Как работает ЖЕСТКИЙ ДИСК? Устройство винчестеров и технологии магнитной записи.

В сегодняшнем видео речь пойдет о жестких дисках, о том, как они хранят данные и об их внутренней структуре. Мы рассмотрим эволюцию технологий магнитной записи и их современное состояние. Кроме того, мы узнаем, почему жесткие диски называются "винчестерами", что само по себе является интересной историей.

История жестких дисков начинается с компьютера RAMAC 305 1956 года выпуска, который стал первым коммерческим компьютером, использующим жесткий диск с магнитной головкой. Эта ранняя модель совсем не походила на современные; это был шкаф весом 970 кг, содержащий пятьдесят дисков диаметром шестьдесят один сантиметр каждый, способных хранить всего пять мегабайт данных. Несмотря на свои, казалось бы, скромные параметры и большой размер, этот жесткий диск заменил шестьдесят четыре тысячи перфокарт и позволял получить доступ к любому биту практически в любой момент.

Термин "Винчестер", обозначающий жесткие диски, произошел от модели IBM 3030, которая имела емкость 30 МБ на блок и напоминала популярный винтовочный патрон .30-30 Winchester. Это прозвище прижилось и со временем стало синонимом всех жестких дисков. В русском языке слово "винчестер" приобрело полуофициальный статус и используется до сих пор.

Внутренняя структура жесткого диска Современный жесткий диск (HDD) состоит в основном из двух частей: платы электроники управления и герметичного блока. Несмотря на свое название, этот блок не всегда герметичен, но имеет отверстия для выравнивания давления, закрытые фильтрами для улавливания пыли и влаги. Внутри отражающие диски, изготовленные из таких материалов, как алюминий или стекло, хранят данные в микроскопических магнитных областях на своем ферромагнитном покрытии.

Механика и функциональность Несколько дисков установлены на одном шпинделе, приводимом в движение бесщеточным двигателем, который вращает их с высокой скоростью от 5000 до 10000 оборотов в минуту в зависимости от модели. Этот двигатель также выполняет функцию аварийного генератора при внезапном отключении питания, позволяя безопасно перемещать головки чтения/записи в зоны парковки, не повреждая поверхности дисков. Приводной рычаг в сборе точно позиционирует эти головки над дорожками данных с помощью индуктивных катушек в сильных магнитных полях.

Точное проектирование для обеспечения целостности данных Ползунковый механизм удерживает головки чтения/записи на высоте всего в нескольких нанометрах над вращающимися дисками, используя воздушный поток, создаваемый вращением; контакт может привести к повреждению из-за нагрева от трения. Гладкие поверхности дисков и минимальная вибрация имеют решающее значение для точного позиционирования головки, чему способствуют приводы звуковых катушек, аналогичные тем, что используются в динамиках, которые регулируются в зависимости от тока, проходящего через катушки между мощными магнитами, обеспечивая точное перемещение по различным дорожкам.

Электроника жесткого диска, как внешняя, так и разрабатываемая в процессе эксплуатации, включает в себя печатную плату с микросхемами, необходимыми для управления шпинделем и головками чтения/записи. Эта плата обеспечивает связь между жестким диском и его основным устройством. Он оснащен микропроцессором, который управляет всеми процессами на жестком диске, а также микросхемами флэш-памяти, используемыми для кэширования данных для повышения производительности. Кроме того, он содержит уникальные настройки и хранилище встроенного ПО, специфичные для каждого отдельного устройства; если эта деталь выйдет из строя и будет заменена с другого устройства-донора без переноса этих компонентов, функциональность будет утрачена.

Данные хранятся на дисках с использованием структуры, в которой каждый диск имеет две поверхности, с ползунками, содержащими головки чтения/записи для каждой поверхности. Эти головки записывают данные в виде концентрических дорожек, которые разделены на сектора — наименьшую адресуемую единицу, размер которой в современных файловых системах обычно составляет 4096 байт. Каждый сектор содержит уникальный заголовок и область контрольной суммы для обеспечения целостности данных. Дорожки различаются по длине в зависимости от их расстояния от центра диска; дорожки, равноудаленные от центра по всем поверхностям, образуют цилиндры. Данные записываются цилиндр за цилиндром — сначала заполняется одна дорожка, а затем перемещается вертикально на соответствующую дорожку другой поверхности, — поскольку переключение между головками внутри ползунка происходит быстрее, чем их перемещение по горизонтали.

В методе продольной записи изначально для записи информации на жесткий диск использовались нули и единицы. При таком подходе направление намагничивания области дорожки определяло, соответствует ли она нулю или единице. Все эти намагниченные области были расположены на плоскости диска, но этот метод быстро достиг своего предела плотности, поскольку каждая намагниченная область могла быть очень маленькой.

Метод перпендикулярной записи распространился на относительно большую площадь диска, и на смену ему пришла новая технология, получившая название PMR. Метод PMR выполнял ту же функцию, что и продольная запись, но теперь намагниченные участки располагались вертикально, перпендикулярно плоскости диска. Это потребовало незначительных изменений в конструкции записывающей головки, но значительно увеличило емкость жесткого диска без изменения физических размеров.

Понимание методов регистрации SMR и PMR-сигналов Традиционные методы магнитной записи, такие как перпендикулярная магнитная запись (PMR), были стандартными. Однако появился новый метод, называемый магнитной записью с чередованием (SMR). В отличие от предыдущих методов, когда каждая дорожка записывалась отдельно, не затрагивая соседние дорожки, SMR записывает каждую последующую дорожку с частичным перекрытием предыдущей. Это оставляет только узкую полосу для считывания данных, но усложняет перезапись, поскольку может повлиять на соседние дорожки.

Преимущества и проблемы использования SMR-дисков Для управления перезаписями на почти заполненном диске с использованием метода SMR диски объединяются в группы с пустыми промежутками между ними, чтобы избежать частых проблем с перезаписью. Когда информация нуждается в обновлении в этих диапазонах, она полностью считывается и перезаписывается в свободном пространстве или специальных областях кэша мультимедиа во время простоя, чтобы впоследствии эффективно реорганизовать измененные данные. Хотя они подходят для редко изменяемых систем хранения данных благодаря высокой производительности при меньших затратах по сравнению с твердотельными накопителями или традиционными жесткими дисками, использующими PMR/CMRS, при частом обновлении их производительность снижается, поскольку во время активного использования требуется реорганизация.