Жесткий диск

Жёсткий диск

'''Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках''' или '''НЖМД''' ({{lang-en|hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD}}), ''жёсткий диск'', в компьютерном сленге ''винче́стер'', ''«винт»'', ''хард'', ''харддиск'' — Компьютерная память(устройство хранения информации), основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В отличие от «гибкого»  диска , информация в НЖМД записывается на жёсткие алюминиевые или стеклянные пластина жёсткого диска, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего оксид хрома. 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).

Также, в отличие  от гибкого диска, носитель информации совмещён с накопителем, приводом и  блоком электроники и (в персональных компьютерах в подавляющем количестве случаев) обычно установлен внутри системного блока компьютера.

Название  «Винчестер»

По одной из версий название «винчестер» (Winchester) накопитель получил благодаря работавшему в фирме IBM Кеннету Хотону , руководителю проекта в результате которого в 1973 году был выпущен жёсткий диск модели IBM 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 МБ каждый, что по созвучию совпало с обозначением популярного охотничьего оружия — Винчестер (винтовка) Winchester Model 1894 использующего оружейный патрон. Также существует версия, что название произошло исключительно из-за названия патрона, также выпускаемого 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.

Характеристики 

''Интерфейс''— совокупность  линий связи, сигналов, посылаемых  по этим линиям, технических средств,  поддерживающих эти линии, и  правил (протокола) обмена. Серийно  выпускаемые жёсткие диски могут использовать интерфейсы [[ATA]] (он же IDE и PATA), [[SATA]], [[eSATA]], [[SCSI]], [[Serial Attached SCSI|SAS]], [[FireWire]], [[SDIO]] и [[Fibre Channel]].

''Ёмкость''— количество  данных, которые могут храниться  накопителем. С момента создания  первых жестких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная емкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жестких дисков с форм-фактором 3,5 дюйма, на июнь 2010 г., достигает 3000 Гб (3 Терабайта начала продажу 3-терабайтовых жестких дисков).

''Физический размер  форм-фактор'' .Почти все современные (2001—2008 года) накопители 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 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

''Время произвольного  доступа''— время, за которое  винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 ).

''Скорость вращения  шпинделя''— 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, 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''— 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'' — у  современных дисков это около  50 оп./с при произвольном доступе  к накопителю и около 100 оп./сек  при последовательном доступе.

''Потребление энергии'' — важный фактор для мобильных устройств.

''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.

''Сопротивляемость  ударам''— сопротивляемость накопителя  резким скачкам давления или  ударам, измеряется в единицах  допустимой перегрузки во включённом  и выключенном состоянии.

''Скорость передачи  данных'' 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.

Производители

Изначально на рынке  было большое разнообразие жёстких  дисков, производившихся  множеством компаний. В связи с ужесточением конкуренции и понижением норм прибыли большинство производителей было либо куплено конкурентами, либо перешло на другие виды продукции.

На сегодняшний  день бо́льшая часть всех винчестеров  производится всего несколькими компаниями: Seagate, Western Digita,Samsung, а также ранее принадлежавшим  IBM подразделением по производству дисков фирмы Hitachi, Fujitsu продолжает выпускать жёсткие диски для ноутбуков и SCSI-диски, но покинула массовый рынок в 2001 году в 2009 году производство жёстких дисков было полностью передано компании Toshiba является основным производителем 2,5- и 1,8-дюймовых ЖД для ноутбуков. Достаточно яркий след в истории жёстких дисков оставила компания  Quantum. Одним из лидеров в производстве дисков являлась компания Maxtor. В 2001 году Maxtor выкупила подразделение жёстких дисков компании Quantum. В 2006 году состоялось слияние Seagate и Maxtor. В середине 1990-х годов существовала компания Conner, которую купила Seagate. В первой половине 1990-х существовала фирма Micropolis, производившая очень дорогие диски premium-класса. Но при выпуске первых в отрасли винчестеров на 7200 об/мин ею были использованы некачественные подшипники главного вала, поставляемые фирмой Nidec, и Micropolis понесла фатальные убытки на возвратах, разорилась и была на корню куплена вышеупомянутой Seagate.

Устройство

Жёсткий диск состоит  из гермозоны и блока электроники

Гермозона

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, шпинделя.

Блок головок —  пакет рычагов из пружинистой  стали (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, 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 держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с бо́льшим числом пластин. 

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 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.

Блок цифровой обработки  сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его  декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood — максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

Низкоуровневое  форматирование

На заключительном этапе сборки устройства поверхности  пластин форматируются — на них  формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, как минимум, на каждую дорожку наносится магнитная метка, обозначающая её начало.

Существуют утилиты, способные тестировать физические секторы диска, и ограниченно  просматривать и править его  служебные данные.

Геометрия магнитного диска 

С целью адресации  пространства поверхности пластин  диска делятся на ''дорожки'' —  концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки — ''секторы''. Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов.

''Цилиндр'' — совокупность  дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. ''Номер головки'' задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а ''номер сектора'' — конкретный сектор на дорожке. 

Чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать ''геометрию'' используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нем. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную; в стандарте ATA-1 была введена функция автоопределения геометрии (команда Identify Drive).

|url=ftp://ftp.t10.org/t13/project/d0791r4c-ATA-1.pdf

|title=Спецификация  стандарта ATA-1

|publisher=???

|lang=en

|accessdate=???

}}</ref> 

Особенности геометрии жёстких  дисков со встроенными  контроллерами

Зонирование

На пластинах современных  «винчестеров» дорожки сгруппированы  в несколько зон. Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на дорожках внешних зон секторов больше, чем на дорожках внутренних. Это позволяет, используя бо́льшую длину внешних дорожек, добиться более равномерной плотности записи, увеличивая ёмкость пластины при той же технологии производства.

Резервные секторы 

Для увеличения срока  службы диска на каждой дорожке могут  присутствовать дополнительные резервные  секторы. Если в каком либо секторе  возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным. Данные, хранившиеся в нём, при этом могут быть потеряны или восстановлены при помощи ECC, а ёмкость диска останется прежней. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая — в процессе эксплуатации. Границы зон, количество секторов на дорожку для каждой зоны и таблицы переназначения секторов хранятся в ЗУ блока электроники.

Логическая  геометрия 

По мере роста  емкости выпускаемых жёстких  дисков их физическая геометрия перестала  вписываться в ограничения, накладываемые программными и аппаратными интерфейсами. Кроме того, дорожки с различным количеством секторов несовместимы со способом адресации CHS. В результате контроллеры дисков стали сообщать не реальную, а фиктивную, ''логическую геометрию'', вписывающуюся в ограничения интерфейсов, но не соответствующую реальности. Так, максимальные номера секторов и головок для большинства моделей берутся 63 и 255 (максимально возможные значения в функциях прерывания BIOS INT 13h), а число цилиндров подбирается соответственно ёмкости диска. Сама же физическая геометрия диска не может быть получена в штатном режиме работы. В спецификациях АТА и SCSI отсутствуют команды для этого и другим частям системы неизвестна.