Основными элементами накопителя являются несколько круглых алюминиевых или некристаллических стекловидных пластин. В отличие от гибких дисков (дискет) их нельзя согнуть; отсюда и появилось название жесткий диск . В большинстве устройств они несъемные, поэтому иногда такие накопители называются фиксированными (fixed disk). Существуют также накопители со сменными дисками.
В отличие от «гибкого» диска , информация в HDD(англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD) записывается на жёсткие алюминиевые, керамические или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферро магнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В HDD используется от одной до нескольких пластин на одной оси.
Накопители на жестких дисках обычно называют винчестерами. Этот термин появился в 1960-х годах, когда компания IBM выпустила высокоскоростной накопитель с одним несъемным и одним съемным дисками емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из пластин, которые вращались с высокой скоростью, и ‘‘парящих’’ над ними головок, а номер его разработки 30-30. Такое цифровое обозначение совпало с обозначением популярного нарезного оружия Winchester, поэтому термин винчестер вскоре стал применяться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска. Это типичный профессиональный жаргон; на самом деле подобные устройства не имеют с обычными винчестерами (т.е. с оружием) ничего общего.
Благодаря промышленным стандартам можно приобрести корпус (или систему) у одного производителя и установить в него накопитель от другого и при этом быть уверенным, что накопитель войдет в отсек, шурупы совпадут с предназначенными для них отверстиями, а кабели подойдут к разъемам. Промышленные стандарты обеспечивают взаимную совместимость различных корпусов, системных плат, кабелей и накопителей.
С течением времени появилось несколько стандартных типов жестких дисков, обычно различающихся размером пластин. На данный момент в настольных компьютерах используются накопители шириной 3,5 дюйма, а в портативных — 2,5 дюйма и меньше. Все современные компьютеры оснащены жесткими дисками с интерфейсом Serial ATA.
Кроме этих форм-факторов имеются жесткие диски 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.
Как работают накопители на жестких дисках?
В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с концентрических окружностей вращающихся магнитных дисков (дорожек), разбитых на секторы емкостью 512 байт. В накопителях обычно устанавливается несколько дисковых пластин и данные записываются на обеих сторонах каждой из них. В большинстве накопителей есть, по меньшей мере два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр. Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или приводе. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга, т.е. двигаются только синхронно.
Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения даже в большинстве первых моделей составляла 3600 об/мин (т.е. в 10 раз больше, чем в накопителе на гибких дисках). в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла. Несмотря на то что скорость вращения может изменяться, современные устройства раскручивают пластины до 4200, 5400, 7200, 10000 и даже 15000 об/мин. Некоторые диски малых форм-факторов с целью экономии электроэнергии раскручиваются всего до 4200 об/мин, в то время как высокоскоростные можно встретить в основном в рабочих станциях и серверах, где повышенная цена, а также дополнительный шум и тепловыделение не играют решающей роли. Высокая скорость вращения в сочетании со скоростным механизмом подачи головок и большим количеством секторов на дорожке — главные факторы, определяющие общую производительность жесткого диска.
При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются и не должны касаться дисков. Раньше при выключении питания и остановке дисков они опускались на поверхность. В современных накопителях вместо конструкции CSS (Contact Start Stop) используется механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам входить в контакт с жесткими дисками даже при отключении питания накопителя. Этот механизм впервые был использован в 2,5_дюймовых накопителях портативных компьютеров, для которых устойчивость к механическим воздействиям играет весьма важную роль. В механизме загрузки/разгрузки используется наклонная панель, расположенная непосредственно над внешней поверхностью жесткого диска. Когда накопитель выключен или находится в режиме экономии потребляемой мощности, головки съезжают на эту панель. При подаче электроэнергии головки раз блокируются только тогда, когда скорость вращения жестких дисков достигнет нужной величины. Поток воздуха, создаваемый при вращении дисков (аэростатический подшипник), позволяет избежать возможного контакта между головкой и поверхностью жесткого диска. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка “столкнется” с диском, вращающимся “на полном ходу”. Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные “взлеты” и “приземления” головок, а также более серьезные потрясения.
Дорожки и секторы
Дорожка — это одно “кольцо” данных на одной стороне диска. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байтов, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.
Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка жесткого диска — от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт.
При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочая служебная информация, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается, и с этим приходится мириться, поскольку для обеспечения нормальной работы накопителя некоторое пространство на диске должно быть зарезервировано для служебной информации. Стоит, однако, отметить, что в новых дисках используется форматирование без идентификатора, т.е. не проставляются отметки начала и конца каждого из секторов. Это позволяет использовать немного больше пространства для хранения реальных данных.
Для наглядности представьте, что секторы — это страницы в книге. На каждой странице содержится текст, но им заполняется не все пространство страницы, так как у нее есть поля (верхнее, нижнее, правое и левое). На полях помещается служебная информация, например названия глав (на диске это соответствует номерам дорожек и цилиндров) и номера страниц (что соответствует номерам секторов). Области на диске, аналогичные полям на странице, создаются во время форматирования диска; тогда же в них записывается и служебная информация. Кроме того, во время форматирования диска области данных каждого сектора заполняются фиктивными значениями. Отформатировав диск, можно записывать информацию в области данных обычным образом. Информация, которая содержится в заголовках и заключениях сектора, не меняется во время обычных операций записи данных. Изменить ее можно, только переформатировав диск.
“Полезный” объем дорожки примерно на 15% меньше возможного. Эти потери характерны для большинства накопителей, но для разных моделей они могут быть различными.
Форматирование дисков
Форматирование жесткого диска выполняется в три этапа.
1. Форматирование низкого уровня.
2. Организация разделов на диске.
3. Форматирование высокого уровня.
В процессе форматирования низкого уровня дорожки диска разбиваются на секторы. При этом записываются заголовки и заключения секторов (префиксы и суффиксы), а также формируются интервалы между секторами и дорожками. Область данных каждого сектора заполняется фиктивными значениями или специальными тестовыми наборами данных.
Форматирование низкого уровня современных жестких дисков выполняется еще на заводе, поэтому изготовитель указывает только форматную емкость диска. Тем не менее практически на всех дисках имеется некоторое зарезервированное пространство для управления данными, которые будут записаны на диске. Как видите, утверждать, что размер любого сектора равен 512 байт, — не вполне корректно. На самом деле в каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных — это только часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные отводится только 512 байт. В различных накопителях пространство, отводимое под заголовки и суффиксы, может быть разным, но, как правило, сектор имеет размер 571 байт.
Разделы, создаваемые на жестком диске, позволяют ему поддерживать разные файловые системы, каждая из которых располагается в определенном разделе диска. В каждой файловой системе используется собственный метод распределения занимаемого файлом пространства по логическим элементам, которые называются кластерами или единичными блоками памяти. На жестком диске может быть от одного до четырех разделов, каждый из которых поддерживает файловую систему какого-нибудь типа.
При форматировании высокого уровня операционная система создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносятся загрузочный сектор тома, две копии таблицы размещения файлов (FAT) и корневой каталог (Root Directory). С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и даже во избежание проблем “обходит” дефектные участки на диске.
В сущности, форматирование высокого уровня — это не столько форматирование, сколько создание оглавления диска и таблицы размещения файлов. “Настоящее” форматирование — это форматирование низкого уровня, при котором диск разбивается на дорожки и секторы. С помощью команды FORMAT на гибком диске выполняются сразу оба типа форматирования, а для жесткого — только форматирование высокого уровня. Форматирование низкого уровня на жестком диске выполняет его изготовитель; оно чисто технически
не может быть осуществлено конечным пользователем. Правда, некоторые из производителей выпускают свои программы инициализации, которые являются своеобразной заменой низкоуровневого форматирования. Программы инициализации не создают заголовки секторов, однако они перезаписывают все области данных и помечают сбойные секторы (по возможности замещая их запасными, хорошими). Обычно программы инициализации используются, когда необходимо восстановить поврежденное форматирование или уничтожить все данные на диске.
Характеристики накопителей на жестких дисках
Если вы решили купить новый накопитель или просто хотите разобраться, каковы различия между устройствами разных семейств, сравните их параметры. Критерии, по которым обычно оценивается качество жестких дисков:
1.емкость;
2.быстродействие;
3.надежность;
4.стоимость.
Ёмкость — количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жёстких дисков (с форм-фактором 3,5 дюйма) на конец 2010 г. достигает 3000 ГБ (3 Терабайт). В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину , производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГБ. Максимальная величина емкости используемого жесткого диска зависит от множества факторов, в том числе от интерфейса, драйверов, а также операционной и файловой систем. Операционные системы ранних версий имели ограничения на емкость жестких дисков. Новые операционные системы не имеют какие-либо ограничения.
Важным параметром накопителя на жестком диске является его быстродействие. Этот параметр для разных моделей может варьироваться в широких пределах. И, как это часто бывает, лучшим показателем быстродействия накопителя является его цена. Здесь вполне справедливы слова, сказанные по поводу гоночных автомобилей: “Скорость стоит денег. Насколько быстро вы хотите ездить?”
Быстродействие накопителя можно оценить по двум параметрам:
-скорость передачи данных;
-среднестатистическое время поиска.
Наиболее важной характеристикой при оценке общей производительности накопителя является скорость передачи данных, но, с другой стороны, она же считается наименее понятной. Дело в том, что в настоящее время для каждого дисковода можно определить сразу несколько скоростей передачи данных, чему, как правило, не придается значение. Наличие интерфейса SATA-300 не говорить о быстродействии передачи данных. Оно может быть значительно ниже производительности интерфейса. Скорость передачи данных устройством представляет собой усредненную скорость операций чтения и записи на диск. На общую производительность жесткого диска сильное влияние оказывает и частота вращения шпинделя (несложно понять, что диск, вращающийся со скоростью 10000 об/мин способен быстрее записать или считать информацию, чем диск, имеющий скорость вращения 7200 об/мин). При оценке скорости обращайте внимание на производительность именно носителя, а не интерфейса.
Надёжность - определяется как среднестатистическое время между сбоями (MTBF), которое обычно колеблется от 300 тыс. до 1 млн. часов и более. Но не надо обращать внимания на эти цифры, поскольку они являются чисто теоретическими. Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T. Технология самотестирования, анализа и отчетности (S.M.A.R.T.) — это новый промышленный стандарт, в котором описаны методы, позволяющие предсказать появление ошибок жесткого диска. При активизации системы S.M.A.R.T. жесткий диск начинает отслеживать определенные параметры, чувствительные к неисправностям накопителя или указывающие на них.
SSD
Что такое SSD?
SSD – (англ. SSD, Solid State Drive или Solid State Disk ) твердотельный накопитель, энергонезависимое, перезаписываемое запоминающее устройство без движущихся механических частей с использованием флэш-памяти. Твердотельный жесткий диск SSD разрабатывался с целью заменить жесткий диск - весьма хрупкую деталь в переносных компьютерах. Для производства SSD используют обычные модули флэш-памяти. Таким образом, SSD состоит из массива флеш - микросхем и контроллера, который обеспечивает взаимодействие с ПК или ноутбуком по протоколу SATA. SSD-диски сейчас попускаются во всех популярных форм-факторах – 2,2", 1,8", реже – 3,5".
SSD накопитель - это та же большая флешка. В отличие от флешек, в SSD используется микросхема DDR DRAM кэш-памяти, в связи спецификой работы и возросшей в несколько раз скоростью обмена данными между контроллером и интерфейсом SATA. В настоящее время наиболее заметными компаниями, которые интенсивно развивают SSD-направление в своей деятельности, можно назвать Intel, Kingston, Samsung Electronics, SanDisk, Corsair и OCZ Technology. Кроме того, свой интерес к этому рынку демонстрирует Toshiba .
Преимущества по сравнению с жесткими дисками
• более высокая скорость запуска, переход Power On - Ready 1 с;
• отсутствие движущихся частей;
• латентность в режиме чтения 85 мкс;
• латентность в режиме записи 115 мкс;
• производительность, чтение до 740 МБ/с;
• производительность, запись до 730 МБ/с;
• низкая потребляемая мощность;
• полное отсутствие шума от движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;
• высокая механическая стойкость;
• широкий диапазон рабочих температур;
• практически устойчивое время считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
• малый размер и вес;
Недостатки твердотельных накопителей:
• высокая цена за 1 ГБ (от 2 долларов за гигабайт);
• стоимость SSD-накопителей прямо пропорциональна ёмкости, в то время как стоимость традиционных жёстких дисков зависит от количества пластин и медленнее растёт при увеличении объёма диска;
• более высокая чувствительность к некоторым эффектам, например, внезапной потере питания, магнитным и электрическим полям;
• ограниченное количество циклов перезаписи: обычная флеш-память позволяет записывать данные до 100 тыс. раз, более дорогостоящие виды памяти — до 5 млн. раз.
