Накопители на жестких и гибких магнитных дисках

 

Содержание:

1. Жёсткий диск
• Название «Винчестер»
• Характеристики
• Уровень шума
• Гермозона
• Устройство позиционирования
• Блок электроники
• Низкоуровневое форматирование
• Геометрия магнитного диска
• Влияние геометрии на скорость дисковых операций

 

2. Гибкие  диски

• Механика
• Форматы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Жёсткий диск

Накопитель  на жёстких магнитных дисках или  НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винчестер» — запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В отличие  от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые  или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферримагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные  диски. В НЖМД используется одна или  несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем  режиме не касаются поверхности пластин  благодаря прослойке набегающего  потока воздуха, образующейся у поверхности  при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных  дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Также, в отличие  от гибкого диска, носитель информации обычно совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такие  жёсткие диски часто используются в качестве несъёмного носителя информации.

Название  «Винчестер»

По одной  из версий, название «винчестер» (англ. Winchester)  накопитель получил благодаря работавшему в фирме IBM Кеннету Хотону (англ. Kenneth E. Haughton), руководителю проекта, в результате которого в 1973 году был выпущен жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 мегабайт каждый, что по созвучию совпало с обозначением популярного охотничьего оружия — винтовки Winchester Model 1894, использующего винтовочный патрон .30-30 Winchester. Также существует версия, что название произошло исключительно из-за названия патрона, также выпускавшегося Winchester Repeating Arms Company, первого созданного в США боеприпаса для гражданского оружия «малого» калибра на бездымном порохе, который превосходил патроны старых поколений по всем показателям и немедленно завоевал широчайшую популярность.

В Европе и  США название «винчестер» вышло  из употребления в 1990-х годах, в русском  же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слова «винт» (наиболее используемый вариант).

Характеристики

Интерфейс (англ. interface) — техническое средство взаимодействия 2-х разнородных устройств, что в случае с жёсткими дисками является совокупностью линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии (контроллеры интерфейсов), и правил (протокола) обмена. Современные серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и Fibre Channel.

Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жёстких дисков (с форм-фактором 3,5 дюйма) на сентябрь 2011 года достигает 4000 Гб (4 терабайт) и близится к 5 Тб. В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину (см.: двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГиБ.

Физический  размер (форм-фактор; англ. dimension) — почти все накопители 2001—2008 годов для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма — под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8, 1,3, 1 и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного  доступа (англ. random access time) — среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска. Диапазон этого параметра — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают диски для серверов (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — это 3,7 мс), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5 мс). Для сравнения, у SSD-накопителей этот параметр меньше 1 мс.

Скорость  вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 5900, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах для ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в неподвижных компьютерах.

Надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.

Количество  операций ввода-вывода в секунду (англ. IOPS) — у современных дисков это  около 50 оп./сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии — важный фактор для мобильных  устройств.

Сопротивляемость  ударам (англ. G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость  передачи данных (англ. Transfer Rate) 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 — буфером называется промежуточная  память, предназначенная для сглаживания  различий скорости чтения/записи и  передачи по интерфейсу. В современных  дисках он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Уровень шума

Силиконовые шайбы для крепления жёстких  дисков. Уменьшают вибрацию и шум

Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается  в децибелах. Тихими накопителями считаются  устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе  аэродинамического) и шума позиционирования.

Для снижения шума от жёстких дисков применяют  следующие методы:

Программный, c помощью настройки, встроенной в большинство современных  дисков, системы AAM. Переключение жёсткого диска в малошумный режим приводит к снижению производительности в  среднем на 5-25 %, но делает шум при  работе практически неслышным.

Использование шумопоглощающих устройств, закрепления дисков на резиновых или силиконовых шайбах или даже полная замена крепления на гибкую подвеску.

Гермозона

  Разобранный жёсткий диск Samsung HD753LJ ёмкостью 750 Гб

   Магнит соленоидного малоинерционного двигателя, который перемещает головку жёсткого диска

 Гермозона  включает в себя корпус из  прочного сплава, собственно диски  (пластины) с магнитным покрытием,  в некоторых моделях разделённые  сепараторами, а также блок головок  с устройством позиционирования, и электропривод шпинделя.

Вопреки расхожему  мнению, в подавляющем большинстве  устройств внутри гермозоны нет  вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным  воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом, а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую  или пластиковую мембрану. (В таком  случае внутри корпуса жёсткого диска  предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который  абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают  давление через небольшое отверстие  с фильтром, способным задерживать  очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается  и влажность, а также могут  проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить  деформацию корпуса гермозоны при  перепадах атмосферного давления (например, в самолёте) 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 головок  — пакет кронштейнов (рычагов) из упругой стали (обычно по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла (IBM), но такие  пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно  магнитофонной ленте, покрыты тончайшей  пылью ферромагнетика — окислов  железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения  составляют коммерческую тайну. Большинство  бюджетных устройств содержит одну или две пластины, но существуют модели с большим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью  несколько тысяч оборотов в минуту (от 3600 до 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся  мощный воздушный поток, который  приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное  расстояние от 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 пластин. Шпиндельный  двигатель жёсткого диска трёхфазный синхронный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя  содержит три обмотки, включённых «звездой»  с отводом посередине, а ротор  — постоянный секционный магнит.

Сепаратор (разделитель) — пластина, изготовленная из пластика или алюминия, находящаяся между  пластинами магнитных дисков и над  верхней пластиной магнитного диска. Используется для выравнивания потоков  воздуха внутри гермозоны.

Устройство  позиционирования

Разобранный жёсткий диск. Снята верхняя пластина статора соленоидного двигателяУстройство позиционирования головок (сервопривод, жарг. актуатор) представляет из себя малоинерционный соленоидный двигатель. Оно состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов, а также катушки (соленоид) на подвижном кронштейне блока головок.

Принцип работы двигателя заключается в следующем: обмотка находится внутри статора (обычно два неподвижных магнита), ток, подаваемый с различной силой  и полярностью, заставляет её точно  позиционировать кронштейн (коромысло) с головками по радиальной траектории. От скорости работы устройства позиционирования зависит время поиска данных на поверхности  пластин.

В каждом накопителе существует специальная зона, называемая парковочной, именно на ней останавливаются  головки в те моменты, когда накопитель выключен, либо находится в одном  из режимов низкого энергопотребления. В состоянии парковки кронштейн (коромысло) блока головок находится  в крайнем положении и упирается  в ограничитель хода. При операциях  доступа к информации (чтение/запись) одним из источников шума является вибрация вследствие ударов кронштейнов, удерживающих магнитные головки, об ограничители хода в процессе возвращения  головок в нулевую позицию. Для  снижения шума на ограничителях хода установлены демпфирующие шайбы  из мягкой резины. Значительно уменьшить  шум жёсткого диска можно программным путём, меняя параметры режимов ускорения и торможения блока головок. Для этого разработана специальная технология — Automatic Acoustic Management. Официально возможность программного управления уровнем шума жёсткого диска появилась в стандарте ATA/ATAPI-6 (для этого нужно менять значение управляющей переменной), хотя некоторые производители делали экспериментальные реализации и ранее.

Блок электроники

В ранних жёстких  дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а  плата электроники содержала  только модули аналоговой обработки  и управления шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить  до предела длину аналогового  тракта, и в современных жёстких  дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный  блок обеспечивает сопряжение электроники  жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы  позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных  головок, управления работой всех остальных  узлов (к примеру, управление скоростью  вращения шпинделя), приёма и обработки  сигналов с датчиков устройства (система  датчиков может включать в себя одноосный  акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр, используемый в качестве датчика  свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

Блок ПЗУ  хранит управляющие программы для  блоков управления и цифровой обработки  сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная  память сглаживает разницу скоростей  интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая  память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет  увеличить скорость работы накопителя.