Принципы магнитной записи и физическое устройство жесткого диска

Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск - запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.

Гермозона

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, в некоторых моделях разделённые сепараторами, а также блок головок с устройством позиционирования, и электропривод шпинделя.

Блок головок — пакет кронштейнов (рычагов) из упругой стали (обычно по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (3600, 4200, 5000, 5400, 5900, 7200, 9600, 10 000, 12 000, 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 трёхфазный синхронный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включенные «звездой» с отводом посередине, а ротор — постоянный секционный магнит.

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.

Запись данных

Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряжённости магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Системная организация HDD. Интерфейсы устройств хранения

Интерфейс (англ. interface) — техническое средство взаимодействия 2-х разнородных устройств, что в случае с жёсткими дисками является совокупностью линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии (контроллеры интерфейсов), и правил (протокола) обмена. Современные серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и Fibre Channel.

RAID-массивы

RAID (англ. redundant array of independent disks — избыточный массив независимых жёстких дисков) — массив из нескольких дисков, управляемых контроллером, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени отказоустойчивости и быстродействия. Служит для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи информации (RAID 0).

RAID 0 (striping — «чередование») — дисковый массив из двух или более жёстких дисков с отсутствием резервирования. Информация разбивается на блоки данных () и записывается на оба/несколько дисков одновременно.

(+): За счёт этого существенно повышается производительность (от количества дисков зависит кратность увеличения производительности).

(-): Надёжность RAID 0 заведомо ниже надёжности любого из дисков в отдельности и падает с увеличением количества входящих в RAID 0 дисков, т. к. отказ любого из дисков приводит к неработоспособности всего массива.

 RAID 1 (mirroring — «зеркалирование»).

(+): Обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения при распараллеливании запросов.

(+): Имеет высокую надёжность — работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве. Вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна произведению вероятностей отказа каждого диска. На практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры — вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва. Достоинство такого подхода — поддержание постоянной доступности.

(-): Недостаток заключается в том, что приходится выплачивать стоимость двух жёстких дисков, получая полезный объём одного жёсткого диска (классический случай, когда массив состоит из двух дисков).

  24) Логическая структура дисков. Файловая система

Винчестеры, как и другие магнитные накопители с прямым доступом, имеют дорожковую организацию дисковой памяти. Это означает, что поверхность магнитных дисков разбивается на концентрические кольца разного диаметра – дорожки, начиная с внешнего края. Далее структуру информации на винчестере следует рассматривать отдельно с точки зрения физической и логической структур.

Логическая структура жестких дисков несколько отличается от логической структуры гибких дисков. Минимальным адресуемым элементом жесткого диска является кластер(минимальная логическая единица доступа к информации), который может включать в себя несколько секторов. Размер кластера зависит от типа используемой таблицы FAT и от емкости жесткого диска.

Файлу всегда выделяется целое число кластеров.При размещении на жестком диске большого количества небольших по размеру файлов они будут занимать кластеры лишь частично, что приведет к большим потерям свободного дискового пространства.Эта проблема частично решается с помощью использования таблицы FAT32, в которой объем кластера принят равным 8 секторам или 4 килобайтам для диска любого объема.

Файловые системы

Файловая система через использование кластеров позволяет осуществлять доступ к данным. Большинство файловых систем построено на основе таблицы размещения файлов (file allocation table - FAT). Наиболее распространены файловые системы FAT12 (диски менее 16 Мбайт), FAT16 (или просто FAT) и FAT32.

FAT подразумевает наличие следующих структур (в порядке расположения их на диске):

•    Загрузочные секторы главного и дополнительного разделов

•    Загрузочный сектор логического диска

•    Таблицы размещения файлов (FAT)

•    Корневой каталог

•    Область данных

•    Цилиндр диагностических операций

SSD-накопитель

Твердотельный накопитель (англ. SSD, solid-state drive) — компьютерное запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Не содержит движущихся механических частей,

Различают два вида твердотельных накопителей: SSD на основе памяти, подобной оперативной памяти компьютеров, и SSD на основе флеш-памяти.

Главный недостаток SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная [обтекаемые выражения](MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 10 000 раз. Более дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) — более 100 000 раз[9]. Для борьбы с неравномерным износом применяются схемы балансирования нагрузки. Контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались и при необходимости «меняет их местами»

Преимущества

Отсутствие движущихся частей;

Высокая скорость чтения/записи, нередко превосходящая пропускную способность интерфейса жесткого диска (SAS/SATA II 3 Gb/s, SAS/SATA III 6 Gb/s, SCSI, Fibre Channel и т. д.);

Низкое энергопотребление;

Полное отсутствие шума из-за отсутствия движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;

Высокая механическая стойкость;

Широкий диапазон рабочих температур;

Стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;

Малые габариты и вес;

Большой модернизационный потенциал, как у самих накопителей, так и у технологий их производства.

Намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям.

Видеосистема

видеокарта - устройство, преобразующее графический образ, хранящийся, как содержимое памяти компьютера или самого адаптера, в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора. Первые мониторы, построенные на электронно-лучевых трубках, работали по телевизионному принципу сканирования экрана электронным лучом, и для отображения требовался видеосигнал, генерируемый видеокартой. В настоящее время эта функция утратила основное значение, и в первую очередь под графическим адаптером понимают устройство с графическим процессором - графический ускоритель, который и занимается формированием самого графического образа. Современная видеокарта состоит из следующих частей: графический процессор, видеоконтроллер, видеопамять, цифро-аналоговый преобразователь, видео-ПЗУ, система охлаждения.