Как работает жесткий диск внутри. Жесткий диск: принцип работы и основные характеристики

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.

Во всех современных компьютерах имеется жесткий диск, который предназначен для хранения данных, а также для загрузки операционной системы. Лет 15-20 назад практически все компьютеры оснащались дисководами для гибких дисков, которые использовались для загрузки программ и операционной системы. Операционная система MS-DOS загружалась в оперативную память с дискеты.

Но постепенно, как того и требует прогресс, размер про грамм стал увеличиваться. Для работы в современных операционных системах требуется объем дискового пространства как минимум несколько сот мегабайт. Представляете, сколько дискет понадо бится, чтобы сохранить этот объем? Гибкие диски, несмотря на все ухищрения разработчиков, уже не могли вместить достаточное количество файлов, со держащих графические образы компьютерных игр и звуки. А пользователи требовали все более красочных игр. И, наконец, было принято решение, в результате которого разработали новое устройство - жесткий диск.

Жесткий диск, он же Hard Disk Drive, HDD, винчестер, накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД), или с использова нием жаргона "винт", является прямым потомком дисковода для гибких дисков.

Основное предназначение жесткого дис ка - он должен предоставить пользователю дисковое пространство, столь нужное для хранения файлов операционной системы и всех необходимых программ.

Особенностью жесткого диска в отличие от дисковода для гибких дисков является высокая надежность хранения данных.

Единственный недостаток нового изобретения - отсутствие мобильности носителя, из-за чего остро встала проблема переноса данных. Но жесткий диск изначально создавал ся как несъемное устройство.

Сведения из истории: в 1973 году на фирме IBM по новой технологии был разработан первый жесткий диск, который мог хранить до 16 Кбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров (дорожек), каждая из которых была разбита на 30 секторов, то поначалу ему присвоили незамысловатое название -30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, такие жесткие диски получили прозвище «винчестер».

Внешне жесткий диск похож на небольшую металлическую коробку.

Сверху на корпусе, как правило, имеется наклейка, на которой нанесены основные технические параметры данной модели, такие как на именование производителя, название модели, номинальное напряжение пи тания, информация о положении перемычек, предназначенных для конфи гурирования винчестера, и т. п. Снизу на корпусе прикреплена печатная плата, представляющая собой встроенный контроллер жесткого диска, ко торый необходим для обеспечения его нормальной работы.

Корпус винчестера

Корпус винчестера защищает жесткий диск от повреждений. Воздух, которым заполнен корпус, обязательно должен быть очищен от пыли, иначе даже самая маленькая частица при попадании внутрь может привести в негодность все устройство. Поэтому практически все модели винчестеров имеют фильтр, который представляет собой небольшое окошко, закрытое прочным материалом, пропускающим незначительное количество воздуха.

Внутри корпуса размещаются практически все элементы, необходимые для работы винчестера: носитель информации, который представляет собой все те же, но жесткие диски, а также устройство считывания/записи информа ции (магнитные головки и устройство позиционирования).

Габаритные размеры современных жестких дисков характеризуются так на зываемым форм-фактором, который указывает горизонтальный и верти кальный размеры корпуса. Возможны следующие горизонтальные размеры: 1,8; 2,5; 3,5 или 5,25", из них наиболее распространены два последних (хотя самый последний встречается все реже и реже).

Носитель информации

Винчестер содержит один или несколько дисков (platters), то есть это носитель, который смонтирован на оси-шпинделе, приводимом в движение специальным двигателем (часть привода). Скорость вращения современных винчестеров может быть 5400, 7200, 10000 об/мин. Достигнуты скорости вплоть до 15 000 об/мин., но такие винчестеры пока что слишком дороги для среднего пользователя. Понятно, что чем выше скорость вращения, тем быстрее считывается информация с диска. Следует иметь в виду, что чем выше скорость вращения, тем выше уровень шума, издаваемый винчесте ром. Это является довольно неприятной платой за высокую скорость работы.

Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины, на которые и нанесен специальный магнитный слой (покрытие). С обеих сторон диски покрыты тончайшим слоем ферромагнитного материала (окисью какого-нибудь металла), подобного тому, что применяется для производства, например, дискет. От прочности покрытия зависят некоторые эксплуатационные характеристики, к примеру, ударопрочность винчестеров. В качестве рабочей поверхности обычно ис пользуют обе стороны каждого диска, кроме дисков, расположенных по краям пакета - у этих дисков внешние поверхности, повернутые в сторону корпуса, для хранения информации не используются. Они являются защит ными.

Количество дисков может быть различным – от одного до пяти и выше, число рабочих поверхностей при этом соответственно в два раза больше, правда, не всегда. Иногда наружные поверхности крайних дисков или одного из них не используются для хранения данных, при этом число рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Магнитные головки

Наиболее важной частью любого накопителя являются головки чтения-записи (read-write head). Головки представляют собой магнитные управляемые контуры с сердечни ками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Принцип дей ствия очень похож на принцип работы головок обычного магнитофона, только требования к ним предъявляются значительно более жесткие.

Количество магнитных головок всегда равно количеству физических по верхностей, используемых для хранения данных. Каждая пара головок одета на своеобразную "вилку", обхватывающую диск с обеих сторон. Данная "вилка" имеет очень длинный "хвост", который заканчивает массивным хво стовиком, составляющим противовес головкам и их несущим. Когда винче стер не работает, головки благодаря упругости "вилки" прижимаются к по верхности диска, что позволяет исключить их "дребезг" во время транспор тировки. Все магнитные головки объединены в единый блок, что позволяет организовать их синхронное перемещение.

Практически все современные жесткие диски имеют функцию автоматиче ской "парковки" головок. Парковкой называется процесс перемещения магнитных головок в специальную зону диска, которая называется парковочной зоной" (от англ. Landing Zone). Эта зона не содержит абсолютно никакой по лезной информации, кроме специальной сервисной метки, указывающей на местоположение места "парковки". В "запаркованном" состоянии жесткий диск можно транспортировать при достаточно плохих физических услови ях - вибрация, легкие удары, сотрясения.

Функция "парковки" реализована достаточно просто. В нерабочем состоя нии хвостовик блока головок "приклеивается" к небольшому магниту, рас положенному в устройстве позиционирования. При поступлении напряже ния питания на жесткий диск генерируется достаточно мощный электро магнитный импульс, который "отрывает" хвостовик от посадочного места. Пока жесткий диск работает, постоянно удерживаемое электромагнитное поле не дает хвостовику "прилипнуть" к магниту. Когда же напряжение пи тания исчезает, то головки за счет притяжения постоянного магнита прак тически мгновенно перемещаются в зону парковки, где они благополучно приземляются на поверхность дисков.

Заметим, что в современных винчестерах головки как бы «летят» на расстоянии доли микрона от поверхности дисков, не касаясь их.

Устройство позиционирования

Устройство позиционирования, которое перемещает магнитные головки, внешне очень похоже на башенный кран. С одной стороны находятся длинные тонкие несущие магнитных головок, а с другой - короткий и зна чительно более массивный хвостовик с обмоткой электромагнитного приво да. Обмотку позиционера окружает статор, представляющий собой постоян ный магнит. При подаче в обмотку электромагнита тока определенной величины и полярности хвостовик начинает поворачиваться в соответст вующую сторону с ускорением, пропорциональным силе тока. При измене нии полярности тока хвостовик начинает движение в обратную сторону. Динамически изменяя уровень и полярность тока, можно устанавливать магнитные головки в любое возможное положение (от центра до края дис ков). Такую систему иногда называют Voice Coil (звуковая катушка) - по аналогии с диффузором громкоговорителя. Данное устройство позициони рования еще называют линейным двигателем. Применение в качестве дви жущей силы электромагнитного поля придает головкам равномерное ли нейное перемещение, чего так не хватает шаговым двигателям, которые ис пользуются в дисководах для гибких дисков.

Для определения необходимого положения головок служат специальные сервисные метки, записанные на носитель при изготовлении винчестера и считываемые при позиционировании. В некоторых моделях винчестеров под сервисную информацию отводят отдельную поверхность и специализи рованную магнитную головку, позволяющую с высокой скоростью опреде лить точное местоположение остальных головок, двигающихся синхронно с ней. Если сервисные метки записаны на тех же дорожках, что и данные, то для них выделяется специальный сектор, а чтение производится теми же головками, что и чтение данных. Благодаря использованию линейного дви гателя появилась возможность "тонкой настройки" головок путем их незна чительного перемещения относительно дорожки, что помогает более точно отследить центр окружности сервисной метки. В результате повышается достоверность считываемых данных и исключается необходимость времен ных затрат на процедуры коррекции положения головок, как это происхо дит в дисководах.

Плата электроники

Внутри любого винчестера обязательно находится печатная плата с электронными компонентами. Печатная плата, на которой расположены электронные компоненты систе мы управления жестким диском, обычно прикрепляется к нижней плоско сти корпуса при помощи обычных винтов. В зависимости от модели элек троника может быть либо закрыта металлической пластиной, либо открыта для любых механических воздействий - производители по-разному пред ставляют реальные условия эксплуатации жесткого диска. С внутренней частью винчестера плата соединяется при помощи специального разъема.

Плата электроники предназначена для управления работой механических подвижных частей устройства и формирования электрических импульсов при чтении/записи. Она содержит:

1. микропроцессор, управляющий всей остальной электроникой жесткого диска;
2. буферную память, предназначенную для временного хранения данных, которые записываются на диск или считываются с него;
3. микросхему ПЗУ, используемую для хранения алгоритмов работы, как основного микропроцессора, гак и всех остальных электронных компо нентов;
4. генератор, питающий переменным током двигатель дисков;
5. сложную сервисную систему, которая управляет устройством позициони рования блока головок на требуемую дорожку (цилиндр) в соответствии с поступающими сигналами;
6. усилители записи, формирующие электрические импульсы, которые по даются на магнитные головки при записи данных;
7. усилители считывания и формирователи выходных сигналов при считы вании информации.

Микропроцессор представляет собой специализированную микросхему, внутренняя структура которой направлена на обработку массивов данных, поступающих в схему электроники, как со стороны магнитных головок, так и со стороны компьютера. Основной задачей этой микросхемы является преобразование цифровых потоков данных, поступающих из компьютера в электромагнитные импульсы, записываемые на диск, а также обратная опе рация: преобразования считываемых импульсов в поток цифровых данных. Помимо этого микропроцессор занимается постоянным наблюдением за состоянием всех функций винчестера, чтобы можно было прогнозировать возможный выход его из строя.

Буферная память необходима жесткому диску, чтобы немного согласовать разницу в скорости работы интерфейса с реальной скоростью чте ния/записи с дисков. При записи информации она сначала сохраняется в буфере, а уже затем записывается на поверхность дисков. При чтении ин формации используется немного другой режим: данные передаются сразу же на интерфейс и параллельно записываются в буферную память. При по вторном обращении к этим же данным чтение производится уже из буфера. На современных жестких дисках объем буферной памяти (иногда встречает ся название кэш-память винчестера) может достигать 2 Мбайт и более, что является оптимальным для большинства выполняемых компьютером задач.

Микросхема ПЗУ предназначена для хранения алгоритмов работы микро процессора, а также технической информации, которую можно прочитать при помощи различных тестовых утилит (модель винчестера, серийный но мер и т. д.). Некоторые дешевые модели жестких дисков хранят всю слу жебную информацию на дисках и при каждом включении загружают ее в обыкновенный модуль оперативной памяти.

Интерфейсная логика представляет целый набор электронных компонентов, задача которых сводится к организации соединения с компьютером, т. е. создании физического соединения интерфейса жесткого диска с контролле ром компьютера.

Важным компонентом электронной платы являются разъемы для подклю чения соединительного кабеля и напряжения питания (рис. 10.3). Между этими разъемами, как правило, располагается набор перемычек, при помо щи которых изменяется конфигурация жесткого диска (Master, Slave). Опи сание всех возможных вариантов вы, скорее всего, найдете на наклейке, которая имеется на верхней плоскости корпуса.

Плата интерфейсной электроники современного винчестера, как вы уже поняли, представляет собой самостоятельное устройство с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и прочими атрибутами, присущими любому компьютеру. По сути, жесткий диск это компьютер в компьютере.

Многие винчестеры имеют на плате электроники специальный технологи ческий интерфейс с разъемом, через который при помощи стендового обо рудования можно выполнять различные сервисные операции с накопи телем - тестирование, форматирование, поиск и "фиксацию" дефектных участков.

HDD, жёсткий диск, винчестер — всё это названия одного хорошо известного устройства хранения данных. В этом материале мы расскажем вам о технической основе таких накопителей, о том, каким образом на них может храниться информация, и об остальных технических нюансах и принципах функционирования.

Исходя из полного названия данного запоминающего устройства — накопитель на жёстких магнитных дисках (НЖМД) — можно без особых усилий понять, что лежит в основе его работы. Благодаря своей дешевизне и долговечности эти носители информации устанавливают в различные компьютеры: ПК, ноутбуки, серверы, планшеты и т.д. Отличительной чертой HDD является возможность хранить огромные объёмы данных, обладая при этом совсем небольшими габаритами. Ниже мы расскажем о его внутреннем устройстве, принципах работы и прочих особенностях. Приступим!

Гермоблок и плата электроники

Зелёная стеклоткань и дорожки из меди на ней, вместе с разъёмами для подключения блока питания и гнездом SATА называются платой управления (Printed Circuit Board, PCB). Данная интегральная схема служит для синхронизации работы диска с ПК и руководством всех процессов внутри HDD. Корпус из алюминия чёрного цвета и то, что внутри него, называется герметичным блоком (Head and Disk Assembly, HDA).

В центре интегральной схемы расположен чип большого размера — это микроконтроллер (Micro Controller Unit, MCU). В сегодняшних HDD микропроцессор содержит в себе два компонента: центральный вычислительный блок (Central Processor Unit, CPU), который занимается всеми расчётами, и канал чтения и записи — специальное устройство, переводящее аналоговый сигнал с головки в дискретный, когда она занята чтением и наоборот — цифровой в аналоговый во время записи. Микропроцессор обладает портами ввода/вывода , при помощи которых он управляет остальными элементами, расположенными на плате, и совершает обмен информацией через SATA-подключение.

Другой чип, расположенный на схеме, является DDR SDRAM памятью (memory chip). Её количество предопределяет объём кеша винчестера. Данный чип разделён на память прошивки, частично содержащуюся во флеш-накопителе, и буферную, необходимую процессору для того, чтобы загружать модули прошивки.

Третий чип называется контроллером управления двигателем и головками (Voice Coil Motor controller, VCM controller). Он управляет дополнительными источниками электропитания, которые расположены на плате. От них получают питание микропроцессор и предусилитель-коммутатор (preamplifier), содержащийся в герметичном блоке. Этот контроллер требует больше энергии, чем остальные компоненты на плате, так как отвечает за вращение шпинделя и движение головок. Ядро предусилителя-коммутатора способно работать, будучи нагретым до 100° C! Когда на НЖМД подаётся питание, микроконтроллер выгружает содержимое флеш-микросхемы в память и начинает выполнение заложенных в неё инструкций. Если коду не удастся должным образом загрузиться, то HDD не сможет даже начать раскрутку. Также флеш-память может быть встроена в микроконтроллер, а не содержаться на плате.

Расположенный на схеме датчик вибрации (shock sensor) определяет уровень тряски. Если он сочтёт её интенсивность опасной, то будет послан сигнал контроллеру управления двигателем и головками, после чего он немедленно паркует головки или вовсе останавливает вращение HDD. В теории, данный механизм призван обеспечивать защиту HDD от различных механических повреждений, правда, на практике у него это не сильно выходит. Поэтому не стоит ронять жёсткий диск, ведь это способно повлечь за собой неадекватную работу вибродатчика, что может стать причиной полной неработоспособности устройства. Некоторые НЖМД обладают сверхчувствительными к вибрации датчиками, которые реагируют на малейшее её проявление. Данные, которые получает VCM, помогают в корректировке движения головок, поэтому диски оборудуются как минимум двумя такими датчиками.

Ещё одно устройство, созданное для защиты HDD — ограничитель переходного напряжения (Transient Voltage Suppression, TVS), призванный предотвращать возможный выход из строя в случае скачков напряжения. На одной схеме таких ограничителей может быть несколько.

Поверхность гермоблока

Под интегральной платой располагаются контакты от моторов и головок. Тут же можно увидеть почти невидимое техническое отверстие (breath hole), которое выравнивает давление внутри и снаружи герметичной зоны блока, разрушающее миф о том, что внутри винчестера находится вакуум. Внутренняя его область покрыта специальным фильтром, который не пропускает пыль и влагу непосредственно в HDD.

Внутренности гермоблока

Под крышкой герметичного блока, представляющей собой обычный пласт металла и резиновую прокладку, которая защищает его от попадания влаги и пыли, находятся магнитные диски.

Они также могут называться блинами или пластинами (platters). Диски обычно создаются из стекла или алюминия, который был предварительно отполирован. Затем они покрываются несколькими слоями различных веществ, в числе которых присутствует и ферромагнетик — благодаря ему и имеется возможность записывать и хранить информацию на жёстком диске. Между пластинами и над самым верхним блином располагаются разделители (dampers or separators). Они выравнивают потоки воздуха и снижают акустические шумы. Обычно изготавливаются из пластика или алюминия.

Сепараторные пластины, которые были изготовлены из алюминия, лучше справляются с понижением температуры воздуха внутри герметичный зоны.

Блок магнитных головок

На концах кронштейнов, находящихся в блоке магнитных головок (Head Stack Assembly, HSA), расположены головки чтения/записи. Когда шпиндель остановлен, они должны находиться в препаровочной области — это место, где располагаются головки исправного жёсткого диска в то время, когда вал не работает. В некоторых HDD парковка происходит на пластиковых препаровочных областях, которые расположены вне пластин.

Для нормальной работы жёсткого диска требуется как можно более чистый воздух, содержащий минимум сторонних частиц. Со временем в накопителе образовываются микрочастицы смазки и металла. Чтобы их выводить, HDD оборудуются циркуляционными фильтрами (recirculation filter), которые постоянно собирают и задерживают очень маленькие частицы веществ. Они устанавливаются на пути воздушных потоков, которые образуются из-за вращения пластин.

В НЖМД устанавливают неодимовые магниты, способные притягивать и удерживать вес, который может больше собственного в 1300 раз. Предназначение этих магнитов в HDD — ограничение движения головок путем удержания их над пластиковыми или алюминиевыми блинами.

Ещё одной частью блока магнитных головок является катушка (voice coil). Вместе с магнитами она образует привод БМГ , который вместе с БМГ составляет позиционер (actuator) — устройство, перемещающее головки. Защитный механизм для этого устройства называется фиксатором (actuator latch). Он освобождает БМГ, как только шпиндель наберёт достаточное число оборотов. В процессе освобождения участвует давление потока воздуха. Фиксатор предотвращает какие-либо движения головок в препаровочном состоянии.

Под БМГ будет находиться прецизионный подшипник. Он поддерживает плавность и точность данного блока. Тут же находится выполненная из алюминиевого сплава деталь, которая называется коромыслом (arm). На её конце, на пружинной подвеске, расположены головки. От коромысла идет гибкий кабель (Flexible Printed Circuit, FPC), ведущий в контактную площадку, которая соединяется с платой электроники.

Вот так выглядит катушка, которая соединена с кабелем:

Здесь можно увидеть подшипник:

Вот тут изображены контакты БМГ:

Прокладка (gasket) помогает обеспечить герметичность сцепления. Благодаря этому в блок с дисками и головками воздух попадает только через отверстие, которое выравнивает давление. Контакты данного диска покрыты тончайшей позолотой, что улучшает проводимость.

Типичная сборка кронштейна:

На окончаниях пружинных подвесов находятся малогабаритные детали — слайдеры (sliders). Они помогают считывать и записывать данные, поднимая головку над пластинами. В современных накопителях головки работают, располагаясь на расстоянии 5-10 нм от поверхности металлических блинов. Элементы считывания и записи информации расположены на самых концах слайдеров. Они настолько малы, что увидеть их можно только воспользовавшись микроскопом.

Эти детали не являются абсолютно плоскими, так как имеют на себе аэродинамические канавки, служащие для стабилизации высоты полёта слайдера. Воздух под ним создаёт подушку (Air Bearing Surface, ABS), которая поддерживает параллельный поверхности пластины полёт.

Предусилитель — чип, отвечающий за управление головками и усиление сигнала к ним или от них. Расположен он непосредственно в БМГ, потому как сигнал, который производят головки, обладает недостаточной мощностью (около 1 ГГц). Без усилителя в герметичной зоне он бы просто рассеялся по пути к интегральной схеме.

От этого устройства в сторону головок идёт больше дорожек, нежели к герметичной зоне. Объясняется это тем, что жёсткий диск может взаимодействовать только с одной из них в определённый момент времени. Микропроцессор отправляет запросы предусилителю, чтобы он выбрал нужную ему головку. От диска к каждой из них идёт по несколько дорожек. Они отвечают за заземление, чтение и запись, управление миниатюрными приводами, работу со специальным магнитным оборудованием, которое может управлять слайдером, что позволяет увеличить точность расположения головок. Одна из них должна вести к нагревателю, который регулирует высоту их полёта. Работает эта конструкция так: из нагревателя тепло передаётся подвеске, которая соединяет слайдер и коромысло. Подвес создаётся из сплавов, которые имеют отличающиеся параметры расширения от поступающего тепла. При повышении температуры он изгибается в сторону пластины, тем самым уменьшая расстояние от неё до головки. При уменьшении количества тепла, происходит обратное действие — головка отдаляется от блина.

Вот таким образом выглядит верхний разделитель:

На этой фотографии находится герметичная зона без блока головок и верхнего сепаратора. Также можно заметить нижний магнит и прижимное кольцо (platters clamp):

Данное кольцо сдерживает блоки блинов вместе, предотвращая всякое их движение относительно друг друга:

Сами пластины нанизаны на вал (spindle hub):

А вот что находится под верхней пластиной:

Как можно понять, место для головок создаётся при помощи специальных разделительных колец (spacer rings). Это высокоточные детали, которые производятся из немагнитных сплавов или полимеров:

На дне гермоблока находится пространство для выравнивания давления, расположенное прямо под воздушным фильтром. Воздух, который находится вне герметичного блока, безусловно, содержит в себе частицы пыли. Для решения данной проблемы, устанавливается многослойный фильтр, который гораздо толще того же циркулярного. Иногда на нём можно обнаружить следы силикатного геля, который должен абсорбировать в себя всю влагу:

Заключение

В этой статье было приведено подробное описание внутренностей HDD. Надеемся, этот материал был вам интересен и помог узнать много нового из сферы компьютерного оборудования.

Как устроен жесткий диск? Какие бывают жесткие диски? Какую роль они выполняют в компьютере? Как взаимодействуют с другими компонентами? Какие параметры учитывать при выборе и покупке жесткого диска, вы узнаете из этой статьи.

НЖМД - сокращенное название от "Накопитель на Жестких Магнитных Дисках ". Так же вы встретите английское HDD - и сленговое Винчестер или сокращенно Винт .

В компьютере жесткий диск отвечает за хранение данных. Операционная система Windows, программы, фильмы, фотографии, документы, вся информация, которую вы загружаете в компьютер, сохраняется на жестком диске. А информация в компьютере это самое ценное! Если вышел из строя процессор или видеокарта, их можно купить и заменить. А вот потерянные семейные фотографии из отпуска прошлым летом или данные бухгалтерии небольшого предприятия за год не так-то просто восстановить. Поэтому надежности хранения данных уделяется особое внимание.

Почему же прямоугольная металлическая коробка называется диском? Для ответа на этот вопрос нам нужно заглянуть внутрь и узнать как жесткий диск устроен. На картинке ниже вы можете посмотреть из каких деталей жесткий диск состоит и какие функции выполняет каждая деталь Нажмите для увеличения. (Взято с сайта itc.ua)

Предлагаю так же посмотреть отрывок из передачи канала Discovery о том как устроен и работает жесткий диск.

Еще три факта которые вам надо знать о жестких дисках.

1. Жесткий диск самая медленная деталь компьютера. Когда компьютер "завис", обратите внимание на индикатор работы жесткого диска. Если он часто мигает или горит непрерывно, значит жесткий диск выполняет команды одной из программ а все остальные простаивают, ожидая своей очереди. Если операционной системе не хватает быстродействующей оперативной памяти для запуска программы, она использует место на жестком диске, что очень сильно тормозит весь компьютер. Поэтому один из способов увеличить скорость работы компьютера - увеличить размер оперативной памяти.
2. Жесткий диск так же является самой хрупкой деталью компьютера. Как вы узнали из видео, двигатель раскручивает диск до нескольких тысяч оборотов в минуту. При этом магнитные головки "парят" над диском в воздушном потоке, созданном вращающимся диском. Расстояние между диском и головками в современных устройствах составляет около 10 нм. Если в этот момент подвергнуть диск удару или тряске, головка может коснуться диска и повредить поверхность с хранящимися на ней данными. В результате появляются так называемые "badblocks " - нечитаемые области, из-за которых компьютер не может считать какой-нибудь файл или загрузить систему. В выключенном состоянии головки "паркуются" за пределами рабочей области и перегрузки от удара не так страшны жесткому диску. Делайте, пожалуйста, резервные копии важных данных!
3. Объем жесткого диска зачастую немного меньше того, который указывает продавец или производитель. Причина в том, что изготовители указывают объем диска, исходя из того, что в одном гигабайте 1 000 000 000 байт, в то время как их там 1 073 741 824.

Покупаем жесткий диск

Если вы решили увеличить объем для хранения информации в компьютере подключив дополнительный жесткий диск или заменив старый более вместительным, что вам потребуется знать при покупке?

Во-первых, загляните под крышку системного блока вашего компьютера. Вам необходимо выяснить какой интерфейс подключения жесткого диска поддерживает материнская плата. На сегодняшний день наиболее распространены стандарты SATA и отживающий свой век IDE . Их легко отличить по внешнему виду. На картинке слева показан фрагмент материнской платы, которая оснащена разъёмами обоих видов, но на вашей, скорее всего окажется один из них.

Существует три версии интерфейса SATA . Они отличаются скоростью передачи данных. SATA , SATA II и SATA III со скоростью 1.5, 3 и 6 гигабайт в секунду соответственно. Все версии интерфейсов SATA выглядят одинаково и совместимы между собой. Вы можете подключить их в любой комбинации, в результате скорость передачи данных будет ограничена более медленной версией. При этом скорость работы жесткого диска еще меньше. Поэтому потенциал быстрых интерфейсов сможет раскрыться лишь с появлением новых быстродествующих накопителей.

Если вы решили приобретать дополнительный жесткий диск SATA, проверьте есть ли у вас интерфейсный кабель как на картинке. В комплекте с диском он не продается. (Обычно они комплектуются к материнской плате.) Так же среди разъемов блока питания должен быть хотя один свободный для подключения жесткого диска или вам может понадобится переходник со старого стандарта на новый.

Теперь о самом жестком диске: Главным параметром является, конечно, емкость. Как я упоминал выше, учтите, что она окажется немного меньше заявленной. Для операционной системы и программ требуется 100 - 200 Гигабайт, что по современным меркам совсем немного. Сколько вам может понадобиться дополнительного пространства вы можете определить опытным путем. Большие объемы могут потребоваться,например, для записи видео высокого качества. Современные фильмы в формате HD достигают нескольких десятков Гигабайт.

Кроме этого среди основных параметров указывают:

1. Форм-фактор - размер диска. Диски размером 1.8 и 2.5 дюйма используются в . Для стационарного компьютера следует приобретать диск 3.5 дюйма. Разъемы SATA у них одинаковые и диск для ноутбука может работать в стационарном компьютере. Но диски маленьких размеров сделаны с упором на компактность и низкое энергопотребление, а по быстродействию уступают более крупным моделям. И стоят при этом дороже.
2. RPM - скорость вращения диска. Измеряется в количестве оборотов в минуту (RPM - сокращение от revolutions per minute ). Чем больше скорость вращения, тем быстрее диск записывает и считывает информацию. Но при этом потребляет больше энергии. На сегодняшний день наиболее распространены диски с 5400 RPM и 7200 RPM . Более низкие обороты чаще встречаются в дисках для ноутбуков, дисках большой емкости (более двух терабайт) и так называемых "зеленых" дисках, названных так из-за пониженного энергопотребления. Так же существуют жесткие диски со скоростью вращения 10000 RPM и 15000 RPM . Они рассчитаны для работы в высоконагруженных серверах и имеют повышенный ресурс надежности, но и стоят намного дороже обычных.
3. Производитель . На данный момент на рынке накопителей несколько крупных производителей. Среди них идет довольно жесткая конкуренция, поэтому качеством они ничем не уступают друг другу. Поэтому можете выбирать любое из известных имен: Hitachi, HP, Seagate, Silicon Power, Toshiba Transcend, Western Digital.

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 терминологией, 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 отсутствует 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). Препаровочная зона — это область, в которой должны находиться головки исправного диска, если шпиндель остановлен. У этого диска, препаровочная зона расположена ближе к шпинделю, что видно на фотографии.

На некоторых накопителях, парковка производится на специальных пластиковых препаровочных 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 препаровочном 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, таким образом, уменьшая 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.