10 Внешняя память Жёсткие диски

6.1. Устройство жёсткого диска

Современный компьютер невозможно представить без основного носителя информации - жесткого диска, ставшего одним из основных компонентов системы. Жесткие диски все чаще находят применение и в бытовых устройствах- цифровых видеомагнитофонах, карманных компьютерах, mp3-плеерах, в цифровых фотоаппаратах, поскольку только жесткий диск способен сегодня предоставить ёмкость, измеряемую сотнями гигабайт, при приёмлемой скорости работы, компактности устройства и цены хранения информации.

История жестких дисков началась в 1952 году, когда корпорация IBM предложила одному из своих ведущих инженеров, Рейнольду Джонсону, возглавить новую исследовательскую лабораторию. В те годы приоритетной задачей был поиск альтернативы чрезвычайно медленным перфокартам и магнитным лентам, требовались высокоемкие накопители информации с произвольным доступом. Результатом пятилетнего труда команды Рейнольда стало создание в 1955 году накопителя на жестких дисках IBM 350 Disk File.

Р ис.6.1. Первый жёсткий диск - IBM 350 Disk File

Н акопитель состоял из 50 дисков диаметром 24 дюйма, вращавшихся со скоростью 1200 об/мин. Среднее время доступа к произвольной ячейке составляло 1 с, плотность записи – 2 Кбит на квадратный дюйм, емкость – 5 Мбайт. Размер накопителя был сравним с двумя современными двухкамерными холодильниками. С тех пор плотность записи на пластины возросла более чем в 60 миллионов раз, достигнув 120 Гбит/дюйм². Название "жёсткий диск" устойчиво ассоциируется с жаргонным названием "винчестер" у тех, кто имеет отношение к информационным технологиям, с 1973 года, когда компания IBM разработала жёсткий диск модели 3340, имевший неофициальное название "Винчестер". Это был 60-ти мегабайтный жесткий диск, состоявший из четырех 14-ти дюймовых пластин. В техническом задании на разработку диска было указано, что накопитель должен иметь 30 Мбайт стационарно установленных дисков и 30 Мбайт сменного модуля данных, поэтому сначала этому диску дали название 30/30, а затем руководитель проекта, Кен Хофтен (Ken Haughten) назвал его винчестером, поскольку широко известная в Америке магазинная винтовка О.Ф.Винчестера имела калибр 30-30. Эти цифры обозначали 30-й калибр (7,62 мм) с 30 гранами пороха (около 2 граммов). Со временем все жёсткие диски стали называть "винчестерами".

Рис. 6.2. Вид жёсткого диска изнутри.

Жёсткий диск представляет собой жёсткую плотно закрытую (но не герметичную) металлическую коробку, в которой размещены от 1 до 5-ти круглых пластин, которые крепятся на оси – шпинделе, вращающейся с высокой скоростью (5400- 15000 об/мин) с помощью электродвигателя, который расположен внутри той же коробки. Пластины (platters) обычно изготавливаются из алюминия, но некоторые фирмы используют стекло, пластик или керамику, менее подверженные температурным расширениям при сохранении необходимой жёсткости при вращении. На каждую пластину с обеих сторон нанесено специальное магнитное покрытие. Раньше магнитный слой создавали напылением оксида железа, сейчас используют гамма-феррит-оксид, изотропный оксид и феррит бария. Наибольшее распространение получили диски с напылением железа, кобальта или никеля. Это три химических элемента, обладающие магнитными свойствами. Лучшие магнитные свойства можно получить, используя сплавы этих веществ друг с другом и немагнитными веществами- особенно с редкоземельными. Запись/считывание информации на жёстких дисках осуществляется с помощью плавающих магнитных головок, которые имеют очень малую массу и при вращении диска поднимаются над его поверхностью на воздушной подушке, создаваемой аэродинамикой диска и формой магнитной головки. Очевидно, что подъемная сила зависит от давления воздуха на головки. Давление воздуха в диске, в свою очередь, зависит от внешнего атмосферного давления. Поэтому некоторые производители указывают в спецификации на свои устройства предельный потолок эксплуатации над уровнем моря (например, 3000 м). Толщина зазора между головкой и диском (Head Gap) очень мала, на современных жёстких дисках она составляет 10- 15 нм (меньше толщины человеческого волоса и даже меньше частицы сигаретного дыма). Уменьшение зазора позволяет увеличить плотность записи, а следовательно и информационную ёмкость диска.

Принцип записи информации на жёсткий диск в общих чертах схож с тем, как ведётся запись на магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, которая индуцирует магнитное поле, воздействующее на диск. Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности, которые можно образно представить как много маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие магнитные частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля от магнитных головок собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. При чтении данных с диска, участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности.

Магнитные головки перемещаются от края вращающейся пластины к её центру с помощью линейного двигателя, устроенного наподобие катушки динамика, что обеспечивает быстроту срабатывания. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Выполнив запись/чтение на одной дорожке, магнитные головки перемещаются на другую дорожку. Совокупность дорожек, расположенных одна под другой на всех пластинах диска, называют цилиндром.

К корпусу жёсткого диска обычно крепится печатная плата с электронной схемой, обеспечивающей нормальную работу диска. Она расшифровывает команды контроллера и передает их в виде изменяющегоcя напряжения на двигатель, перемещающий магнитные головки к нужному цилиндру диска. Электронная схема также стабилизирует вращение пакета пластин диска, вырабатывает сигналы для головок при записи и усиливает считываемые сигналы. К жёсткому диску обычно прикреплены два кабеля: 4-проводный кабель питания и многопроводный плоский кабель (шлейф) для обмена данными между жёстким диском и его управляющей схемой- контроллером.