Разгребая завал на рабочем столе, наткнулся на блин из старого HDD. Нахлынули воспоминания, как я сорвал биту на отвертке, пытаясь открутить винты, которыми он был прикручен к приводу. Эх, времена. Давненько я никому не рассказывал про внутреннее устройство дисков. Так давайте расскажу вам.
Устройство жестких дисков.
Жесткий диск (Hard Disk Drive, HDD) — это механическое устройство для хранения данных, которое использует магнитные диски (пластины) и считывающие головки.
Основные компоненты HDD:
- Магнитные пластины — круглые диски, покрытые магнитным слоем. На них записываются данные.
- Считывающие головки — подвижные элементы, которые читают и записывают информацию на пластины.
- Шпиндель — вращает пластины с высокой скоростью (обычно 5400, 7200 или 10000 оборотов в минуту).
- Контроллер — управляет работой диска, обрабатывает команды и передает данные.
На фото вы можете видеть магнитную пластину и считывающие головки, которые отведены в нулевое положение.
Контроллер диска находится с обратной стороны и представляет из себя плату с SATA разъемом.
Твердотельный накопитель (Solid State Drive, SSD) — это устройство хранения данных, основанное на флеш-памяти. В SSD отсутствуют движущиеся части, что делает их более надежными и быстрыми.
Основные компоненты SSD:
- Флеш-память NAND — ячейки памяти, которые хранят данные. Они бывают разных типов: SLC, MLC, TLC и QLC (отличаются количеством битов на ячейку и долговечностью).
- Контроллер — управляет операциями чтения/записи, оптимизирует производительность и распределяет данные.
- Кэш-память — используется для ускорения операций.
Так выглядит разобранный SSD (очень сильно напоминает флешку без корпуса)
Когда мне в очередной раз приходится объяснять студентам устройство жестких дисков, мы уничтожаем очередной старый HDD (благо, количество ненужных дисков сильно больше количества учеников). Почему уничтожаем? Внутри HDD поддерживается стерильная чистота. При попадании на магнитный блин чего угодно (даже пылинки), он становится не читаемым. Зато из этих блинов получаются отменные подстаканники, которые почти невозможно разбить, и которым не страшна температура.
Скорость диска. IOPS.
Также, на вскрытом диске намного проще объяснить, что же такое IOPS, и почему SSD по производительности значительно опережают HDD.
Технически, IOPS (input-output operations per second) - это количество операций чтения и записи в секунду. Но не все так просто.
Есть такое старое выражение "IOPS IOPS'у рознь". Откуда оно взялось?
Давайте разберемся, как происходит чтение на HDD:
- Операционная система отправляет контроллеру команду на чтение определенных данных.
- Контроллер диска вычисляет, на какой пластине и дорожке находятся нужные данные.
- Контроллер позиционирует считывающую головку на нужную дорожку.
- После позиционирования головки диск должен дождаться, пока нужный сектор окажется под головкой.
- Когда нужный сектор оказывается под головкой, происходит чтение данных.
Казалось бы все относительно просто: блин вращается, головка считывает данные. Но:
Начнем с того, что чтение и запись могут быть последовательными, а могут быть случайными. Если простыми словами - последовательное чтение происходит тогда, когда нужные сектора находятся на одной дорожке диска друг за другом. Случайное чтение - чтение секторов с разных дорожек в разном порядке.
Соответственно, на случайное и последовательное чтение одного и того же объема данных контроллер потратит разное количество времени.
И это еще не все:
Предположим, что нам надо прочитать 100 секторов подряд. Окей, последовательное чтение должно занять определенное количество времени (не важно какое точно). Важно то, на какой дорожке будут находиться эти сектора. Сам магнитный блин вращается с одной и той же скоростью. Поэтому, 100 секторов с внешней дорожки (которая ближе к краю диска) прочитаются медленнее, чем 100 секторов с внутренней (которая ближе к центру).
Именно поэтому указанной скорости SSD дисков можно доверять намного больше. Эти диски намного быстрее из-за того, что у них полностью отсутствует механическая часть. Им не нужно ничего позиционировать, не нужно ждать вращения. Все сектора доступны в моменте. Единственное ограничение скорости SSD диска - шина, по которой он подключен в материнской плате.
Как раз, из-за ограничений пропускной способности SATA интерфейса и появились NVME диски, которые подключаются не через кабель, а напрямую в плату. Вы можете встретить такие диски во всех современных ноутбуках (стандарт m2). Скорость таких дисков в разы выше старых SSD, и с каждым поколением PCI-E разъемов, только увеличивается.
Важно понимать: если вы купите диск, разработанный под стандарт pci-4 и вставите его в слот pci-3, он, скорее всего, будет работать, но не со своей максимальной производительностью. И вы просто потратите лишние деньги. Если наоборот - диск будет работать с максимальной скоростью, но за небольшую доплату, вы можете получить большее.
Сектора и разметка жесткого диска
Вот я всю статью говорю "чтение секторов", "запись в сектора", а что же такое эти самые сектора?
Сектор — это минимальная единица хранения данных на диске. В современных HDD и SSD размер сектора обычно составляет 512 байт или 4096 байт (4 КБ). Последний стандарт называется Advanced Format и используется для повышения эффективности хранения данных.
- 512-байтные сектора — традиционный формат, используемый в старых дисках.
- 4096-байтные сектора — современный стандарт, который улучшает производительность и снижает износ SSD.
Если простыми словами: сектор - это ячейка памяти на диске (вне зависимости от типа этого диска)
Разметка диска — это процесс создания разделов (partition) на диске для организации хранения данных. Разделы позволяют разделить диск на логические области, каждая из которых может быть отформатирована под свою файловую систему (например, NTFS, FAT32, ext4).
- Основные разделы — используются для установки операционных систем. На диске с MBR можно создать до 4 основных разделов.
- Расширенный раздел — специальный раздел, который может содержать несколько логических разделов. Используется в MBR для обхода ограничения на 4 раздела.
- Логические разделы — создаются внутри расширенного раздела. Их количество ограничено только размером диска.
MBR и GPT: структура разделов на дисках
При инициализации диска (HDD или SSD) необходимо выбрать тип таблицы разделов: MBR или GPT. Это влияет на совместимость, объем диска и функциональность.
MBR (Master Boot Record)
MBR — это традиционная структура разделов, используемая с 1980-х годов. Основные особенности:
- Расположение — MBR находится в первом секторе диска (сектор 0).
- Ограничения:
Поддерживает диски до 2 ТБ.
Максимум 4 основных раздела (или 3 основных + 1 расширенный с логическими разделами). - Загрузочный код — MBR содержит код для загрузки операционной системы.
- Совместимость — MBR работает со всеми версиями Windows и большинством других ОС.
Недостатки MBR:
- Нет поддержки дисков больше 2 ТБ.
- Отсутствие резервирования данных (при повреждении MBR диск становится нечитаемым).
GPT (GUID Partition Table)
GPT — современная замена MBR, используемая в новых системах. Основные особенности:
- Расположение — GPT хранит данные в нескольких местах на диске, включая резервные копии.
- Ограничения:
Поддерживает диски объемом более 2 ТБ (теоретически до 9,4 ЗБ).
До 128 разделов на диске (в Windows). - Защита данных — GPT использует контрольные суммы для проверки целостности данных.
- Совместимость — GPT требует UEFI вместо BIOS для загрузки. Поддерживается Windows (начиная с Vista x64), macOS, Linux и другими ОС.
Преимущества GPT:
- Поддержка больших дисков.
- Надежность благодаря резервированию данных.
- Гибкость в создании разделов.
Заключение
HDD и SSD — это два разных типа накопителей, каждый со своими преимуществами и недостатками. HDD подходит для хранения больших объемов данных при ограниченном бюджете, а SSD — для повышения производительности системы. Что касается MBR и GPT, выбор зависит от объема диска и требований к системе. GPT предпочтителен для современных компьютеров с UEFI, тогда как MBR остается актуальным для старых систем с BIOS.
Разметка диска и выбор типа секторов (512 байт или 4 КБ) также играют важную роль в эффективности использования дискового пространства. Современные системы все чаще переходят на GPT и 4K-сектора, что обеспечивает большую надежность и производительность.