Жорсткі дыск: прынцып працы і асноўныя характарыстыкі

Жорсткія дыскі, або, як іх яшчэ называюць, вінчэстары, з'яўляюцца адной з самых галоўных складнікаў кампутарнай сістэмы. Пра гэта ведаюць усе. Але вось далёка не кожны сучасны карыстач нават у прынцыпе здагадваецца пра тое, як функцыянуе жорсткі дыск. Прынцып працы, увогуле-то, для базавага разумення досыць нескладаны, аднак тут ёсць свае нюансы, пра якія далей і пойдзе гаворка.

Пытанні прызначэння і класіфікацыі жорсткіх дыскаў?

Пытанне прызначэння, вядома, рытарычнае. Любы карыстальнік, хай нават самага пачатковага ўзроўню, адразу ж адкажа, што вінчэстар (ён жа жорсткі дыск, ён жа Hard Drive або HDD) адразу ж адкажа, што ён служыць для захоўвання інфармацыі.

У агульным і цэлым дакладна. Не варта забываць, што на цвёрдым дыску, акрамя аперацыйнай сістэмы і карыстацкіх файлаў, маюцца створаныя АС загрузныя сектары, дзякуючы якім яна і стартуе, а таксама некаторыя пазнакі, па якіх на дыску можна хутка знайсці патрэбную інфармацыю.

Сучасныя мадэлі досыць разнастайныя: звычайныя HDD, знешнія жорсткія дыскі, высакахуткасныя цвёрдацельныя назапашвальнікі SSD, хоць іх менавіта да жорсткіх дыскаў адносіць і не прынята. Далей прапануецца разгледзець прылада і прынцып працы жорсткага дыска, калі не ў поўным аб'ёме, то, па меншай меры, у такім, каб хапіла для разумення асноўных тэрмінаў і працэсаў.

Звярніце ўвагу, што існуе і спецыяльная класіфікацыя сучасных HDD па некаторых асноўным крытэрам, сярод якіх можна вылучыць наступныя:

• спосаб захоўвання інфармацыі;
• тып носьбіта;
• спосаб арганізацыі доступу да інфармацыі.

Чаму жорсткі дыск называюць вінчэстарам?

Сёння многія карыстальнікі задумваюцца над тым, чаму жорсткія дыскі называюць вінчэстарамі, якія адносяцца да стралковай зброі. Здавалася б, што можа быць агульнага паміж гэтымі двума прыладамі?

Сам тэрмін з'явіўся яшчэ ў далёкім 1973 годзе, калі на рынку з'явіўся першы ў свеце HDD, канструкцыя якога складалася з двух асобных адсекаў ў адным герметычным кантэйнеры. Ёмістасць кожнага адсека складала 30 Мб, з-за чаго інжынеры далі дыску кодавае назву «30-30», што было ў поўнай меры сугучна з маркай папулярнага ў той час стрэльбы «30-30 Winchester». Праўда, у пачатку 90-х у Амерыцы і Еўропе гэта назва практычна выйшла з ужытку, аднак да гэтага часу застаецца папулярным на постсавецкай прасторы.

Прылада і прынцып працы жорсткага дыска

Але мы адцягнуліся. Прынцып працы жорсткага дыска коратка можна апісаць як працэсы счытвання або запісу інфармацыі. Але як гэта адбываецца? Для таго каб зразумець прынцып працы магнітнага жорсткага дыска, у першую чаргу неабходна вывучыць, як ён уладкованы.

Сам жорсткі дыск уяўляе сабой набор пласцін, колькасць якіх можа вагацца ад чатырох да дзевяці, злучаных паміж сабой валам (воссю), званым шпіндзелем. Пласціны размяшчаюцца адна над іншай. Часцей за ўсё матэрыялам для іх вырабу служаць алюміній, латунь, кераміка, шкло і т. Д. Самі ж пласціны маюць спецыяльнае магнітнае пакрыццё ў выглядзе матэрыялу, званага платтером, на аснове гама-ферыт-аксіду, вокісу хрому, ферыту барыю і т. Д . Кожная такая пласціна па таўшчыні складае каля 2 мм.

За запіс і чытанне інфармацыі адказваюць радыяльныя галоўкі (па адной на кожную пласціну), а ў пласцінах выкарыстоўваюцца абедзве паверхні. За кручэнне шпіндзеля, хуткасць якога можа складаць ад 3600 да 7200 аб. / Мін, і перасоўванне галовак адказваюць два электрычных рухавіка.

Пры гэтым асноўны прынцып працы жорсткага дыска кампутара складаецца ў тым, што інфармацыя запісваецца не куды патрапіла, а ў строга вызначаныя лакацыі, званыя сектарамі, якія размешчаны на канцэнтрычных дарожках або трэках. Каб не было блытаніны, прымяняюцца адзіныя правілы. Маецца на ўвазе, што прынцыпы працы назапашвальнікаў на жорсткіх дысках, з пункту гледжання іх лагічнай структуры, універсальныя. Так, напрыклад, памер аднаго сектара, прыняты за адзіны стандарт ва ўсім свеце, складае 512 байт. У сваю чаргу сектары падзяляюцца на кластары, якія ўяўляюць сабой паслядоўнасці побач знаходзяцца сектараў. І асаблівасці прынцыпу працы жорсткага дыска ў гэтых адносінах складаюцца ў тым, што абмен інфармацыяй як раз і вырабляецца цэлымі кластарамі (цэлым лікам ланцужкоў сектараў).

Як жа гэта адбываецца счытванне інфармацыі? Прынцыпы працы назапашвальніка на цвёрдых магнітных дысках выглядаюць наступным чынам: з дапамогай спецыяльнага кранштэйна счытвальная галоўка ў радыяльным (спіралепадобнае) напрамку перамяшчаецца на патрэбную дарожку і пры павароце пазіцыянуецца над зададзеным сектарам, прычым усе галоўкі могуць перамяшчацца адначасова, счытваючы аднолькавую інфармацыю не толькі з розных дарожак , але і з розных дыскаў (пласцін). Усе дарожкі з аднолькавымі парадкавымі нумарамі прынята называць цыліндрамі.

Пры гэтым можна вылучыць яшчэ адзін прынцып працы жорсткага дыска: чым бліжэй счытвальная галоўка да магнітнай паверхні (але не тычыцца яе), тым вышэй шчыльнасць запісу.

Як ажыццяўляецца запіс і чытанне інфармацыі?

Жорсткія дыскі, або вінчэстары, таму і былі названыя магнітнымі, што ў іх выкарыстоўваюцца законы фізікі магнетызму, сфармуляваныя яшчэ Фарадеем і Максвеллом.

Як ужо гаварылася, на пласціны з немагниточувствительного матэрыялу наносіцца магнітнае пакрыццё, таўшчыня якога складае ўсяго толькі некалькі мікраметраў. У працэсе працы ўзнікае магнітнае поле, якое мае так званую даменную структуру.

Магнітны дамен ўяўляе сабой строга абмежаваную межамі намагнічанага вобласць ферасплаваў. Далей прынцып працы жорсткага дыска коратка можна апісаць так: пры ўзнікненні ўздзеяння вонкавага магнітнага поля, уласнае поле дыска пачынае арыентавацца строга ўздоўж магнітных ліній, а пры спыненні ўздзеяння на дысках з'яўляюцца зоны рэшткавым намагнічанасць, у якой і захоўваецца інфармацыя, якая раней змяшчалася ў асноўным поле .

За стварэнне вонкавага поля пры запісе адказвае счытвальная галоўка, а пры чытанні зона рэшткавым намагнічанасць, апынуўшыся насупраць галоўкі, стварае электрарухаючая сілу або ЭРС. Далей усё проста: змяненне ЭРС адпавядае адзінцы ў двайковым кодзе, а яго адсутнасць або спыненне - нуля. Час змянення ЭРС прынята называць бітавым элементам.

Акрамя таго, магнітную паверхню чыста з меркаванняў інфарматыкі можна асацыяваць, як нейкую кропкавую паслядоўнасць бітаў інфармацыі. Але, паколькі месцазнаходжанне такіх кропак абсалютна дакладна вылічыць немагчыма, на дыску трэба ўсталяваць нейкія загадзя прадугледжаныя пазнакі, якія дапамаглі вызначыць патрэбную лакацыі. Стварэнне такіх пазнак называецца фарматаваннем (груба кажучы, разбіўка дыска на дарожкі і сектары, аб'яднаныя ў кластары).

Лагічная структура і прынцып працы жорсткага дыска з пункту гледжання фарматавання

Што тычыцца лагічнай арганізацыі HDD, тут на першае месца выходзіць менавіта фарматаванне, у якім адрозніваюць два асноўных тыпу: нізкаўзроўневае (фізічнае) і высокаўзроўневы (лагічнае). Без гэтых этапаў ні пра які прывядзенні жорсткага дыска ў працоўны стан казаць не прыходзіцца. Пра тое, як ініцыялізаваць новы вінчэстар, будзе сказана асобна.

Нізкаўзроўневае фарматаванне мяркуе фізічнае ўздзеянне на паверхню HDD, пры якім ствараюцца сектары, размешчаныя ўздоўж дарожак. Цікава, што прынцып працы жорсткага дыска такі, што кожны створаны сектар мае свой унікальны адрас, які ўключае ў сябе нумар самога сектара, нумар дарожкі, на якой ён размяшчаецца, і нумар боку пласціны. Такім чынам, пры арганізацыі прамога доступу тая ж аператыўная памяць звяртаецца непасрэдна па зададзеным адрасе, а не шукае патрэбную інфармацыю па ўсёй паверхні, за кошт чаго і дасягаецца хуткадзейнасць (хоць гэта і не самае галоўнае). Звярніце ўвагу, што пры выкананні нізкаўзроўневага фарматавання сціраецца абсалютна ўся інфармацыя, і аднаўленню яна ў большасці выпадкаў не падлягае.

Іншая справа - лагічны фарматаванне (у Windows-сістэмах гэта хуткае фарматаванне або Quick format). Акрамя таго, гэтыя працэсы дастасавальныя і да стварэння лагічных частак, якія ўяўляюць сабой нейкую вобласць асноўнага жорсткага дыска, якая працуе па тым жа прынцыпам.

Лагічнае фарматаванне, перш за ўсё, закранае сістэмную вобласць, якая складаецца з загрузнага сектара і табліц частак (загрузны запіс Boot record), табліцы размяшчэння файлаў (FAT, NTFS і т. Д.) І каранёвага каталога (Root Directory).

Запіс інфармацыі ў сектары вырабляецца праз кластар некалькімі часткамі, прычым у адным кластары не можа ўтрымлівацца два аднолькавых аб'екта (файла). Уласна, стварэнне лагічнага падзелу, як бы аддзяляе яго ад асноўнага сістэмнай часткі, з прычыны чаго інфармацыя, на ім захоўваемая, пры з'яўленні памылак і збояў змене або выдаленні не схільная.

Асноўныя характарыстыкі HDD

Думаецца, у агульных рысах прынцып працы жорсткага дыска трохі зразумелы. Цяпер пяройдзем да асноўных характарыстыках, якія і даюць поўнае ўяўленне аб усіх магчымасцях (або недахопах) сучасных вінчэстараў.

Прынцып працы жорсткага дыска і асноўныя характарыстыкі могуць быць зусім рознымі. Каб зразумець, пра што ідзе гаворка, вылучым самыя асноўныя параметры, якімі характарызуюцца ўсе вядомыя на сёння назапашвальнікі інфармацыі:

• ёмістасць (аб'ём);
• хуткадзейнасць (хуткасць доступу да дадзеных, чытанне і запіс інфармацыі);
• інтэрфейс (спосаб падлучэння, тып кантролера).

Ёмістасць ўяўляе сабой агульная колькасць інфармацыі, якая можа быць запісана і захавана на вінчэстары. Індустрыя па вытворчасці HDD развіваецца так хутка, што сёння ва ўжытак увайшлі ўжо жорсткія дыскі з аб'ёмамі каля 2 Тб і вышэй. І, як лічыцца, гэта яшчэ не мяжа.

Інтэрфейс - самая значная характарыстыка. Яна вызначае, якім менавіта спосабам прылада падключаецца да мацярынскай плаце, які менавіта кантролер выкарыстоўваецца, як ажыццяўляецца чытанне і запіс і т. Д. Асноўнымі і самымі распаўсюджанымі інтэрфейсамі лічацца IDE, SATA і SCSI.

Дыскі з IDE-інтэрфейсам адрозніваюцца невысокім коштам, аднак сярод галоўных недахопаў можна вылучыць абмежаваную колькасць адначасова падлучальных прылад (максімум чатыры) і невысокую хуткасць перадачы дадзеных (прычым нават пры ўмове падтрымкі прамога доступу да памяці Ultra DMA або пратаколаў Ultra ATA (Mode 2 і Mode 4). Хоць, як лічыцца, іх ужыванне дазваляе павысіць хуткасць чытання / запісу да ўзроўню 16 Мб / с, але ў рэальнасці хуткасць нашмат ніжэй. Акрамя таго, для выкарыстання рэжыму UDMA патрабуецца ўстаноўка спецыяльнага драйвера, які, па ідэі, павінен пастаўляцца ў камплекце з матчыным поплаткам.

Кажучы пра тое, што сабой уяўляе прынцып працы жорсткага дыска і характарыстыкі, нельга абыйсці бокам і інтэрфейс SATA, які з'яўляецца спадчыннікам версіі IDE ATA. Перавага дадзенай тэхналогіі складаецца ў тым, што хуткасць чытання / запісу можна павысіць да 100 Мб / с за кошт прымянення высакахуткасны шыны Fireware IEEE-1394.

Нарэшце, інтэрфейс SCSI у параўнанні з двума папярэднімі з'яўляецца найбольш гнуткім і самым хуткасным (хуткасць запісу / чытанні дасягае 160 Мб / с і вышэй). Але і стаяць такія вінчэстары практычна ў два разы даражэй. Затое колькасць адначасова падлучальных прылад захоўвання інфармацыі складае ад сямі да пятнаццаці, падключэнне можна ажыццяўляць без абясточвання кампутара, а даўжыня кабеля можа складаць парадку 15-30 метраў. Уласна, гэты тып HDD большай часткай ўжываецца не ў карыстацкіх ПК, а на серверах.

Хуткадзейнасць, якое характарызуе хуткасць перадачы і прапускную здольнасць ўводу / высновы, звычайна выяўляецца часам перадачы і аб'ёмам перадаюцца размешчаных паслядоўна дадзеных і выяўляецца ў Мб / с.

Некаторыя дадатковыя параметры

Кажучы пра тое, што ўяўляе сабой прынцып працы жорсткага дыска і якія параметры ўплываюць на яго функцыянаванне, нельга абыйсці бокам і некаторыя дадатковыя характарыстыкі, ад якіх можа залежаць хуткадзейнасць ці нават тэрмін эксплуатацыі прылады.

Тут на першым месцы аказваецца хуткасць кручэння, якая напрамую ўплывае на час пошуку і ініцыялізацыі (распазнання) патрэбнага сектара. Гэта так званае схаванае час пошуку - інтэрвал, на працягу якога неабходны сектар паварочваецца да счытвальную галоўцы. Сёння прынята некалькі стандартаў для хуткасці кручэння шпіндзеля, выяўленай у абарачэннях у хвіліну з часам затрымкі ў мілісекундах:

• 3600 - 8,33;
• 4500 - 6,67;
• 5400 - 5,56;
• 7200 - 4,17.

Няцяжка заўважыць, што чым вышэй хуткасць, тым меншы час затрачваецца на пошук сектараў, а ў фізічным плане - на абарот дыска да ўстаноўкі для галоўкі патрэбнай кропкі пазіцыянавання пласціны.

Яшчэ адзін параметр - унутраная хуткасць перадачы. На знешніх дарожках яна мінімальная, але павялічваецца пры паступовым пераходзе на ўнутраныя дарожкі. Такім чынам, той жа працэс дэфрагментацыі, які ўяўляе сабой перасоўванне часта выкарыстоўваюцца дадзеных у самыя хуткія вобласці дыска, - не што іншае, як перанос іх на ўнутраную дарожку з большай хуткасцю чытання. Знешняя хуткасць мае фіксаваныя значэння і наўпрост залежыць ад выкарыстоўванага інтэрфейсу.

Нарэшце, адзін з важных момантаў звязаны з наяўнасцю ў жорсткага дыска уласнай кэш-памяці або буфера. Па сутнасці, прынцып працы жорсткага дыска ў плане выкарыстання буфера ў нечым падобны на аператыўную або віртуальную памяць. Чым больш аб'ём кэш-памяці (128-256 Кб), тым хутчэй будзе працаваць жорсткі дыск.

Галоўныя патрабаванні да HDD

Асноўных патрабаванняў, якія ў большасці выпадкаў прад'яўляюцца жорсткім дыскам, не так ужо і шмат. Галоўнае - працяглы тэрмін службы і надзейнасць.

Асноўным стандартам для большасці HDD лічыцца тэрмін службы каля 5-7 гадоў з часам напрацоўкі не менш за пяцьсот тысяч гадзін, але для вінчэстараў высокага класа гэты паказчык складае не менш за мільён гадзін.

Што тычыцца надзейнасці, за гэта адказвае функцыя саматэставання SMART, якая сочыць за станам асобных элементаў жорсткага дыска, ажыццяўляючы пастаянны маніторынг. На аснове сабраных дадзеных можа фармавацца нават нейкі прагноз з'яўлення магчымых няспраўнасцяў у далейшым.

Само сабой зразумела, што і карыстальнік не павінен заставацца ў баку. Так, напрыклад, пры працы з HDD вельмі важна выконваць аптымальны тэмпературны рэжым (0 - 50 ± 10 градусаў Цэльсія), пазбягаць встрясок, удараў і падзенняў вінчэстара, патраплення ў яго пылу ці іншых дробных часціц і т. Д. Дарэчы сказаць, многім будзе цікава даведацца, што тыя ж часціцы тытунёвага дыму прыкладна ў два разы больш адлегласці паміж счытвальную галоўкай і магнітнай паверхняй вінчэстара, а чалавечага воласа - у 5-10 разоў.

Пытанні ініцыялізацыі ў сістэме пры замене вінчэстара

Зараз некалькі слоў пра тое, якія дзеянні трэба распачаць, калі па нейкіх прычынах карыстальнік мяняў жорсткі дыск або ўсталёўваў дполнительный.

Цалкам апісваць гэта працэс не будзем, а спынімся толькі на асноўных этапах. Спачатку вінчэстар неабходна падключыць і паглядзець у наладах BIOS, вызначылася Ці новае абсталяванне, у раздзеле адміністравання дыскаў вырабіць ініцыялізацыю і стварыць загрузачны запіс, стварыць просты тым, прысвоіць яму ідэнтыфікатар (літару) і выканаць фарматаванне з выбарам файлавай сістэмы. Толькі пасля гэтага новы «шруба» будзе цалкам гатовы да працы.

заключэнне

Вось, уласна, і ўсё, што сцісла тычыцца асноў функцыянавання і характарыстык сучасных вінчэстараў. Прынцып працы вонкавага жорсткага дыска тут не разглядаўся прынцыпова, паколькі ён практычна нічым не адрозніваецца ад таго, што выкарыстоўваецца для стацыянарных HDD. Адзіная розніца складаецца толькі ў метадзе падлучэння дадатковага назапашвальніка да камп'ютэра або ноўтбука. Найбольш распаўсюджаным з'яўляецца злучэнне праз USB-інтэрфейс, які наўпрост злучаны з матчыным поплаткам. Пры гэтым, калі хочаце забяспечыць максімальную хуткадзейнасць, лепш выкарыстоўваць стандарт USB 3.0 (порт ўнутры афарбаваны ў сіні колер), натуральна, пры ўмове таго, што і сам вонкавы HDD яго падтрымлівае.

У астатнім жа, думаецца, шматлікім хоць трохі стала зразумела, як функцыянуе жорсткі дыск любога тыпу. Быць можа, вышэй было прыведзена занадта шмат тэхнічнай інфармацыі, тым больш нават са школьнага курсу фізікі, тым не менш без гэтага ў поўнай меры зразумець усе асноўныя прынцыпы і метады, закладзеныя ў тэхналогіях вытворчасці і прымянення HDD, зразумець не атрымаецца.