Tooprogram.ru

Компьютерный справочник
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как записывается информация на жесткий диск

Как устроен жесткий диск компьютера (HDD)

Приветствую всех читателей блога pc-information-guide.ru. 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 (оперативной памяти) — 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).

Устройство жесткого диска компьютера

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 загружается ОС, 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.

Читать еще:  Проверка жесткого диска на бэды

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 интерфейсы жесткого диска — 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!

Устройство жесткого диска

Устройство жесткого диска компьютера кратко

  1. Интегральная схема — плата, которая управляет работой жесткого диска. Здесь расположены микроконтроллер (процессор), чип памяти, контроллер управления двигателем и блоком головок, флеш-память.
  2. Электромотор, который вращает диск.
  3. Головки (коромысло) — записывают и считывают информацию.
  4. Металлические диски (пластины) — на которых хранятся данные.
  5. Корпус.

Структура жесткого диска частично напоминает слоёный пирог. Несколько дисков собраны на одной оси и расположены точно друг над другом. Эта система дисков вращается на немалой скорости вокруг своей оси. Головки четко определяют нужное место на дисках, где считывают или же записывают информацию.

Как происходит запись информации на диск

Информация хранится на дисках, изготовленных из полированного алюминия или стекла, и покрытых несколькими слоями специального состава, который образует на поверхности ферромагнитную пленку.
Запись информации на диски происходит с помощью системы магнитных головок, перемещающихся в пространстве между дисками.
Головки не касаются поверхности дисков. Расстояние между ними и дисками в 5 тыс. раз меньше толщины человеческого волоса.
Когда головки позиционируются в нужном месте, подается токовый импульс для создания магнитного момента той или иной направленности — в результате на диск будет записан либо логический «0», либо логическая «1». Каждый такой «0» или «1» называется Бит. Значение бита соответствует ориентации магнитного поля — плюсу или минусу.
Каждый квадратный сантиметр поверхности содержит в себе 31 миллиард битов.

Как происходит считывание информации с диска

Для считывания информации с диска служат те же магниторезистивные головки. Диски вращаются, а головки перемещаются по концентрическим окружностям-дорожкам информации, Обеспечивается доступ головок к данным на дисках.
В головке протекает ток такой силы, которая пропорциональна изменению магнитного поля. Информация, считанная магнитной головкой, — это аналоговый сигнал, для обработки процессором он перекодируется. Так, в результате получается «цифра» (необходимый любому микропроцессорному устройству бинарный код).

Какие могут быть повреждения жесткого диска

Необходимо исключить возможность порчи магнитного слоя дисков головками. Слишком велика вероятность их падения при отключении электропитания. По-этому, при остановке жесткого диска, головки перемещаются в определенную точку, над неиспользуемыми частями диска, и там фиксируются. Этот процесс называется — Парковка.

Объём винчестера

Скажем несколько слов и о разбивке всего объёма хранимой информации на определённые разделы. Блок головок перемещается вдоль поверхности дисков. Следовательно, в одно и то же время головки размещены над своими дисками, но дорожка будет одна. Так получается цилиндр, если посмотреть на описанную систему со стороны. Каждая дорожка разбита на несколько секторов по 512 байт хранимой информации. Зная, сколько в жёстком диске головок, секторов и цилиндров, можно перемножить эти значения. Полученный результат — предполагаемый объём винчестера.

Представление информации и процесс преобразования

Чтобы облегчить процесс производства дисков, дорожки располагают как можно ближе друг к другу, таким образом уменьшается число дисков в блоке. Всё сказанное выше о разбивке винчестера относится к физическому размещению. Компьютер же использует логическое размещение. Данные разбивки, необходимые программе Setup, можно обнаружить на самом корпусе устройства. Допуск головок в требуемое место диска обеспечивается блоком трансляции, который расположен непосредственно на винчестере. Так осуществляется процесс преобразования логического представления информации в физическое представление.

Производителем в процессе изготовления, изначально допускается некоторое число бракованных секторов, однако винт в целом должен обеспечивать необходимый объём. Такие бракованные сектора помечаются при процедуре низкоуровневого форматирования, а во время дальнейшей работы устройства эти участки просто-напросто не учитываются.

Вот, кратко, вся информация об устройстве жёсткого диска.

Размещение информации на диске

Всю информацию, хранящуюся на диске, условно делят на служебную и пользовательскую . Первая обеспечивает нормальную работу и изначально присутствует в любом HDD — ее записывает завод-изготовитель.

Поверхность диска никогда не используется для записи произвольным образом. Данные всегда записываются в виде концентрических окружностей, называемых дорожками, состоящих из нескольких меньших отрезков — секторов. Каждой дорожке и каждому сектору на каждой из сторон диска присваивается свой порядковый номер. Расположенные одна над другой несколько дорожек с одинаковыми номерами называются цилиндрами.

Такое деление дискового пространства на участки называется форматом нижнего уровня и выполняется на заводе — изготовителе винчестера.

В процессе низкоуровневого форматирования дисков может выясниться, что на поверхности пластин имеется один или несколько маленьких участков, чтение или запись в которые сопровождается ошибками (так называемые сбойные секторы, или бэд-блоки).

Читать еще:  Блок схема жесткого диска

Однако из-за этого диск не выбрасывают и не считают его испорченным, а всего лишь помечают эти секторы особым образом, и они в дальнейшем игнорируются. Чтобы пользователь не видел этого безобразия, винчестер содержит некоторое количество запасных дорожек, которыми электроника накопителя «на лету» подменяет дефектные участки поверхности, делая их абсолютно прозрачными для операционной системы и таких программ, как, например, дисковые редакторы, ScanDisk и Norton Disk Doctor.

Но не вся область диска отведена для записи данных. Часть информационной поверхности используется накопителем для собственных нужд. Это область служебной, как ее еще иногда называют, инженерной информации. Она скрыта от пользователей и становится доступной при переводе винчестера в специальный технологический режим, осуществляемый при помощи стендового оборудования и особых утилит

Служебную информацию можно разделить на несколько типов:

сервометки, предназначенные для стабилизации скорости вращения дисков, поиска секторов и точной установки головок на дорожки;

информация, служащая для адресации секторов с данными пользователя и контроля целостности этих данных;

рабочие программы (микрокод), предназначенные для управления работой всех систем накопителя;

паспорт винчестера, в котором записана информация о количестве дисков, головок, название фирмы-производителя и модели накопителя, дата его изготовления, страна изготовитель, номер конвейера, номер рабочей смены и многое другое; здесь же хранится и уникальный серийный номер винчестера;

таблица дефектных секторов, служащая для аппаратной подмены сбойных участков поверхности из резерва. Эта информация используется электроникой винчестера в процессе работы и является важнейшей его частью, без которой физически полностью исправный накопитель был бы бесполезным куском железа.

Каждый HDD разделен на зоны ( notches ), в каждую из которых входит обычно от 20 до 30 цилиндров с одинаковым количеством секторов. Секторов может умещаться от 17 до 150 (как правило) на одной дорожке. Их нумерация начинается с 1, тогда как нумерация головок и цилиндров начинается с 0. Количество секторов на дорожке не равное. Чем дальше дорожка от центра, тем больше число секторов на диске.

Области размещения информации на диске c FATxx:

PT состоит из четырёх элементов описывающих разделы диска. DOS и Windows используют только первые два элемента. Описание раздела диска содержит информацию о первых и последних головках, дорожках, секторах раздела, общем количестве секторов в разделе, типе файловой системы и признак того, что раздел является загрузочным.

MBR находится в том же секторе что и PT. Данные в MBR представляют собой код процессора, необходимый для дальнейшей загрузки операционной системы. В последних двух байтах MBR находится сигнатура 55AAh указывающая на то, что данные в MBR необходимо использовать для загрузки. Если эта сигнатура отсутствует, данные MBR не будут использованы. PT и MBR расположены на самом первом секторе HDD.

BR содержит массу данных и служит для описания параметров файловой системы. В отличие от диска, минимальным адресуемым блоком данных для операционной системы служит кластер, состоящий из одного или нескольких секторов. Нужны данные: размер кластера, размер и количество копий FAT.

FAT состоит из 12, 16 или 32 битных элементов, количество которых равно количеству кластеров на диске. Нужны эти элементы для связи кластеров в цепочки соответствующие файлам.

ROOT — это корневой каталог диска. Содержит записи описывающие файлы (дескрипторы файлов) в корневом каталоге. Запись описывает имя, тип, дату создания, размер, атрибуты файла , а также содержит указатель на первый кластер файла. Каталоги представляют собой файлы, идентичные по структуре корневому каталогу. Каталог, кроме записей описывающих файлы, содержит 2 записи, первая из которых содержит указатель на первый кластер самого каталога, вторая — на первый кластер родительского каталога.

Методы записи инфоpмации на магнитные диски:

Метод MFM (Modified Frequency Modulation — модифициpованная частотная модуляция) используется для записи на гибкие диски, а также — в pанних винчестеpах для PC XT. Пpи использовании этого метода на одну доpожку винчестеpа записывается 17 сектоpов по 512 байт каждый.

Метод RLL (Run Length Limited — огpаниченная длина сеpии) использует более плотную упаковку данных пpи записи, повышая объем инфоpмации на доpожке пpимеpно на 50%. Кодиpование пpоизводится таким обpазом, чтобы длина сеpии нулей не выходила за пpеделы заданных паpаметpов; обычно минимум pавен двум, а максимум — семи. Соответственно, метод часто обозначается как RLL (2,7). На дорожку записывается до 27 секторов.

Метод ARLL (Advanced RLL — улучшенный RLL) — дальнейшее развитие RLL в сторону повышения плотности упаковки. Обычно применяется с параметрами (1,7) и (3,9). На дорожку записывается 34 и более сектора. Большинство современных винчестеров использует методы RLL или ARLL.

ZBR (Zoned Bit Recording — зоновая запись битов) — метод упаковки данных на дорожках диска. В отличие от перечисленных выше методов физической записи, ZBR является более высокоуровневым методом и используется в комбинации с одним из них. Благодаря тому, что линейная скорость поверхности относительно головки на внешних цилиндрах выше, чем на внутренних, биты на внешних цилиндрах записываются с большей частотой (следовательно — плотностью), нежели внутри. Обычно на поверхности организуется до десятка и более зон, внутри которых плотность записи одинакова. При использовании ZBR геометрия диска становится неоднородной — внешние цилиндры содержат больше секторов, чем внутренние; поэтому на таких дисках используется так называемая условная, или логическая геометрия, когда адреса логических секторов преобразуются в физические внутренним контроллером диска при помощи специальных таблиц.

Т.к. технология производства винчестеров пока не позволяет избавиться от битых секторов на 100%, в каждом винчестере существует таблица перераспределения запорченных секторов (участок дорожки). При каждом включении HDD считывает таблицу и просто «не замечает» битых частей. Но в процессе эксплуатации появляются новые bad-секторы — те, которые не помечены в заводской таблице. Обращаясь к такому сектору, магнитная головка многократно повторяет попытку чтения или записи, при этом возможно разрушение «здоровой» поверхности диска. Это влечет за собой дальнейшее «размножение» запорченных секторов. Таким образом винт постепенно приходит в негодность. Во многих винчестерах есть функция autoremap . Она предназначена для замены сбойных секторов на нормальные из резервной области на аппаратном уровне. Однако она не всегда срабатывает. Но можно прогнать дисковую утилиту (напр. HDDSpeed в режиме теста записи) — после этого bad-блоки пропадают (срабатывает autoremap).

Читать еще:  Схема устройства жесткого диска

Все диски на заводе проходят первичную разметку (низкоуровневую, Low Level Formatting ) на специальном высокоточном технологическом стенде. При разметке на диски записываются служебные метки (сервометки), а также формируются дорожки и секторы. Записываются их префиксы и суффиксы. Высокоуровневое форматирование делает пользователь при помощи утилиты FORMAT . В каждый раздел диска записывается VBS (volume boot sector — загрузочный сектор тома), FAT , корневой каталог (root directory), проверяется диск на наличие ошибок.

Есть система звукоподавления ( Sound Barrier Technology ), которая обеспечивает низкий уровень шума во время работы диска (напр. разработанная Seagate SBT-технология).

Режимы обмена информацией с HDD

Режимы п p ог p аммного ввода/вывода ( PIO — Programmed Input / Output ) и п p ямого доступа к памяти ( DMA — Direct Memory Access ) на винчесте p ах станда p та IDE / EIDE . П p ог p аммный ввод/вывод — обычный метод обмена с IDE -винчесте p ом, когда п p оцессо p п p и помощи команд ввода/ вывода считывает или записывет данные в буфе p винчесте p а, что отнимает какую-то часть п p оцессо p ного в p емени. Ввод/вывод путем п p ямого доступа к памяти идет под уп p авлением самого винчесте p а или его конт p олле p а в паузах между об p ащениями п p оцессо p а к памяти, что экономит п p оцессо p ное в p емя, но несколько снижает максимальную ско p ость обмена.

В однозадачных системах более п p едпочтителен p ежим PIO , в многозадачных — p ежим DMA . Однако для p еализации p ежима DMA необходимы специальные конт p олле p ы и д p айве p ы, тогда как p ежим PIO подде p живается всеми без исключения системами.

Каждый из p ежимов PIO и DMA имеет несколько p азновидностей, ха p акте p изующих способ обмена и длительность цикла пе p едачи одного слова, от кото p ых зависит ско p ость пе p едачи:

Устройство жесткого диска

Устройство жесткого диска компьютера кратко

  1. Интегральная схема — плата, которая управляет работой жесткого диска. Здесь расположены микроконтроллер (процессор), чип памяти, контроллер управления двигателем и блоком головок, флеш-память.
  2. Электромотор, который вращает диск.
  3. Головки (коромысло) — записывают и считывают информацию.
  4. Металлические диски (пластины) — на которых хранятся данные.
  5. Корпус.

Структура жесткого диска частично напоминает слоёный пирог. Несколько дисков собраны на одной оси и расположены точно друг над другом. Эта система дисков вращается на немалой скорости вокруг своей оси. Головки четко определяют нужное место на дисках, где считывают или же записывают информацию.

Как происходит запись информации на диск

Информация хранится на дисках, изготовленных из полированного алюминия или стекла, и покрытых несколькими слоями специального состава, который образует на поверхности ферромагнитную пленку.
Запись информации на диски происходит с помощью системы магнитных головок, перемещающихся в пространстве между дисками.
Головки не касаются поверхности дисков. Расстояние между ними и дисками в 5 тыс. раз меньше толщины человеческого волоса.
Когда головки позиционируются в нужном месте, подается токовый импульс для создания магнитного момента той или иной направленности — в результате на диск будет записан либо логический «0», либо логическая «1». Каждый такой «0» или «1» называется Бит. Значение бита соответствует ориентации магнитного поля — плюсу или минусу.
Каждый квадратный сантиметр поверхности содержит в себе 31 миллиард битов.

Как происходит считывание информации с диска

Для считывания информации с диска служат те же магниторезистивные головки. Диски вращаются, а головки перемещаются по концентрическим окружностям-дорожкам информации, Обеспечивается доступ головок к данным на дисках.
В головке протекает ток такой силы, которая пропорциональна изменению магнитного поля. Информация, считанная магнитной головкой, — это аналоговый сигнал, для обработки процессором он перекодируется. Так, в результате получается «цифра» (необходимый любому микропроцессорному устройству бинарный код).

Какие могут быть повреждения жесткого диска

Необходимо исключить возможность порчи магнитного слоя дисков головками. Слишком велика вероятность их падения при отключении электропитания. По-этому, при остановке жесткого диска, головки перемещаются в определенную точку, над неиспользуемыми частями диска, и там фиксируются. Этот процесс называется — Парковка.

Объём винчестера

Скажем несколько слов и о разбивке всего объёма хранимой информации на определённые разделы. Блок головок перемещается вдоль поверхности дисков. Следовательно, в одно и то же время головки размещены над своими дисками, но дорожка будет одна. Так получается цилиндр, если посмотреть на описанную систему со стороны. Каждая дорожка разбита на несколько секторов по 512 байт хранимой информации. Зная, сколько в жёстком диске головок, секторов и цилиндров, можно перемножить эти значения. Полученный результат — предполагаемый объём винчестера.

Представление информации и процесс преобразования

Чтобы облегчить процесс производства дисков, дорожки располагают как можно ближе друг к другу, таким образом уменьшается число дисков в блоке. Всё сказанное выше о разбивке винчестера относится к физическому размещению. Компьютер же использует логическое размещение. Данные разбивки, необходимые программе Setup, можно обнаружить на самом корпусе устройства. Допуск головок в требуемое место диска обеспечивается блоком трансляции, который расположен непосредственно на винчестере. Так осуществляется процесс преобразования логического представления информации в физическое представление.

Производителем в процессе изготовления, изначально допускается некоторое число бракованных секторов, однако винт в целом должен обеспечивать необходимый объём. Такие бракованные сектора помечаются при процедуре низкоуровневого форматирования, а во время дальнейшей работы устройства эти участки просто-напросто не учитываются.

Вот, кратко, вся информация об устройстве жёсткого диска.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector