Жесткий магнитный диск (винчестер)

Хотя в последнее время жесткий диск "винчестером" называют все реже, История появлении этого названия связана с моделью диска фирмы IBM, имевшей обозначение "30/30", сходное с названием широко распространенной в Америке винтовки тридцатого калибра фирмы Winchester. Однако существуют разночтения в том, когда был разработан диск этой модели (называют 60-е годы, начало и середину 70-х), был ли он выпущен или остался прототипом, а также что в нем соответствовало обозначению "30/30". В одних источниках утверждается, что диск позволял записывать 30 дорожек по 30 секторов каждая, в других говорится об объединении 30-Мбайтного фиксированного диска и 30-Мбайтного сменного диска в одном устройстве.

Винчестеры - это одни из самых важных, а также, самых интересных компонентов в компьютере. Возможно, самое обворожительное, что можно увидеть в истории винчестеров, это то, как в последние два десятилетия инженеры улучшали НЖМД в сторону удобности использования, емкости, скорости, потребления энергии и т.д.

Самые первые компьютеры вообще не имели постоянного хранилища данных. Каждый раз, когда вы хотели поработать с программой, ее надо было вводить в ручную. Довольно быстро стало понятно, что компьютерам нужно какое-то постоянное хранилище данных. Первым носителем данных, используемым в компьютерах, была бумага! (перфокарты? Программы и данные были записаны, используя дырки в бумажных карточках. Использовался специальный считыватель, который использовал луч света для сканирования карточек: где находилась дырка, она воспринималась как "1", а где дырки не было, воспринимался "0". По сравнению с ручным вводом программы каждый раз при включении компьютера, это был большой шаг вперед, оставаясь, между тем очень неудобным методом ввода программ в компьютер. Тем не менее, перфокарты использовались довольно продолжительное время. Следующим важным улучшением хранилища программ было изобретение магнитной ленты. Информация записывалась методом, похожим на запись аудиокассет, магнитные ленты были более гибким, надежным и более быстрым хранилищем информации по сравнению с перфокартами. Конечно, накопители на лентах и сейчас используются в компьютерах, но в качестве вторичного накопителя данных, как правило, для хранения резервных копий. Главный минус данного устройства в том, что данные располагались линейно, и требовались минуты, чтобы перемотать ленту из одного конца в другой, делая медленным случайный доступ к данным. Позже появились НГМД, они были медленными, малыми в размере и очень ненадежными устройствами хранения данных, даже по сравнению с первыми жесткими дисками.

Для многих людей жесткий диск представляется как черный ящик, который как-то хранит информацию.

Физическая архитектура и логическая структура дисковых накопителей

Многолетнее развитие накопителей на жестких магнитных дисках не смогло изменить базовую схему этих устройств, одним из ключевых элементов которой является вращающийся диск с информационным слоем.

Весь винчестер, как устройство, делится на две крупные составляющие: плату электроники и гермозону или "камеру", внутри которой находятся магнитные диски (пластины) в просторечье именуемые "блинами", блок магнитных головок, шпиндельный двигатель и другие устройства. Внутреннее устройство большинства накопителей на жестких дисках практически одинаково (см. рис.1).

Рис.1

То, что скрывается под крышкой жесткого диска

Плата электроники или контроллер на жестком диске, по - сути, маленький компьютер. Любой современный жесткий диск на собственной плате контроллера обязательно имеет оперативную память, которую называют кэшем или буфером. Обычно размер кэша колеблется от 512 Кб до 8 Мб (в современных), в зависимости от модели диска. Кэш влияет на производительность жесткого диска самым непосредственным образом, так как скорость чтения данных из него в два-три, а то и более раз может превышать скорость считывания информации с пластин. В кэш записываются данные, к которым чаще всего обращается программа, и таким образом скорость работы некоторых программ с дисками может достигать совершенно фантастических величин. Некоторые производители устанавливают на свои диски не только кэши чтения, но и кэши записи. Помимо кэш-памяти, на собственной плате контроллера любого жесткого диска расположены схемы интерфейсной логики и процессор, управляющий вводом-выводом и кодированием данных. Также процессор управляет программой самодиагностики, которая стала обязательной для современных жестких дисков. Большинство дисков использует для самодиагностики технологию SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology - технология самоанализа и информирования), предложенную несколько лет назад фирмами IBM и Compaq. Процессор занимается обработкой полученных с головок данных и преобразованием их в понятный компьютеру "язык". Делает он это, как и компьютер в оперативной памяти ОЗУ. ПЗУ необходимо для старта, как БИОС на материнской плате. Чем занимается микросхема управления электродвигателем понятно из её названия. При включении плата контроллера считывает служебную информацию и если она корректна, то жесткий диск начинает работу.

Весь винчестер должен быть произведен с особой точностью в силу очень большой миниатюрности компонентов. Пластины, головки, шпиндель, привода закрыты в специальном объеме, называемом гермозоной, или "камерой". Это сделано для того, чтобы гермозона была защищена от пыли, которая может разрушить головки или стать причиной царапин на пластинах. Внутри гермозоны находится воздух, а не вакуум, как думают многие. Она связана с внешним миром системой выравнивания давления, в которой имеется воздушный фильтр. Таким образом, давление воздуха внутри гермозоны всегда выровнено с окружающим воздухом, этим же образом решена проблема с выпадением конденсата.

Гермозона (герметичная зона) - полость жесткого диска, ограниченная "камерой" и крышкой, внутри которой находиться очищенный от частиц пыли воздух. Герметичная камера предохраняет носители не только от проникновения механических частиц пыли, но и от воздействия электромагнитных полей. Обеспечение чистого без пыльного пространства внутри жесткого диска необходимое условие для поддержания работоспособности жесткого диска, т.к. малейшие частички могут привести к порче магнитного покрытия дисков и потере данных и работоспособности устройства.

В винчестерах используются круглые диски (пластины) из немагнитных поверхностей, на которые нанесён тонкий слой магнитного материала. Все пластины насажены на шпиндель электродвигателя, и вращаются на большой скорости (у разных моделей современных дисков эта скорость колеблется от 5400 до 12000 об/мин). Чем выше скорость вращения, тем выше скорость обмена данными. Между пластинами перемещается вилка, на которой расположены магнитные головки, выполняющие запись и считывание информации. Головки позиционируются строго на определённых расстояниях от оси вращения пластин. Поверхность пластин в жестких дисках имеют специальную структуру, для обеспечения упорядоченной записи и хранения информации. На каждой пластине информация записывается на концентрических окружностях, называемых треками (track-дорожка). Треки на различных поверхностях находятся на одинаковых расстояниях от оси вращения. Совокупность треков, расположенных на разных поверхностях, но имеющих один и тот же диаметр, называется цилиндром.

Каждый трек разбивается на части, называемые секторами (см. рис 2).

Рис.2

Современные жесткие диски имеют различное количество секторов на дорожке в зависимости от того, внешняя ли это дорожка или внутренняя. Внешняя дорожка длиннее и на ней можно разместить больше секторов, чем на более короткой внутренней дорожке. Данные на чистый диск начинают записываться также с внешней дорожки. Все современные жёсткие магнитные диски имеют одинаковый логический размер сектора, позволяющий записать в сектор 512 байт информации. Секторы имеют номера, начинающиеся с 1. Секторы с одинаковыми номерами на всех дорожках цилиндра находятся "друг под другом", так что возможно одновременное чтение из всех таких секторов (или одновременная запись в них). Секторы с одинаковыми номерами разных цилиндров не находятся на одном радиусе (как можно было бы предположить), а расположены вдоль некоторой кривой, обеспечивающей переход к сектору с тем же номером, расположенному на соседней дорожке, с учётом времени, необходимого для перемещения головки к оси вращения диска (за это время диск успевает повернуться). Такое расположение секторов называется "перекосом цилиндров".

Самый первый сектор жесткого диска (сектор 1, дорожка 0, поверхность (головка) 0) содержит так называемую главную загрузочную запись (Master Boot Record - MBR). Эта запись занимает не весь сектор, а только его начальную часть. Сама по себе главная загрузочная запись является программой. Эта программа во время начальной загрузки операционной системы с жесткого диска помещается в оперативную память ПК. Загрузочная запись продолжает процесс загрузки операционной системы.