Как работает винчестер. Принцип работы жесткого диска

Как хорошо известно большинству пользователей персонального компьютера, все данные в ПК хранятся на жестком диске - устройстве хранения информации произвольного доступа, которое работает на основе принципа магнитной записи. Современные жесткие диски способны вместить в себе информацию, общим объемом до 6 терабайт (емкость самого вместительного на данный момент диска, выпущенного фирмой HGST), что еще десять лет назад казалось невозможным. Помимо того, что жесткий диск компьютера обладает колоссальной емкостью, благодаря применяющимся в его работе сложным современным технологиям он еще и позволяет получать практически мгновенный доступ к хранящейся на нем информации, без чего продуктивная работа ПК была бы невозможной. Как же устроено это чудо современной техники, и каким образом оно работает?

Устройство жесткого диска

Если снять верхнюю крышку жесткого диска, вы увидите лишь плату электроники и еще одну крышку, под которой находится герметическая зона. Именно в этой гермозоне и расположены основные элементы HDD. Несмотря на распространенное мнение, что гермозона жесткого диска содержит вакуум, это вовсе не так – внутри гермозона заполнена очищенным от пыли сухим воздухом, а в крышке обычно имеется небольшое отверстие с очищающим фильтром, предназначенное для выравнивания давления воздуха внутри гермозоны.

В целом жесткий диск состоит из следующих основных компонентов:

Принцип работы жесткого диска

Что же происходит, когда на жесткий диск компьютера подается питание и он начинает работать? Следуя команде электронного контроллера, двигатель жесткого диска начинает вращаться, приводя тем самым в движение и магнитные диски, которые жестко прикреплены к его оси. Как только скорость вращения шпинделя достигает значения, достаточного для того, чтобы над поверхностью диска образовался постоянный поток воздуха, который не даст считывающейся головке упасть на поверхность накопителя, механизм коромысла начинает двигать считывающие головки, и они зависают над поверхностью диска. При этом расстояние от считывающей головки до магнитного слоя накопителя составляет всего лишь около 10 нанометров, что равно одной миллиардной части метра.

Первым делом при включении жесткого диска происходит считывание с накопителя служебной информации (ее также называют «нулевой дорожкой»), которая содержит сведения о диске и его состоянии. Если сектора со служебной информацией повреждены, то винчестер не будет работать.

Затем начинается непосредственно работа с данными, расположенными на диске. Частицы ферромагнитного материала, которым покрыта поверхность диска, под воздействием магнитной головки условно формируют биты – единицы хранения цифровой информации. Данные на жестком диске распределены по дорожкам, представляющим собой кольцевую область на поверхности одного магнитного диска. Дорожка в свою очередь поделена на одинаковые отрезки, называемые секторами. Таким образом, паря над рабочей поверхностью диска, магнитная головка может посредством изменения магнитного поля осуществлять запись данных строго в определенное место накопителя, а с помощью улавливания магнитного потока происходит считывание информации по секторам.

Форматирование жесткого диска

Для того, чтобы на жесткий диск можно было наносить данные, его предварительно подвергают процессу форматирования. Также форматирование иногда требуется при переустановке операционной системы, правда во втором случае форматируется не весь диск, а лишь один его логический раздел.

Во время форматирования на диск наносится служебная информация, а также данные о нахождении секторов и треков на поверхности диска. Это необходимо для точного позиционирования магнитных головок при работе с жестким диском.

Характеристики жесткого диска

Современный рынок жестких дисков предлагает на выбор самые разнообразные модели винчестеров, отличающиеся между собой по различным техническим параметрам. Вот основные характеристики, по которым различаются жесткие диски:

• Интерфейс подключения. Большинство современных жестких дисков подключаются к материнской плате посредством интерфейса SATA, однако встречаются модели и с другими типами подключений: eSATA, FireWire, Thunderbolt и IDE.
• Емкость. Величина, характеризующая количество информации, способное поместиться на жестком диске. На данный момент наибольшей популярностью пользуются накопители емкостью 500 Гб и 1 Тб.
• Форм-фактор. Современные жесткие диски выпускают в двух физических размерах: 2,5 дюйма и 3,5 дюйма. Первые предназначены для использования в ноутбуках и компактных версиях ПК, вторые используются в обычных настольных компьютерах.
• Скорость вращения шпинделя. Чем выше скорость вращения шпинделя жесткого диска, тем быстрее он работает. Основная масса винчестеров на рынке имеют скорость вращения 5400 или 7200 оборотов за минуту, однако встречаются также диски со скоростью вращения шпинделя 10000 об/мин.
• Объем буфера. Для сглаживания разницы в скорости чтения/записи и передачи через интерфейс в жестких дисках используется промежуточная память, именуемая буфером. Объем буфера составляет от 8 до 128 мегабайт.
• Время произвольного доступа. Это время, которое требуется для выполнение операции по позиционированию магнитной головки на произвольный участок поверхности жесткого диска. Может составлять от 2,5 до 16 миллисекунд.

Почему жесткий диск называют винчестером?

Согласно одной из версий, свое неофициальное прозвище «винчестер» жесткий диск получил в 1973 году, когда был выпущен первый в мире HDD, в котором считывающие аэродинамические головки размещались в одной герметичной коробке с магнитными пластинами. Данный накопитель имел емкость 30 Мбайт плюс 30 Мбайт в сменном отсеке, из-за чего инженеры, которые трудились над его разработкой дали ему кодовое название 30-30, что было созвучно с обозначением популярного ружья, использующего патрон.30-30 Winchester. В начале девяностых годов название «винчестер» вышло из употребления в странах Европы и США, но до сих пор пользуется популярностью в русскоязычных странах. Также нередко можно услышать более сокращенную сленговую версию названия винчестер – «винт», употребляемую в основном компьютерными специалистами.

Сегодня не будет преувеличением сказать, что подавляющее большинство компьютерных пользователей знакомо с понятием «жесткий диск компьютера». Они знают, что каждый компьютер обладает «памятью», в которой хранится вся информация вроде фильмов, музыки, фотографий, игр и программ. Однако немногие от общего числа любителей поглазеть в монитор ушли в понимании этого загадочного запоминающего устройства дальше, нежели знание, что «это такая прямоугольная штука, в которой каким-то непонятным образом хранятся все файлы». И именно для тех читателей, которые хотят копнуть глубже и узнать, как работает жесткий диск, а также разобраться в его устройстве, была написана эта статья, в которой мы просто и по-русски раскроем эти вопросы.

Как работает жесткий диск компьютера?

Для начала сделаем небольшой экскурс в историю. Первый жесткий диск был создан компанией IBM почти шесть десятилетий назад, в 1957-м году. Его объем составлял 5 мегабайт — смешные по нынешним меркам цифры, однако тогда это был настоящий технологический прорыв. Через какое-то время инженеры той же компании создали жесткий диск объемом уже 30 МБ, и имевший дополнительные 30 МБ в сменном отсеке. Поскольку такая структура диска вызвала ассоциации с маркировкой патрона для популярного в Америке карабина Winchester – «.30-30» – конструкторы и дали этому жесткому диску кодовое название «винчестер». Интересным фактом является то, что в нынешние времена на Западе жесткие диски так уже практически никто не называет, однако в русскоязычной среде это название прижилось гораздо прочнее, породив к тому же удобный сокращенный вариант – «винт», которое повсеместно используется в разговорной речи.

Конструкция жесткого диска

А теперь перейдем непосредственно к гвоздю программы и начнем с его внутреннего устройства. Конструкция винчестера состоит из следующих компонентов.

1. Блок магнитных дисков или т.н. «блинов» (от одного до трех штук в одном блоке, расположенных один над другим) – по сути дела главный элемент жесткого диска. Каждый магнитный диск выполнен из алюминия или стекла и покрыт ферромагнитным материалом, зачастую двуокисью хрома. Данные записываются в магнитный слой при помощи магнитной головки.
2. Блок магнитных головок – представляет собой коромысло, подключенное к микросхеме усилителя-коммутатора, усиливающего получаемый при чтении с диска сигнал. На кончиках пластин коромысла находятся магнитные головки, которые и взаимодействуют с магнитным диском при выполнении операций чтения и записи.
3. Шпиндельный двигатель – специальный электродвигатель, который используется для разгона магнитных дисков. В зависимости от модели винчестера, этот показатель может достигать 15000 оборотов в минуту. Конструкция двигателя основана на использовании подшипников (шариковых и гидродинамических), что позволяет ему быть бесшумным и не создавать вибраций.
4. Плата контроллера – интегральная схема, функция которой заключается в управлении работой жесткого диска посредством преображения сигналов, которые передаются с магнитных головок, в понятные для компьютера.

Принцип работы жесткого диска

Изучив отдельные составляющие, мы можем нарисовать цельную картину происходящего и пошагово описать, как работает жесткий диск компьютера. Итак, винчестер запитан – электронный контроллер подает сигнал на шпиндельный двигатель, который начинает вращать магнитные диски, прочно закрепленные на его оси. После набора необходимой скорости вращения, при которой между блином и головкой появится воздушная прослойка, исключающая вероятность их соприкосновения, коромысло подводит к ним головки на «рабочее» расстояние, которое составляет около 10 нанометров (миллиардная часть метра, представьте себе!).

Первыми данными, получаемыми с включенного жесткого диска, всегда является служебная информация или т.н. «нулевая дорожка». В ней содержатся сведения о состоянии винчестера и его характеристиках. Если по какой-то причине получить эту информацию не удастся, устройство не загрузится и не будет работать.
Если же служебные данные получены успешно и не содержат ошибок, наступает фаза работы с информацией, непосредственно записанной на диске. Скорее всего, вас уже терзает вопрос – «а каким же образом она записывается?». Отвечаем: магнитные головки под воздействием токовых импульсов способны намагничивать участки диска, тем самым формируя биты (логические «нули» и «единицы», различные между собой по направленности магнитного момента). Иными словами, вся информация на жестком диске компьютера – это его по-разному намагниченные участки, которые после преобразования в стандартизированные сигналы распознаются компьютером и представляются пользователю в понятном ему виде. Следует отметить, что эти участки строго структурированы – они представляют собой т.н. «дорожки», то есть кольцевые области на поверхности магнитного диска.

Важно отметить, что блок головок является одним целым, поэтому все головки в нем перемещаются синхронно – следовательно, они всегда находятся над одной и той же дорожкой каждого отдельно взятого блина. Исходя из этого, в вертикальной плоскости дорожки образуют цилиндр. При этом каждая дорожка состоит из отрезков, которые называются «секторами». При записи информации в эти сектора магнитные головки изменяют их магнитное поле, а при считывании информации – просто его улавливают. Разобравшись с физической структурой хранения данных, можно сделать вывод, что объем жесткого диска равен произведению количества цилиндров, количества головок и количества секторов.

Форматирование жесткого диска

Рассказ о том, как работает жесткий диск компьютера, нельзя будет назвать полным, если в нем не будет затронута тема форматирования. Форматирование – это специальный процесс разметки области хранения информации винчестера, суть которого заключается в создании определенных структур доступа к этим данным, например файловой системы, посредством записи определенной служебной информации. При этом ранее хранимые данные уничтожаются (однако, не всегда безвозвратно). Наиболее часто форматирование производится при установке (или переустановке) на компьютере операционной системы, поскольку оптимальным для этого является именно «чистый», отформатированный диск, очищенный от данных предыдущей ОС. Чтобы не терять нужную информацию, «винт», как правило, предварительно логически разбивается на несколько разделов – в таком случае форматирование потребуется только тому разделу, на который будет устанавливаться ОС, данные же на остальных разделах останутся нетронутыми, что является очень удобным для пользователя подходом.

Многих пользователей интересует устройство жесткого диска. И неспроста, ведь на сегодняшний день самым распространенным накопителем информации на компьютере является HDD. Далее будут разобраны принципы его работы и структура.

Винчестер по своей сути напоминает проигрыватель на пластинках. В нем также содержатся пластинки и считывающие головки. Однако устройство HDD сложнее. Если мы разберем жесткий диск, то увидим, что в основном пластины металлические и покрыты магнитным слоем. Именно на него производится запись данных. В зависимости от объема винчестера пластин от 4 до 9. Они крепятся на валу, который называется «шпиндель» и имеет высокую скорость вращения от 3600 до 10000 оборотов/мин для изделий массового потребления.

Рядом с блоком пластин находится блок считывающих головок. Количество головок определяется количеством магнитных дисков, а именно по одной на каждую поверхность диска. В отличие от проигрывателя на жестких дисках головка не касается поверхности пластин, а зависает над ней. Это позволяет исключить механический износ. Поскольку пластины имеют высокую скорость вращения, а головки должны находиться на крайне малом постоянном расстоянии над ними, очень важно, чтобы во внутрь корпуса ничего не смогло попасть. Ведь малейшая пылинка может нанести физические повреждения. Именно поэтому механическую часть герметично закрывают кожухом, а электронную выносят на наружу.

Некоторые пользователи интересуются тем, как разобрать жесткий диск. Нужно понимать, что разбор рабочего накопителя предусматривает нарушение его герметичности. А это, в свою очередь, приведет его в негодность. Поэтому не стоит этого делать, если вы не готовы потерять все данные на носителе информации. Если у вас нет острой необходимости открывать накопитель, а всего лишь мучает любопытство, из чего состоит жесткий диск, вы можете посмотреть фото разобранного HDD.

Именно поэтому жесткие диски на магнитных дисках при ремонте разбирают и собирают в специальном ламинарном боксе. В нем при помощи системы подачи воздуха высокой очистки и герметичности поддерживается необходимая для проведения таких работ окружающая среда. Разобрав свой диск в домашних условиях Вы однозначно его приведете в неработоспособное состояние.

Считывающие головки в нерабочем состоянии находятся рядом с блоком пластин. Еще это называется «парковочное положение». Специальное устройство выносит головки в рабочую зону только тогда, когда диск разогнался до необходимой скорости. Все они перемещаются вместе, а не каждая отдельно. Это позволяет иметь быстрый доступ ко всем данным.

Электронная плата, или контроллер, как правило, крепится снизу винчестера. Ее ничего не защищает, и от этого она достаточно уязвима для механических и термических повреждений. Именно она осуществляет управление механикой. Винчестер от ноутбука отличается от стандартного 3,5-дюймового только размером. Принцип работы жесткого диска точно такой же. Отличаться они могут только количеством магнитных блинов и емкостью накопителя.

Как можно проследить, устройство жесткого диска подвержено ударам, встряскам, царапинам, значительным изменениям температур и скачкам напряжения. А это делает его не совсем надежным носителем информации. Именно из-за этого жесткий диск на ноутбуке выходит из строя чаще, чем на стационарном ПК. Ведь портативные устройства постоянно подвергают встряскам, порой падениям, выносят на холод или ставят на солнце. А это, в свою очередь, негативно сказывается на винчестере.

Чтобы продлить срок работы HDD, не подвергайте его падениям и ударам, следите за тем, чтобы была достаточная вентиляция корпуса, любые манипуляции с диском производите только при отключенном питании. Эти недостатки привели к появлению нового типа винчестеров SSD. Постепенно они теснят HDD, когда-то выглядевших великолепными носителями.

Логическое устройство

Мы узнали, как выглядит жесткий диск внутри. Теперь будем разбирать его логическое структурирование. Данные пишутся на жесткий диск компьютера на дорожки, которые делятся на определенные сектора. Объем каждого сектора составляет 512 байт. Последовательные сектора объединяются в кластер.

При установке нового HDD нужно произвести форматирование, иначе компьютер попросту не увидит свободное место на накопителе. Форматирование бывает физическое и логическое. Первое подразумевает разбивку диска на сектора. Некоторые из них могут определиться как «плохие», то есть непригодные к записи данных. В большинстве случаев накопитель уже имеет такое форматирование перед продажей.

Логическое форматирование подразумевает создание логического раздела жесткого диска. Это позволяет значительно упростить и оптимизировать работу с информацией. Под логический раздел (или, как еще называют, «логический диск») отводится определенная область накопителя. С ней можно работать как с отдельным винчестером. Чтобы понять, как работает жесткий диск со своими разделами, достаточно визуально разделить винчестер на 2-4 части в зависимости от количества логических томов. К каждому тому можно применить свою систему форматирования: FAT32, NTFS или exFAT.

Технические данные

Друг от друга HDD отличаются по таким данным:

• объемом;
• скоростью вращения шпинделя;
• интерфейсом.

На сегодняшний день средний объем винчестера 500-1000 Гб. Он определяет количество информации, которое вы можете записать на носитель. От скорости вращения шпинделя будет зависеть, как быстро вы сможете иметь доступ к данным, то есть чтение и запись информации. Самым распространенным интерфейсом является SATA, который пришел на смену уже морально устаревшему и медленному IDE. Друг от друга они отличаются пропускной способностью и типом разъема подключения к материнской плате. Отметим, что диск современного ноутбука может иметь только интерфейс SATA или SATA2.

В данной статье было рассмотрено, как устроен жесткий диск, его принципы работы, техданные и логическая структура.

Инструкция

Конструкция винчестера состоит из блока металлических дисков со специальным покрытием, способным запоминать и хранить воздействие магнитного поля. Современные конструкции состоят из 1–3 дисков, которые отлично сбалансированы и имеют идеально ровную поверхность, потому что скорость вращения достаточно велика и достигает от 7200 до 10000 об/мин, а точность позиционирования головок должна быть высокой.

Для записи и чтения информации на диске используются специальные магнитные головки. Чаще всего по две на диск – с обеих сторон. При воздействии токовых импульсов головки формируют магнитное поле и намагничивают участок диска магнитным моментом заданной направленности (логическая «единица» или логический «ноль»). Процесс записи осуществляется подачей токового импульса в необходимый момент времени, магнитная головка позиционируется в нужном месте. При считывании информации с диска головки реагируют на перемены в магнитном поле через возбуждение силы тока в них. Аналоговый сигнал такого типа считывается и преобразуется в цифровой. В таком виде передается в компьютерную систему.

Информация на магнитном диске размещается и хранится на дорожках, в виде концентрированных окружностей. Все магнитные головки винчестера составляют один общий блок. Перемещаются с одной дорожки диска на другую одновременно. Одна головка обслуживает одну сторону диска. То есть головки находятся на одной и той же дорожке над разными дисками в любой момент времени. Таким образом данная совокупность дорожек образует цилиндр. В последнее время для перемещения магнитных головок используется соленоидный привод. Они перемещаются вокруг своей оси. Катушка, закрепленная с обратной стороны головки, перемещает их над поверхностью диска при помощи электромагнита. Касание головок к диску не допускается, в момент отключения от электропитания они уводятся от поверхности в сторону.

Каждая дорожка диска разделяется на сектора – наименьшие элементы дискового пространства с объемом для хранения информации 512 байт. Общий объем памяти винчестера можно определить произведением количества головок, цилиндров и секторов. Также стоит учесть, что при изготовлении дисков образуются бракованные сектора и дорожки. Этого процесса не избежать. Данные участки при эксплуатации не учитываются. Главное, чтобы сам диск имел необходимый общий объем.

Логическое размещение головок, цилиндров и секторов обычно отличается от физического и указывается на крышке винчестера. Параметры на жесткий диск заносятся программой Setup, и далее компьютер работает с логической разбивкой. Для согласования физических и логических значений устройства используется специальная процедура – трансляция параметров диска. Данный блок расположен на самом винчестере и осуществляет преобразование логических коридоров в физические, чем обеспечивает доступ к нужной части физического диска.

Мы не будем касаться технических особенностей устройства переносных дисков. Эту информацию можно отыскать на специализированных ресурсах в сети. Мы рассмотрим те особенности устройства съемного диска, которые необходимо знать пользователю, и пренебрежение которыми является основной причиной потери данных, и обращения к нам для восстановления этих данных.

Открываем коробку и извлекаем оттуда жесткий диск. Раньше переносной жесткий диск представлял собой стандартный SATA мобильный жесткий диск форм-фактора 2.5” дюйма с USB переходником. Сейчас это всё тот же 2.5 дюймовый накопитель, но плата электроники жесткого диска уже содержит USB мост (читай переходник) и USB разъем.

Современный жесткий диск состоит из двух основных частей. Это герметичный корпус с магнитными дисками и головками — его принято называть «гермоблок». И плата электроники, часто называемая контроллер, которая управляет всем этим хозяйством.

Что за магия внутри переносного диска?

Немного подробнее остановимся на гермоблоке. Он потому и называется гермоблоком, что он герметичный. Герметичность корпуса жесткого диска необходима для того, чтобы туда не попала пыль и мелкие частицы из окружающей среды. Внутри этого диска обычный атмосферный воздух, только очень чистый.

Правда, на сегодняшний день появились жесткие диски большой плотности, которые наполнены гелием. Это современные диски объемом от 6 терабайт.

Магнитные головки парят над поверхностями вращающихся дисков на расстоянии 5-10 нанометров на воздушной подушке. Электромагнитная катушка приводит в движение кронштейн с блоками магнитных головок, и таким образом производится позиционирование головок в нужное место диска.

Когда диск не работает, головки находятся на специальном устройстве парковки за пределами дисков. Дело в том, что поверхность дисков настолько гладкая, что головки мгновенно намертво прилипают к поверхностям, если находятся над ними, а диски не вращаются.

Сухая статистика

Если жесткий диск переносной, то в 95% случаев причиной обращения в ремонт является то, что он получил удар или его уронили. Это подтверждает наша 15-ти летняя статистика.

А это значит, что головки жесткого диска вылетают с парковочной гребенки и прилипают к поверхности дисков. Либо царапают вращающиеся диски, повреждая магнитную поверхность, повреждаясь сами.

Примерно в половине подобных случаев, диски самостоятельно вскрывают в бытовых условиях, что-то там смотрят, включают, выключают, двигают, шевелят, пачкают диски и лишь, затем думают о поиске центра восстановления информации.

Зачем? Чтобы заплатить за восстановление информации в 2-3 раза больше.

Или потерять информацию навсегда

Как правильно обращаться с переносным диском, если вам дорога информация.

• Не стукайте и не роняйте переносной диск.
• Если вы уронили переносной диск – не включайте его. Неизвестно в каком состоянии его головки.
• Если вы включили его после удара, а он издает непривычные звуки: скрипит, шумит, клацает, шкрябает – немедленно выключайте его.
• Не перемещайте переносной диск в процессе работы.
• Используйте только толстый качественный или только оригинальный usb кабель от внешнего диска.
• Не используйте usb кабель от мобильного телефона.
• Не эксплуатируйте переносной жесткий диск с поврежденным usb кабелем.
• Не эксплуатируйте переносной жесткий диск с поврежденным usb разъемом.
• Не позволяйте предпринимать неквалифицированные попытки ремонта переносного жесткого диска.

Если нужно сберечь данные — сразу ищите квалифицированных специалистов с хорошей репутацией.