Все про жесткий диск. Что такое HDD на вашем компьютере и какие у него бывают характеристики? Теория происхождения названия «Винчестер»

Н акопитель на жестком диске является, чуть ли не одним из самых важных элементов современного компьютера. Так как он предназначен в первую очередь для долгосрочного хранения ваших данных, это могут быть игры, фильмы и другие объемные файлы, хранящиеся у вас на вашем ПК. И было бы очень жалко если он мог бы неожиданно сломаться, в результате чего вы можете потерять все свои данные, которые бывает очень сложно восстановить. И чтобы правильно эксплуатировать и заменять этот элемент, необходимо понимать как он работает и что из себя представляет – жесткий диск.

Из этой статьи вы узнаете о работе жесткого диска, его компонентах и технических характеристиках.

Обычно главными элементами жесткого диска являются несколько круглых пластин из алюминия. В отличие от гибких дисков(забытых дискеток) их сложно согнуть, поэтому и появилось название жесткий диск. В некоторых устройствах они устанавливаются несъемные, и называются фиксированными (fixeddisk). Но в обычных стационарных компьютерах и даже некоторых моделей ноутбуков и планшетов их можно без проблем заменить.

Рисунок: Жесткий диск без верхней крышки

Заметка!

Почему жесткие диски иногда называют – винчестер и какое отношение они имеют к огнестрельному оружию. Когда то в 1960-х годах компания IBMвыпустила скоростной на тот момент жесткий диск с номером разработки 30-30. Что совпало с обозначением известного нарезного оружия Winchester, и поэтому этот термин вскоре закрепился в компьютерном жаргонном сленге. А на самом же деле жесткие диски не имеют ничего общего с настоящими винчестерами.

Как работает накопитель на жестких дисках

Запись и считывание информации, находящейся на концентрических окружностях жесткого диска, разбитых на секторы, производится посредствам универсальных головок записи/чтения.

Все стороны диска предусматривают свою собственную дорожку для записи и чтения, однако головки располагаются на общем для всех дисков приводе. По этой причине головки перемещаются синхронно.

Видео YouTube: Работа открытого жесткого диска

Нормальная работа накопителя не допускает касаний между головками и магнитной поверхностью диска. Однако в случае отсутствия электроэнергии и остановки устройства головки все же опускаются на магнитную поверхность.

Во время работы жесткого диска между поверхностью вращающейся пластины и головкой образуется незначительный воздушный промежуток. Если в этот промежуток проникает пылинка или устройство подвергается встряске, велика вероятность того, что головка столкнется с вращающейся поверхностью. Сильный удар может стать причиной выхода из строя головки. Результатом этого выхода может быть повреждение нескольких байтов или же полная неработоспособность устройства. По этой причине во многих устройствах магнитная поверхность легируется, после чего на нее наносится специальная смазка, позволяющая справляться с периодической встряской головок.

Некоторые современные диски используют механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам касаться магнитной поверхности даже в случае отключения электропитания.

Форматирование высокого и низкого уровня

Использование форматирования высокого уровня позволяет операционной системе создавать структуры, упрощающую работу с хранящимися на жестком диске файлами и данными. Все имеющиеся разделы (логические диски) снабжаются загрузочным сектором тома, двумя копиями таблицы размещения файлов и корневым каталогом. Посредствам вышеуказанных структур, операционной системе удается производить распределение дискового пространства, отслеживание расположения файлов, а также обход поврежденных участков на диске.

Другими словами, форматирования высокого уровня сводится к созданию оглавлений диска и файловой системы (FAT, NTFS и т.п.). К «настоящему» форматированию можно отнести лишь форматирование низкого уровня, во время которого происходит деление диска по дорожкам и секторам. Посредствам DOS-команды FORMAT гибкий диск подвергается сразу обоим типам форматирования, тогда как жесткий - лишь форматированию высокого уровня.

Для того, что бы произвести низкоуровневое форматирование на жестком диске, необходимо использование специальной программы, чаще всего предоставляемой компанией-производителем диска. Форматирование гибких дисков посредствам FORMAT подразумевает выполнение обеих операций, тогда как в случае с жесткими дисками вышеуказанные операции следует выполнять по раздельности. Более того, жесткий диск подвергается и третьей операции - созданию разделов, которые являются необходимым условием для использования на одном ПК более одной операционной системы.

Организация нескольких разделов предоставляет возможность устанавливать на каждый из них свою операционную инфраструктуру с отдельным томом и логическими дисками. Каждый том или логический диск имеет своё буквенное обозначение(например диск C,D или E).

Из чего состоит жесткий диск

Практически каждый современный винчестер включает один и тот же набор компонентов:

диски (их количество чаще всего доходит до 5 штук);

головки чтения/записи (их количество чаще всего доходит до 10 штук);

механизм привода головок (данный механизм устанавливает головки в необходимое положение);

двигатель привода дисков (устройство, приводящее во вращение диски);

воздушный фильтр (фильтры, расположенные внутри корпуса накопителя);

печатную плату со схемами управления (посредствам этого компонента производится управление накопителем и контроллером);

кабели и разъемы (электронные компоненты HDD).

В качестве корпуса для дисков, головок, механизма привода головок и двигателя привода дисков чаще всего используется герметичный короб - HDA. Обычно данный короб является единым узлом, который практически никогда не вскрывается. Иные компоненты, не входящие в HDA, к числу которых можно отнести элементы конфигурации, печатную плату и лицевую панель, - съемные.

Автоматическая парковка головок и система контроля

На случай отключения питания предусмотрена контактная парковочная система, задача которой сводится к тому, чтобы опустить штангу с головками на сами диски. Независимо от того, что накопитель выдерживает десятки тысяч подъемов и спусков считывающих головок, происходить это все должно на специально отведенных для этих действий участках.

Во время постоянных подъемов и спусков происходит неизбежная абразия магнитного слоя. Если после износа накопитель подвергнется встряске, то вероятней всего произойдет повреждение диска или головок. Для предотвращения вышеуказанных неприятностей, современные накопители снабжаются специальным механизмом загрузки/разгрузки, представляющим собой пластину, которая помещается на внешнюю поверхность жестких дисков. Эта мера позволяет предотвратить касание головки и магнитной поверхности даже в случае отключения питания. При отключении напряжения накопитель самостоятельно «паркует» головки на поверхности наклонной пластины.

Немного о воздушных фильтрах и воздухе

Практически все жесткие диски снабжены двумя воздушными фильтрами: барометрическим и фильтром рециркуляции. Отличает вышеуказанные фильтры от сменяемых моделей, используемых в накопителях старшего поколения, то, что они помещены внутрь корпуса и их замена не предусматривается до конца эксплуатационного срока.

Старые диски использовали технологию постоянной перегонки воздуха внутрь корпуса и обратно, используя при этом фильтр, который нуждался в периодической смене.

Разработчикам современных накопителей от этой схемы пришлось отказаться, а потому фильтр рециркуляции, который расположен в герметичном корпусе HDA, применяется лишь для фильтрации находящегося внутри короба воздуха от мельчайших частиц, оказавшихся внутри корпуса. Независимо от всех предпринятых мер предосторожности, мелкие частицы все же образуются после многократных «посадок» и «взлетов» головок. С учетом того, что корпус накопителя отличается своей герметичностью и в нем происходит перекачка воздуха, он продолжает функционировать даже в условиях сильно загрязненной окружающей среды.

Интерфейсные разъемы и соединения

Многие современные накопители на жестких дисках снабжены несколькими интерфейсными разъемами, предназначенными для подключения к источнику питания и к системе в целом. Как правило, накопитель содержит минимум три разновидности разъемов:

интерфейсные разъемы;

разъем для подачи питания;

разъем для заземления.

Отдельного внимания заслуживают интерфейсные разъемы, поскольку они предназначены для получения/передачи накопителем команд и данных. Многие стандарты не исключают возможность подключения нескольких накопителей к одной шине.

Как уже упоминалось выше, накопители на HDD могут быть снабжены несколькими интерфейсными разъемами:

MFM и ESDI - вымершие разъемы, использовавшиеся на первых винчестерах;

IDE/ATA - разъем для подключения накопителей, который долгое время был самым распространённым по причине своей невысокой стоимости. Технически этот интерфейс схож с 16-разрядной шиной ISA. Последующее развитие стандартов IDE поспособствовало росту скорости обмена данными, а также появлению возможности напрямую обратиться к памяти посредствам DMA технологии;

Serial ATA - разъем, заменивший собой IDE, который физически является однонаправленной линией, используемой для последовательной передачи данных. Будучи в режиме совместимости схож с IDE интерфейсом, однако, наличие «родного» режима позволяет воспользоваться дополнительным набором возможностей.

SCSI - универсальный интерфейс, который активно применялся на серверах для подключения HDD и иного рода устройств. Несмотря на хорошие технические показатели, не стал таким распространенным как IDE по причине своей дороговизны.

SAS - последовательный аналог SCSI.

USB - интерфейс, который необходим для подключения внешних винчестеров. Обмен информацией в данном случае происходит посредствам протокола USB Mass Storage.

FireWire - разъем аналогичный USB, необходим для подключения внешнего HDD.

Fibre Channel -интерфейс, используемый системами высокого класса за счет высокой скорости передачи данных.

Показатели качества жестких дисков

Емкость - объем информации, вмещаемый накопителем. Этот показатель в современных винчестерах может достигать до 4 терабайт(4000 гигабайт);

Быстродействие . Данный параметр оказывает непосредственное влияние на время отклика и среднюю скорость передачи информации;

Надежность – показатель, определяемый средним временем наработки на отказ.

Ограничения физической емкости

Максимальный объем емкости, используемой жестким диском, зависит от целого ряда факторов, к числу которых можно отнести интерфейс, драйвера, операционную и файловую систему.

У первого накопителя АТА, выпущенного в 1986 году, имелось ограничение емкости, максимальное значение которого составляло 137 Гб.

Разные версии BIOS также способствовали уменьшению максимальной емкости жестких дисков, а потому системы, скомпонованные до 1998 г., имели емкость – до 8,4 Гб, а системы, выпущенные до 1994 г., - 528 Мб.

Даже после решения проблем с BIOS ограничение емкости накопителей с интерфейсом подключения АТА осталось, максимальное его значение составляло в 137 Гб. Это ограничение было преодолено посредствам стандарта ATA-6, выпущенного в 2001 г. Данный стандарт использовал расширенную схему адресации, что, в свою очередь, поспособствовало увеличению емкости накопителей до 144 Гб. Подобное решение позволило явить свету накопители с интерфейсами PATA и SATA, у которых объем вмещаемой информации - выше указанного ограничения в 137 Гб.

Ограничения ОС на максимальный объем

Практически все современные операционные системы не накладывают каких-либо ограничений на такой показатель как емкость жестких дисков, чего нельзя сказать о более ранних версиях операционных систем.

Так, например, DOS не распознавал жесткие диски, емкость которых превышала 8,4 Гб, поскольку доступ к накопителям в данном случае выполнялся посредствам LBA-адресации, при этом в DOS 6.x и более ранних версиях поддерживалась лишь CHS-адресация.

Ограничение емкости жесткого диска также имеется в случае установки ОС Windows 95. Максимальное значение этого ограничения - 32 Гб. Помимо этого, обновленными версиями Windows 95 поддерживается лишь файловая система FAT16, которая, в свою очередь, налагает ограничение в размере 2 Гб на размеры разделов. Из этого следует, что в случае использования жесткого диска на 30 Гб, его нужно поделить на 15 разделов.

Ограничения операционной системы Windows 98 допускают использование жестких дисков большего объема.

Характеристики и параметры

Каждый жёсткий диск обладает перечнем технических характеристик, согласно которым и устанавливается его иерархия использования.

Первым делом, на что следует обратить внимание, так это на тип используемого интерфейса. С недавних пор каждый компьютер в качестве усовершенствованного и более скоростного интерфейса начал использовать SATA .

Второй не менее важный момент - объём свободного места на жёстком диске. Минимальное его значение на сегодняшний день составляет лишь 80 Гб, при этом максимальное – 4 Тб.

Еще одной важной характеристикой в случае приобретения ноутбука является форм-фактор жесткого диска.

Наиболее востребованными в этом случае считаются модели, размер которых - 2,5 дюйма, при этом в настольных ПК размер составляет 3,5 дюйма.

Не стоит пренебрегать и скоростью вращения шпинделя, минимальные значения – 4200, максимальные – 15000 оборотов в минуту. Все вышеуказанные характеристики оказывают непосредственное влияние на скорость работы винчестера, которая выражается в Мб/С.

Скорость работы жесткого диска

Немаловажным значением обладают скоростные показатели жёсткого диска, которые определяются:

Скоростью вращения шпинделя , измерение которой проводится в оборотах в минуту. В ее задачу не входит непосредственное выявление реальной скорости обмена, она лишь позволяет отличить более скоростное устройство от менее скоростного устройства.

Временем доступа . Данный параметр вычисляет затрачиваемое винчестером время от получения команды до передачи информации по интерфейсу. Чаще всего фигурирую среднее и максимальное значения.

Временем позиционирования головок . Это значение указывает затрачиваемое головками время для перемещения и установки с одного трека на другой трек.

Пропускной способностью или производительностью диска во время последовательной передачи больших объёмов данных.

Внутренней скоростью передачи данных или скоростью передаваемой информации от контроллера к головкам.

Внешней скоростью передачи данных или скоростью передаваемой информации по внешнему интерфейсу.

Немного о S.M.A.R.T.

S.M.A.R.T. – утилита, предназначенная для самостоятельной проверки состояния современных винчестеров, поддерживающих интерфейс PATA и SATA, а также работающих в персональных компьютерах с операционной системой Windows (от NT до Vista).

S.M.A.R.T. производит подсчет и анализ состояния подключенных жестких дисков через равные отрезки времени, независимо от того запущена операционная система или нет. После того, как анализ был проведен, значок результата диагностики отображается в правом углу панели задач. Основываясь на результатах, полученных во время S.M.A.R.T. диагностики, значок может указывать:

На отличное состояние каждого подключенного к компьютеру винчестера, поддерживающего S.M.A.R.T. технологию;

На то, что один или несколько показателей состояния не соответствуют пороговому значению, при этом у параметров Pre-Failure / Advisory нулевое значение. Вышеуказанное состояние жесткого диска не считается предаварийным, однако если этот винчестер содержит важную информацию, рекомендуется как можно чаще сохранять ее на другом носителе или произвести замену HDD.

На то, что один или несколько показателей состояния не соответствуют пороговому значению, при этом у параметров Pre-Failure / Advisory активное значение. По мнению разработчиков жестких дисков, это состояние предаварийное, и хранить информацию на таком винчестере не стоит.

Фактор надежности

Такой показатель, как надежность хранения данных является одним из наиболее важных характеристик жесткого диска. Фактор отказа у винчестера - раз в сто лет, из чего можно сделать вывод, что HDD считается наиболее надежным источником хранения данных. При этом на надежность каждого диска непосредственное влияние оказывает условие эксплуатации и само устройство. Порой производители поставляют на рынок еще совсем «сырой» продукт, а потому пренебрегать резервным копированием и полностью полагаться на винчестер нельзя.

Стоимость и цена

С каждым днем стоимость HDD становится всё меньше. Так, например, сегодня цена жесткого диска ATA на 500 Гб составляет в среднем 120 долларов, к сравнению, в 1983 г. винчестер емкостью 10 Мб стоил 1800 долларов.

Из вышесказанного утверждения можно сделать вывод, что стоимость HDD будет продолжать падать, а потому в дальнейшем все желающие смогут приобрести довольно емкие диски по приемлемым ценам.

Многие из вас знают, что вся информация на компьютере, представленная в виде файлов и папок, хранится на жестком диске. А вот, что такое жесткий диск и для чего он предназначен, правильно ответят не многие. Людям, далёким от программирования очень тяжело представить, каким образом можно хранить информацию на какой-то железяке. Это ведь не шкатулка и не лист бумаги, на котором можно эту самую информацию можно записать и спрятать в шкатулку. Да, жесткий диск это не шкатулка с письмом.

Жесткий диск (HDD, HMDD-от англ. hard (magnetic) disk drive) – это магнитный носитель информации. На компьютерном сленге его называют «винчестер». Он предназначен для хранения информации в виде фотографий, картинок, писем, книг различных форматов, музыки, фильмов, и т.п. Внешне это устройство совсем не похоже на диск. Скорее оно похоже на небольшую прямоугольную железную коробочку.

Внутреннее устройство жесткого диска похоже на старый проигрыватель виниловых пластинок.

Внутри этой металлической коробочки есть круглые алюминиевые или стеклянные пластины-диски, находящиеся на одной оси, по которым перемещается считывающая головка. В отличие от проигрывателя, головка жесткого диска в рабочем режиме не касается поверхности пластин.

Для удобства работы жесткий диск делят на несколько разделов. Это разделение условное. Осуществляется такое при помощи операционной системы или специальными программами. Новые разделы называют логическими дисками. Им присваиваются буквы С, D, E или F. Обычно устанавливается на диск C, а файлы и папки хранят на других дисках, чтобы при крахе системы ваши файлы и папки не пострадали.

Посмотрите видеоролик о том, что такое жесткий диск:

Основные характеристики жестких дисков

Форм-фактор – это ширина жесткого диска в дюймах. Стандартный размер для настольного компьютера 3.5 дюйма, а для ноутбуков 2.5 дюйма;
Интерфейс – в современных компьютерах используется подключения к материнской плате SATA различных версий. SATA, SATA II, SATA III. В старых компьютерах используется интерфейс IDE.
Ёмкость – это максимальное количество информации, которое может хранить жесткий диск, измеряется в гигабайтах;
Скорость вращения шпинделя – это количество оборотов шпинделя в минуту. Чем больше скорость вращения диска, тем лучше. Для операционных систем необходимо ставить диски от 7 200 об/мин и выше, а для хранения файлов можно устанавливать диски с меньшей скоростью.
Время наработки на отказ – это среднее время безотказной работы, расчитанное производителем. Чем оно больше, тем лучше;
Время произвольного доступа – это среднее значение времени, требуемое головке для позиционирования на произвольном участке пластины. Величина не постоянная.
Ударостойкость – это способность жесткого диска переносить смену давления и удары.
Уровень шума, который издает диск во время работы, измеряется в децибеллах. Чем он меньше, тем лучше.

Сейчас уже есть диски SSD (solid-state drive в простом переводе – твёрдотельный накопитель), которые не имеют ни шпинделя, ни пластин. Это запоминающее устройство на основе микросхем памяти.

SSD-диски совершенно тихие и имеют очень хорошую скорость чтения и записи. Но они пока очень дорогие и не очень надежные, поэтому их устанавливают только под операционные системы, а для хранения файлов используют жесткие диски IDE и SATA.

Во время запуска компьютера, набор микропрограмм, записанных в микросхеме BIOS, производит проверку оборудования. Если все в порядке, он передает управление загрузчику операционной системы. Дальше ОС загружается и вы начинаете пользоваться компьютером. При этом — где до включения компьютера хранилась операционная система? Каким образом ваш реферат, который вы писали всю ночь, остался цел после отключения питания ПК? Снова же — где он хранится?

Ладно, вероятно я слишком загнул и вы все прекрасно знаете, что данные компьютера хранятся на жестком диске. Тем не менее что он из себя представляет и как работает не все знают, и поскольку вы здесь, делаем вывод, что хотели бы узнать. Что же, давайте разбираться!

По традиции, давайте подсмотрим определение жесткого диска в Википедии:

Жесткий диск (винт, винчестер, накопитель на жестких магнитных дисках, НЖМД, HDD, HMDD) — запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.

Используются в подавляющем большинстве компьютеров, а также как отдельно подключаемые устройства для хранения резервных копий данных, в качестве файлового хранилища и т.п.

Чуть-чуть разберемся. Мне нравится термин «накопитель на жестких магнитных дисках «. Эти пять слов передают всю суть. HDD — устройство, предназначение которого длительное время хранить записанные на него данные. Основой HDD являются жесткие (алюминиевые) диски со специальным покрытием, на которое при помощи специальных головок записывается информация.

Не буду рассматривать в деталях сам процесс записи — по сути это физика последних классов школы, и вникать в это, уверен, у вас желания нет, да и статья совсем не о том.

Также обратим внимание на фразу: «произвольного доступа » что, грубо говоря, означает, что мы (компьютер) можем в любое время считать информацию с любого участка ЖД.

Важным является тот факт, что память HDD не энергозависима, то есть не важно подключено питание или нет, записанная на устройство информация никуда не исчезнет. Это важное отличие постоянной памяти компьютера, от временной ().

Взглянув на жесткий диск компьютера в жизни, вы не увидите ни дисков, ни головок, так как все это скрыто в герметичном корпусе (гермозона). Внешне винчестер выглядит так:

Для чего компьютеру нужен жесткий диск

Рассмотрим что такое HDD в компьютере, то есть какую роль он играет в ПК. Понятно, что он хранит данные но, как и какие. Здесь выделим такие функции НЖМД:

Хранение ОС, пользовательского ПО и их настроек;
Хранение файлов пользователя: музыка, видео, изображения, документы и т.д;
Использование части объема жесткого диска, для хранения данных не помещающихся в ОЗУ (файл подкачки) или хранение содержимого оперативной памяти во время использования режима сна;

Как видим, жесткий диск компьютера не просто свалка из фотографий, музыки и видео. На нем хранится вся операционная система, и помимо этого ЖД помогает справляться с загруженностью ОЗУ, беря на себя часть ее функций.

Из чего состоит жесткий диск

Мы частично упоминали о составных жесткого диска, сейчас разберемся с этим детальнее. Итак, основные составляющие HDD:

Корпус — защищает механизмы жесткого диска от пыли и влаги. Как правило, является герметичным, дабы внутрь та самая влага и пыль не попадали;
Диски (блины) — пластины из определенного сплава металлов, с нанесенным с обеих сторон покрытием, на которое и записываются данные. Количество пластин может быть разным — от одной (в бюджетных вариантах), до нескольких;
Двигатель — на шпинделе которого закреплены блины;
Блок головок — конструкция из соединенных между собой рычагов (коромысел), и головок. Часть ЖД, которая считывает и записывает на него информацию. Для одного блина используется пара головок, поскольку и верхняя, и нижняя часть у него рабочая;
Устройство позиционирования (актуатор ) — механизм приводящий в действие блок головок. Состоит из пары постоянных неодимовых магнитов и катушки, находящейся на конце блока головок;
Контроллер — электронная микросхема управляющая работой HDD;
Парковочная зона — место внутри винчестера рядом с дисками либо на их внутренней части, куда опускаются (паркуются) головки во время простоя, чтобы не повредить рабочую поверхность блинов.

Такое вот незамысловатое устройство жесткого диска. Сформировалось оно много лет назад, и никаких принципиальных изменений в него уже давно не вносились. А мы идем дальше.

Как работает жесткий диск

После того, как на HDD подается питание двигатель, на шпинделе которого закреплены блины, начинает раскручиваться. Набрав скорость, при которой у поверхности дисков образовывается постоянный поток воздуха, начинают двигаться головки.

Данная последовательность (сначала раскручиваться диски, а затем начинают работать головки) необходима для того, чтобы за счет образовавшегося потока воздуха, головки парили над пластинами. Да, они никогда не касаются поверхности дисков, иначе последние были бы моментально повреждены. Тем не менее, расстояние от поверхности магнитных пластин до головок настолько маленькое (~10 нм), что вы не увидите его невооруженным глазом.

После запуска, в первую очередь происходит считывание служебной информации о состоянии жесткого диска и других необходимых сведениях о нем, находящихся на так называемой нулевой дорожке. Только затем начинается работа с данными.

Информация на жестком диске компьютера записывается на дорожки которые, в свою очередь, разбиты на сектора (такая себе разрезанная на кусочки пицца). Для записи файлов несколько секторов объединяют в кластер, он и является наименьшим местом, куда может быть записан файл.

Кроме такого «горизонтального» разбиения диска, есть еще условное «вертикальное». Поскольку все головки объединены, они всегда позиционируются над одной и той же по номеру дорожкой, каждая над своим диском. Таким образом, во время работы HDD головки как бы рисуют цилиндр:

Пока HDD работает, по сути он выполняет две команды: чтение и запись. Когда необходимо выполнить команду записи, происходит вычисление области на диске куда она будет производится, затем позиционируются головки и, собственно, выполняется команда. Затем результат проверяется. Кроме записи данных прямо на диск, информация также попадает в его кеш.

Если контроллеру поступает команда на чтение, в первую очередь происходит проверка наличия требуемой информации в кеше. Если ее там нет, снова происходит вычисление координат для позиционирования головок, дальше, головки позиционируется и считывают данные.

После завершения работы, когда питание винчестера исчезает, происходит автоматическая парковка головок в парковочных зоне.

Вот так в общих чертах и работает жесткий диск компьютера. В действительности же все намного сложнее, но обычному пользователю, скорее всего, такие подробности не нужны, поэтому закончим с этим разделом и пойдем дальше.

Виды жестких дисков и их производители

На сегодняшний день, на рынке существует фактически три основных производителя жестких дисков: Western Digital (WD), Toshiba, Seagate. Они полностью покрывают спрос на устройства всех видов и требований. Остальные компании либо разорились, либо были поглощены кем-то из основной тройки, или перепрофилировались.

Если говорить о видах HDD, их можно разделить таким образом:

Для ноутбуков — основной параметр — размер устройства в 2,5 дюйма. Это позволяет им компактно размещаться в корпусе лептопа;
Для ПК — в этом случае также возможно использование 2,5″ жестких дисков, но как правило, используются 3,5 дюйма;
Внешние жесткие диски — устройства, отдельно подключаемые к ПК/ноутбуку, чаще всего выполняющие роль файлового хранилища.

Также выделяют особый тип жестких дисков — для серверов. Они идентичны обычным ПКшным, но могут отличаются интерфейсами для подключения, и большей производительностью.

Все остальные разделения HDD на виды происходят от их характеристик, поэтому рассмотрим их.

Характеристики жестких дисков

Итак, основные характеристики жесткого диска компьютера:

Объем — показатель максимально возможного количества данных, которые можно будет вместить на диске. Первое на что обычно смотрят при выборе HDD. Данный показатель может достигать 10 Тб, хотя для домашнего ПК чаще выбирают 500 Гб — 1 Тб;
Форм-фактор — размер жестокого диска. Самые распространенные — 3,5 и 2,5 дюйма. Как говорилось выше, 2,5″ в большинстве случаев, устанавливаются в ноутбуки. Также их используют во внешних HDD. В ПК и на сервера устанавливают 3,5″. Форм фактор влияет и на объем, так как на больший диск может поместиться больше данных;
Скорость вращения шпинделя — с какой скоростью вращаются блины. Наиболее распространены 4200, 5400, 7200 и 10000 об/мин. Эта характеристика напрямую влияет на производительность, а так же и цену устройства. Чем выше скорость — тем больше оба значения;
Интерфейс — способ (тип разъема) подключения HDD к компьютеру. Самым популярным интерфейсом для внутренних ЖД сегодня является SATA (в старых компьютерах использовался IDE). Внешние жесткие диски подключаются, как правило, по USB или FireWire. Кроме перечисленных, существуют еще такие интерфейсы как SCSI, SAS;
Объем буфера (кеш-память) — тип быстрой памяти (по типу ОЗУ) установленный на контроллере ЖД, предназначенный для временного хранения данных, к которым чаще всего обращаются. Объем буфера может составлять 16, 32 или 64 Мб;
Время произвольного доступа — то время, за которое HDD гарантированно выполнить запись или чтение с любого участка диска. Колеблется от 3 до 15 мс;

Кроме приведенных характеристик также можно встретить такие показатели как.

Приветствую всех читателей блога . Многих интересует вопрос - как устроен жесткий диск компьютера. Поэтому я решил посвятить этому сегодняшнюю статью.

Жесткий диск компьютера (HDD или винчестер) нужен для хранения информации после выключения компьютера, в отличие от ОЗУ () - которая хранит информацию до момента прекращения подачи питания (до выключения компьютера).

Жесткий диск, по-праву, можно назвать настоящим произведением искусства, только инженерным. Да-да, именно так. Настолько сложно там внутри все устроено. На данный момент во всем мире жесткий диск - это самое популярное устройство для хранения информации, он стоит в одном ряду с такими устройствами, как: флеш-память (флешки), SSD. Многие наслышаны о сложности устройства жесткого диска и недоумевают, как в нем помещается так много информации, а поэтому хотели бы узнать, как устроен или из чего состоит жесткий диск компьютера. Сегодня будет такая возможность).

Жесткий диск состоит из пяти основных частей. И первая из них - интегральная схема , которая синхронизирует работу диска с компьютером и управляет всеми процессами.

Вторая часть - электромотор (шпиндель), заставляет вращаться диск со скоростью примерно 7200 об/мин, а интегральная схема поддерживает скорость вращения постоянной.

А теперь третья, наверное самая важная часть - коромысло , которое может как записывать, так и считывать информацию. Конец коромысла обычно разделен, для того чтобы можно было работать сразу с несколькими дисками. Однако головка коромысла никогда не соприкасается с дисками. Существует зазор между поверхностью диска и головкой, размер этого зазора примерно в пять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса!

Но давайте все же посмотрим, что случится, если зазор исчезнет и головка коромысла соприкоснется с поверхностью вращающегося диска. Мы все еще со школы помним, что F=m*a (второй закон Ньютона, по-моему), из которого следует, что предмет с небольшой массой и огромным ускорением - становится невероятно тяжелым. Учитывая огромную скорость вращения самого диска, вес головки коромысла становится весьма и весьма ощутимым. Естественно, что повреждение диска в таком случае неизбежно. Кстати, вот что случилось с диском, у которого этот зазор по каким то причинам исчез:

Так же важна роль силы трения, т.е. ее практически полного отсутствия, когда коромысло начинает считывать информацию, при этом смещаясь до 60 раз за секунду. Но постойте, где же здесь находится двигатель, что приводит в движение коромысло, да еще с такой скоростью? На самом деле его не видно, потому что это электромагнитная система, работающая на взаимодействии 2 сил природы: электричества и магнетизма. Такое взаимодействия позволяет разгонять коромысло до скоростей света, в прямом смысле.

Четвертая часть - сам жесткий диск, это то, куда записывается и откуда считывается информация, кстати их может быть несколько.

Ну и пятая, завершающая часть конструкции жесткого диска - это конечно же корпус, в который устанавливаются все остальные компоненты. Материалы применяются следующие: почти весь корпус выполнен из пластмассы, но верхняя крышка всегда металлическая. Корпус в собранном виде нередко называют "гермозоной". Бытует мнение, что внутри гермозоны нету воздуха, а точнее, что там - вакуум. Мнение это опирается на тот факт, что при таких высоких скоростях вращения диска, даже пылинка, попавшая внутрь, может натворить много нехорошего. И это почти верно, разве что вакуума там никакого нету - а есть очищенный, осушенный воздух или нейтральный газ - азот например. Хотя, возможно в более ранних версиях жестких дисков, вместо того, чтобы очищать воздух - его просто откачивали.

Это мы говорили про компоненты, т.е. из чего состоит жесткий диск . Теперь давайте поговорим про хранение данных.

Как и в каком виде хранятся данные на жестком диске компьютера

Данные хранятся в узких дорожках на поверхности диска. При производстве, на диск наносится более 200 тысяч таких дорожек. Каждая из дорожек разделена на секторы.

Карты дорожек и секторов позволяют определить, куда записать или где считать информацию. Опять же вся информация о секторах и дорожках находится в памяти интегральной микросхемы, которая, в отличие от других компонентов жесткого диска, размещена не внутри корпуса, а снаружи и обычно снизу.

Сама поверхность диска - гладкая и блестящая, но это только на первый взгляд. При более близком рассмотрении структура поверхности оказывается сложнее. Дело в том, что диск изготавливается из металлического сплава, покрытого ферромагнитным слоем. Этот слой как раз и делает всю работу. Ферромагнитный слой запоминает всю информацию, как? Очень просто. Головка коромысла намагничивает микроскопическую область на пленке (ферромагнитном слое), устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний: о или 1. Каждый такой ноль и единица называются битами. Таким образом, любая информация, записанная на жестком диске, по-факту представляет собой определенную последовательность и определенное количество нулей и единиц. Например, фотография хорошего качества занимает около 29 миллионов таких ячеек, и разбросана по 12 различным секторам. Да, звучит впечатляюще, однако в действительности - такое огромное количество битов занимает очень маленький участок на поверхности диска. Каждый квадратный сантиметр поверхности жесткого диска включает в себя несколько десятков миллиардов битов.

Принцип работы жесткого диска

Мы только что с вами рассмотрели устройство жесткого диска, каждый его компонент по отдельности. Теперь предлагаю связать все в некую систему, благодаря чему будет понятен сам принцип работы жесткого диска.

Итак, принцип, по которому работает жесткий диск следующий: когда жесткий диск включается в работу - это значит либо на него осуществляется запись, либо с него идет чтение информации, или с него , электромотор (шпиндель) начинает набирать обороты, а поскольку жесткие диски закреплены на самом шпинделе, соответственно они вместе с ним тоже начинают вращаться. И пока обороты диска(ов) не достигли того уровня, чтобы между головкой коромысла и диском образовалась воздушная подушка, коромысло во избежание повреждений находится в специальной "парковочной зоне". Вот как это выглядит.

Как только обороты достигают нужного уровня, сервопривод (электромагнитный двигатель) приводит в движение коромысло, которое уже позиционируется в то место, куда нужно записать или откуда считать информацию. Этому как раз способствует интегральная микросхема, которая управляет всеми движениями коромысла.

Распространено мнение, этакий миф, что в моменты времени, когда диск "простаивает", т.е. с ним временно не осуществляется никаких операций чтения/записи, жесткие диски внутри перестают вращаться. Это действительно миф, ибо на самом деле, жесткие диски внутри корпуса вращаются постоянно, даже тогда, когда винчестер находится в энергосберегающем режиме и на него ничего не записывается.

Ну вот мы и рассмотрели с вами устройство жесткого диска компьютера во всех подробностях. Конечно же, в рамках одной статьи, нельзя рассказать обо всем, что касается жестких дисков. Например в этой статье не было сказано про - это большая тема, я решил написать про это отдельную статью.

Нашел интересное видео, про то, как работает жесткий диск в разных режимах

Всем спасибо за внимание, если вы еще не подписаны на обновления этого сайта - очень рекомендую это сделать, дабы не пропустить интересные и полезные материалы. До встречи на страницах блога!

Еще до недавнего времени при покупке нового компьютера и выборе устанавливаемого накопителя, у пользователя был единственный выбор - жесткий диск HDD. И тогда нас интересовало всего два параметра: скорость вращения шпинделя (5400 или 7200 RPM), емкость диска и объема кэша.

Давайте разберемся в плюсах и минусах обоих типов накопителей и проведем наглядное сравнение HDD и SSD.

Принцип работы

Традиционный накопитель или как его принято называть ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) необходим для хранения данных даже после полного отключения питания. В отличие от ОЗУ (оперативного запоминающего устройства) или RAM, хранящиеся в памяти данные не стираются после выключения компьютера.

Классический жесткий диск состоит из нескольких металлических «блинов» с магнитным покрытием, а считывание и запись данных происходит с помощью специальной головки, которая перемещается над поверхностью вращающегося на высокой скорости диска.

У твердотельных накопителей совершенно иной принцип работы. В SSD напрочь отсутствуют какие-либо движимые компоненты, а его «внутренности» выглядят как набор микросхем флэш-памяти, размещенных на одной плате.

Такие чипы могут устанавливаться как на материнскую плату системы (для особо компактных моделей ноутбуков и ультрабуков), на карту PCI Express для стационарных компьютеров или специальный слот ноутбука. Используемые в SSD-чипы отличаются от тех, что мы видим во флешке. Они значительно надежнее, быстрее и долговечнее.

История дисков

Жесткие магнитные диски имеют весьма продолжительную (разумеется, по меркам развития компьютерных технологий) историю. В 1956 году компания IBM выпустила малоизвестный компьютер IBM 350 RAMAC , который был оснащен огромным по тем меркам накопителем информации в 3,75 МБ.

В этих шкафах можно было хранить целых 7,5 МБ данных

Для построения такого жесткого диска пришлось установить 50 круглых металлических пластин. Диаметр каждой составлял 61 сантиметр. И вся эта исполинская конструкция могла хранить… всего одну MP3-композицию с низким битрейтом в 128 Кб/с.

Вплоть до 1969 года этот компьютер использовался правительством и научно-исследовательскими институтами. Еще каких-то 50 лет назад жесткий диск такого объема вполне устраивал человечество. Но стандарты кардинально изменились в начале 80-х.

На рынке появились дискеты формата 5,25-дюймов (13,3 сантиметра), а чуть позднее и 3,5- и 2,5-дюймовые (ноутбучные) варианты. Хранить такие дискеты могли до 1,44 МБ-данных, а ряд компьютеров и того времени поставлялись без встроенного жесткого диска. Т.е. для запуска операционной системы или программной оболочки нужно было вставить дискету, после чего ввести несколько команд и только потом приступать к работе.

За всю историю развития винчестеров было сменено несколько протоколов: IDE (ATA, PATA), SCSI, который позднее трансформировался в ныне известный SATA, но все они выполняли единственную функцию «соединительного моста» между материнской платой и винчестером.

От 2,5 и 3,5-дюймовых флоппи-дисков емкостью в полторы тысячи килобайт, компьютерная индустрия перешла на жесткие диски такого же размера, но в тысячи раз большим объемом памяти. Сегодня объем топовых 3.5-дюймовых HDD-накопителей достигает 10 ТБ (10 240 ГБ); 2.5-дюймовых - до 4 ТБ.

История твердотельных SSD-накопителей значительно короче. О выпуске устройства для хранения памяти, которое было бы лишено движущихся элементов, инженеры задумались еще в начале 80-х. Появление в эту эпоху так называемой пузырьковой памяти было встречено весьма враждебно и идея, предложенная французским физиком Пьером Вейссом еще в 1907 году в компьютерной индустрии не прижилась.

Суть пузырьковой памяти заключалась в разбиении намагниченного пермаллоя на макроскопические области, которые бы обладали спонтанной намагниченностью. Единицей измерения такого накопителя являлись пузырьки. Но самое главное - в таком накопителе не было аппаратно движущихся элементов.

О пузырьковой памяти очень быстро забыли, а вспомнили лишь во время разработки накопителей нового класса - SSD.

В ноутбуках SSD появились только в конце 2000-х. В 2007 году на рынок вышел бюджетный ноутбук OLPC XO–1, оснащенный 256 МБ оперативной памяти, процессором AMD Geode LX–700 с частотой в 433 МГц и главной изюминкой - NAND флеш-памятью на 1 ГБ.

OLPC XO–1 стал первым ноутбук, который использовал твердотельный накопитель. А вскоре к нему присоединилась и легендарная линейка нетбуков от Asus EEE PC с моделью 700, куда производитель установил 2-гигабайтный SSD-диск.

В обоих ноутбуках память устанавливалась прямо на материнскую плату. Но вскоре производители пересмотрели принцип организации накопителей и утвердили 2,5-дюймовый формат, подключаемый по протоколу SATA.

Емкость современных SSD-накопителей может достигать 16 ТБ. Совсем недавно компания Samsung представила именно такой SSD, правда, в серверном исполнении и с космической для обычного обывателя ценой.

Плюсы и минусы SSD и HDD

Задачи накопителей каждого класса сводятся к одному: обеспечить пользователя работающей операционной системой и позволить хранить ему персональные данные. Но и у SSD, и у HDD есть свои характерные особенности.

Цена

SSD намного дороже традиционных HDD. Для определения разницы используется простая формула: цена накопителя делится на его емкость. В результате, получается стоимость 1 ГБ емкости в валюте.

Итак, стандартный HDD на 1 ТБ в среднем обходится в $50 (3300 руб). Стоимость одного гигабайта составляет $50/1024 ГБ = $0,05, т.е. 5 центов (3,2 рубля). В мире SSD все намного дороже. SSD емкостью в 1 ТБ в среднем обойдется в $220, а цена за 1 ГБ по нашей несложной формуле составит 22 цента (14,5 рублей), что в 4.4 раза дороже HDD.

Радует то, что стоимость SSD стремительно снижается: производители находят более дешевые решения для производства накопителей и ценовой разрыв между HDD и SSD сокращается.

Средняя и максимальная емкость SSD и HDD

Всего несколько лет назад между максимальной емкостью HDD и SSD стояла не только числовая, но и технологическая пропасть. Найти SSD, который бы по количеству хранимой информации мог соперничать с HDD было невозможно, но сегодня рынок готов предоставить пользователю и такое решение. Правда, за внушительные деньги.

Максимальная емкость SSD, которые предлагаются для потребительского рынка, составляет 4 ТБ. Подобный вариант в начале июля 2016 года . И за 4 ТБ пространства придется выложить $1499.

Базовый объем HDD-памяти для ноутбуков и компьютеров, выпускаемых во второй половине 2016 года составляет от 500 ГБ до 1 ТБ. Аналогичные по мощности и характеристикам модели, но с установленным SSD-накопителем, довольствуются лишь 128 ГБ.

Скорость SSD и HDD

Да, именно за этот показатель переплачивает пользователь, когда отдает предпочтение SSD-хранилищу. Его скорость многократно превосходят показатели, которыми может похвастать HDD. Система способна загружаться всего за несколько секунд, на запуск тяжеловесных приложений и игр уходит значительно меньше времени, а копирование больших объемов данных из многочасового процесса превращается в 5–10 минутный.

Единственное «но» - данные с SSD накопителя удаляются настолько же быстро, насколько копируются. Поэтому при работе с SSD вы можете просто не успеть нажать кнопку отмена, если однажды внезапно удалите важные файлы.

Фрагментация

Любимое «лакомство» любого HDD-винчестера - большие файлы: фильмы в формате MKV, большие архивы и образы BlueRay-дисков. Но стоит вам загрузить винчестер сотней-другой мелких файлов, фотографий или MP3-композиций, как считывающая головка и металлические блины приходят в замешательство, в результате чего значительно падает скорость записи.

После заполнения HDD, многократного удаления/копирования файлов, жесткий диск начинает работать медленнее. Это связано с тем, что по всей поверхности магнитного диска разбросаны части файла и когда вы дважды щелкаете мышкой по какому-либо файлу, считывающая головка вынуждена искать эти фрагменты из разных секторов. Так тратится время. Это явление и называется фрагментацией , а в качестве профилактических мер, позволяющих ускорить HDD, предусмотрен программно-аппаратный процесс дефрагментации или упорядочивания таких блоков/частей файлов в единую цепочку.

Принцип работы SSD кардинально отличается от HDD, а любые данные могут записываться в любой сектор памяти с дальнейшим моментальным считыванием. Именно поэтому для накопителей SSD дефрагментация не нужна.

Надежность и срок службы

Помните главное преимущество SSD-накопителей? Верно, отсутствие движущихся элементов. Именно поэтому вы можете использовать ноутбук с SSD в транспорте, по бездорожью или условиях, неизбежно связанных с внешними вибрациями. На стабильности работы системы и самого накопителя это не скажется. Хранящиеся на SSD данные не пострадают даже в случае падения ноутбука.

У HDD все с точностью наоборот. Считывающая головка располагается всего в нескольких микрометрах от намагниченных болванок, и поэтому любая вибрация может привести к появлению «битых секторов» - областей, которые становятся непригодными для работы. Регулярные толчки и неосторожное обращение с компьютером, который работает на базе HDD, приведет к тому, что рано или поздно такой винчестер попросту, говоря на компьютерном жаргоне, «посыпется» или перестанет работать.

Несмотря на все преимущества SSD, у них есть тоже весьма существенный недостаток - ограниченный цикл использования. Он напрямую зависит от количество циклов перезаписи блоков памяти. Другими словами, если вы ежедневно будете копировать/удалять/вновь копировать гигабайты информации, то очень скоро вызовите клиническую смерть своего SSD.

Современные SSD-накопители оснащены специальным контроллером, который заботится о равномерном распределении данных по всем блокам SSD. Так удалось значительно повысить максимальное время работы до 3000 – 5000 циклов.

Насколько долговечен SSD? Просто взгляните на эту картинку:

А потом сравните с гарантийным сроком эксплуатации, который обещает производитель конкретно вашего SSD. 8 – 13 лет для хранения, поверьте, не так и плохо. Да и не стоит забывать о том прогрессе, который приводит к постоянному увеличению емкости SSD при неизменно снижающейся их стоимости. Думаю, через несколько лет ваш SSD на 128 ГБ можно будет отнести к музейному экспонату.

Форм-фактор

Битва размеров накопителей всегда была вызвана типом устройств, в которых они устанавливаются. Так, для стационарного компьютера абсолютно некритична установка как 3.5-дюймового, так и 2.5-дюймового диска, а вот для портативных устройств, вроде ноутбуков, плееров и планшетов нужен более компактный вариант.

Самым миниатюрным серийным вариантом HDD считался 1.8-дюймовый формат. Именно такой диск использовался в уже снятом с производства плеере iPod Classic.

И как не старались инженеры, построить миниатюрный HDD-винчестер емкостью более 320 ГБ им так и не удалось. Нарушить законы физики невозможно.

В мире SSD все намного перспективнее. Общепринятый формат в 2,5-дюйма стал таковым не из-за каких-либо физических ограничений с которыми сталкиваются технологии, а лишь в силу совместимости. В новом поколении ультрабуков от формата 2.5‘’ постепенно отказываются, делая накопители все более компактными, а корпуса самих устройств более тонкими.

Шум

Вращение дисков даже в самом продвинутом HDD-винчестере нераздельно связано с возникновение шума. Считывание и запись данных приводят в движение головку диска, которая с безумной скоростью мечется по всей поверхности устройства, что также вызывает характерное потрескивание.

SSD-накопители абсолютно бесшумны, а все происходящие внутри чипов процессы проходят без какого-либо сопутствующего звука.

Итог

Подводя итог сравнения HDD и SSD, хочется четко определить основные преимущества каждого типа накопителей.

Достоинства HDD: емкие, недорогие, доступные.

Недостатки HDD: медленные, боятся механических воздействий, шумные.

Достоинства SSD: абсолютно бесшумные, износоустойчивые, очень быстрые, не имеют фрагментации.

Недостатки SSD: дорогие, теоретически имеют ограниченный ресурс эксплуатации.

Без преувеличения можно сказать, что одним из самых эффективных методов апгрейда старенького ноутбука или компьютера остается установка SSD-накопителя вместо HDD. Даже при самой свежей версии SATA можно добиться троекратного прироста производительности.

Отвечая на вопрос, кому нужен тот или иной накопитель, приведу несколько аргументов в пользу каждого типа.