Основные характеристики жестких дисков

 

Эволюция персональных компьютеров связана с изменениями накопителей на жестких дисках. Первые PC не имели таких накопителей, в компьютерах PC XT эти устройства уже использовались, а в PC/AT жестким дискам прида­валось особое значение.

Наименование диска – жесткий – подчеркивает его отличие от гибкого дис­ка: магнитное покрытие наносится на жесткую подложку. Термин же­сткий диск (hard disk) используется, в основном, в англоязычных странах. Пер­вый накопитель на жестких дисках был создан в 1973 г. по технологии фирмы IBM и имел кодовое обозначение “30/30” (двусторонний диск емкостью 30 + 30 Мбайт). Это кодовое обозначение совпадало с обозначением калибра леген­дарного охотничьего ружья “винчестер”, использовавшегося при завоевании Дикого Запада. Такие же намерения были и у разработчиков жесткого диска; наименование “винчестер” получило широкое распространение.

 

Устройство накопителей на жестких дисках

 

В настоящее время как основными производителями, так и дочерними фир­мами выпускаются несколько десятков типов накопителей на жестких дис­ках. Зачастую используются оригинальные конструкционные материалы, имеются отличия в расположении узлов, но принципы работы большинства накопителей одинаковы (рис. 3.6).

Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный ме­таллический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от час­тичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверх­ностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагни­тных помех.

 

Рис. 3.6. Основные элементы накопителя на жестких дисках

 

Дисковод – устройство, которое содержит механизмы для вращения магнитного диска и перемещения головки чтения и записи по его поверхности.

Головка считывания/записи – магнитная головка, позволяющая осуществлять чтение и запись данных на диск.

Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы.

Механизмы – это сами диски, на которых хранится информация, головки, ко­торые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение.

Диск представляет собой круглую металлическую пластину с очень ровной поверхностью, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Технология его на­несения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Количество дисков может быть различным, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом ди­ске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить вы­соту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, посту­пающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и “запомнить”.

Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших облас­тей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности пред­ставьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются домена­ми. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекраще­ния действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточ­ной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск инфор­мация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности.

Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двига­телем, компактно расположенным под ним. Для того чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера до­лжен иметь запас по пиковой мощности.

Головки пере­мещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы “плывут” на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. Держатель головки представляет собой крыло, парящее над поверхностью, благодаря тому, что поверхность увлекает с собой частицы воздуха, создавая таким образом набегающий на крыло поток. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками.

Дорожка – концентрическое кольцо на поверхности магнитного диска, на которое записываются данные.

Сектор – деление дисковых дорожек, представляющее собой основ­ную единицу размера, используемую накопителем. Секторы обычно содер­жат по 512 байтов.

Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех по­верхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются од­новременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми но­мерами.

Число дисков, головок и дорожек накопителя устанавливается изготовите­лем исходя из свойств и качества дисков. Изменить эти характеристики нельзя. Количество секторов на диске зависит от метода записи. В одном сек­торе располагается 512 байт (в системе DOS). Зная эту величину, всегда мож­но рассчитать общий объем накопителя:

 

V = C · H · S · B,

где C – количество цилиндров; H – количество головок; S – количество секторов на дорожку; B – размер сектора.

Описанное выше разбиение называется низкоуровневым (LowLewel) форма­тированием. Такое форматирование нижнего уровня чаще всего выполняет изготовитель, используя специальные программные средства (например, Speed Store или Disk Manager) или команды DOS. Перед первым использованием дисков необходимо произвести их логическое форматирование – специальным образом инициализировать их (с помощью программы format).

Хранение и извлечение данных с диска требует взаимодействия между опера­ционной системой, контроллером жесткого диска и электронными и механиче­скими компонентами самого накопителя.

Электроника жеcткого диcка cпрятана в нижней части винчеcтера. Она раcшифровывает команды контроллера жесткого диска и передает их в виде изменяющегоcя напряжения на шаговый двигатель, перемещающий магнитные головки к нужно­му цилиндру диска. Кроме того, она управляет приводом шпинделя, стабили­зируя скорость вращения пакета дисков, генерирует сигналы для головок при записи, усиливает эти сигналы при чтении и управляет работой других электронных узлов накопителя.