Как работают жесткие диски

[Carder]

На жестких дисках цифровая информация хранится в относительно постоянной форме.

Практически каждый используемый сегодня настольный компьютер и сервер содержит один или несколько жестких дисков. Каждый мэйнфрейм и суперкомпьютер обычно подключаются к сотням из них. Вы даже можете найти устройства типа видеомагнитофонов и видеокамеры, в которых вместо ленты используются жесткие диски . Эти миллиарды жестких дисков хорошо справляются с одной задачей - они хранят изменяющуюся цифровую информацию в относительно постоянной форме. Они дают компьютерам возможность запоминать вещи при отключении питания.
В этой статье мы разберем жесткий диск, чтобы вы могли увидеть, что внутри, а также обсудим, как они организуют гигабайты информации, которые хранятся в файлах!

Содержание

1. Основы жесткого диска
2. Кассетная лента против жесткого диска
3. Емкость и производительность
4. Внутри: Электронная плата
5. Внутри: под доской
6. Внутри: тарелки и головы
7. Хранение данных

Основы жесткого диска​

Жесткие диски были изобретены в 1950-х годах. Они начинались с больших дисков до 20 дюймов в диаметре, содержащих всего несколько мегабайт. Первоначально они назывались «фиксированные диски» или «винчестеры» (кодовое название популярного продукта IBM). Позже они стали известны как «жесткие диски», чтобы отличать их от «гибких дисков». Жесткие диски имеют жесткий диск, который удерживает магнитный носитель, в отличие от гибкой пластиковой пленки, используемой в лентах и дискетах.
На простейшем уровне жесткий диск не так уж отличается от кассеты. И на жестких дисках, и на кассетах используются те же методы магнитной записи, которые описаны в статье «Как работают магнитофоны» . Жесткие диски и кассеты также обладают основными преимуществами магнитной памяти - магнитный носитель можно легко стереть и перезаписать, и он будет «помнить» шаблоны магнитного потока, сохраненные на носителе в течение многих лет.
В следующем разделе мы поговорим об основных отличиях кассетных лент от жестких дисков.

Кассетная лента против жесткого диска​

Давайте посмотрим на большие различия между кассетами и жесткими дисками:

• Магнитный записывающий материал на кассете нанесен на тонкую пластиковую полоску. На жестком диске материал для магнитной записи накладывается на высокоточный алюминиевый или стеклянный диск. Затем пластина жесткого диска полируется до зеркальной гладкости.
• С кассетой вы должны перемотать вперед или назад, чтобы добраться до любой конкретной точки на ленте. При использовании длинной ленты это может занять несколько минут. На жестком диске вы можете почти мгновенно переместиться в любую точку на поверхности диска.
• В кассетно-магнитофонной деке головка чтения / записи непосредственно касается ленты. На жестком диске головка чтения / записи «летает» над диском, фактически не касаясь его.
• Лента в кассетно-магнитофонной деке движется над головой со скоростью около 2 дюймов (около 5,08 см) в секунду. Диск с жестким диском может вращаться под своей головкой со скоростью до 3000 дюймов в секунду (около 170 миль в час или 272 км в час)!
• Информация на жестком диске хранится в очень маленьких магнитных областях по сравнению с кассетной лентой. Размер этих доменов стал возможным благодаря точности диска и скорости носителя.

Из-за этих различий современный жесткий диск способен хранить удивительный объем информации на небольшом пространстве. Жесткий диск также может получить доступ к любой своей информации за доли секунды.

Емкость и производительность​

Типичный настольный компьютер имеет жесткий диск емкостью от 10 до 40 гигабайт. Данные хранятся на диске в виде файлов. Файл - это просто именованный набор байтов. Байты могут быть кодами ASCII для символов текстового файла, или они могут быть инструкциями программного приложения для компьютера, или они могут быть записями базы данных, или они могут быть цветами пикселей для изображение в формате GIF. Однако независимо от того, что он содержит, файл - это просто строка байтов. Когда программа, запущенная на компьютере, запрашивает файл, жесткий диск извлекает его байты и по одному отправляет их процессору.

Есть два способа измерить производительность жесткого диска:

• Скорость передачи данных - скорость передачи данных - это количество байтов в секунду, которое диск может передать процессору. Обычно скорость составляет от 5 до 40 мегабайт в секунду.
• Время поиска - время поиска - это время между запросом файла ЦП и отправкой первого байта файла в ЦП. Обычно время составляет от 10 до 20 миллисекунд.

Другой важный параметр - это емкость накопителя, то есть количество байтов, которое он может хранить.

Внутри: Электронная плата​

Лучший способ понять, как работает жесткий диск, - это заглянуть внутрь. (Обратите внимание, что ОТКРЫТИЕ ЖЕСТКОГО ДИСКА РАЗРУШАЕТ ЕГО, поэтому не стоит пытаться это сделать дома, если у вас нет неработающего диска.)

Вот типичный жесткий диск:
Это герметичный алюминиевый корпус с электроникой контроллера, прикрепленной к одной стороне. Электроника управляет механизмом чтения / записи и двигателем, который вращает пластины. Электроника также собирает магнитные домены на диске в байты (чтение) и превращает байты в магнитные домены (запись). Вся электроника находится на небольшой плате, которая отсоединяется от остальной части привода:

Внутри: под доской​

Под платой находятся соединения для двигателя, который вращает пластины, а также вентиляционное отверстие с высокой степенью фильтрации, которое позволяет выравнивать внутреннее и внешнее давление воздуха:

Снятие крышки с привода открывает чрезвычайно простой, но очень точный интерьер:

На этой картинке вы можете увидеть:

• Эти пластины - Эти , как правило , вращаются со скоростью 3600 оборотов в минуту , или 7,200 , когда привод работает. Эти пластины производятся с удивительными допусками и имеют зеркальную гладкость (как вы можете видеть на этом интересном автопортрете автора ... этого нелегко избежать!).
• Рука - Это держит / головок чтения и записи, и управляется с помощью механизма в верхнем левом углу. Рычаг может перемещать головки от ступицы к краю привода. Рычаг и механизм его движения очень легкие и быстрые. Плечо на типичном жестком диске может перемещаться от концентратора к краю и обратно со скоростью до 50 раз в секунду - это потрясающее зрелище!

Внутри: тарелки и головы​

Чтобы увеличить объем информации, которую может хранить диск, большинство жестких дисков имеют несколько пластин . Этот накопитель имеет три пластины и шесть головок чтения / записи:

Механизм перемещения рычагов на жестком диске должен быть невероятно быстрым и точным. Он может быть построен с использованием высокоскоростного линейного двигателя.

Многие приводы используют подход «звуковой катушки» - тот же метод, который используется для перемещения диффузора динамика на стереосистеме, используется для перемещения тонарма.

Хранение данных​

Данные хранятся на поверхности диска в секторах и дорожках. Дорожки представляют собой концентрические круги, а секторы представляют собой клинья в форме пирога на дорожке, например:
Типичный трек показан желтым; типичный сектор показан синим цветом. Сектор содержит фиксированное количество байтов, например 256 или 512. На уровне диска или операционной системы сектора часто группируются в кластеры.
В процессе низкоуровневого форматирования диска дорожки и сектора устанавливаются на пластину. Начальная и конечная точки каждого сектора написаны на пластине. Этот процесс подготавливает диск для хранения блоков байтов. Затем высокоуровневое форматирование записывает структуры хранения файлов, такие как таблица размещения файлов, в сектора. Этот процесс подготавливает диск для хранения файлов.