Жесткие диски (Винчестеры)

Жесткий диск (Hard Disk Drive - HDD) устроен следующим образом (рис. 1.2): на шпинделе, соединенным с мотором, находится блок из нескольких дисков (пластин). Эти диски и есть та самая магнитная поверхность, покрытая доменами, причем над каждой из пластин находятся головки для чтения/записи информации (почти как в магнитофоне).

Рис. 1.2 Устройство жесткого диска

Условно каждый диск разбивается на дорожки (треки) и секторы. Каждый сектор – часть трека. При работе, головки "летят" над дорожками дисков в воздушном потоке, который создается при вращении дисков. Это явление получило название «эффект Бернулли». При необходимости, головки записывают или считывают с диска домены и передают полученную информацию на дальнейшую обработку. Если этого не требуется, диски не перестают крутиться и только при отключении электропитания, головки отводятся специально предназначенное место. Таким образом, пластины вертятся всегда, пока включен компьютер.

Сам жесткий диск представляет из себя пластину с напылением высококачественного ферромагнетика. В качестве материала для пластины применяют алюминий, керамику или стекло, а в качестве магнитного слоя наносят окись хрома или тонкопленочное металлическое покрытие.

Для записи или считывания информации с поверхности диска, головка создает магнитное поле, намагничивая тем самым участок диска - при считывании намагниченный участок диска возбуждает сигнал в головке. Для того, чтобы можно было воспользоваться эффектом Бернулли, им придают специальную аэродинамическую форму наподобие крыла самолета. Расстояние от головки до поверхности диска весьма мало и составляет около 0,5 мкм над поверхностью диска, поэтому обращаться с этим устройством следует осторожно.

Если хоть немного повредить покрытие пластины, то мельчайшие крошки покрытия начнут разлетаться по всей поверхности диска. Учитывая то, что скорость вращения пластин составляет тысячи оборотов в минуту, осколки на большой скорости будут царапать головку и покрытие пластины, а разогрев головки из-за трения об осколки приведет к постепенной поломке. Это, еще не говоря о потерянных данных. Конструкция жесткого диска весьма неустойчива к различного вида ударам и повреждениям, поэтому он является устройством наиболее подверженным порче и механическому износу.

Для обеспечения сохранности данных и повышения производительности часто на компьютер устанавливается несколько жестких дисков. При этом реализуются различные технологии.

В настоящий момент наиболее экономичным решением является параллельное использование нескольких дисков – дискового массива RAID (Redundat Array of Inexpensive Disks – избыточный массив недорогих дисков). Подключение нескольких, как правило, однотипных дисков к RAID-контроллеру позволяет сформировать массив с улучшенными свойствами: отказоустойчивость, дублирование данных (mirroring - зеркальное отражение), запись проверочных кодов и так далее в зависимости от используемого алгоритма представления диска (уровня RAID массива). RAID массивы реализуются аппаратными, программными и программно-аппаратными средствами.

Основными техническими параметрами жестких дисков являются:

1. Cкорость вращения (для современных дисков от 7200 оборотов в минуту).

2. Объем жесткого диска (для современных дисков от 150 Гб до 3000 Гб), примечательно, что на самих винчестерах емкость указывается миллиардах байт (приставка Г), тогда как 1 гигабайт содержит 1 073 741 824 байт и некоторые люди сильно удивляются, обнаружив, что указанная на упаковке емкость «не соответствует» реальным показателям.

3. Объем встроенной кэш памяти жесткого диска (как правило, 8 или 16 Мб).

4. Ударостойкость (измеряется в специальных единицах G, которые указываются в документации или маркируются на самом жестком диске; чувствительность к ударным воздействиям приводится для выключенного диска и для режимов чтения и записи). Жесткие диски нельзя подвергать механическому воздействию (ударам, тряске, вибрации), а также воздействию магнитных волн, так как все это может привести к потери данных и физическому выходу устройства из строя.

5. Поддерживаемые типы интерфейсов.

Интерфейсы жестких дисков регламентируют порядок и скорость обмена данными с системной шиной. В настоящее время используются следующие интерфейсы (по убыванию производительности): ATA, SATA, SCSI, SAS.

ATA (Advanced Technology Attachment) был разработан в 1989 году. Использование интерфейса ATA подразумевается при упоминании аббревиатур IDE, UDMA и ATAPI. В прайс-листах жесткие диски с этим интерфейсом обозначаются как IDE (Integrated Drive Electronics, т. е. электроника, встроенная в привод), это означает, что в таких устройствах контроллер привода является встроенным, а не выполнен в виде отдельной платы расширения, как в предшествующих интерфейсах. Этапами развития интерфейса были реализация механизма прямого доступа к оперативной памяти - UDMA (Ultra Direct Memory Аccess) и возможности подключения не только жестких дисков, но и других внешних запоминающих устройств - ATAPI (Advanced Technology Attachment Packet Interface).

SATA (Serial ATA) является развитием интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA). На рисунке 1.3 представлены разъемы интерфейса SATA.

разъём питания SATA разъём данных SATA разъёмы SATA на МП

Рис. 1.3. Разъемы интерфейса SATA

SCSI (Small Computer Systems Interface) – интерфейс, разработанный для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств, таких как жесткие диски, накопители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стримеры, сканеры, принтеры и т. д. Теоретически возможен выпуск устройства любого типа на шине SCSI.

После стандартизации в 1986 году, SCSI начал широко применяться в компьютерах Apple Macintosh, Sun Microsystems. В IBM совместимых ПК SCSI не пользуется такой популярностью в связи со своей сложностью и сравнительно высокой стоимостью.

В настоящее время SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях; RAID-массивы на серверах часто строятся на жёстких дисках со SCSI-интерфейсом (хотя в настоящее время на серверах нижнего ценового диапазона всё чаще применяются RAID -массивы на основе SATA).

SAS (Serial Attached SCSI) – интерфейс, являющийся развитием SCSI и совместимый с SATA (совместимость с SATA обратная, т.е. устройства с интерфейсом SATA можно подключить к SAS, но не наоборот).

Рассмотрим следующее описание жесткого диска:

Жесткий диск 300ГБ Western Digital "VelociRaptor WD3000HLFS" 10000об./мин., 16МБ (SATA II)

Спецификация:

1. объем (емкость) жесткого диска: 300 Гбайт;

2. производитель: Western Digital;

3. маркировка: VelociRaptor WD3000HLFS;

4. поддерживаемый интерфейс: Serial ATA II;

5. скорость вращения пластин в диске: 10000 оборотов в минуту;

6. объем встроенной кэш памяти: 16 Мбайт.