Жёсткий диск или HDD — устройство хранения данных. До появления твердотельных накопителей (SSD) оно использовалось и для установки системы, и для размещения пользовательских файлов. Несмотря на конкуренцию со стороны более совершенной технологии, HDD продолжает оставаться важным элементом компьютером. Чтобы правильно пользоваться накопителем и продлить его работоспособность, нужно знать, из чего он состоит и как устроен.
Основы конструкции
Состав комплектующих в самых общих чертах раскрывается уже в полном названии — накопитель на жёстких магнитных дисках. Но это в большей степени описание технологии, а мы же начнём с элементарного — физического устройство носителя. Если взять его в руки и покрутить, то можно быстро выделить две части:
- Плата управления — служит для подключения диска к компьютеру, руководства всеми процессами внутри HDD и синхронизации с операционной системой.
- Герметичный блок — собранный из алюминия корпус, внутри которого располагаются остальные компоненты жёсткого диска.
Это очень общая классификация, которая пока ничего не говорит о том, как же всё работает. Чтобы разобраться в деталях, углубимся в разборку накопителя.
Плата управления
Начнём с изучения платы. В самом центре схемы расположен большой чип — микроконтроллер (MCU). Он состоит из двух компонентов:
- Центральный вычислительный блок — выполняет все расчёты.
- Канал чтения и записи — устройство, которое переводит аналоговый сигнал с головки в дискретный и наоборот — из цифрового сигнала в аналоговый.
На микропроцессоре также есть порты ввода/вывода, через которые он управляет остальными элементами в плате и обменивается информацией через интерфейс SATA, используемый для подключения к материнской плате.
Второй чип, который мы обнаруживаем на плате, — DDR SDRAM память. От его объёма зависит количество доступного кэша на диске. Чип разделён на память прошивки, которая частично содержится во флеш-накопителе, и буферную память, используемую процессором для загрузки прошивки.
Третий чип — контроллер управления двигателем и головками (VCM controller). Он также отвечает за работу дополнительных источников питания, расположенных на плате. От них получают энергию микропроцессор и предусилитель-коммутатор — элемент из герметичного блока, о котором мы поговорим ниже. VCM controller потребляет больше энергии, чем остальные компоненты, потому что занимается вращением шпинделя и движением головок.
На схеме также есть датчик вибраций, который следит за уровнем тряски. Если интенсивность кажется ему опасной, то он посылает сигнал на контроллер управления двигателями и головками с требованием немедленно припарковать головки или вовсе остановить вращение HDD. Теоретически это должно защитить диск от механических повреждений, но на практике часто приводит к тому, что накопитель выходит из строя. Если его уронить, то датчики начинают реагировать на малейшую вибрацию и блокируют работу носителя.
Защитой HDD также занимается ограничитель переходного напряжения. Его задача — предотвратить выход диска из строя при скачке напряжения. Таких ограничителей на плате может быть несколько.
Устройство простое, но очень функциональное. Каждый элемент выполняет свою задачу и обеспечивает общую связь между всеми компонентами жёсткого диска.
Гермоблок
Гермоблок — это не просто коробка, в которой хранятся магнитные диски. Поверхность этого компонента тоже выполняет крайне важные задачи. Если мы открутим плату управления, то увидим под ней контакты от моторов и головок. Они осуществляют связь с платой. Рядом с ними — почти невидимое техническое отверстие, задача которого — выравнивание давления внутри и снаружи герметичной коробки. Внутренняя часть отверстия покрыта фильтром, который не пропускает влагу и пыль в хранилище магнитных дисков.
Крышка герметичного блока с другой стороны представляет собой пласт металла с резиновой прокладкой, которая защищает внутренности от пыли и влаги. Снимаем её и видим магнитные диски — их ещё называют блинами и пластинами.
Диски обычно делают из стекла или предварительно отполированного алюминия. Пластины покрываются слоями разных веществ, среди которых ферромагнетик. Именно благодаря ему мы получаем возможность записывать, хранить и считывать данные. Над верхним блином и между остальными пластинами располагаются сепараторы. Они выравнивают воздушные потоки и снижают уровень шума. Разделители обычно изготавливают из пластика или алюминия — последние лучше справляются с понижением температуры внутри герметичной зоны.
Блок магнитных головок
Одно из самых сложных устройств в жёстком диске имеет блок магнитных головок (БМГ). Рассмотрим все элементы, которые он содержит. Начнём с головок чтения записи — они расположены на концах кронштейнов. Когда шпиндель остановлен, головки должны располагаться в препаровочной области — это специально выделенное место, которое задействовано, если вал не работает. На некоторых HDD препаровочные области находятся вне пластин.
Для нормального функционирования накопителя требуется чистый воздух с минимальным содержанием посторонних частиц. Для обеспечения такой атмосферы внутри накопителя устанавливаются циркуляционные фильтры. Они выводят частицы смазки и металла, которые собираются в гермокорпусе в процессе работы HDD. Фильтры стоят на пути воздушных потоков, появляющихся при вращении пластин.
Важная часть жёсткого диска — неодимовые магниты. Они способны притянуть и удержать вес, который больше их собственного в 1300 раз. В HDD магниты ограничивают движение головок, удерживая их над блинами.
Ещё одна часть блока магнитных головок — катушка. Вместе с магнитами она образует привод, который является частью позиционера — устройства, перемещающего головки. У позиционера есть также фиксатор. Он освобождает блок магнитных головок, как только шпиндель набирает необходимую скорость оборотов. Для освобождения используется также поток воздуха.
Под блоком магнитных головок располагается подшипник, который обеспечивает плавность и точность движений. Тут же находится коромысло — деталь из алюминиевого сплава, на конце которой с помощью пружинных подвесок расположены головки. От коромысла в контактную площадку ведёт гибкий кабель — он соединяет механическую часть жёсткого диска с электронной платой.
Для герметичного сцепления используется прокладка. Благодаря ней воздух попадает внутрь корпуса только через технологическое отверстие, которое выравнивает уровень давления. Контакты покрыты тончайшей позолотой, которая улучшает проводимость.
На концах коромысел находятся пружинные подвесы. У них есть слайдеры, которые помогают записывать и считывать данные, поднимая головку над пластинами на 5-10 нм. Сами элементы считывания/записи расположены на концах слайдеров. Они настолько маленькие, что разглядеть их можно только через микроскоп. У этих деталей есть аэродинамические головки, под которыми появляется воздушная подушка, поддерживающая параллельный поверхности полёт.
За управление головками также отвечает предусилитель. Он находится в БМГ. Без усилителя сигнал, который производят магнитные головки, просто не доходил бы до интегральной схемы, рассеиваясь по пути.
Микропроцессор отправляет запросы предусилителю, чтобы тот выбрал подходящую головку. От диска к каждой из них идёт несколько дорожек. Они отвечают за чтение и запись, заземление, управление приводами, работу магнитного оборудования, которое управляет слайдером для увеличения точности расположения головок. Одна из дорожек ведет к нагревателю.
Нагреватель передаёт тепло подвеске, соединяющей слайдер с коромыслом. Подвес сделан из материалов, параметры расширения которых меняются в зависимости от температуры. При повышении температуры он изгибается в сторону пластины, уменьшая расстояние от неё до головки. При понижении температуры происходит обратная реакция — головка отодвигается от диска.
Для закрепления пластин используется прижимное кольцо. Сами блины при этом нанизаны на вал. Чтобы между ними оставалось пространство для головок, используются разделители, о которых мы уже говорили выше.
На дне герметичного блока располагается пространство для выравнивания давления с тем самым почти незаметным отверстием. Здесь же мы обнаруживаем ещё один фильтр, который намного больше, чем циркулярные фильтры. Он может быть покрыт силикатным гелем, собирающим влагу, которой всё-таки удалось пробиться внутрь корпуса.
Как видите, устройство жёсткого диска достаточно сложное и хрупкое. Поэтому он так чувствителен к механическому воздействию. Повреждение датчика вибрации или блока магнитных головок приводит к тому, что записывать и считывать информацию становится нереально. Возможно, именно поэтому HDD повсеместно заменяют на SSD, который предлагает более высокую скорость работы и устойчивость к механическим воздействиям.
Автор материала: Сергей Почекутов
Подписывайтесь на наш канал и ставьте лайки! А еще можете посетить наш официальный сайт.
