Что такое жесткий диск

Самым необходимым и в то же время самым загадочным компонентом компьютера является накопитель на жестком диске. Как известно, он предназначен для хранения данных, и последствия его выхода из строя зачастую оказываются катастрофическими. Для правильной эксплуатации или модернизации компьютера необходимо хорошо представлять себе, что же это такое - накопитель на жестком диске.

Литература о жестких дисках ориентирована в основном на специалистов и пользователей-профессионалов. В этой главе подробно описаны накопители на жестких дисках, их физические, механические и электронные свойства.

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 (рис. 10.1). В большинстве устройств они несъемные, поэтому иногда такие накопители называются фиксированными (fixed disk). Существуют также накопители со сменными дисками.

Замечание

Накопители на жестких дисках обычно называют винчестерами. Этот термин появился в 1960-х годах, когда IBM выпустила высокоскоростной накопитель с одним несъемным и одним сменным 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 (30-30) 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.

В 1957 году Сирил Норткот Паркинсон (Cyril Northcote Parkinson) опубликовал свой знаменитый сборник, получивший название "Законы Паркинсона", который начинается

Новейшие достижения

Рычаг перемещения

головок

Привод головок

Головка чтения/записи

Шасси

Крепежные отверстия

Рис. 10.1. Вид накопителя на жестких дисках со снятой верхней крышкой

с утверждения: "Объем работы увеличивается настолько, чтобы полностью заполнить время, отпущенное на ее выполнение". Этот наиболее известный закон в несколько измененном виде может быть применен и к жестким дискам: "Объем данных увеличивается в соответствии с объемом пространства, отведенного для их хранения". Это означает, что независимо от емкости жесткого диска, вы без особого труда найдете способ "набить" его до отказа. Хочу сказать, что под этим лозунгом я живу уже примерно лет двадцать, начиная с момента приобретения своего первого накопителя на жестких дисках.

Я хорошо знаю об экспоненциальных темпах развития компонентов персонального компьютера, но, несмотря на это, не перестаю поражаться тому, как быстро увеличивается скорость и емкость современных накопителей. Первым жестким диском, приобретенным мною еще в 1983 году, был 10-мегабайтовый (обратите внимание: не 10 Гбайт, а 10 Мбайт) накопитель Miniscribe модели 2012, который представлял собой 5,25-дюймовый дисковод (жесткий диск) с общими размерами 200 х 140 x80 мм или 7,9x5,5x3,2 дюймов (LxWxH) и весом около 2,5 кг (примерно 5,5 фунта, что превышает вес современных портативных компьютеров). Для сравнения: дисковод Seagate Barracuda 180, использующий 3,5-дюймовые жесткие диски, имеет размеры 5,7 x 3,9 x 1,6 дюймов или 145 x 100x40 мм и весит всего лишь 1,04 кг (примерно 2,3 фунта). Емкость этого накопителя достигает немыслимой величины в 181,6 Гбайт, что в 18 160 раз больше емкости моего первого жесткого диска. Причем его размеры меньше примерно в четыре раза, а вес - в два раза. За прошедшие 20 лет был сделан довольно большой шаг вперед!

Замечание

"Законы Паркинсона" постоянно переиздаются и в настоящее время фактически являются одной из наиболее распространенных книг в области бизнеса и управления.

Для того чтобы дать вам представление о том, насколько далеко ушли жесткие диски за прошедшие 20 с лишним лет, приведем примеры наиболее значительных изменений, происшедших с накопителями на жестких дисках.

Максимальная емкость 5,25-дюймовых накопителей увеличилась от 5 и 10 Мбайт (1982 год) до 180 Гбайт и более для 3,5-дюймовых накопителей половинной высоты (Segate Barracuda 180). Емкость 2,5-дюймовых дисководов с высотой не более 12,5 мм, которые используются в портативных компьютерах, выросла до 60 Гбайт (IBM Travelstar 60GH). Жесткие диски объемом менее 30 Гбайт в современных настольных компьютерах используются в настоящее время довольно редко.

Скорость передачи данных увеличилась от 85-102 Кбайт/с в оригинальном компьютере IBM XT (1983 год) до 60 Мбайт/с в наиболее быстродействующих системах (Seegate Cheetah Х15 36LP).

Среднее время поиска (т. е. время установки головки на нужную дорожку) уменьшилось от 85 мс в 10-мегабайтовых жестких дисках, используемых в компьютере IBM РС-XT (1983 год), до 3,6 мс в наиболее быстродействующих на сегодня системах

(Seegate Cheetah X15).

В 1982-1983 годах накопитель емкостью 10 Мбайт и контроллер стоили более 2000 долларов (200 долларов за мегабайт). В настоящее время стоимость жестких дисков (с интегрированным контроллером) уменьшилась до одной шестой цента за один мегабайт, что составляет примерно 100 долларов за 80 Гбайт.

Сектор

Рис. 10.2. Дорожки и секторы накопителя на жестких дисках

Принципы работы накопителей на жестких дисках

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый), как показано на рис. 10.2.

В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные записываются на обеих сторонах каждого 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 (рис. 10.3). Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.

Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения даже в большинстве первых моделей составляла 3 600 об/мин (т. е. в 10 раз больше, чем в накопителе на гибких дисках) и до последнего времени была почти стандартом для жестких дисков. Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла. Например, в портативном компьютере Toshiba диск объемом 3,3 Гбайт вращается с частотой 4 852 об/мин, но уже существуют модели с частотами 5 400, 5 600, 6400, 7200, 10 000 об/мин и даже 15 000 об/мин. Большинство серийно выпускаемых накопителей, используемых в настоящее время в персональных компьютерах, имеют скорость вращения дисков 5 400 об/мин. Скорость вращения дисков моделей с улучшенными рабочими характеристиками достигает 7 200 об/мин. Накопители со скоростью вращения 10 000 или 15 000 об/мин используются обычно только в высокоэффективных рабочих станциях или серверах, для которых высокая стоимость жестких дисков, повышенное тепловыделение и шум не играют существенной роли. Высокие скорости вращения жесткого диска в сочетании с механизмами быстрого позиционирования головок и увеличенным количеством секторов, содержащихся на каждой дорожке, являются теми факторами, которые определяют общую производительность жесткого диска.

При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот