Нжмд (накопитель на жестких магнитных дисках). Накопители на жестких магнитных дисках

Устройства хранения информации

Запоминающее устройство - носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

Устройства хранения информации делятся на 2 вида:

§ внешние (периферийные) устройства

§ внутренние устройства

К внешним устройствам относятся магнитные диски, CD,DVD,BD,cтримеры,жесткий диск(винчестер),а также флэш-карта. Внешняя память дешевле внутренней, создаваемой обычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, что они работают медленнее устройств внутренней памяти.

К внутренним устройствам относятся оперативная память, кэш-память, CMOS-память, BIOS. Главным достоинством является скорость обработки информации. Но в то же время устройства внутренней памяти довольно дорогостоящи.

НГМД (накопитель на гибких магнитных дисках)

Использование гибких дисков уходит в прошлое. Бывают двух типов и обеспечивают хранение информации на дискетах одного из двух форматов: 5,25" или 3,5". Дискеты формата 5,25" в настоящее время практически не встречаются (максимальная емкость 1,2 Мб). Для дискет формата 3,5" максимальная емкость составляет 2,88 Мб, самый распространенный формат емкости для них – 1,44 Мб. Гибкие магнитные диски помещаются в пластмассовый корпус. В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращается с постоянной угловой скоростью. Все дискеты перед употреблением форматируются – на них наносится служебная информация, обе поверхности дискеты разбиваются на концентрические окружности – дорожки, которые в свою очередь делятся на сектора. Одноименные сектора обеих поверхностей образуют кластеры. Магнитные головки примыкают к обеим поверхностям и при вращении диска проходят мимо всех кластеров дорожки. Перемещение головок по радиусу с помощью шагового двигателя обеспечивает доступ к каждой дорожке. Запись/чтение осуществляется целым числом кластеров, обычно под управлением операционной системы. Однако в особых случаях можно организовать запись/чтение и в обход операционной системы, используя напрямую функции BIOS. В целях сохранения информации гибкие магнитные диски необходимо предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как такие воздействия могут привести к размагничиванию носителя и потере информации.

НЖМД (накопитель на жестких магнитных дисках)

Накопитель на жестком диске относится к наиболее совершенным и сложным устройствам современного ПК. Его диски способны вместить многие мегабайты информации, передаваемой с огромной скоростью.Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его создания.Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех.

Диск представляет собой круглую пластину с очень ровной поверхностью чаще из алюминия, реже - из

керамики или стекла, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить". Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об./мин. Для того, чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности. Появление в 1999 г. изобретенных фирмой IBM головок с магниторезистивным эффектом (GMR – Giant Magnetic Resistance) привело к повышению плотности записи до 6,4 Гбайт на одну пластину в уже представленных на рынке изделиях.

Основные параметры жесткого диска:

§ Емкость – винчестер имеет объем от 40 Гб до 200 Гб.

§ Скорость чтения данных. Средний сегодняшний показатель – около 8 Мбайт/с.

§ Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель – 9 мс.

§ Скорость вращения диска. Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа (поиска). Повышение общей производительности особенно заметно при выборке большого числа файлов.

§ Размер кэш-памяти – быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные. У винчестера есть своя кэш-память размером до 8 Мбайт.

§ Фирма-производитель. Освоить современные технологии могут только крупнейшие производители, потому что организация изготовления сложнейших головок, пластин, контроллеров требует крупных финансовых и интеллектуальных затрат. В настоящее время жесткие диски производят семь компаний: Fujitsu, IBM-Hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital. При этом каждая модель одного производителя имеет свои, только ей присущие особенности.

Стримеры

лассическим способом резервного копирования является применение стримеров – устройств

записи на магнитную ленту. Однако возможности этой технологии, как по емкости, так и по скорости, сильно ограничены физическими свойствами носителя. Стример по принципу действия очень похож на кассетный магнитофон. Данные записываются на магнитную ленту, протягиваемую мимо головок. Недостатком стримера является слишком большое время последовательного доступа к данным при чтении. Емкость стримера достигает нескольких Гбайт, что меньше емкости современных винчестеров, а время доступа во много раз больше.

Flash-карта

Устройства, выполненные на одной микросхеме (кристалле) и не имеющие подвижных частей, основаны на кристаллах электрически перепрограммируемой флэш-памяти. Физический принцип организации ячеек флэш-памяти можно считать одинаковым для всех выпускаемых устройств, как бы они ни назывались. Различаются такие устройства по интерфейсу и применяемому контроллеру, что обусловливает разницу в емкости, скорости передачи данных и энергопотреблении.

Multimedia Card (MMC) и Secure Digital (SD) – сходит со сцены из-за ограниченной емкости (64 Мб и 256 Мб соответственно) и низкой скорости работы.

SmartMedia – основной формат для карт широкого применения (от банковских и проездных в метро до удостоверений личности). Тонкие пластинки весом 2 грамма имеют открыто расположенные контакты, но значительная для таких габаритов емкость (до 128 Мбайт) и скорость передачи данных (до 600 Кбайт/с) обусловили их проникновение в сферу цифровой фотографии и носимых МРЗ-устройств.

Memory Stick – “эксклюзивный” формат фирмы Sony, практически не используется другими компаниями. Максимальная емкость – 256 Мбайт, скорость передачи данных доходит до 410 Кбайт/с, цены сравнительно высокие.

CompactFlash (CF) – самый распространенный, универсальный и перспективный формат. Легко подключается к любому ноутбуку. Основная область применения – цифровая фотография. По емкости (до 3 Гбайт) сегодняшние CF-карты не уступают IBM Microdrive, однако отстают по скорости обмена данными (около 2 Мбайт/с).

USB Flash Drive – последовательный интерфейс USB с пропускной способностью 12 Мбит/с или его современный вариант USB 2.0 с пропускной способностью до 480 Мбит/с. Сам носитель заключен в обтекаемый компактный корпус, напоминающий автомобильный брелок. Основные параметры (емкость и скорость работы) полностью совпадают с CompactFlash, поскольку чипы самой памяти остались прежними. Может служить не только “переносчиком” файлов, но и работать как обычный накопитель – с него можно запускать приложения, воспроизводить музыку и сжатое видео, редактировать и создавать файлы. Низкое среднее время доступа к данным на Flash-диске – менее 2,5 мс. Вероятно, накопители класса USB Flash Drive, особенно с интерфейсом USB 2.0, в перспективе смогут полностью заменить собой обычные дискеты и частично – перезаписываемые компакт-диски, носители Iomega ZIP и им подобные.

PC Card (PCMCIA ATA) – основной тип флэш-памяти для компактных компьютеров. В настоящее время существует четыре формата карточек PC Card: Type I, Type II, Type III и CardBus, различающиеся размерами, разъемами и рабочим напряжением. Для PC Card возможна обратная совместимость по разъемам “сверху вниз”. Емкость PC Card достигает 4 Гб, скорость – 20 Мб/с при обмене данными с жестким диском.

Winchester Model 1894 , использующего винтовочный патрон .30-30 Winchester . Также существует версия , что название произошло исключительно из-за названия патрона, также выпускавшегося Winchester Repeating Arms Company , первого созданного в США боеприпаса для гражданского оружия «малого» калибра на бездымном порохе, который превосходил патроны старых поколений по всем показателям и немедленно завоевал широчайшую популярность.

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR ) остаётся перспективным, продолжаются его доработки и внедрение. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На 2009 год были доступны только экспериментальные образцы, плотность записи которых составляла 150 Гбит/см² . Специалисты Hitachi называют предел для этой технологии в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology - 7,75 Тбит/см² .

Структурированные носители данных

Структурированный (паттернированный) носитель данных (англ. Bit patterned media ), - перспективная технология хранения данных на магнитном носителе, использующая для записи данных массив одинаковых магнитных ячеек, каждая из которых соответствует одному биту информации, в отличие от современных технологий магнитной записи, в которых бит информации записывается на нескольких магнитных доменах.

Характеристики

Вопреки расхожему мнению, в подавляющем большинстве устройств 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. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления (например, в самолёте) 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.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла (IBM), но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика - окислов железа , марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения составляют коммерческую тайну . Большинство бюджетных устройств содержит одну или две пластины, но существуют модели с бо́льшим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (от 3600 до 15 000). 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. Шпиндельный двигатель жёсткого диска - вентильный двигатель .

Сепаратор (разделитель) - пластина, изготовленная из пластика или алюминия, находящаяся между пластинами магнитных дисков и над верхней пластиной магнитного диска. Используется для выравнивания потоков воздуха внутри гермозоны.

Устройство позиционирования

Устройство позиционирования головок (жарг. актуатор ) представляет собой малоинерционный соленоидный двигатель. Он состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов , а также катушки (соленоид) на подвижном кронштейне блока головок. Двигатель, совместно с системой считывания и обработки записанной на диск сервоинформации и контроллером (VCM controller) образует сервопривод .

Система позиционирования головок может быть и двухприводной. При этом основной электромагнитный привод перемещает блок с обычной точностью, а дополнительный пьезоэлектрический механизм совмещает головки с магнитной дорожкой с повышенной точностью.

Принцип работы двигателя заключается в следующем: обмотка находится внутри статора (обычно два неподвижных магнита), ток, подаваемый с различной силой и полярностью, заставляет её точно позиционировать кронштейн (коромысло) с головками по радиальной траектории. От скорости работы устройства позиционирования зависит время поиска данных на поверхности пластин.

В каждом накопителе существует специальная зона, называемая парковочной, именно на ней останавливаются головки в те моменты, когда накопитель выключен, либо находится в одном из режимов низкого энергопотребления. В состоянии парковки кронштейн (коромысло) блока головок находится в крайнем положении и упирается в ограничитель хода. При операциях доступа к информации (чтение/запись) одним из источников шума является вибрация вследствие ударов кронштейнов, удерживающих магнитные головки, об ограничители хода в процессе возвращения головок в нулевую позицию. Для снижения шума на ограничителях хода установлены демпфирующие шайбы из мягкой резины. Значительно уменьшить шум жёсткого диска можно программным путём, меняя параметры режимов ускорения и торможения блока головок. Для этого разработана специальная технология - Automatic Acoustic Management . Официально возможность программного управления уровнем шума жёсткого диска появилась в стандарте ATA /ATAPI-6 (для этого нужно менять значение управляющей переменной), хотя некоторые производители делали экспериментальные реализации и ранее.

Блок электроники

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.

Достаточно яркий след в истории жёстких дисков оставила компания Quantum, но и она в начале 2000-х потерпела неудачи, даже ещё более фатальные, чем IBM и Fujitsu - в жёстких дисках Quantum серии CX выходила из строя микросхема коммутатора головок, расположенная в гермобанке диска, что приводило к весьма дорогостоящему извлечению данных с вышедшего из строя диска.

Одним из лидеров в производстве дисков являлась компания Maxtor . В 2001 году Maxtor выкупила подразделение жёстких дисков компании Quantum и тоже не избежала проблем с репутацией из-за так называемых «тонких» дисков. В 2006 году Maxtor приобрела компания Seagate .

Весной 2011 года производство Hitachi приобрела компания Western Digital (заводы 3,5-дюймовых дисков были переданы Toshiba в 2012 году) ; в то же время Samsung продала своё HDD-подразделение компании Seagate .

С 2012 года осталось всего 3 основных производителя - Seagate , Western Digital и Toshiba .

Рынок жёстких дисков

Последствия наводнения в Таиланде (2011)

Стоимость

С начала выпуска жёстких дисков в 1956 году их цена снизилась с десятков тысяч долларов до десятков долларов в 2015 году. Стоимость ёмкости снизилась от $9200 до $0,000 035 за один мегабайт .

Низкоуровневое форматирование

На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются - на них формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, как минимум, на каждую дорожку наносится магнитная метка, обозначающая её начало.

Существуют утилиты, способные тестировать физические секторы диска и ограниченно просматривать и править его служебные данные . Конкретные возможности подобных утилит сильно зависят от модели диска и технических сведений, известных автору программного обеспечения соответствующего семейства моделей .

Геометрия магнитного диска

С целью адресации пространство поверхности пластин диска делится на дорожки - концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки - секторы . Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов.

Цилиндр - совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задаёт используемую рабочую поверхность, а номер сектора - конкретный сектор на дорожке.

Чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нём. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную; в стандарте ATA -1 была введена функция автоопределения геометрии (команда Identify Drive) .

Влияние геометрии на скорость дисковых операций

Геометрия жёсткого диска влияет на скорость чтения-записи. Ближе ко внешнему краю пластины диска возрастает длина дорожек (вмещается больше секторов) и, соответственно, количество данных, которые устройство может считать или записать за один оборот. При этом скорость чтения может изменяться от 210 до 30 Мб/с. Зная эту особенность, целесообразно размещать корневые разделы операционных систем именно здесь. Нумерация секторов начинается от внешнего края диска с нуля.

Особенности геометрии жёстких дисков со встроенными контроллерами

Зонирование

На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в несколько зон (англ. Zoned Recording ). Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако на дорожках внешних зон секторов больше, чем на дорожках внутренних. Это позволяет, используя бо́льшую длину внешних дорожек, добиться более равномерной плотности записи, увеличивая ёмкость пластины при той же технологии производства.

Резервные секторы

Для увеличения срока службы диска на каждой дорожке могут присутствовать дополнительные резервные секторы. Если в каком-либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remapping ). Данные, хранившиеся в нём, при этом могут быть потеряны или восстановлены при помощи ECC , а ёмкость диска останется прежней. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая - в процессе эксплуатации. Границы зон, количество секторов на дорожку для каждой зоны и таблицы переназначения секторов хранятся в ПЗУ блока электроники.

Логическая геометрия

По мере роста ёмкости выпускаемых жёстких дисков их физическая геометрия перестала вписываться в ограничения, накладываемые программными и аппаратными интерфейсами (см.: Объём жёсткого диска). Кроме того, дорожки с различным количеством секторов несовместимы со способом адресации CHS. В результате контроллеры дисков стали сообщать не реальную, а фиктивную, логическую геометрию , вписывающуюся в ограничения интерфейсов, но не соответствующую реальности. Так, максимальные номера секторов и головок для большинства моделей берутся 63 и 255 (максимально возможные значения в функциях прерывания BIOS INT 13h), а число цилиндров подбирается соответственно ёмкости диска. Сама же физическая геометрия диска не может быть получена в штатном режиме работы и другим частям системы неизвестна.

Адресация данных

Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является сектор . Размер сектора традиционно равен 512 байт . В 2006 году IDEMA объявила о переходе на размер сектора 4096 байт, который планируется завершить к 2010 году .

Компания Western Digital уже сообщила о начале использования новой технологии форматирования, названной Advanced Format , и выпустила серию накопителей, использующих новую технологию. К этой серии относятся линейки AARS/EARS и BPVT.

Перед использованием накопителя с технологией Advanced Format для работы в Windows XP необходимо выполнить процедуру выравнивания с помощью специальной утилиты . Если разделы на диске создаются Windows Vista , Windows 7 и Mac OS , выравнивание не требуется.

В Windows Vista, Windows 7, Windows Server 2008 и Windows Server 2008 R2 присутствует ограниченная поддержка дисков с увеличенным размером сектора .

Существует 2 основных способа адресации секторов на диске:

• цилиндр-головка-сектор (англ. cylinder-head-sector, CHS );
• линейная адресация блоков (англ. linear block addressing, LBA ).

CHS

При этом способе сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами - номером цилиндра , номером головки и номером сектора . В дисках объёмом больше 528 482 304 байт (504 Мб) со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами» (см. ).

LBA

При этом способе адрес блоков данных на носителе задаётся с помощью логического линейного адреса. LBA-адресация начала внедряться и использоваться в 1994 году совместно со стандартом EIDE (Extended IDE). Необходимость LBA была вызвана, в частности, появлением дисков больших объёмов , которые нельзя было полностью использовать с помощью старых схем адресации.

L B A = ((C y l i n d e r × N o o f h e a d s + h e a d s) × s e c t o r s / t r a c k) + (S e c t o r − 1) {\displaystyle \mathrm {LBA} ={\bigl (}(\mathrm {Cylinder} \times \mathrm {No\ of\ \mathrm {heads} } +\mathrm {heads})\times \mathrm {sectors/track} {\bigr)}+(\mathrm {Sector} -1)}

Метод LBA соответствует Sector Mapping для SCSI . BIOS SCSI-контроллера выполняет эти задачи автоматически, то есть для SCSI-интерфейса метод логической адресации был характерен изначально.

Сравнение интерфейсов

	Пропускная способность, Гбит/с	Максимальная длина кабеля, м	Требуется ли кабель питания	Количество накопителей на канал	Число проводников в кабеле	Другие особенности
UltraATA /133	1,2	0,46	Да (3,5") / Нет (2,5")	2	40/80	Controller+2Slave, горячая замена невозможна
SATA -300	2,4	1	Да	1	7	Host/Slave, возможна горячая замена на некоторых контроллерах
SATA -600	4,8	нет данных	Да	1	7
FireWire /400	0,4			63	4/6
FireWire /800	0,8	4,5 (до 72 м при последовательном соединении)	Да/Нет (зависит от типа интерфейса и накопителя)	63	9	устройства равноправны, горячая замена возможна
USB 2.0	0,48 (реально - 0,25)	5 (до 72 м при последовательном соединении через хабы)		127	4
USB 3.0	4,8	нет данных	Да/Нет (зависит от типа накопителя)	нет данных	9	Двунаправленный, совместим с USB 2.0
Ultra-320 SCSI	2,56	12	Да	16	50/68	устройства равноправны, горячая замена возможна
SAS	2,4	8	Да	Свыше 16384		горячая замена; возможно подключение SATA -устройств в SAS-контроллеры
eSATA	2,4	2	Да	1 (до 15 с умножителем портов)	7	Host/Slave, горячая замена возможна

История прогресса

Неисправности

См. также

Примечания

1. Reference Guide - Hard Disk Drives (англ.) . - Обзор технологии жёстких дисков. Проверено 28 июля 2009. Архивировано из первоисточника на WebCite 23 августа 2011 года.
2. http://www.storagereview.com/guide/histEarly.html Reference Guide - Hard Disk Drives - Early Disk Drives (англ.)
3. IBM Archives: IBM 3340 direct access storage facility
4. Жёсткий диск или винчестер?
5. http://www.pcworld.com/article/127105/article.html 1997: IBM introduces the first drive using giant magneto resistive (GMR) heads
6. Nanoelectronics and Photonics , 2008, ISBN 9780387764993 , page 82. «GMR is largely responsible for the great increases in hard drive capacity from the late 1990s to the present»
7. 2,4 Тбит на квадратный дюйм к 2014 году // 3DNews
8. - «17 августа 2005 года инженеры Toshiba представили первый в мире жёсткий диск с перпендикулярной записью. Этим первым продуктом, сделанным по новой технологии, стал крохотный 1,8-дюймовый винчестер с одной пластиной, на которой помещалось 40 Гигабайт данных.»
9. журнал Chip 11/2012, стр.116
10. Технология SMR открывает новые горизонты магнитной записи КомпьютерПресс 12’2013
11. TDK освоила 1 терабит на квадратный дюйм , 3DNews , 07.10.2009
12. Д. Анисимов, Е. Патий. Индустрия жёстких дисков: дальше - больше // «Экспресс Электроника». - 2007. - № 3.
13. 2016 Hard Drive Review: Testing 61,590 Hard Drives
14. Medalist 545XE (англ.) (недоступная ссылка -

Жесткий диск (винчестер), устройство для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером. Свое название жесткий диск получил по своему отличию от носителей информации на гибких магнитных лентах и дисках.
Принципы современной технологии изготовления жесткого диска были разработаны в 1973 г. американской фирмой Ай-Би-Эм (IBM). Новое устройство, которое могло хранить до 16 килобайт информации, имело 30 цилиндров (дорожек) для записи, каждый из которых был разбит на 30 секторов. Поэтому оно получило название 30/30. Известные винтовки "винчестер" имеют калибр 30/30, поэтому жесткие диски тоже стали называться "винчестерами". По другой версии, он получил такое название по г. Винчестеру, где проходили разработки жесткого диска.
Винчестер смонтирован на оси-шпинделе, приводимой в движение специальным двигателем. Он содержит от одного до десяти дисков (platters). Скорость вращения двигателя для обычных моделей может составлять 3600, 4500, 5400, 7200, 10000 или даже 12000 об/мин. Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины, на которые нанесен магнитный слой.
Важнейшей частью винчестера являются головки чтения и записи (read-write head). Как правило, они находятся на специальном позиционере (head actuator). Для перемещения позиционера используются преимущественно линейные двигатели (типа voice coil - "звуковая катушка"). В винчестерах применяются несколько типов головок: монолитные, композитные, тонкопленочные, магниторезистивные (MR, Magneto-Resistive), а также головки с усиленным магниторезистивным эффектом (GMR, Giant Magneto-Resistive).
Магниторезистивная головка, разработанная IBM в начале 1990-х гг., представляет собой комбинацию из двух головок: тонкопленочной для записи и магниторезистивной для чтения. Подобные головки позволяют почти в полтора раза увеличить плотность записи. Еще больше позволяют повысить плотность записи GMR-головки.
Внутри любого винчестера обязательно находится электронная плата, которая расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения.
В ходе выполнения процедуры так называемого низкоуровневого форматирования (low-level formatting) на жесткий диск записывается информация, которая определяет разметку винчестера на цилиндры и секторы. Структура формата включает в себя различную служебную информацию: байты синхронизации, идентификационные заголовки, байты контроля четности. В современных винчестерах такая информация записывается однократно при изготовлении винчестера.
Повреждение этой информации при самостоятельном низкоуровневом форматировании чревато полной неработоспособностью диска и необходимостью восстановления этой информации в заводских условиях.
Емкость винчестера измеряется в мегабайтах. К концу 1990-х гг. средняя емкость жестких дисков для настольных систем достигла 15 гигабайт, а в серверах и рабочих станциях с интерфейсом SCSI применяются винчестеры емкостью свыше 50 гигабайт. В большинстве современных персональных компьютеров применяются жесткие диски емкостью 10 гигабайт.
Одной из основных характеристик жесткого диска является среднее время, в течение которого винчестер находит нужную информацию. Это время обычно представляет собой сумму времени, необходимого для позиционирования головок на нужную дорожку и ожидания требуемого сектора. Современные винчестеры обеспечивают доступ к информации за 8-10 мс.
Другой характеристикой винчестера является скорость чтения и записи, но она зависит не только от самого диска, но и его контроллера, шины, быстродействия процессора. У стандартных современных жестких дисков эта скорость составляет 15-17 Мбайт/с.

Литература
1. Большая Советская Энциклопедия, М., 1976.

Идея хранения больших объемов данных на внешних магнитных носителях возникла практически одновременно с самими компьютерами. Первыми появились ленты, а вслед за ними - барабаны. Преимуществом лент была практически неограниченная площадь носителя, а недостатком - необходимость последовательного доступа. Напротив, достоинство барабанов состояло в возможности прямого доступа, зато увеличить площадь их магнитной поверхности в заданном объеме было нельзя. С «геометрической» точки зрения единственной альтернативой этим типам носителей оказались накопители, в которых магнитная поверхность располагается на стеке вращающихся дисков, в просторечии - «блинов». Во-первых, их площадь можно увеличивать за счет количества «блинов», а во-вторых, возможен прямой доступ к записанным данным. Магнитные диски впервые были реализованы в начале 50-х годов в исследовательской лаборатории корпорации IBM, расположенной в Сан-Хосе (Калифорния).

С тех пор прошло более полувека, но чего-то иного, способного заменить диски, пока не придумано. По всей Земле вращается свыше 2 млрд шпинделей, на которых записаны петабайты данных, и так будет, по всей видимости, еще много лет. При этом «привязанность» процессоров, содержащих сотни миллионов транзисторов на одном кристалле, к довольно примитивному на первый взгляд механическому устройству выглядит довольно странной. Не случайно на протяжении долгой истории дисков им (как, к примеру, и мэйнфреймам), неоднократно предсказывали неизбежную кончину. Однако и те и другие с завидной регулярностью реинкаринировались, появлялись все новые и новые технические решения, которые позволяли отложить казавшееся делом решенным расставание на неопределенное время. Современные диски настолько миниатюрны и совершенны, что пользователи забывают или даже не догадываются об их механической природе. Твердотельные диски, которые, несомненно, когда-то придут на смену традиционным механическим устройствам, уже сейчас превосходят их по всем показателям, но стоят на порядки дороже и в обозримом будущем вряд ли смогут с ними конкурировать.

Одна из самых важных технических тенденций, обеспечившая дискам долгожительство, - уменьшение их физических размеров. Миниатюризация позволяет радикально снижать необходимую для вращения потребляемую мощность, величина которой пропорциональна диаметру в четвертой степени. Обычно при переходе на стандарт, подразумевающий меньший диаметр дисков, их емкость сначала уменьшается, но потом, благодаря повышению плотности записи, резко растет. В свою очередь, уменьшение размеров и потребляемой мощности приводит к расширению сферы применения. Когда-то диски могли использоваться только в компьютерных центрах, затем - в персональных компьютерах, а в современных условиях - в мобильных устройствах. На каждой новой «волне» рынок возрастает на порядки.

Дисковый накопитель, как и большинство изобретений, связанных с компьютерами, появился в результате индивидуального творчества. Создатель этого незаменимого устройства Рейнолд Джонсон (1906-1998) - неутомимый изобретатель-универсал и обладатель множества патентов - почти всю свою долгую жизнь проработал в IBM. Даже уйдя в отставку, Джонсон продолжал творить и в дополнение к славе изобретателя дисков получил широкую известность как автор игрушек.

Изобретательская карьера Джонсона началась с создания электронного устройства для считывания бланков в 30-е годы XX века, когда он работал школьным учителем. Предложенный им прибор оказался настолько эффективным, что компания IBM пригласила его к себе на работу. Использованная в этом приборе технология (в последующем она была названа электрографией) позволяла переводить метки, нанесенные специальным карандашом, с бумажного бланка на единственный существовавший в ту пору машинный носитель - перфокарты. Потом Джонсон сделал множество других изобретений, в том числе создал кассетные магнитные ленты, но, разумеется, главное его достижение - первый в истории компьютерных систем дисковый накопитель. За свои изобретения Джонсон был награжден в 1986 году Национальной технологической медалью.

В 1953 году Джонсон был назначен на должность руководителя исследовательской лаборатории IBM, расположенной в Сан-Хосе, и в последующем она стала для корпорации основным центром разработки технологий магнитных дисков. Географическая удаленность лаборатории от штаб-квартиры обеспечивала относительную свободу действий и позволяла вести несанкционированную разработку прибора, получившего название RAMAC (Random-Access Method of Accounting and Control - «произвольный метод доступа и управления»). Самодеятельность Джонсона не сразу была оценена по достоинству, и по результатам инспекционной поездки высшее руководство сначала выразило недоверие к проекту, посчитав его излишне затратным. Но Джонсон проявил упорство и в феврале 1954 года сумел впервые переписать данные с перфокарт на диск.

В ноябре того же года разработка RAMAC получила официальное признание, а в 1956 году был выпущен серийный дисковый накопитель IBM 350 - первое устройство с подвижной головкой для чтения и записи. Этот диск стал частью системы IBM 305, в состав которой входили также считыватель с карт и принтер. RAMAC весил более тонны и был способен хранить 5 млн символов в 7-битовой кодировке на 50 (!) «блинах» диаметром 24 дюйма, покрытых краской с окисью железа. Кстати, точно такая же краска и поныне используется для окрашивания моста Golden Gate в Сан-Франциско.

При проектировании первого магнитного диска инженеры столкнулись с целым комплексом проблем, который сопровождал эти устройства на протяжении всех последующих лет: необходимость повышения плотности записи и скорости вращения, уменьшения толщины магнитного покрытия и расстояния от головки до поверхности. В RAMAC была применена головка, которая не соприкасается с диском, а находится на воздушной подушке. Эта идея с небольшими изменениями остается основополагающей и поныне. В первых конструкциях головка поддерживалась на нужном расстоянии от диска с помощью воздушной струи. Вскоре появились «летающие» головки, чей «полет» обеспечивался за счет эффекта Бернулли, и затем такой конструктивный принцип не менялся. Иногда считают, что современные диски работают в вакууме, но головка может «летать» только в воздушной среде. Одна из проблем состоит в необходимости обеспечения «аварийной посадки» в случае отключения питания; она решается благодаря инерционности вращающихся «блинов».

Справедливости ради отметим, что работа Джонсона не была уникальной. К идее создания дисковых накопителей почти одновременно подошли несколько компаний, но наиболее близко - ведущая компьютерная компания 50-х, Univac, в которой работали изобретатели компьютера ENIAC Преспер Эккерт и Джон Мочли. Однако по соображениям внутренней политики в Univac предпочтение было отдано магнитным барабанам - направлению, в конечном счете, оказавшемуся тупиковым.

Некоторые конструкции дисков начала 60-х годов поистине поразительны. К числу уникальных относится устройство компании Bryant Computer, которое имело самый большой в истории дисков диаметр (почти 1 метр) и емкость до 90 Мбайт. Но единственным серьезным конкурентом IBM по части дисков была компания Telex, которая в начале 60-х годов смогла выпустить собственные устройства, поставлявшиеся в качестве дополнительного оборудования к компьютерам IBM. Это, пожалуй, первый известный прецедент комплектования компьютеров системами хранения независимых производителей. В последующие годы количество компаний, производящих диски, заметно увеличилось, причем многие из них были созданы выходцами из IBM. Одним из наиболее ярких представителей нового поколения стал легендарный Алан Шугарт, который после целого ряда метаморфоз образовал компанию Seagate Technology.

Следующим шагом было создание накопителей со сменными пакетами диаметром 14 дюймов. Эти практичные устройства позволяли многократно увеличивать объем хранимых на дисках данных без существенных затрат. Из-за их габаритов и внешнего сходства эти дисководы называли «стиральными машинами». С таких конструкций началось серийное тиражирование дисков, которыми комплектовались до середины 80-х годов мини-ЭВМ и мэйнфреймы.

Но самым радикальным изобретением, изменившим дисковую индустрию, стали диски-винчестеры. Первый накопитель такого типа, IBM 3340, хранил 30 Мбайт на сменном пакете и еще 30 Мбайт - на фиксированном. С 1973 года винчестерами стали называть неразборные диски, расположенные вместе с головками в замкнутом пространстве. (Утверждается, что такое название было дано по имени винтовки «Винчестер 30-30», которой владел менеджер проекта; а может, дело состояло в том, что одна из исследовательских лабораторий IBM расположена в английском городе Винчестер.) Выпускавшиеся в 80-е годы винчестеры имели емкость, измерявшуюся сотнями мегабайт, и были довольно громоздкими - они весили десятки килограмм.

Дальнейшая эволюция дисков была связана с входящими в их состав компонентами. При этом приходилось решать множество конструктивных, аэродинамических и материаловедческих задач, а также проблем, связанных с управлением в процессе перемещения головок. Управление сервоприводами и точное динамическое позиционирование головок относительно дорожек составляют одно из самых интересных направлений в современной теории автоматического регулирования. Общий тренд в развитии дисков определяется тем, что качество поверхности диска, допускаемая материалом плотность записи, высота «полета» головки и другие характеристики взаимозависимы. Эта зависимость определяется прежде всего законами физики: напряженность магнитного поля падает пропорционально кубу расстояния между головкой и носителем. К тому же чем меньше диаметр диска, тем меньше линейная скорость на периметре и вызываемая вращением турбулентность. Уменьшение размеров диска, напрямую приводящее к увеличению его емкости, ограничивается только имеющимися технологиями.

Первым серьезным шагом в этом направлении было создание в 1979 году 8-дюймового дисковода IBM Piccolo (IBM 3350). Поначалу такие дисководы уступали по емкости более распространенным на тот момент 14-дюймовым дисководам, но со временем превзошли их. В 1980 году компания Seagate Technology создала диски размером 5,25 дюйма, в 1983 году Rodime запустила в продажу 3,5-дюймовые диски, а в 1988-м PrairieTek уменьшила размер дисков до 2,5 дюймов. В настоящее время миниатюризация дисков, преодолев барьер в 1 дюйм (IBM Microdrive), достигла показателя 0,85 дюйма. Компьютеры IBM PC и их многочисленные клоны комплектовались 5-дюймовыми дисками емкостью 10 Мбайт, с которых и началось производство дисков миллионными тиражами.

Одновременно с уменьшением диметра совершенствовались материалы, используемые для создания магнитной поверхности и самих вращающихся дисков, а электрический привод сместился вовнутрь шпинделя. Наиболее заметным было повышение скорости вращения. Первый диск RAMAC вращался со скоростью 1200 оборотов в минуту, 14-дюймовые - со скоростью 5400 оборотов в минуту, а скорость вращения дисков диаметром 5,25, 3,5 и 2,5 дюймов возросла с 7200 до 10 тыс. и даже до 15 тыс. оборотов. Но, пожалуй, самым ярким показателем прогресса дисковых технологий является снижение удельной стоимости хранения. В 60-е годы она превышала 2 тыс. долл. за мегабайт, а сейчас за тот же объем нужно заплатить десятые доли цента.

Современные диски подключаются по одному из следующих типов интерфейсов: ATA (IDE, EIDE), SCSI, FireWire/IEEE 1394, USB и Fibre Channel. Их собирают в дисковые массивы, но это уже другая история. В конце 2002 года был предложен последовательный интерфейс Serial ATA, позволивший создавать недорогие массивы большой емкости, что открывает новые возможности для оперативного хранения данных.

Как измерять емкость дисков

Быстрый рост емкости дисков обнажил на первый взгляд неожиданную проблему, а именно - недостаточную определенность единиц измерения этой емкости. Несколько лет назад в Соединенных Штатах состоялись судебные процессы в связи с обвинением производителей компьютеров в том, что заявленные ими емкости дисков не соответствуют тому, что показывает операционная система. Скажем, в спецификации компьютера указано, что в нем установлен диск 120 Гбайт, а система показывает только 115. Многие из нас пытались понять, почему на 30-гигабайтном диске можно записать только 28 Гбайт данных, для чего соотносили значения степени двойки со степенью десятки. А виной всему - несогласованность терминов, использование вперемежку десятичных (кило-, мега-) префиксов и двоичных значений, коварная близость пресловутых значений 1024 и 1000, побуждающая приравнять их, чтобы при дальнейших расчетах отождествлять 103 и 210.

К чему это приводит, станет ясно, если в качестве примера рассмотреть такую единицу измерения, как мегабайт. Оказывается, ее можно трактовать тремя различными способами.

1. Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission, IEC), придерживающаяся системы СИ, считает, что 1 Мбайт равен 1 млн. байт (106). В такой трактовке эту единицу измерения используют некоторые производители жестких дисков и DVD.
2. Память компьютеров тоже измеряется мегабайтами, но по определению, является «чисто двоичной», поэтому в этом случае 1 Мбайт равен 1048576 байт (220).
3. Производители гибких дисков породили промежуточный подход. Они сохранили двоичный килобайт, поэтому у них 1 Мбайт равен 1 тыс. Кбайт, то есть 1024000 байт (1024 x 1000). Отсюда следует, что дискета емкостью 1,44 Мбайт на деле может хранить 1474560 байт.

По очевидным арифметическим причинам расхождение между двоичными значениями и десятичными будет тем больше, чем больше абсолютная величина. Между десятичной тысячей байт и килобайтом (1024 байт) - разница всего 2,4%; однако между йоттабайтом (280) и обычно ставящимся ему в соответствие числом 1024 различие составляет уже 20,8%. На гигабайтном уровне различие меньше, но и его оказалось достаточно для того, чтобы организации, защищающие права потребителей, возбудили судебные процессы против производителей дисков. Имели место попытки доказать, что они вводят в заблуждение покупателей, завышая истинные объемы дисков, но это совсем не так. Использование десятичных единиц измерения в накопителях является инженерной традицией, которая началась еще со времен перфолент, а двоичная интерпретация дискового пространства связана с особенностями операционной системы.

Для преодоления противоречия в 1999 году IEC разработала новый стандарт IEC 60027-2, в котором предлагается заменить десятичные префиксы двоичными, отличающимися двумя буквами bi (от binary), и полностью отказаться от использования основания 10 в пользу основания 2. За прошедшие с тех пор годы наблюдался определенный рост популярности новой системы измерений, и в 2005 году ее приняли американский институт IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) и Международный комитет мер и весов (Comite International des Poids et Mesures, CIPM).

Аналогичные изменения предложены и для единиц измерения, определяющих скорость передачи данных. Как сейчас принято, единица измерения частоты герц взята из системы СИ, следовательно, передаваемые данные считаются в десятичной системе и скорость передачи, скажем, 128 Кбит/с означает передачу 128 тыс. десятичных битов в секунду, что равно 15,625 Ki в секунду, а, например, скорость передачи 1 Мбит/с 122 Ki в секунду.

Важные даты из истории магнитных дисков

• 1956 год - первый дисковый накопитель RAMAC 350 (5 Мбайт, 24 диска)
• 1961 год - накопитель с делением на секторы Bryant Computer 4240 (90 Мбайт, 24 диска диаметром 39 дюймов, т.е. 99 см)
• 1963 год - накопитель со сменными 14-дюймовыми пакетами IBM 1311 (2,69 Мбайт, 6 дисков)
• 1971 год - накопитель со следящим сервомеханизмом IBM 3330-1 Merlin (100 Мбайт, 11 дисков)
• 1971 год - гибкий диск IBM 23FD (0,816 Мбайт, 1 диск диаметром 8 дюймов)
• 1973 год - накопитель типа «Винчестер» IBM 3340
• 1976 год - гибкий диск диаметром 5, 25 дюйма Shugart Associates SA400
• 1980 год - жесткий диск диаметром 5,25 дюйма Seagate Technology ST506 (5 Мбайт)
• 1985 год - диск на карте Quantum Hardcard (10,5 Мбайт, 3,5 дюйма)

Инструкция

Если на компьютере установлен один диск, то ему, как правило, присвоена буква C. Это удобно, так как по умолчанию именно на диске С находится операционная система. Менять эту букву не следует, вы можете получить неработоспособную систему или столкнетесь с проблемами при запуске уже установленных программ.

Буквы всех остальных дисков можно менять. Для смены откройте: «Пуск» - «Панель управления» - «Администрирование» - «Управление компьютером». В левой колонке открывшегося окна выберите пункт «Управление дисками».

В открывшемся окне вы увидите список дисков и их графическое представление. Кликните нужный диск правой кнопкой мышки и выберите в контекстном меню пункт «Изменить букву диска или путь к диску». В новом окошке подберите для диска любую свободную букву и сохраните изменения.

В том случае, если вы, например, хотите переименовать диск F в D, но эта буква уже принадлежит другому диску, переименуйте диск D в любой другой, а освободившуюся букву присвойте диску F.

Вы можете не только менять букву диска, но и его название, отображающееся в «Проводнике». Откройте «Мой компьютер», кликните любой диск правой кнопкой мышки и выберите пункт «Переименовать». Так, если на выбранном диске у вас находятся игры, вы можете назвать его «Игры» или Game. Если это диск с данными, то вполне подойдут такие варианты, как «Данные» или «Файлы». У вас на компьютере могут присутствовать диски: «Фото», «Музыка», «Софт», «Архив» и др.

Некоторые пользователи создают отдельный раздел, в котором сохраняют все файлы, потерявшие актуальность, но еще способные пригодиться в какой-то ситуации. Название у такого диска соответствующее – «Свалка», «Разное», «Старые файлы», «Утиль» и т.д. – в данном случае все зависит от фантазии пользователя. Смена названия диска не приводит к смене буквы.

Даже если у вас на компьютере всего один физический диск, рекомендуется разделить его на несколько логических. Выделите диску С достаточно небольшой объем – например, 50 Гб. Этого хватит для операционной системы и установленных программ. Все остальные файлы храните на других разделах, это значительно повысит их сохранность. Еще лучше, если в вашей системе два и более физических жестких диска: дублируя важную информацию, вы сведете к минимуму риск ее потери.

Видео по теме

Наличие на компьютере нескольких жестких дисков значительно увеличивает безопасность хранения файлов. Но даже если на вашем компьютере всего один жесткий диск, вы можете повысить сохранность файлов, разделив его на несколько логических дисков .

Инструкция

Создание логического диска является достаточно условным процессом, так как физически никакого нового устройства не создается. Происходит выделение некоторого дисков ого пространства, которому присваивается та или иная буква. С момента такого разбиения пользователь может обращаться к новому логическому диску как к самостоятельному устройству – форматировать его, записывать на него информацию, устанавливать операционную систему и т.д.

Если на вашем компьютере только один жесткий диск, обязательно разделите его на два (или больше) логических. Это очень удобно, так как значительно повышает сохранность информации на компьютере. На диск С устанавливается основная операционная система, на диск D – резервная. На диске D хранятся и основные файлы пользователя. Даже в случае очень серьезных проблем с основной ОС вы сможете загрузиться с резервной, сохранить важные данные с диска С (например, папку «Мои документы») и переустановить операционную систему. При этом файлы на диске D в любом случае остаются нетронутыми.

В операционной системе Windows XP нет встроенных средств для разбиения жесткого диска. В Windows 7 возможность разбиения диска есть, но все-таки и для этой ОС лучше воспользоваться сторонней утилитой. Одной из наиболее удобных программ является программа Acronis Disk Director, ее последние версии поддерживает все операционные системы семейства Windows. Программа существует в двух основных версиях: одна загружается с компакт-диска при старте компьютера, другая устанавливается как обычная программа для Windows. В остальном в них все одинаково.

Для разбиения диска запустите программу Acronis Disk Director. Выберите ручной режим. мышкой выделите диск, который вы собираетесь разделить. Затем в левой части программы нажмите пункт «Разделить». Откроется окно, в котором вам предложат выделить папки, переносимые на новый раздел. Выбрав нужные папки, нажмите кнопку «Далее».