уйдет в прошлое и у нас, но это будет не скоро.

Жесткий диск (HDD, ВИНТ, ВИНЧЕСТЕР) – это накопитель информации в персональном компьютере. Жесткий диск – предназначен для хранения и передачи информации. На жестком диске данные хранятся на магнитной поверхности диска. Информация записывается и снимается с помощью магнитных головок. Внутри жесткого диска может быть установлено несколько пластин — дисков. Двигатель, вращающий диск, включается при подаче питания на диск и остается включенным до снятия питания. Двигатель вращается с постоянной скоростью, измеряемой в оборотах в минуту (rpm). Данные организованы на диске в цилиндрах, дорожках и секторах. Цилиндры — концентрические дорожки на дисках, расположенные одна над другой. Дорожка затем разделяется на сектора. Диск имеет магнитный слой на каждой своей стороне. Каждая пара головок одета как бы на «вилку», обхватывающую каждый диск. Эта «вилка» перемещается над поверхностью диска с помощью отдельного серводвигателя (а не шагового, как часто ошибочно думают — шаговый двигатель не позволяет быстро перемещаться над поверхностью). Все жесткие диски имеют резервные сектора, которые используются его схемой управления, если на диске обнаружены дефектные сектора.

Устройство жесткого диска:

Интерфейсы жестких дисков

Интерфейсом накопителей называется набор электроники, обеспечивающий обмен информацией между контроллером устройства (кеш-буфером) и компьютером. Интерфейс — это способ взаимодействия жесткого диска и материнской платы компьютера. Он представляет собой набор специальных линий и специального протокола (набора правил передачи данных). То есть чисто физически — это шлейф (кабель, провод), с двух сторон которого находятся входы, а на жестком диске и материнской плате есть специальные порты (места, куда присоединяется кабель). Таким образом, понятие интерфейс — включает в себя соединительный кабель и порты, находящиеся на соединяемых им устройствах.

IDE — в переводе с английского «Integrated Drive Electronics», что буквально означает — «встроенный контроллер». Это уже потом IDE стали называть интерфейсом для передачи данных, поскольку контроллер (находящийся в устройстве, обычно в жестких дисках и оптических приводах) и материнскую плату нужно было чем-то соединять. Его (IDE) еще называют ATA (Advanced Technology Attachment), получается что то вроде «Усовершенствованная технология подсоединения».

Что тут сказать, IDE хоть и был очень медленный (пропускная способность канала передачи данных составляла от 100 до 133 мегабайта в секунду в разных версиях IDE — и то чисто теоретически, на практике гораздо меньше), однако позволял присоединять одновременно сразу два устройства к материнской плате, используя при этом один шлейф.

Причем в случае подключения сразу двух устройств, пропускная способность линии делилась пополам. Однако, это далеко не единственный недостаток IDE. Сам провод, как видно из рисунка, достаточно широкий и при подключении займет львиную долю свободного пространства в системном блоке, что негативно скажется на охлаждении всей системы в целом. В общем IDE уже устарел морально и физически, по этой причине разъем IDE уже не встретить на многих современных материнских платах, хотя до недавнего времени их еще ставили (в количестве 1 шт.) на бюджетные платы и на некоторые платы среднего ценового сегмента.

Следующим, не менее популярным, чем IDE в свое время, интерфейсом является SATA (Serial ATA) , характерной особенностью которого является последовательная передача данных. Стоит отметить, что на момент написания статьи — является самым массовым для применения в ПК.

Интерфейсы SATA, SATA 2(II), SATA 3 (III)

В 2002 году появились первые жёсткие диски, с прогрессивным, на то время, интерфейсомSATA . Максимальная скорость передачи данных которого, составляла 150 Мбайт/c.

Если говорить о преимуществах, то первое что бросается в глаза – это замена 80-жильного шлейфа (рис.1), на семижильный кабель SATA (рис.3), который намного устойчивее к помехам, что позволило увеличить стандартную длину кабеля с 46 см до 1м. Также, были разработаны соответствующие разъёмы SATA (рис.4), которые в несколько раз компактнее, нежели разъёмы предшествующего стандарта IDE. Это позволило разместить на материнской плате больше разъёмов, теперь на новых материнских платах можно встретить более 6 разъёмов SATA, против традиционных 2-3 IDE, в старых материнских платах ориентированных на данный стандарт.

Далее, появился стандарт SATA ІІ, скорость передачи данных докатилась до 300 Мбайт/c. Данный стандарт заимел множество преимуществ, среди них: технология Native Command Queuing (именно она позволила достичь скорости 300Мбайт/с), горячее подключение дисков, выполнение нескольких команд одной транзакцией и другие.

Ну, а в 2009 году на свет был представлен интерфейс SATA 3 . Данным стандартом предусмотрена передача данных со скоростью 600 Мбайт/c (для жёстких дисков «ой» как избыточно).

В актив улучшений интерфейса можно дописать более эффективное управление питанием и, конечно же, повышение скорости.

Следует отметить, что SATA, SATA II и SATA III, полностью совместимы.

1956 год - жёсткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, а общий объём памяти 50 вращавшихся в нём покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм составлял около 5 миллионов 6-битных байт.
1980 год - первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб.
1981 год - 5,25-дюймовый Shugart ST-412, 10 Мб.
1986 год - стандарты SCSI, ATA.
1990 год - максимальная ёмкость 320 Мб.
1995 год - максимальная ёмкость 2 Гб.
1997 год - максимальная ёмкость 10 Гб.
1998 год - стандарты UDMA/33 и ATAPI.
1999 год - IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб.
2000 год - IBM выпускает Microdrive ёмкостью 500 Мб и 1 Гб.
2002 год - стандарт ATA/ATAPI-6 и накопители емкостью свыше 137 Гб.
2003 год - появление SATA.
2003 год - Hitachi выпускает Microdrive ёмкостью 2 Гб.
2004 год - Seagate выпускает ST1 - аналог Microdrive ёмкостью 2.5 и 5 Гб.
2005 год - максимальная ёмкость 500 Гб.
2005 год - стандарт Serial ATA 3G.
2005 год - появление SAS.
2005 год - Seagate выпускает ST1 - аналог Microdrive ёмкостью 8 Гб.
2006 год - применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях.
2006 год - появление первых «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок флеш-памяти.
2006 год - Seagate выпускает ST1 - аналог Microdrive ёмкостью 12 Гб.
2007 год - Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 Тб.
2009 год - на основе 500-гигабайтных пластин Western Digital, затем Seagate Technology LLC выпустили модели ёмкостью 2 Тб.
2009 год - Samsung выпустила первые жёсткие диски с интерфейсом USB 2.0
2009 год - Western Digital объявила о создании 2,5-дюймовых HDD объемом 1 Тб
2009 год - появление стандарта SATA 3.0.
2010 год - Seagate выпускает жёсткий диск объемом 3 Тб.
2010 год - Samsung выпускает жёсткий диск с пластинами, у которых плотность записи - 667 Гб на одной пластине
2011 год - Western Digital выпустила первый диск на 750 Гб пластинах.

Первый серийный жесткий диск емкостью 16 кбайт был выпущен компанией IBM еще в 1973 р., и содержал 30 магнитных цилиндров по 30 дорожек на каждом. Острые на язык разработчики уловили схожесть этих цифр с маркой «30/30», которая соответствует названию оружия — «винчестеру».

— это накопитель информации на жестких магнитных дисках.

Основным элементом накопителей на жестких магнитных дисках (HDD — Hard Disk Drive) является несколько жестких алюминиевых или стеклянных пластин круглой формы — дисков. Поверхность такого диска покрывается тонким слоем вещества, которая способна сохранять остаточную намагниченность после воздействия на нее внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным и на нем сохраняются записанные данные. Накопитель состоит из таких элементов.

Дисков с вращающимся приводом, которые смонтированы на общей вертикальной оси.
Головки чтения/записи информации с собственным приводом.

Основной критерий качества — поверхностная плотность записи . Современный показатель — 60-80 Гбайт/пластину.

Любой винчестер состоит из трех основных блоков. Итак, рассмотрим, каковы составляющие структуры жесткого диска .

Первый блок — собственно, само хранилище информации — одна или несколько стеклянных (или металлических) дисков. Структура диска выглядит так: магнитная поверхность каждого диска разделена на концентрические «дорожки (track) «, которые, в свою очередь, делятся на отрезки — секторы . Наряду с дорожками, которые имеют свой номер, и секторами, существуют цилиндры. Цилиндр — это совокупность всех совпадающих друг с другом дорожек по вертикали по всем рабочим поверхностям. Таким образом, чтобы узнать, какое количество цилиндров содержит жесткий диск, необходимо просто умножить число дорожек на суммарное число рабочих поверхностей. При низкоуровневом форматировании диска, которое исполняется на заводе-производителе, сначала и в конце каждого сектора создаются области, которые содержат информацию об их номерах и другое (служебная информация). Размер сектора составляет величину 571 байт, из которых 512 байт отведено под полезные для пользователя данные, другие — под заголовок (header) или префикс, по которому определяется начало и номер сектора и окончание (trailer) или суффикс, где записывается контрольная сумма, необходимая для проверки сохранности диска.

Второй блок — механика жесткого диска, которая отвечает за вращение массива «блинов» и точное позиционирование системы считывающих головок. Каждой рабочей поверхности жесткого диска соответствует одна считывающая головка, причем размещаются они по-вертикали точным столбиком. А значит, в любой момент времени все головки находятся на дорожках с одинаковым номером. То есть, работают в пределах одного цилиндра.

Третий блок включает электронную начинку — микросхемы, отвечающие за обработку данных, коррекцию возможных ошибок и управления механической частью, а также микросхемы кэш-памяти.

Кластер (cluster) — это наименьшая область диска, которая выделяется для файла или его части. Каждый файл занимает на диске пространство, которое равняется целому числу кластеров. Как правило, кластер состоит из нескольких секторов.

Для жестких дисков размер кластера определяется при форматировании и зависит от версии операционной системы и размера диска. Но дисковое пространство занимается неэффективно. Например, необходимо сохранить файл в 500 байт. Зная, что каждый файл может занимать пространство на целом числе кластеров, то в этом случае будет занят один кластер. Файл будет записан с потерей дискового пространства.

Качественные характеристики жесткого диска

Время поиска сектора . Время поиска сектора (latency time) — это среднее время, необходимое для того, чтобы искомый сектор оказался под головкой после ее выведения на дорожку. Среднее время поиска равняется половине периода вращения диска и рассчитывается по формуле:

Среднее время поиска = 1/(число оборотов двигателя в секунду*2)

То есть при частоте вращения 7200 об/хв. время поиска составляет величину 4,17 мс.

Скорость чтения данных и спецификация . Средний показатель скорости чтения данных — около 40-45 Мбайт/с.

Считается, что контроллер на материнской плате спецификации UDMA/33 обязан обеспечивать скорость чтения данных не менее 33 Мбайт/с. А современные спецификации, например, UDMA/100 и UDMA/133 должны гарантировать не менее 100 и 133 Мбайт/с.

Скорость передачи данных определяет объемы данных, которые могут быть переданы из накопителя в компьютер и назад за определенные промежутки времени. Скорость передачи данных определяется двумя факторами:

Способом подключения накопителей, то есть производительностью интерфейса.
Скоростью считывания данных головками.

Скорость считывания данных (ее называют внутренней скоростью обмена данными и измеряют в Мбайт/с) можно определить по формуле:

Скорость считывания данных = количество секторов на дорожке * 512* * частота вращения дисков / 1000000.

Частота вращения дисков измеряется в об/с, 512 — количество байт данных в секторе.

Среднее время поиска . Среднее время поиска (Average seek time) — среднестатистическое время, в течение которого головки смещаются из одного цилиндра на другой. Этот показатель зависит от конструкции привода головок и составляет величину до 10 мс.

Среднее время доступа . Определяется как сумма среднего времени поиска и времени задержки и характеризует среднестатистическое время, необходимое для получения доступа к данным, записанным на произвольном секторе.

Скорость вращения диска . Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Существуют параметры 5400 об/хв., 7200 об/хв. (IDE); 10000 об/хв., 15000 об/хв. (SCSI).

Жесткие диски подключаются к материнской плате при помощи специальных шлейфов-кабелей.

Таблица размещения файлов

Таблица размещения файлов — это область на диске, куда заносятся номера кластеров, которые занимаются файлами. Сюда не входят кластеры, которые содержат служебную информацию (загрузочные секторы, сама таблица размещения файлов и данные корневого каталога). В операционных системах производства Microsoft популярна файловая система FAT (File Location Table). На каждом логическом диске может быть создана отдельная файловая система. Таким образом, на одном жестком диске могут существовать файловые системы нескольких типов.

Логические диски

Известно, что компьютер присваивает всем дискам, независимо от их конструкции логические имена А:, В:, С:. Имена А:, В: по умолчанию присваиваются накопителям на гибких дисках. Системному логическому диску, тому, на котором записана операционная система, присваивается имя С:.

Пространство жесткого диска можно разбить на разделы и логические диски. Операционные системы работают с логическими дисками, а не с физическими.

Преимущества развития винчестеров на несколько логических дисков:

Уменьшаются потери дискового пространства.
Упрощается структуризация данных.
Упрощается процесс дефрагментации диска, проверки на вирусы, и т. д.

На одном диске можно сохранять рабочие программы, на другом — документацию и архивы, игры (инсталляционные файлы). В случае сбоя в работе потеря информации минимизируется.