Жесткий диск (Hard Disk Drive, HDD) — это энергонезависимая память компьютера, которая используется для длительного хранения данных. Информация записывается на жестких носителях (дисках из специальных сплавов с ферромагнитным покрытием), которые и определили название накопителя. Жесткий диск может быть частью аппаратного обеспечения компьютера или использоваться в качестве внешнего устройства. HDD отлично подходит для постоянного хранения музыки, фото, видео, программ и прочих редко используемых данных. Далее, подробно рассмотрим: устройство и характеристики жесткого диска.
Устройство жесткого диска
Устройство жесткого диска можно условно разделить на две части: механическую — гермозона, и логическую — блок электроники.
- Гермозона — это герметически закрытая область, в которой находится сам жесткий диск. Гермоблок предназначен для защиты хрупких и чувствительных элементов жесткого диска от пыли, влаги, а также различных механических воздействий. Внутри гермозоны располагаются магнитные пластины, на которых хранится информация, блок головок чтения/записи, а также двигатель, обеспечивающий вращение магнитных пластин. Гермоблок обеспечивает необходимый уровень герметичности и помогает поддерживать оптимальную рабочую среду для жесткого диска, продлевая тем самым его срок службы и обеспечивая сохранность данных.
- Блок электроники — это плата контроллера, который управляет механическими компонентами жесткого диска и обеспечивает его взаимодействие с компьютером. Он отвечает за вращение дисков, позиционирование головок чтения/записи и передачу данных.
Гермозона жесткого диска
Гермоблок HDD заполняется чистым и сухим воздухом или нейтральным газом. Для нормализации давления внутри гермозоны используется тонкая мембрана. Контроль давления необходим для предотвращения деформации крышки и уплотнительных резинок гермоблока, при перепадах атмосферного давления и температуры, в том числе при прогреве HDD в процессе его работы. Деформация может привести к попаданию пыли и влаги внутрь жесткого диска, что значительно снижает его ресурс работы, несмотря на то, что гермоблок имеет пылеуловитель и абсорбирующее вещество для поглощения влаги.
Гермозона содержит: диски с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования и парковки, электропривод шпинделя.
Магнитные пластины
Магнитные диски — это пластины из алюминия или стекла, покрытые ферромагнитными материалами, которые могут сохранять биты данных (0 или 1) в виде магнитных зарядов. Для распределения зарядов диск делится на дорожки, сектора и кластеры (группа секторов).
Блок головок чтения/записи
Пакет рычагов из пружинистой стали с закрепленными головками на концах. Магнитные пластины имеют две стороны, и на каждой стороне есть головка чтения/записи, которая может свободно перемещаться вдоль радиуса диска для доступа к разным частям поверхности пластины.
Устройство позиционирования головок
Для перемещения головок к нужной дорожке на магнитном диске, используется специальный механизм, который позволяет точно позиционировать головку чтения/записи над нужной областью диска. Устройство позиционирования состоит из неподвижной пары сильных постоянных магнитов и катушки, которая размещена на подвижном блоке головок.
Двигатель и шпиндель
Пластины устанавливаются на специальный вращающийся вал, который называют шпинделем. Двигатель вращает шпиндель со скоростью 5400, 7200 или 10000 оборотов в минуту — об/мин. Высокая скорость вращения диска создает вблизи поверхности мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над пластиной. Пока диски не разогнались до нужной скорости для «взлёта» головок чтения/записи, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности диска.
Блок электроники жесткого диска
Блок электроники HDD осуществляет управление механическими и электрическими компонентами жесткого диска:
- Контролирует скорость вращения, давление, температуру;
- Выполняет позиционирование головок;
- Осуществляет операции чтения/записи;
- Сохраняет данные в буферной памяти;
- Отслеживает состояние жесткого диска.
Главными компонентами электронного блока являются: контроллер, интерфейсные порты и кэш-память.
Контроллер HDD
Основная задача контроллера жесткого диска — управлять процессами чтения/записи и обеспечивать взаимодействие с SATA-контроллером материнской платы. Микросхема отвечает за преобразование цифровых сигналов, получаемых от жесткого диска, в формат, понятный компьютеру. При обработке данных, контроллер выполняет коррекцию ошибок, и, если необходимо, задействует механизм кэширования для улучшения общей производительности системы. Важной функцией контроллера является обеспечение безопасности и сохранности данных. Он управляет процессами, связанными с обнаружением и исправлением ошибок на диске, а также обеспечивает выполнение команд по управлению энергопотреблением и защите данных от потери в случае сбоев системы.
Кэш-память
Буфер жесткого диска, также известный как кэш жесткого диска или кэш-память — это RAM-память небольшого объёма, предназначенная для временного хранения данных. Кэш-память используется для улучшения производительности HDD при чтении или записи данных.
Когда операционная система запрашивает доступ к данным на жестком диске, они могут быть временно загружены в кэш-память. После этого операционная система может работать с данными в буфере, что ускоряет выполнение операций ввода/вывода, поскольку обращение к кэш-памяти происходит быстрее, чем непосредственно к физическому жесткому диску.
Интерфейсные порты
Интерфейсные порты жесткого диска — это разъемы, которые используются для подключения HDD к компьютеру или другому устройству. Широко применяются следующие типы интерфейсов:
- SATA (Serial ATA) — это последовательный интерфейс передачи данных. SATA III — последняя версия интерфейса, которая предлагает высокую скорость передачи данных.
- SAS (Serial Attached SCSI) — это интерфейс с высокой пропускной способностью — используется в серверах.
Характеристики жесткого диска
Форм-фактор — это стандарт, который определяет размеры жесткого диска, его конструкцию, расположение крепежных отверстий и интерфейсов подключения. Существует несколько стандартных форм-факторов, таких как 3.5 дюйма для настольных компьютеров и 2.5 дюйма для ноутбуков. Форм-фактор влияет на возможность установки жесткого диска в определенные типы компьютерных корпусов, что важно при выборе оборудования, и обеспечивает совместимость и обмен устройств между различными системами.
Объем HDD — это количество данных, которое можно хранить на жестком диске. Емкость измеряется в гигабайтах (ГБ) или терабайтах (ТБ). Чем больше объем жесткого диска, тем больше информации, файлов и программ можно на нем сохранить. Современные жесткие диски имеют объем от 512 ГБ до 22 ТБ. Важно отметить, что часть пространства жесткого диска может быть занята системными файлами и служебной информацией, поэтому фактический объем, доступный для использования, может быть немного меньше номинальной емкости диска.
Скорость вращения шпинделя — это параметр, который обозначает, с какой скоростью вращаются магнитные диски внутри накопителя. Скорость вращения измеряется в оборотах в минуту (об/мин, rpm) и варьируется от 5400 до 15000 об/мин. Жесткие диски для ноутбуков имеют скорость вращения 5400 и 7200 об/мин. В компьютер, обычно устанавливают жесткие диски со скоростью вращения 7200 об/мин. Серверы используют более быстрые HDD — 10000 и 15000 об/мин. Параметр RPM влияет на время доступа и среднюю скорость чтения/записи накопителя.
Интерфейс подключения — это стандарт, определяющий способ взаимодействия HDD с другими компонентами компьютерной системы. Интерфейс определяет физические и электрические характеристики соединения, а также протоколы передачи данных между устройствами.
На данный момент широко распространены два интерфейса:
- SATA (Serial ATA) — пропускная способность 6 Гбит/с (600 Мбайт/с) в версии SATA 3.0 (SATA III) — используется в компьютерах и ноутбуках,
- SAS (Serial Attached SCSI) — скорость передачи данных составлять 12 Гбит/с — применяется в серверах. Есть версии с поддержкой максимальной скорости до 24 Гбит/с.
Объем кэш-памяти — это параметр, который указывает на размер буферной памяти жесткого диска используемой для оптимизации процессов чтения/записи. Чем больше объем кэша, тем быстрее работает накопитель. Максимальный объем кэш-памяти жесткого диска, на данный момент, составляет 512 МБ.
Уровень шума — это показатель громкости звука, издаваемого жестким диском в процессе работы, — измеряется в децибелах (дБ, dB). На интенсивность шума влияют такие факторы, как скорость вращения шпинделя, работа механизма позиционирования головок чтения/записи, и аэродинамические эффекты, возникающие в момент вращения пластин. Показатели уровня шума HDD варьируются от 20 до 40 дБ. Относительно тихими накопителями считаются жесткие диски с уровнем шума до 26 дБ.