2.3 Накопитель на жестких магнитных дисках

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД, HDD – Hard Disk Drive) – устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров и устанавливается в компьютер стационарно. Первый жесткий диск, разработанный фирмой IBM, получил у программистов название «Винчестер», со временем это название закрепилось за всеми жесткими дисками (рис. 2.3).

Рис. 2.3 – Накопитель на жестких магнитных дисках

Жесткие диски могут иметь различную емкость – от 100 МБ до нескольких терабайт. Быстродействие жестких дисков может существенно различаться. Быстродействие характеризуется средним временем доступа – интервалом времени между подачей компьютером сигнала контроллеру на чтение требуемых данных и началом чтения этой информации с диска (несколько десятков миллисекунд).

Информация в НЖМД (см. рис. 2.3) записывается на жёсткие (алюминиевые, керамические или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря слою набегающего потока воздуха, образующемуся у поверхности при быстром (тысячи об./мин) вращении. Расстояние между «плавающей» магнитной головкой и диском составляет примерно 0,1 мкм, а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков. Жесткий диск герметичен, при его изготовлении отфильтровывается пыль, способная повредить магнитный слой.

Основные характеристики НЖМД

Интерфейс. Серийно выпускаемые жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, SCSI, SAS, FireWire, USB, SDIO и Fibre Channel. Интерфейсные разъёмы расположены внутри компьютера на системной плате.

Ёмкость современных устройств достигает 2 000 ГБ (2 ТБ). В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1 024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1 000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного «200 ГБ», составляет 186,2 ГБ.

Физический размер (форм-фактор). Почти все диски современных накопителей для персональных компьютеров и серверов имеют диаметр либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Также получили распространение форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа – время, за которое НЖМД гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик – от 2,5 до 16 мс.

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) – количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются НЖМД со следующими стандартными скоростями вращения: 4 200, 5 400 и 7 200 (ноутбуки), 5 400, 7 200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об./мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Количество операций ввода-вывода в секунду – у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./с при последовательном доступе.

Потребление энергии – важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума – шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Скорость передачи данных (англ. transfer rate) при последовательном доступе:

1. внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;
2. внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объём буфера в современных дисках обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Конструкция НЖМД состоит из гермозоны и блока электроники.

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно дисковые пластины с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя. Блок головок – пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Дисковые пластины, как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин покрыты тонким слоем ферромагнетика – окислов железа, марганца и других металлов. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с бо́льшим числом пластин.

Диски закреплены на шпинделе, который во время работы вращается со скоростью несколько тысяч об./мин. При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Для обеспечения малого биения на высоких оборотах в двигателе используются гидродинамические подшипники.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов, а также катушки на подвижном блоке головок. Внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации.) Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а также при прогреве устройства во время работы. Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр – пылеуловитель.

Блок электроники современных НЖМД содержит управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигналов. Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр, используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood – максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются – на них формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но на каждую дорожку наносится как минимум магнитная метка, обозначающая её начало. Цилиндр – это совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора – конкретный сектор на дорожке.