Ce este un hard disk de calculator? În detaliu și simplu despre hard disk, cunoscut și sub numele de HDD (hard disk drive)

Salutări tuturor cititorilor blogului. Mulți oameni sunt interesați de întrebarea cum funcționează hard diskul unui computer. Prin urmare, am decis să dedic articolul de astăzi acestui lucru.

Hard disk-ul unui computer (HDD sau hard disk) este necesar pentru a stoca informații după ce computerul este oprit, spre deosebire de RAM () - care stochează informații până când sursa de alimentare este întreruptă (până când computerul este oprit).

Un hard disk poate fi numit pe bună dreptate o adevărată operă de artă, doar una de inginerie. Da Da exact. Totul înăuntru este atât de complicat. În acest moment, în întreaga lume, hard disk-ul este cel mai popular dispozitiv pentru stocarea informațiilor, este la egalitate cu dispozitive precum memoria flash (unități flash), SSD. Mulți oameni au auzit despre complexitatea hard disk-ului și sunt perplexi cu privire la modul în care se potrivește atât de multe informații și, prin urmare, ar dori să știe cum este structurat hard disk-ul computerului sau în ce constă. Astăzi va exista o astfel de oportunitate).

Un hard disk este format din cinci părți principale. Și primul dintre ei este circuit integrat, care sincronizează discul cu computerul și gestionează toate procesele.

A doua parte este motorul electric(ax), face ca discul să se rotească cu o viteză de aproximativ 7200 rpm, iar circuitul integrat menține constantă viteza de rotație.

Și acum al treilea, probabil partea cea mai importantă este culbutorul, care poate scrie și citi informații. Capătul culbutorului este de obicei despicat pentru a permite operarea simultană a mai multor discuri. Cu toate acestea, capul basculant nu intră niciodată în contact cu discurile. Există un decalaj între suprafața discului și cap, dimensiunea acestui spațiu este de aproximativ cinci mii de ori mai mică decât grosimea unui păr uman!

Dar să vedem în continuare ce se întâmplă dacă golul dispare și capul basculant intră în contact cu suprafața discului rotativ. Ne amintim încă de la școală că F=m*a (a doua lege a lui Newton, după părerea mea), din care rezultă că un obiect cu o masă mică și o accelerație uriașă devine incredibil de greu. Având în vedere viteza enormă de rotație a discului în sine, greutatea capului basculant devine foarte, foarte vizibilă. Desigur, deteriorarea discului este inevitabil în acest caz. Apropo, asta s-a întâmplat cu discul în care acest gol a dispărut dintr-un motiv oarecare:

Rolul forței de frecare este de asemenea important, adică. absența sa aproape completă, când rockerul începe să citească informații, în timp ce se mișcă de până la 60 de ori pe secundă. Dar stai, unde este motorul care antrenează culbutorul și la o asemenea viteză? De fapt, nu este vizibil, deoarece este un sistem electromagnetic care lucrează la interacțiunea a 2 forțe ale naturii: electricitatea și magnetismul. Această interacțiune vă permite să accelerați rockerul la viteza luminii, în sensul literal.

Partea a patra- hard disk-ul în sine este locul de unde sunt scrise și citite informațiile; apropo, pot fi mai multe dintre ele.

Ei bine, a cincea și ultima parte a designului hard disk-ului este, desigur, cazul în care sunt instalate toate celelalte componente. Materialele folosite sunt următoarele: aproape întregul corp este din plastic, dar capacul superior este întotdeauna metal. Carcasa asamblată este adesea numită „zonă ermetică”. Există o părere că nu există aer în interiorul zonei de izolare sau, mai degrabă, că există un vid acolo. Această opinie se bazează pe faptul că, la viteze atât de mari de rotație a discului, chiar și un fir de praf care intră înăuntru poate face o mulțime de lucruri rele. Și acest lucru este aproape adevărat, cu excepția faptului că acolo nu există vid - dar există aer purificat, uscat sau gaz neutru - azot, de exemplu. Deși, probabil, în versiunile anterioare de hard disk, în loc să purifice aerul, a fost pur și simplu pompat.

Vorbeam despre componente, i.e. in ce consta un hard disk?. Acum să vorbim despre stocarea datelor.

Cum și sub ce formă sunt stocate datele pe hard diskul unui computer?

Datele sunt stocate în piste înguste de pe suprafața discului. În timpul producției, peste 200 de mii dintre aceste piese sunt aplicate pe disc. Fiecare pistă este împărțită în sectoare.

Hărțile traseelor ​​și sectoarelor vă permit să determinați unde să scrieți sau să citiți informațiile. Din nou, toate informațiile despre sectoare și piste se află în memoria circuitului integrat, care, spre deosebire de alte componente ale hard disk-ului, nu se află în interiorul carcasei, ci în exterior și, de obicei, în partea de jos.

Suprafața discului în sine este netedă și strălucitoare, dar acest lucru este doar la prima vedere. La o inspecție mai atentă, structura suprafeței se dovedește a fi mai complexă. Faptul este că discul este realizat dintr-un aliaj metalic acoperit cu un strat feromagnetic. Acest strat face toată treaba. Stratul feromagnetic își amintește toate informațiile, cum? Foarte simplu. Capul basculant magnetizează o zonă microscopică de pe film (stratul ferromagnetic), stabilind momentul magnetic al unei astfel de celule la una dintre stările: o sau 1. Fiecare astfel de zero și unu se numesc biți. Astfel, orice informație înregistrată pe un hard disk, de fapt, reprezintă o anumită secvență și un anumit număr de zerouri și unități. De exemplu, o fotografie de bună calitate ocupă aproximativ 29 de milioane din aceste celule și este împrăștiată în 12 sectoare diferite. Da, sună impresionant, dar, în realitate, un număr atât de mare de biți ocupă o zonă foarte mică de pe suprafața discului. Fiecare centimetru pătrat al suprafeței unui hard disk conține câteva zeci de miliarde de biți.

Cum funcționează un hard disk

Tocmai ne-am uitat la dispozitivul de hard disk, fiecare dintre componentele sale separat. Acum propun să conectez totul la un anumit sistem, datorită căruia însuși principiul de funcționare al hard disk-ului va fi clar.

Asa de, principiul pe care funcționează un hard diskîn continuare: atunci când hard disk-ul este pus în funcțiune, aceasta înseamnă că fie i se scrie, fie se citesc informații din el, fie din el, motorul electric (axul) începe să capete avânt și, din moment ce hard disk-urile sunt atașate la axul în sine, în consecință, merg cu el și încep să se rotească. Și până când rotațiile discului (discurilor) au atins un astfel de nivel încât se formează o pernă de aer între capul balansoarului și disc, balansierul este situat într-o „zonă de parcare” specială pentru a evita deteriorarea. Așa arată.

De îndată ce viteza atinge nivelul dorit, servomotorul (motorul electromagnetic) mișcă culbutorul, care este deja poziționat în locul de unde trebuie scrise sau citite informațiile. Acest lucru este facilitat de un circuit integrat care controlează toate mișcările balansoarului.

Există o opinie larg răspândită, un fel de mit, că în momente când discul este „inactiv”, adică. Nu se efectuează temporar operațiuni de citire/scriere cu acesta, iar hard disk-urile din interior nu se mai rotesc. Acesta este cu adevărat un mit, deoarece, de fapt, hard disk-urile din interiorul carcasei se rotesc constant, chiar și atunci când hard disk-ul este în modul de economisire a energiei și nu este scris nimic în el.

Ei bine, ne-am uitat în detaliu la dispozitivul unui hard disk al computerului. Desigur, în cadrul unui articol, este imposibil să vorbim despre tot ce are legătură cu hard disk-urile. De exemplu, acest articol nu a vorbit despre - acesta este un subiect mare, am decis să scriu un articol separat despre el.

Am găsit un videoclip interesant despre cum funcționează un hard disk în diferite moduri

Vă mulțumesc tuturor pentru atenție, dacă încă nu v-ați abonat la actualizările de pe acest site, vă recomand cu căldură să faceți acest lucru pentru a nu rata materiale interesante și utile. Ne vedem pe paginile blogului!

Hard disk-uri

Este realizat de un student
grupele 40-101B.
Karimov K.R.
Profesor:
Usov P.A.

1. Principiul de funcționare al unui hard disk.. 3

2. Dispozitiv de disc.. 5

3. Funcționarea hard diskului... 10

4. Volumul, viteza și timpul de acces.. 12

5. Interfețe pentru hard disk.. 14

6. Hard disk-uri externe... 16

Cum funcționează un hard disk

Un hard disk este unul dintre cele mai avansate și complexe dispozitive ale unui computer personal modern. Discurile sale sunt capabile să stocheze mulți megaocteți de informații transmise la viteză enormă. În timp ce majoritatea componentelor computerului funcționează în tăcere, hard disk-ul mormăie și scârțâie, făcându-l unul dintre puținele dispozitive de computer care conține atât componente mecanice, cât și electronice.

Principiile de bază de funcționare ale unui hard disk s-au schimbat puțin de la începuturile sale. Dispozitivul unui hard disk este foarte asemănător cu un recorder obișnuit. Doar sub corp pot fi mai multe plăci montate pe o axă comună, iar capetele pot citi informații de pe ambele părți ale fiecărei plăci simultan. Viteza de rotație a plăcilor (la unele modele ajunge la 15.000 rpm) este constantă și este una dintre principalele caracteristici. Capul se deplasează de-a lungul plăcii la o anumită distanță fixă ​​de suprafață. Cu cât această distanță este mai mică, cu atât este mai mare acuratețea citirii informațiilor și densitatea de înregistrare a informațiilor poate fi mai mare. Când te uiți la hard disk, tot ce vezi este o carcasă metalică durabilă. Este complet etanșat și protejează unitatea de particulele de praf, care, dacă intră în spațiul îngust dintre cap și suprafața discului, pot deteriora stratul magnetic sensibil și pot deteriora discul. În plus, carcasa protejează unitatea de interferențe electromagnetice. În interiorul carcasei se află toate mecanismele și câteva componente electronice. Mecanismele sunt discurile în sine pe care sunt stocate informații, capete care scriu și citesc informațiile de pe discuri și motoarele care pun totul în mișcare. Discul este o placă rotundă cu o suprafață foarte netedă, de obicei din aluminiu, mai rar din ceramică sau sticlă, acoperită cu un strat feromagnetic subțire. Discurile sunt realizate. Multe unități folosesc un strat de oxid de fier (care acoperă bandă magnetică obișnuită), dar cele mai recente hard disk-uri folosesc un strat de cobalt gros de aproximativ zece microni. Această acoperire este mai durabilă și, în plus, vă permite să creșteți semnificativ densitatea de înregistrare. Tehnologia aplicației sale este apropiată de cea utilizată în producția de circuite integrate.

Numărul de discuri poate fi diferit - de la unu la cinci, numărul de suprafețe de lucru este corespunzător de două ori mai mare (două pe fiecare disc). Acesta din urmă (precum și materialul folosit pentru acoperirea magnetică) determină capacitatea hard disk-ului. Uneori, suprafețele exterioare ale discurilor exterioare (sau una dintre ele) nu sunt utilizate, ceea ce face posibilă reducerea înălțimii unității, dar, în același timp, numărul de suprafețe de lucru este redus și se poate dovedi a fi ciudat.

Capetele magnetice citesc și scriu informații pe discuri. Principiul de înregistrare este în general similar cu cel utilizat într-un magnetofon convențional. Informațiile digitale sunt convertite într-un curent electric alternativ furnizat capului magnetic și apoi transmise discului magnetic, dar sub forma unui câmp magnetic, pe care discul îl poate percepe și „aminte”. Învelișul magnetic al discului este format din multe zone minuscule de magnetizare spontană. Pentru a ilustra, imaginați-vă că discul este acoperit cu un strat de săgeți busole foarte mici îndreptate în direcții diferite. Astfel de particule de săgeți sunt numite domenii. Sub influența unui câmp magnetic extern, câmpurile magnetice proprii ale domeniilor sunt orientate în conformitate cu direcția acestuia. După terminarea câmpului extern, pe suprafața discului se formează zone de magnetizare reziduală. În acest fel, informațiile înregistrate pe disc sunt salvate. Zonele de magnetizare reziduală, atunci când discul se rotește opus decalajului capului magnetic, induc în el o forță electromotoare, care variază în funcție de magnitudinea magnetizării. Pachetul de discuri, montat pe axa axului, este antrenat de un motor special situat compact sub acesta. Viteza de rotație a discurilor este de obicei de 7200 rpm. Pentru a reduce timpul necesar pentru ca unitatea să devină operațională, motorul funcționează în modul forțat pentru o perioadă de timp când este pornit. Prin urmare, sursa de alimentare a computerului trebuie să aibă o rezervă de putere de vârf. Acum despre funcționarea capetelor. Se mișcă cu ajutorul unui motor pas cu pas de precizie și par să „plutească” la o distanță de o fracțiune de micron de suprafața discului, fără a-l atinge. Ca urmare a înregistrării informațiilor, pe suprafața discurilor se formează zone magnetizate sub formă de cercuri concentrice. Se numesc piste magnetice. În mișcare, capetele se opresc peste fiecare piesă următoare. Un set de piste situate una sub alta pe toate suprafețele se numește cilindru. Toate capetele de antrenare se deplasează simultan, accesând cilindri cu același nume cu aceleași numere.

Dispozitiv de disc

Un hard disk tipic este format dintr-un HDA și o placă electronică. Toate piesele mecanice sunt situate în HDA; toate componentele electronice de control sunt situate pe placă, cu excepția preamplificatorului, care este situat în interiorul HDA în imediata apropiere a capetelor.

Sub discuri există un motor - plat, ca în unitățile de dischetă, sau încorporat în axul pachetului de discuri. Când discurile se rotesc, se creează un flux puternic de aer, care circulă în jurul perimetrului HDA și este curățat în mod constant de un filtru instalat pe una dintre părțile sale.

Mai aproape de conectori, pe partea stângă sau dreaptă a axului, se află un poziționator rotativ, care amintește oarecum de aspectul unei macarale turn: pe o parte a axei, sunt suporturi subțiri, lungi și ușoare de capete magnetice îndreptate spre discuri și, pe de altă parte, o tijă scurtă și mai masivă cu înfășurare electromagnetică. Când balansierul poziționării se rotește, capetele se mișcă într-un arc între centrul și periferia discurilor. Unghiul dintre axele poziționării și axului este selectat împreună cu distanța de la axa poziționării la capete, astfel încât axa capului să se abate cât mai puțin posibil de la pista tangentă la întoarcere.

În modelele anterioare, culbutorul era montat pe axa motorului pas cu pas, iar distanța dintre șenile era determinată de dimensiunea pasului. Modelele moderne folosesc un așa-numit motor liniar, care nu are nicio discreție, iar instalarea pe pistă se realizează conform semnalelor înregistrate pe discuri, ceea ce oferă o creștere semnificativă a preciziei unității și a densității de înregistrare pe discuri.

Înfășurarea poziționării este înconjurată de un stator, care este un magnet permanent. Când înfășurării este furnizat un curent de o anumită magnitudine și polaritate, balansoarul începe să se rotească în direcția corespunzătoare cu accelerația corespunzătoare; Prin schimbarea dinamică a curentului din înfășurare, puteți seta poziționerul în orice poziție. Acest sistem de acționare se numește Voice Coil, prin analogie cu un con de difuzor.

Pe tijă există de obicei un așa-numit zăvor magnetic - un mic magnet permanent, care, atunci când capetele sunt în poziția internă extremă (zona de aterizare), este atras de suprafața statorului și fixează balansoarul în această poziție. Aceasta este așa-numita poziție de parcare a capetelor, care se află pe suprafața discului, în contact cu acesta. Într-o serie de modele scumpe (de obicei SCSI), este prevăzut un electromagnet special pentru a fixa poziționerul, a cărui armătură, într-o poziție liberă, blochează mișcarea culbutorului. Nu sunt înregistrate informații în zona de aterizare a discului.

Spațiul liber rămas conține un preamplificator pentru semnalul scos din capete și comutatorul acestora. Poziționătorul este conectat la placa preamplificatorului cu un cablu panglică flexibil, cu toate acestea, în unele hard disk-uri (în special, unele modele Maxtor AV), înfășurarea este alimentată de fire separate cu un singur nucleu, care tind să se rupă în timpul funcționării active. Blocul ermetic este umplut cu aer obișnuit fără praf sub presiune atmosferică. În capacele blocurilor ermetice ale unor hard disk-uri sunt realizate special ferestre mici, sigilate cu o peliculă subțire, care servesc la egalizarea presiunii din interior și din exterior. La unele modele, fereastra este închisă cu un filtru respirabil. Pentru unele modele de hard disk, axele axului și poziționării sunt fixate într-un singur loc - pe corpul hard diskului; pentru altele, sunt fixate suplimentar cu șuruburi pe capacul HDA. Al doilea model este mai sensibil la microdeformare în timpul fixării - strângerea suficientă a șuruburilor de fixare pentru a provoca o nealiniere inacceptabilă a axelor. În unele cazuri, o astfel de distorsiune poate deveni dificil de inversat sau complet ireversibilă. Placa electronică este detașabilă și se conectează la HDA prin unul sau doi conectori de diferite modele. Placa conține procesorul principal al hard diskului, ROM-ul cu un program, RAM de lucru, care este de obicei folosit ca un buffer de disc, un procesor de semnal digital (DSP) pentru pregătirea semnalelor înregistrate și procesate de citire și logica interfeței. Pe unele hard disk-uri, programul procesorului este complet stocat în ROM, pe altele, o anumită parte a acestuia este înregistrată în zona de serviciu a discului. Discul poate conține și parametrii unității (model, număr de serie etc.). Unele hard disk-uri stochează aceste informații într-un ROM programabil electric (EEPROM).

Multe hard disk-uri au o interfață tehnologică specială cu un conector pe placa electronică, prin care, folosind echipamente de banc, puteți efectua diverse operațiuni de service cu unitatea - testare, formatare, reatribuire a zonelor defecte etc. Unitățile moderne de marca Conner au o interfață tehnologică realizată în standardul interfeței seriale, care vă permite să o conectați prin intermediul unui adaptor la un terminal alfanumeric sau la un port COM al computerului. ROM-ul conține așa-numitul sistem de monitorizare de testare (TMOS), care primește comenzile trimise de la terminal, le execută și trimite rezultatele înapoi către terminal. Unitățile de hard disk timpurii, cum ar fi dischetele, erau fabricate cu suprafețe magnetice curate; marcarea inițială (formatarea) a fost făcută de consumator la discreția sa și putea fi făcută de orice număr de ori. Pentru modelele moderne, marcajele se fac în timpul procesului de fabricație; În același timp, informațiile servo sunt înregistrate pe discuri - semne speciale necesare pentru stabilizarea vitezei de rotație, căutarea sectoarelor și monitorizarea poziției capetelor pe suprafețe. Nu cu mult timp în urmă, o suprafață separată (dedicată) a fost folosită pentru a înregistra informațiile servo, de-a lungul căreia erau ajustate capetele tuturor celorlalte suprafețe. Un astfel de sistem necesita o rigiditate ridicată a prinderii capetelor, astfel încât să nu existe discrepanțe între ele după marcarea inițială. În zilele noastre, informațiile servo sunt înregistrate în spațiile dintre sectoare (încorporate), ceea ce face posibilă creșterea capacității utile a pachetului și eliminarea restricțiilor privind rigiditatea sistemului de mișcare. Unele modele moderne folosesc un sistem de urmărire combinat - informații servo încorporate în combinație cu o suprafață dedicată; în acest caz, reglarea grosieră este efectuată pe suprafața selectată, iar reglarea fină este efectuată pe marcajele încorporate.

Deoarece informațiile servo reprezintă aspectul de referință al discului, controlerul hard disk-ului nu este capabil să îl restabilească în mod independent în caz de deteriorare. Când formatați un astfel de hard disk cu software, este posibil doar să rescrieți anteturile și sumele de control ale sectoarelor de date.

În timpul marcării și testării inițiale a unui hard disk modern din fabrică, aproape întotdeauna sunt detectate sectoare defecte, care sunt introduse într-un tabel special de reatribuire. În timpul funcționării normale, controlerul de hard disk înlocuiește aceste sectoare cu unele de rezervă, care sunt lăsate special în acest scop pe fiecare piesă, grup de piese sau zonă dedicată a discului. Datorită acestui fapt, noul hard disk creează aspectul unei absențe complete a defecte de suprafață, deși, de fapt, acestea sunt aproape întotdeauna prezente.

Când alimentarea este pornită, procesorul hard disk-ului efectuează testarea electronică, după care emite o comandă de pornire a motorului axului. Când se atinge o anumită viteză critică de rotație, densitatea aerului antrenat de suprafețele discurilor devine suficientă pentru a depăși forța de apăsare a capetelor la suprafață și a le ridica la o înălțime de fracții la câțiva microni deasupra suprafețelor discurilor. discuri - capetele „plutesc”. Din acest moment până când viteza scade sub nivelul critic, capetele „atârnă” de o pernă de aer și nu ating deloc suprafețele discurilor.

După ce discurile ating o viteză de rotație apropiată de cea nominală (de obicei 3600, 4500, 5400 sau 7200 rpm), capetele sunt scoase din zona de parcare și începe căutarea semnelor de servo pentru a stabiliza cu precizie viteza de rotație. Apoi, informațiile sunt citite din zona de service - în special, tabelul pentru reatribuirea zonelor defecte.

La sfârșitul inițializării, poziționerul este testat prin enumerarea unei anumite secvențe de piste - dacă are succes, procesorul setează un semn de pregătire pe interfață și trece în modul de operare prin intermediul interfeței.

În timpul funcționării, sistemul de monitorizare a poziției capului pe disc funcționează în mod constant: un semnal de eroare este extras din semnalul citit continuu, care este alimentat circuitului de feedback care controlează curentul înfășurării poziționării. Ca urmare a abaterii capului de la centrul pistei, apare un semnal în înfășurare, având tendința de a-l întoarce la locul său.

Pentru a coordona vitezele fluxurilor de date - la nivel de citire/scriere și interfața externă - hard disk-urile au un buffer intermediar, numit adesea eronat cache, de obicei de câteva zeci sau sute de kilobytes. Într-un număr de modele (de exemplu, Quantum), tamponul este plasat în memoria RAM comună de lucru, unde partea de suprapunere a microprogramului de control este mai întâi încărcată, făcând volumul real al tamponului mai mic decât cantitatea totală de RAM (80 -90 kB cu 128 kB RAM pentru Quantum). Pentru alte modele (Conner, Caviar), memoria tampon și memoria RAM a procesorului sunt realizate separat.

Când alimentarea este oprită, procesorul, folosind energia rămasă în condensatoarele plăcii sau extragând-o din înfășurările motorului, care în același timp funcționează ca generator, emite o comandă pentru a seta poziționarea în parcare. poziție, care reușește să fie finalizată înainte ca viteza de rotație să scadă sub cea critică. În unele hard disk-uri (Quantum), acest lucru este facilitat de un balansoar cu arc, plasat între discuri, care se confruntă în mod constant cu presiunea aerului. Când fluxul de aer slăbește, balansoarul împinge în plus poziționătorul în poziția de parcare, unde este asigurat cu un zăvor. Mișcarea capetelor spre ax este facilitată și de forța centripetă care decurge din rotația discurilor.

Funcționare hard disk

Acum - despre procesul de hard disk în sine. După configurarea inițială a electronicii și a mecanicii, microcomputerul cu hard disk intră în modul de așteptare a comenzilor de la controlerul situat pe placa de sistem sau pe placa de interfață. După ce a primit comanda, pornește capul dorit, folosește impulsuri servo pentru a găsi pista dorită, așteaptă până când sectorul dorit „atinge” capul și citește sau scrie informații. Dacă controlerul a solicitat să citească/scrie nu doar un sector, ci mai multe, hard disk-ul poate funcționa în așa-numitul mod bloc, folosind RAM ca buffer și combinând citirea/scrierea cu transferul de informații către sau de la controler.

Pentru utilizarea optimă a suprafeței discului se folosește așa-numita înregistrare în zona de biți (ZBR), al cărei principiu este că pe pistele externe mai lungi (și deci cu capacitate de informare), informațiile sunt înregistrate cu densitate mai mare decât pe cele interne. . Până la o duzină sau mai multe astfel de zone cu o densitate constantă de înregistrare sunt formate pe întreaga suprafață; În consecință, viteza de citire și scriere pe zonele externe este mai mare decât pe cele interne. Datorită acestui fapt, fișierele situate mai aproape de „începutul” hard disk-ului vor fi, în general, procesate mai rapid decât fișierele situate mai aproape de „sfârșitul” acestuia.

Acum să vorbim despre de unde provin numărul incredibil de mare de capete specificate în parametrii hard diskului. Pe vremuri, aceste numere - numărul de cilindri, capete și sectoare la un preț mai mare - indicau de fapt parametrii fizici reali (geometria) ai hard disk-ului. Cu toate acestea, atunci când utilizați ZBR, numărul de sectoare se modifică de la pistă la pistă, iar pentru fiecare hard disk aceste numere sunt diferite - prin urmare, așa-numita geometrie logică a început să fie utilizată, atunci când hard disk-ul spune controlerului anumiți parametri condiționali, iar atunci când primește comenzi, el însuși convertește adrese logice în adrese fizice. În același timp, un hard disk cu geometrie logică, de exemplu, 520 de cilindri, 128 de capete și 63 de sectoare (volum total - 2 GB), cel mai probabil conține două discuri - și patru capete de citire/scriere.

Hard disk-urile de ultimă generație utilizează tehnologii PRML (Partial Response, Maximum Likelihood) și S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology - tehnologie de auto-monitorizare analiză și raportare). Primul a fost dezvoltat datorită faptului că, cu densitățile de înregistrare existente, nu mai este posibil să citiți clar și fără ambiguitate semnalul de pe suprafața discului - nivelul de interferență și distorsiune este foarte mare. În loc să convertească direct semnalul, acesta este comparat cu un set de eșantioane și, pe baza similitudinii maxime, se ajunge la o concluzie despre acceptarea unui anumit cuvânt cod - în același mod citim cuvinte în care literele lipsesc sau sunt distorsionate. .

Hard disk-ul, care implementează tehnologia S.M.A.R.T., păstrează statistici ale parametrilor săi de funcționare (număr de porniri/opriri și ore lucrate, timpul de accelerare a axului, erori detectate/corectate etc.), care sunt stocați în mod regulat în ROM reprogramabil sau în zonele de service ale discul. Aceste informatii se acumuleaza pe toata durata de viata a hard disk-ului si pot fi solicitate de programele de analiza in orice moment; poate fi folosit pentru a aprecia starea mecanicii, condițiile de funcționare sau probabilitatea aproximativă de defecțiune.

Informații conexe.

Astăzi, nu ar fi o exagerare să spunem că marea majoritate a utilizatorilor de computere sunt familiarizați cu conceptul de „hard disk pentru computer”. Ei știu că fiecare computer are o „memorie” care stochează toate informațiile, cum ar fi filme, muzică, fotografii, jocuri și programe. Cu toate acestea, puțini din numărul total de oameni cărora le place să se uite la monitor au mers mai departe în înțelegerea acestui dispozitiv de stocare misterios decât știind că „acesta este un lucru atât de dreptunghiular în care toate fișierele sunt stocate cumva de neînțeles”. Și tocmai pentru acei cititori care doresc să sape mai adânc și să afle cum funcționează un hard disk, precum și să înțeleagă structura acestuia, a fost scris acest articol, în care vom aborda aceste probleme simplu și în limba rusă.

Cum funcționează hard diskul unui computer?

Mai întâi, să facem o scurtă excursie în istorie. Primul hard disk a fost creat de IBM în urmă cu aproape șase decenii, în 1957. Volumul său era de 5 megaocteți - cifre ridicole după standardele actuale, dar la acea vreme era o adevărată descoperire tehnologică. După ceva timp, inginerii de la aceeași companie au creat un hard disk cu o capacitate de 30 MB și încă 30 MB într-un compartiment detașabil. Deoarece această structură de disc a evocat asocieri cu marcarea cartușului pentru carabina Winchester populară din America - „.30-30” - designerii au dat acestui hard disk numele de cod „Winchester”. Un fapt interesant este că, în vremurile moderne, în Occident, aproape nimeni nu numește hard disk-urile așa, dar în mediul rusofon, acest nume a prins rădăcini mult mai ferm, dând naștere și unei versiuni prescurtate convenabile - „șurub”, care este utilizat pe scară largă în vorbirea colocvială.

Design hard disk

Acum să trecem direct la punctul culminant al programului și să începem cu structura sa internă. Designul hard disk-ului constă din următoarele componente.

1. Un bloc de discuri magnetice sau așa-numitele. „clătitele” (de la una până la trei bucăți într-un bloc, situate una deasupra celeilalte) sunt în esență elementul principal al hard disk-ului. Fiecare disc magnetic este realizat din aluminiu sau sticlă și acoperit cu un material feromagnetic, adesea dioxid de crom. Datele sunt scrise pe stratul magnetic folosind un cap magnetic.
2. Bloc cap magnetic - este un culbutor conectat la un microcircuit amplificator-comutator care amplifică semnalul primit la citirea de pe un disc. La vârfurile plăcilor basculante se află capete magnetice, care interacționează cu discul magnetic la efectuarea operațiilor de citire și scriere.
3. Motorul axului este un motor electric special care este folosit pentru a accelera discurile magnetice. În funcție de modelul de hard disk, această cifră poate ajunge la 15.000 rpm. Designul motorului se bazează pe utilizarea rulmenților (cu bile și hidrodinamici), ceea ce îi permite să fie silentios și să nu creeze vibrații.
4. Placa de control este un circuit integrat a carui functie este de a controla functionarea hard disk-ului prin convertirea semnalelor transmise de la capetele magnetice in unele inteligibile pentru calculator.

Cum funcționează un hard disk

După ce am studiat componentele individuale, putem picta o imagine completă a ceea ce se întâmplă și putem descrie pas cu pas modul în care funcționează hard diskul unui computer. Deci, hard disk-ul este alimentat - controlerul electronic trimite un semnal motorului axului, care începe să rotească discurile magnetice fixate ferm pe axa sa. După atingerea vitezei de rotație necesare, la care apare un spațiu de aer între clătită și cap, eliminând posibilitatea contactului acestora, balansoarul aduce capetele la ele la o distanță „de lucru”, care este de aproximativ 10 nanometri (o miliardime din un metru, imaginați-vă!).

Primele date primite de pe un hard disk pornit sunt întotdeauna informații de service sau așa-numitele. "zero track". Conține informații despre starea hard disk-ului și caracteristicile acestuia. Dacă din anumite motive aceste informații nu pot fi obținute, dispozitivul nu va porni și nu va funcționa.
Dacă datele de serviciu sunt primite cu succes și nu conțin erori, începe faza de lucru cu informațiile înregistrate direct pe disc. Cel mai probabil, ești deja chinuit de întrebarea - „cum este înregistrată?” Răspundem: capetele magnetice, sub influența impulsurilor de curent, sunt capabile să magnetizeze secțiuni ale discului, formând astfel biți („zerouri” și „uni” logice, diferiți unul de celălalt în direcția momentului magnetic). Cu alte cuvinte, toate informațiile de pe hard diskul unui computer sunt secțiunile sale magnetizate diferit, care, după ce au fost convertite în semnale standardizate, sunt recunoscute de computer și prezentate utilizatorului într-o formă care este pe înțelesul lui. Trebuie remarcat faptul că aceste zone sunt strict structurate - ele reprezintă așa-numitele. „urme”, adică zone în formă de inel de pe suprafața unui disc magnetic.

Este important de reținut că blocul de cap este dintr-o singură bucată, astfel încât toate capetele din el se mișcă sincron - prin urmare, ele sunt întotdeauna situate pe aceeași cale a fiecărei clătite individuale. Pe baza acesteia, pistele formează un cilindru în plan vertical. Mai mult, fiecare pistă este formată din segmente numite „sectoare”. Când scriu informații în aceste sectoare, capetele magnetice își schimbă câmpul magnetic, iar când citesc informații, pur și simplu le captează. După ce am înțeles structura fizică a stocării datelor, putem concluziona că volumul unui hard disk este egal cu produsul dintre numărul de cilindri, numărul de capete și numărul de sectoare.

Formatarea hard diskului

O poveste despre modul în care funcționează un hard disk de computer nu poate fi numită completă dacă nu atinge subiectul formatării. Formatarea este un proces special de marcare a zonei de stocare a informațiilor a unui hard disk, a cărui esență este crearea anumitor structuri pentru accesarea acestor date, de exemplu un sistem de fișiere, prin înregistrarea anumitor informații de serviciu. În acest caz, datele stocate anterior sunt distruse (cu toate acestea, nu întotdeauna iremediabil). Cel mai adesea, formatarea este efectuată atunci când instalați (sau reinstalați) un sistem de operare pe un computer, deoarece cea mai bună opțiune pentru aceasta este un disc „curat”, formatat, șters de datele din sistemul de operare anterior. Pentru a nu pierde informațiile necesare, „șurubul”, de regulă, este mai întâi împărțit logic în mai multe partiții - în acest caz, formatarea va fi necesară numai pentru partiția pe care va fi instalat sistemul de operare, în timp ce datele de pe partițiile rămase vor rămâne neatinse, ceea ce este o abordare foarte ușor de utilizat.

Scopul acestui articol este de a descrie structura unui hard disk modern, de a vorbi despre componentele sale principale, de a arăta cum arată și cum se numesc. În plus, vom arăta relația dintre terminologiile rusă și engleză care descriu componentele hard disk-urilor.

Pentru claritate, să ne uităm la o unitate SATA de 3,5 inchi. Acesta va fi un terabyte Seagate ST31000333AS complet nou. Să ne examinăm cobai.

PCB-ul verde cu urme de cupru, conectori de alimentare și SATA se numește placă electronică sau placă de control (Placă de circuit imprimat, PCB). Este folosit pentru a controla funcționarea hard disk-ului. Carcasa neagră din aluminiu și conținutul său sunt numite HDA (Head and Disk Assembly, HDA); experții o numesc și „cutie”. Carcasa în sine fără conținut se mai numește și bloc ermetic (bază).

Acum să scoatem placa de circuit imprimat și să examinăm componentele așezate pe ea.

Primul lucru care vă atrage atenția este cipul mare situat în mijloc - microcontrolerul sau procesorul (Micro Controller Unit, MCU). Pe hard disk-urile moderne, microcontrolerul este format din două părți - unitatea centrală de procesor (CPU), care efectuează toate calculele, și canalul de citire/scriere - un dispozitiv special care convertește semnalul analog care vine de la capete în date digitale în timpul unei citiri. funcționarea și codifică datele digitale într-un semnal analogic în timpul scrierii. Procesorul are porturi de intrare/ieșire (porturi IO) pentru controlul altor componente situate pe placa de circuit imprimat și transmiterea datelor prin interfața SATA.

Cipul de memorie este o memorie DDR SDRAM obișnuită. Cantitatea de memorie determină dimensiunea memoriei cache a hard diskului. Această placă de circuit imprimat are instalați 32 MB de memorie Samsung DDR, ceea ce oferă în teorie discului un cache de 32 MB (și aceasta este exact suma dată în specificațiile tehnice ale hard disk-ului), dar acest lucru nu este în întregime adevărat. Faptul este că memoria este împărțită logic în memorie tampon (cache) și memorie firmware. Procesorul necesită o anumită cantitate de memorie pentru a încărca modulele firmware. Din câte cunoștințele noastre, numai Hitachi/IBM indică dimensiunea reală a memoriei cache în specificațiile tehnice; În ceea ce privește alte discuri, se poate doar ghici despre dimensiunea cache-ului.

Următorul cip este controlerul de control al motorului și al unității principale sau „răsucirea” (controlerul motorului bobinei vocale, controlerul VCM). În plus, acest cip controlează sursele de alimentare secundare situate pe placă, care alimentează procesorul și cipul preamplificator-comutator (preamplificator, preamplificator), situat în HDA. Acesta este principalul consumator de energie de pe placa de circuit imprimat. Controlează rotația axului și mișcarea capetelor. Miezul controlerului VCM poate funcționa chiar și la temperaturi de 100 ° C.

O parte din firmware-ul discului este stocată în memoria flash. Când discul este alimentat, microcontrolerul încarcă conținutul cipului flash în memorie și începe să execute codul. Fără codul încărcat corect, discul nici măcar nu va dori să se rotească. Dacă nu există un cip flash pe placă, înseamnă că este încorporat în microcontroler.

Senzorul de vibrații (senzorul de șoc) reacționează la tremurări care sunt periculoase pentru disc și trimite un semnal despre aceasta către controlerul VCM. VCM parchează imediat capetele și poate opri discul să se rotească. În teorie, acest mecanism ar trebui să protejeze discul de deteriorarea ulterioară, dar în practică nu funcționează, așa că nu scăpați discurile. Pe unele unități, senzorul de vibrații este foarte sensibil, răspunzând la cea mai mică vibrație. Datele primite de la senzor permit controlerului VCM să corecteze mișcarea capetelor. Pe astfel de discuri sunt instalați cel puțin doi senzori de vibrații.

Placa are un alt dispozitiv de protecție - o suprimare a tensiunii tranzitorii (TVS). Protejează placa de supratensiuni. Când există o supratensiune, televizorul se arde, creând un scurtcircuit la masă. Această placă are două televizoare, 5 și 12 volți.

Acum să ne uităm la HDA.

Sub placa sunt contacte pentru motor si capete. În plus, există o mică gaură aproape invizibilă pe corpul discului (gaura de respirație). Servește la egalizarea presiunii. Mulți oameni cred că există un vid în interiorul hard diskului. De fapt, acest lucru nu este adevărat. Acest orificiu permite discului să egalizeze presiunea în interiorul și în afara zonei de reținere. În interior, această gaură este acoperită cu un filtru de respirație, care prinde praful și particulele de umezeală.

Acum să aruncăm o privire în interiorul zonei de izolare. Scoateți capacul discului.

Capacul în sine nu este nimic interesant. Este doar o bucată de metal cu o garnitură de cauciuc pentru a împiedica praful. În cele din urmă, să ne uităm la umplerea zonei de izolare.

Informațiile prețioase sunt stocate pe discuri metalice, numite și platouri. În fotografie puteți vedea clătitele de sus. Plăcile sunt realizate din aluminiu sau sticlă lustruită și sunt acoperite cu mai multe straturi de compoziții diferite, inclusiv o substanță feromagnetică pe care sunt stocate efectiv datele. Între clătite, precum și deasupra vârfului acestora, vedem farfurii speciale numite separatoare sau separatoare. Sunt necesare pentru a egaliza fluxurile de aer și pentru a reduce zgomotul acustic. De regulă, acestea sunt fabricate din aluminiu sau plastic. Separatoarele din aluminiu fac față cu mai mult succes răcirii aerului din interiorul zonei de izolare.

Vedere laterală a clătitelor și a separatoarelor.

Capetele de citire-scriere (capete) sunt instalate la capetele consolelor unității de cap magnetic sau HSA (Head Stack Assembly, HSA). Zona de parcare este zona în care ar trebui să fie capetele unui disc sănătos dacă axul este oprit. Pentru acest disc, zona de parcare este situată mai aproape de ax, așa cum se poate vedea în fotografie.

Pe unele unități, parcarea se efectuează pe zone speciale de parcare din plastic situate în afara plăcilor.

Hard disk-ul este un mecanism de poziționare de precizie și necesită aer foarte curat pentru a funcționa corect. În timpul utilizării, în interiorul hard diskului se pot forma particule microscopice de metal și grăsime. Pentru a curăța imediat aerul din interiorul discului, există un filtru de recirculare. Acesta este un dispozitiv de înaltă tehnologie care colectează și prinde constant particule mici. Filtrul este situat pe calea fluxurilor de aer create de rotația plăcilor.

Acum să scoatem magnetul de sus și să vedem ce se ascunde dedesubt.

Hard disk-urile folosesc magneți de neodim foarte puternici. Acești magneți sunt atât de puternici încât pot ridica de până la 1.300 de ori propria greutate. Deci nu trebuie să puneți degetul între magnet și metal sau alt magnet - lovitura va fi foarte sensibilă. Această fotografie prezintă limitatoarele BMG. Sarcina lor este să limiteze mișcarea capetelor, lăsându-le pe suprafața plăcilor. Limitatoarele BMG de diferite modele sunt proiectate diferit, dar există întotdeauna două dintre ele, sunt folosite pe toate hard disk-urile moderne. Pe unitatea noastră, al doilea limitator este situat pe magnetul inferior.

Iată ce puteți vedea acolo.

Vedem aici și o bobină, care face parte din unitatea de cap magnetic. Bobina și magneții formează unitatea VCM (Voice Coil Motor, VCM). Acționarea și blocul capetelor magnetice formează un poziționator (actuator) - un dispozitiv care mișcă capetele. Piesa de plastic neagră, cu o formă complexă, se numește zăvor de acţionare. Acesta este un mecanism de protecție care eliberează BMG-ul după ce motorul axului atinge un anumit număr de rotații. Acest lucru se întâmplă din cauza presiunii fluxului de aer. Blocarea protejează capetele de mișcări nedorite în poziția de parcare.

Acum să scoatem blocul magnetic al capului.

Precizia și mișcarea lină a BMG este susținută de un rulment de precizie. Cea mai mare parte a BMG, realizată din aliaj de aluminiu, este de obicei numită suport sau culbutor (braț). La capătul culbutorului există capete pe o suspensie cu arc (Heads Gimbal Assembly, HGA). De obicei, capetele și culbutorii în sine sunt furnizate de diferiți producători. Un cablu flexibil (Flexible Printed Circuit, FPC) merge la placa care se conectează la placa de control.

Să aruncăm o privire mai atentă la componentele BMG.

O bobină conectată la un cablu.

Ținând.

Următoarea fotografie arată contactele BMG.

Garnitura asigură etanșeitatea conexiunii. Astfel, aerul poate intra în unitate doar cu discuri și capete prin orificiul de egalizare a presiunii. Acest disc are contacte acoperite cu un strat subțire de aur pentru a îmbunătăți conductivitatea.

Acesta este un design rocker clasic.

Micile părți negre de la capetele umeraselor cu arc se numesc glisoare. Multe surse indică faptul că glisoarele și capetele sunt același lucru. De fapt, glisorul ajută la citirea și scrierea informațiilor ridicând capul deasupra suprafeței clătitelor. Pe hard disk-urile moderne, capetele se deplasează la o distanță de 5-10 nanometri de suprafața clătitelor. Pentru comparație, un păr uman are un diametru de aproximativ 25.000 de nanometri. Dacă orice particule intră sub glisor, acest lucru poate duce la supraîncălzirea capetelor din cauza frecării și a defecțiunii acestora, motiv pentru care curățenia aerului din interiorul zonei de izolare este atât de importantă. Elementele de citire și scriere în sine sunt situate la capătul glisorului. Sunt atât de mici încât pot fi văzute doar cu un microscop bun.

După cum puteți vedea, suprafața glisorului nu este plată, are șanțuri aerodinamice. Ele ajută la stabilizarea altitudinii de zbor a glisorului. Aerul de sub glisor formează o pernă de aer (Air Bearing Surface, ABS). Perna de aer menține zborul glisorului aproape paralel cu suprafața clătitei.

Iată o altă imagine a glisorului.

Contactele capului sunt clar vizibile aici.

Aceasta este o altă parte importantă a BMG care nu a fost încă discutată. Se numește preamplificator (preamp). Un preamplificator este un cip care controlează capetele și amplifică semnalul care vine la sau de la ele.

Preamplificatorul este plasat direct în BMG dintr-un motiv foarte simplu - semnalul care vine de la capete este foarte slab. Pe unitățile moderne are o frecvență de aproximativ 1 GHz. Dacă mutați preamplificatorul în afara zonei ermetice, un astfel de semnal slab va fi mult atenuat în drum spre placa de control.

Există mai multe piese care duc de la preamplificator la capete (pe dreapta) decât către zona de izolare (pe stânga). Cert este că un hard disk nu poate funcționa simultan cu mai mult de un cap (o pereche de elemente de scriere și citire). Hard disk-ul trimite semnale către preamplificator și selectează capul pe care îl accesează în prezent hard disk-ul. Acest hard disk are șase piste care duc la fiecare cap. De ce atât de multe? O piesă este soltă, încă două sunt pentru elemente de citire și scriere. Următoarele două piste sunt pentru controlul mini-drive-urilor, dispozitivelor piezoelectrice sau magnetice speciale care pot mișca sau roti glisorul. Acest lucru ajută la setarea mai precisă a poziției capetelor deasupra pistei. Ultima cale duce la încălzitor. Încălzitorul este folosit pentru a regla altitudinea de zbor a capetelor. Încălzitorul transferă căldură suspensiei care conectează glisorul și balansoarul. Suspensia este realizată din două aliaje cu caracteristici diferite de dilatare termică. Când este încălzită, suspensia se îndoaie spre suprafața clătitei, reducând astfel înălțimea de zbor a capului. Când este răcit, cardanul se îndreaptă.

Destul de capete, hai să dezasamblam discul în continuare. Scoateți separatorul superior.

Așa arată el.

În fotografia următoare, vezi zona de izolare cu separatorul superior și blocul de cap îndepărtat.

Magnetul inferior a devenit vizibil.

Acum inelul de strângere (clema platourilor).

Acest inel ține blocul de plăci împreună, împiedicându-le să se miște unul față de celălalt.

Clătitele sunt înșirate pe un butuc de ax.

Acum că nimic nu ține clătitele, scoateți clătitele de deasupra. Asta e dedesubt.

Acum este clar cum este creat spațiul pentru capete - există inele de distanță între clătite. Fotografia arată a doua clătită și al doilea separator.

Inelul distanțier este o piesă de înaltă precizie realizată din aliaj nemagnetic sau polimeri. Hai să-l scoatem.

Să scoatem orice altceva din disc pentru a inspecta partea de jos a blocului ermetic.

Așa arată gaura de egalizare a presiunii. Este situat direct sub filtrul de aer. Să aruncăm o privire mai atentă la filtru.

Deoarece aerul care vine din exterior conține neapărat praf, filtrul are mai multe straturi. Este mult mai gros decât filtrul de circulație. Uneori conține particule de silicagel pentru a combate umiditatea aerului.

Legătura dintre terminologia rusă și cea engleză a fost clarificată de Leonid Vorzhev.

Articol copiat din