Устройство жесткого диска

Жёсткий диск можно условно разделить на гермозону и блок электроники.

 Гермозона

Гермозона состоит из корпуса, выполненного из прочного сплава, магнитных дисков (пластин), блока головок с устройством позиционирования и электропривода шпинделя.

Блок головок — это группа рычагов из пружинистой стали (по два на каждый диск). Одним концом рычаги закреплены на оси около края диска. На противоположных концах, которые находятся над дисками, закреплены головки.

Диски или, как их ещё называют, пластины, изготавливаются, как правило, из металлического сплава. Хотя предпринимались попытки производить их из пластика и даже стекла, но подобные пластины в испытаниях оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости дисков, как и магнитофонная лента, покрыты тонкой пленкой ферромагнетика: окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав пленки и технология её нанесения являются коммерческой тайной каждого производителя и держатся в секрете. Большинство бюджетных жестких дисков имеет одну или две пластины, однако существуют модели, где число дисков больше.

Пластины жёстко закреплены на шпинделе, так как в процессе работы он вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (в зависимости от модели скорость может быть 3600, 4200, 5400, 5900, 7200, 9600, 10 000, 15 000 оборотов в минуту). На таких скоростях вблизи поверхности пластины возникает сильнейший воздушный поток, который приподнимает головки, заставляя их как бы парить над поверхностью. Форма головок разрабатывается такой, чтобы в процессе работы обеспечивалось оптимальное расстояние от пластины. До момента разгона пластин до скорости, необходимой для «взлёта» головок, специальное парковочное устройство не дает головкам соприкасаться с пластинами, удерживая их в зоне парковки. Такое устройство предотвращает механическое повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Стабильную скорость вращения шпинделю и дискам, смонтированным на нем, обеспечивает трёхфазный двигатель. В статоре двигателя содержится три обмотки, которые включены звездой с отводом посередине, а ротор представляет собой постоянный секционный магнит. Чтобы снизить биения на высоких оборотах до минимума, используют гидродинамические подшипники.

Конструкция устройства позиционирования головок следующая: пара сильных неодимовых постоянных магнитов и катушка, расположенная на подвижном блоке головок. Существует миф, что внутри гермозоны находится вакуум. Это не так. Есть два варианта конструкции гермозоны. В одном случае производители делают её именно герметичной (этот вариант и дал элементу название) и заполняют её воздухом, но очищенным и осушенным или же заполняют нейтральными газами, например азотом, а для выравнивания давления, устанавливают тонкую мембрану: металлическую или пластиковую. В подобных случаях внутрь жёсткого диска помещается пакетик силикагеля в специальном кармашке. Силикагель абсорбирует оставшиеся после герметизации водяные пары. В другом — давление выравнивается через небольшое отверстие со встроенным фильтром, который способен задерживать очень мелкие (размером в несколько микрометров) частицы. Но этот способ имеет существенный недостаток: вместе с давлением выравнивается и влажность, и внутрь могут проникнуть вредные газы. А без выравнивания давления обойтись нельзя, потому что оно предотвращает деформацию корпуса гермозоны в моменты перепадов атмосферного давления, температуры и при прогреве жёсткого диска во время работы.

 Блок электроники

В первых моделях жёстких дисков управляющая логика была вынесена за пределы самих накопителей на MFM или RLL-контроллер компьютера, а на плате электроники самого жёсткого диска находились только модули аналоговой обработки, управления двигателем шпинделя, а также позиционером и коммутатором магнитных головок. С ростом скоростей передачи данных разработчикам пришлось уменьшать длину аналогового тракта. В результате современные жёсткие диски имеют блок электроники, включающий в себя следующие элементы: блок управления, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буфер, блок интерфейса и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный блок необходим для состыковки электроники жёсткого диска и остальной системы.

Блок управления — это система осуществляющая ряд действий:

• • принимать сигналы определяющие позиционирование головок;
  • осуществлять управляющие приводом типа «звуковая катушка»;
  • производить коммутации информационных потоков идущих от различных головок;
  • управлять работой всех остальных узлов (к примеру, скоростью вращения шпинделя);
  • осуществлять приём и обработку сигналов от датчиков жёсткого диска (системы датчиков отличаются для разных моделей и могут включать в себя: одноосный акселерометр, который используют как датчик удара, трёхосный акселерометр используют как датчик свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

ПЗУ необходим для хранения управляющих программ, работающих с блоками управления и цифровой обработки сигнала, а в нём хранится служебная информация жесткого диска.

Буферная память используется для сглаживания разницы между скоростью интерфейсной части и скоростью накопителя (в буфере используется быстродействующая статическая память). В некоторых случаях, увеличение объёма буферной памяти приводит к увеличению скорости работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала служит для очистки аналогового сигнала и его декодирования (так называемое «извлечение цифровой информации»). В блоке цифровой обработки используют различные методы для обработки сигнала, например, PRML (Partial Response Maximum Likelihood — максимальное правдоподобие при неполном отклике). Так же в этом блоке происходит сравнение принятого сигнала с образцами, когда выбирается такой образец, который наиболее похож как по форме, так и по временным характеристикам на декодируемый сигнал.

 Низкоуровневое форматирование

На последнем этапе сборки жёсткого диска поверхности пластин форматируются, т.е. на них создаются дорожки и секторы. Как именно это происходит, определяет производитель или же способ форматирования определяется исходя из стандарта устройства. В любом случае, на каждую дорожку наносится специальная магнитная метка, которая обозначает её начало.

Существуют программы, предоставляющие возможность тестировать физические секторы диска, просматривать (с некоторыми ограничениями), и даже вносить изменения в служебные данные. Конкретные возможности у каждой такой программы сильно разнятся и зависят от модели диска, а также той технической информации, которая стала известна автору этой программы.

 Геометрия магнитного диска

Для того чтобы организовать адресацию пространства, поверхности пластин жёсткого диска разделяют на дорожки, представляющие собой концентрические кольцевые области. Каждая дорожка состоит из равных отрезков, называемых секторами. При адресации CHS предполагается, что каждая дорожка в заданной зоне диска имеет одинаковое число секторов.

Цилиндром называют совокупность дорожек на рабочих поверхностях всех пластин накопителя, которые отстоят от центра на равные расстояния. Номер головки определяет дорожку цилиндра, то есть используемую в данный момент рабочую поверхность пластины, а номер сектора — сектор на дорожке.

Для использования адресации CHS, необходимо знать геометрию используемого диска. А именно: количество цилиндров, головок и секторов. Изначально эту информацию приходилось задавать вручную, но уже в стандарте ATA-1 была введена очень удобная функция: автоопределение геометрии (команда Identify Drive).

 Зонирование

На пластинах современных жёстких дисков все дорожки объединены в несколько зон (англ. Zoned Recording). Количество секторов дорожек внутри одной зоны всегда одинаково, но может отличаться для разных зон. Так, например, на дорожках внутренних зон секторов меньше, чем на дорожках внешних. Такое распределение позволяет, использовать максимальную длину внешних дорожек для того, чтобы добиться более равномерной плотности записи и увеличения ёмкости пластины при той же технологии производства.

 Секторы для резервирования

На каждой дорожке зачастую присутствуют дополнительные резервные секторы. Это сделано для того, чтобы увеличить срок службы диска. Если в секторе возникает неустранимая ошибка, то такой сектор можно заменить резервным (англ. remapping). Данные, которые хранились на сбойном секторе, могут быть или потеряны, или же восстановлены при помощи ECC, а ёмкость диска сохранится без изменений. Для такого переназначения существует две таблицы: одна заполняется на заводе в процессе производства жёсткого диска, другая — в процессе эксплуатации. Вся необходимая для этого процесса информация хранится в ЗУ блока электроники. Это границы зон, число секторов на дорожку для каждой зоны, а так же сами таблицы переназначения секторов.

 Логическая геометрия дисков

С ростом объёмов жёстких дисков их физическая геометрия перестала удовлетворять тем ограничениям, которые накладывали на неё программные и аппаратные интерфейсы. Кроме того, адресация CHS не поддерживает дорожки с различным количеством секторов. Для устранения данной проблемы было предложено, чтобы контроллеры дисков сообщали не физическую, а логическую (не настоящую, но удовлетворяющую требованиям интерфейсов) геометрию. Например, наибольшими номерами секторов и головок для большинства моделей являются 63 и 255 (эти значения максимально возможны в функциях прерывания BIOS INT 13h), а количество цилиндров выбирается в зависимости от ёмкости диска. Реальная же, физическая геометрия диска, в штатном режиме работы другим частям системы неизвестна.

 Адресация данных

Сектор является наименьшей адресуемой областью данных. Традиционно его размер равен 512 байт. Переход на новый размер сектора, равный 4096 байт был объявлен в 2006 г. IDEMA. Окончательное внедрение новых стандартов планировалось завершить в 2010 году. Компания Western Digitals уже сообщила том, что начинает использовать новую технологию форматирования и выпустила, использующий новую технологию накопитель WD10EARS-00Y5B1. Технология получила название Advanced Format.

В настоящее время существует 2 основных способа адресации секторов жесткого диска: линейная адресация блоков (англ. linear block addressing, LBA) и цилиндр-головка-сектор (англ. cylinder-head-sector, CHS).

 Адресация CHS

Этот тип адресации обозначает сектор диска его физическим положением на диске тремя координатами — номером цилиндра, номером головки и номером сектора. Во всех современных накопителях со встроенными контроллерами эти координаты не соответствуют реальному положению сектора на диске, так как они являются так называемыми «логическими координатами».

 Адресация LBA

Этот тип адресации предполагает, что блоки данных заданы с помощью логического линейного адреса. Началом внедрения и использования LBA-адресации стал 1994 год. Этот стандарт появился одновременно со стандартом EIDE (Extended IDE). В стандартах ATA требуется, чтобы режимами CHS и LBA однозначно соответствовали друг другу:

LBA = [ (Cylinder * no of heads + heads) * sectors/track ] + (Sector-1)

Надо сказать, что метод LBA соответствует методу Sector Mapping, применяемому в SCSI. BIOS SCSI-контроллера с самого начала выполнял эти задачи автоматически.

  Полезные ссылки

• Если вам необходимо восстановить поврежденные файлы с жесткого диска, то рекомендуем вам ознакомиться с информацией на странице Восстановление данных с жесткого диска.
• Если вы не нашли нужную для вас информацию, вернитесь на главную страницу или оформите Заявку Online, и мы свяжемся с Вами в самые короткие сроки!