Устройство жесткого диска
Накопитель на жестких магнитных дисках или HDD от англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, – энергонезависимое, перезаписываемое запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах. Первый коммерческий HDD компания IBM выпустила в 1956 году, его ёмкость составляла аж 3,75 МБ. И в целом, за все эти годы общая структура накопителя не сильно изменилась. В нём по-прежнему есть диски, которые используют для хранения данных намагниченность, и есть устройства для чтения/записи этих данных. Изменился же, и очень сильно, объём данных, который можно на них хранить. В 1987 году можно было купить HDD на 20 МБ примерно за 350 долларов; сегодня за такие же деньги можно купить 14 ТБ: в 700 000 раз больший объём.
Устройство жесткого диска
Основными элементами HDD являются:
- PCB — печатная плата. Зелёная стеклоткань и дорожки из меди на ней, вместе с разъёмами для подключения блока питания и гнездом SATА называются платой управления. Данная интегральная схема служит для синхронизации работы диска с ПК и руководством всех процессов внутри HDD. Корпус из алюминия чёрного цвета и то, что внутри него, называется герметичным блоком.
- Micro Controller Unit. На плате расположен чип большого размера — это микроконтроллер. В сегодняшних HDD микропроцессор содержит в себе два компонента: центральный вычислительный блок (CPU), который занимается всеми расчётами, и канал чтения и записи — специальное устройство, переводящее аналоговый сигнал с головки в дискретный, когда она занята чтением и наоборот — цифровой в аналоговый во время записи. Микропроцессор обладает портами ввода/вывода, при помощи которых он управляет остальными элементами, расположенными на плате, и совершает обмен информацией через SATA-подключение.
- Другой чип, расположенный на схеме, является DDR SDRAM памятью. Её количество предопределяет объём кеша винчестера. Данный чип разделён на память прошивки, частично содержащуюся во флеш-накопителе, и буферную, необходимую процессору для того, чтобы загружать модули прошивки.
- Третий чип называется контроллером управления двигателем и головками (VCM controller). Он управляет дополнительными источниками электропитания, которые расположены на плате. От них получают питание микропроцессор и предусилитель-коммутатор, содержащийся в герметичном блоке. Этот контроллер требует больше энергии, чем остальные компоненты на плате, так как отвечает за вращение шпинделя и движение головок. Ядро предусилителя-коммутатора способно работать, будучи нагретым до 100° C! Когда на жёсткий диск подаётся питание, микроконтроллер выгружает содержимое флеш-микросхемы в память и начинает выполнение заложенных в неё инструкций. Если коду не удастся должным образом загрузиться, то HDD не сможет даже начать раскрутку. Также флеш-память может быть встроена в микроконтроллер, а не содержаться на плате.
- Расположенный на схеме датчик вибрации (shock sensor) определяет уровень тряски. Если он сочтёт её интенсивность опасной, то будет послан сигнал контроллеру управления двигателем и головками, после чего он немедленно паркует головки или вовсе останавливает вращение HDD. В теории, данный механизм призван обеспечивать защиту HDD от различных механических повреждений, правда, на практике у него это не сильно выходит. Поэтому не стоит ронять жёсткий диск, ведь это способно повлечь за собой неадекватную работу вибродатчика, что может стать причиной полной неработоспособности устройства. Некоторые жёсткие диски обладают сверхчувствительными к вибрации датчиками, которые реагируют на малейшее её проявление. Данные, которые получает VCM, помогают в корректировке движения головок, поэтому диски оборудуются как минимум двумя такими датчиками.
- Ещё одно устройство, созданное для защиты HDD — ограничитель переходного напряжения (TVS), призванный предотвращать возможный выход из строя в случае скачков напряжения. На одной схеме таких ограничителей может быть несколько.
- Внутри гермоблока находятся магнитные диски также они могут называться блинами или пластинами. Диски обычно создаются из стекла или алюминия, который был предварительно отполирован. Затем они покрываются несколькими слоями различных веществ, в числе которых присутствует и ферромагнетик — благодаря ему и имеется возможность записывать и хранить информацию на жёстком диске.
Жесткий диск содержит один или несколько физических дисков, которые вращаются со скоростью от 5400 до 15 000 оборотов в минуту.
Сервопривод приводит в движение коромысло. Сервопривод состоит из двух постоянных магнитов и катушки между ними. При подаче тока через катушку создается магнитное поле. Это поле взаимодействует с постоянными магнитами и сдвигает коромысло в сторону. Интенсивность, длительность и полярность тока определяют, насколько быстро, как далеко и в какую сторону смещается коромысло. Коромысло перемещается до 50 раз в секунду. На его конце расположены головки, которые считывают и записывают информацию.
В результате вращения диска создается воздушный поток, который удерживает головку на расстоянии около 10 нм от поверхности диска (толщина волоса – 70 000 нм). Когда компьютер выключен или диск еще не разогнался, головки находятся в «парковочной зоне».
Данные хранятся в дорожках на поверхности диска. Каждая дорожка разделена на секторы. Секторы образуют кластер. Ориентируясь на карту дорожек и секторов, контроллер записывает и считывает информацию. Жесткий диск, как и всякое другое блочное устройство, хранит информацию фиксированными порциями, которые называются блоками. Блок является наименьшей порцией данных, имеющей уникальный адрес на жестком диске. Для того чтобы прочесть или записать нужную информацию в нужное место, необходимо представить адрес блока в качестве параметра команды, выдаваемой контроллеру жесткого диска. Размер блока уже довольно с давних пор является стандартным для всех жестких дисков — 512 байт. К сожалению, достаточно часто происходит путаница между такими понятиями как «сектор», «кластер» и «блок». Фактически, между «блоком» и «сектором» разницы нет. «Кластер» — это несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как одно целое.
Логическая плата управляет всеми описанными процессами: скоростью вращения дисков, чтением и записью информации, позиционированием коромысла. Плата с разъёмами представляет собой интегральную схему, которая синхронизирует работу диска с компьютером и управляет всеми процессами внутри hdd. Перевернув плату, можно увидеть что это целый микрокомпьютер со своим процессором, оперативной и постоянной памятью и есть своя система ввода/вывода. Чип с большим количеством ножек это MCU - контроллер который занимается всеми расчётами и преобразует аналоговый сигнал с головки в цифровой и наоборот. Для ускорения этих операций, рядом распаян чип с памятью DDR SDRAM. Который служит в роли буфера для хранения промежуточных данных, которые уже считаны с жесткого диска, но еще не были переданы для дальнейшей обработки, а также для хранения данных, к которым система обращается довольно часто. А вот два других крупных чипа это Flash память и её контроллер. Они действует как большой кэш для часто используемых данных, для повышения производительности. Но эти чипы устанавливаются только в гибридных HDD и в большенстве дисков их нет. (по сути это ssd внутри hdd). Так же, важным чипом является контроллер управления двигателем и головками VCM controller, так как, он управляет питанием MCU, Блоком магнитных головок внутри гермозоны и двигателем HDD.
Запись информации
Запись информации реализуется следующим образом. Над диском с большой скоростью движется металлический кронштейн, который называется коромысло, на его конце находятся слайдеры с магнитными головками. Головка проходя над дорожкой намагничивает микроскопическую область на ферромагнитном слое, устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний «0» или «1», а с помощью улавливания магнитного потока происходит считывание информации, когда головка проходит над областью с изменённой полярностью, она фиксирует импульс напряжения, этот импульс считывается как единица, а его отсутствие как 0,(каждый такой 0 и 1 называется "бит"). Считываемые головкой сигналы очень слабы и перед отправкой на контроллер должны проходить через усилитель. Отвечающий за это чип находится с боку коромысла. Вся эта конструкция приводится в движение при помощи привода основанном на электромагнетизме. Который называется сервопривод. Вот он позиционирует коромысло в то место, куда нужно записать или откуда считать информацию и управляется интегральной микросхемой. Внутри он состоит из двух мощных неоди́мовых магнитов, катушки и фиксатора. Фиксатор предотвращает какие-либо движения головок в отключённом состоянии и пока шпиндель не наберёт обороты.
Перемагничивание домена перезаписывает информацию.
При записи на несколько дисков, информация записывается на обеих сторонах каждого диска.
Чтение информации
Считывающая часть головки работает на эффекте туннельного магнетосопротивления. Головка состоит из двух магнитов и слоя диэлектрика между ними. Магнитное поле домена на магнитном диске влияет на туннелирование электронов и соответствующий ток в считывающей части магнитной головки.
Параметры жесткого диска
Интерфейс подключения
Чаще всего встречается интерфейс SATA III с пропускной способностью до 6 Гбит/с. Он обратно совместим с SATA II (3 Гбит/с) и SATA I (1.5 Гбит/с). Внешние диски подключаются по USB 2 и 3, USB (Фондеболт)Thunderbolt.
Емкость – количество данных, которые могут храниться накопителем. Емкость современных устройств достигает 30 TB.
Время произвольного доступа – то есть то время, которое требуется для позиционирования головки считывающего / записывающего устройства на произвольный участок магнитного диска. Чем меньше — тем быстрее «отклик» у жёсткого диска на запросы системы. От 3 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 – 3,7 мс), самым большим временем из актуальных – (WD Blue 1 TB – 15.8 мс). Как правило, обозначается как seek time или просто seek.
Скорость вращения шпинделя– количество оборотов шпинделя в минуту (rpm). От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 5400, 7200, 10 000 (ноутбуки), 5400, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).
Время наработки на отказ или Число циклов позиционирования-парковки – определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). При определении надежности в процессе функционирования используется технология SMART. (S.M.A.R.T. – технология оценки состояния жесткого диска встроенной аппаратурой самодиагностики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя). Например 300000 ч.
Количество операций ввода-вывода в секунду – у современных дисков это около 70 оп./сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе. Если коротко IOPS это количество блоков, которое успевает считаться или записаться на носитель. Чем больше размер блока, тем меньше кусков, из которых состоит файл, и тем меньше будет IOPS, так как на чтение куска большего размера будет затрачиваться больше времени. Значит, для определения IOPS надо знать скорость и размер блока при операции чтения / записи. Параметр IOPS равен скорости, деленной на размер блока при выполнении операции.
А если подробней то для начала представим себе, что данные на диске расположены последовательно. То есть части одного и того же файла идут друг за другом. Тогда при чтении с жесткого диска магнитные головки будут считывать информацию последовательно. При этом не будет тратиться время на перемещение головок, основную часть процесса будет занимать непосредственно чтение данных. Если речь идет об SSD, то в них данные могут считываться более крупными порциями, и они будут перебрасываться быстрее. Поэтому во всех устройствах последовательное чтение показывает максимальную скорость.
Если же части файла расположены в случайном порядке (то есть файл фрагментирован), то для считывания каждого кусочка магнитным головкам придется перемещаться на новое место. Поскольку время перемещения головок (так называемый процесс позиционирования) значительно больше, чем время самого чтения, то основную часть времени жесткий диск будет заниматься позиционированием. При этом очевидно, что скорости заметно упадут. Причем, чем меньше размер блока, чем больше их количество, и тем больше времени придется тратить на позиционирование. Причем этот эффект будет тем больше заметен, чем медленнее носитель. Попробуйте скопировать на флэшку один файл размером в 1000 килобайт или 1000 файлов размером в один килобайт. Во втором случае процесс переноса данных займет намного больше времени.
При последовательном доступе к данным размер блока, обычно, выбирается больши́м (например, 128 КилоБайт). При произвольном доступе к данным размер блока, обычно, выбирается маленьким (например, 4 КилоБайта). Теперь представим себе, что файл размером 4000 Килобайт разбит на равные блоки по 4 килобайта (то есть тысяча кусков), которые разбросаны по всему диску. Допустим, чтение такого файла идет со скоростью 400 Кбайт/с. Значит, за одну секунду совершается 100 операций чтения – то есть действий по считыванию каждого отдельного четырехкилобайтного блока. То есть в данном случае IOPS будет равен 100. По сути, IOPS это количество блоков, которое успевает считаться или записаться на носитель. Чем больше размер блока, тем меньше кусков, из которых состоит файл, и тем меньше будет IOPS, так как на чтение куска большего размера будет затрачиваться больше времени. Значит, для определения IOPS надо знать скорость и размер блока при операции чтения / записи. Параметр IOPS равен скорости, деленной на размер блока при выполнении операции.
К сожалению найти какой-то конкретной формулы подсчета IOPS я не нашел возможно если вы знаете напишите пожалуйста в комментарии. Я приведу те формулы которые нашел.
Первая это подсчет с помощью время поиска + задержка вращения.
Среднее время физического поиска жесткого диска SATA 7200 об / мин составляет 9 мс, SATA при 10000 об / мин составляет 6 мс, SAS при 15000 об / мин составляет 4 мс.
Время задержки вращения обычных жестких дисков составляет:
при 7200 об / мин составляет приблизительно 60 * 1000/7200/2 = 4,17 мс
при 10000 об / мин составляет около 60 * 1000/10000/2 = 3 мс,
при 15000 об / мин составляет около 60 * 1000/15000/2 = 2 мс.
Теоретический метод расчета максимального IOPS
IOPS = 1000 мс / (время поиска + задержка вращения). Время передачи данных можно игнорировать.
7200 об / мин на дисковых IOPS = 1000 / (9 + 4,17) = 76 IOPS
IOPS на диске при 10000 об / мин = 1000 / (6+ 3) = 111 IOPS
IOPS на диске при 15000 об / мин = 1000 / (4 + 2) = 166 IOPS
Вторая формула расчета с помощью подсчета вращающийся задержки, как правило, выражается в 1/2 времени, требуемого для круга.
IOPS = 1000 / (3 + 60000/7200/2) = 140 при 7200 об / мин
IOPS = 1000 / (3 + 60000/10000/2) = 167 при 10000 об / мин
IOPS = 1000 / (3 + 60000/15000/2) = 200 при 15000 об / мин
Технология записи
Существует два способа записи данных: CMR – метод перпендикулярной записи и SMR – метод черепичной записи. У SMR объем диска больше на 20%, но скорость записи и перезаписи ниже по сравнению с CMR.
Форм-фактор
У HDD два форм-фактора: 2.5 и 3.5 дюйма. Габариты выбираются в зависимости от назначения – ноутбук или настольный ПК.
Уровень шума – шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже.
Потребление энергии - Во время холостого хода потребление устройства находится примерно на 3.1 Вт. В случае активного чтения и записи показатели заметно увеличиваются: 9.4 Вт при чтении, 6.4 Вт при записи. Интенсивное выполнение операций в среднем заставляет HDD потреблять 8.7 Вт для чтения, а также для записи 6.6 Вт соответственно.
Сопротивляемость ударам – сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах (G) допустимой перегрузки во включенном и выключенном состоянии.
Объем буферной (кэш-памяти) - Для компенсации задержки при записи данных на жесткие диски на них устанавливают небольшое количество быстрой энергозависимой памяти для использования в качестве буфера. Кеш, как еще называют буфер, позволяет заметно увеличить быстродействие накопителя. Современные жесткие диски могут иметь буфер объемом от 16 МБ у самых простых моделей до 512МБ у высокопроизводительных HDD. (больше – лучше).
Понятие о RAID массивах
RAID – это избыточный массив дисков для ЭВМ.
Рассмотрим наиболее популярные уровни RAID.
RAID 0 («чередование») – дисковый массив из двух или более жестких дисков с отсутствием избыточности. Информация разбивается на блоки данных и записывается на оба/несколько дисков одновременно.
Достоинство: За счет этого существенно повышается производительность (от количества дисков зависит кратность увеличения производительности).
Недостаток: Страдает надежность всего массива (при выходе из строя любого из входящих в RAID 0 винчестеров полностью и безвозвратно пропадает вся информация).
RAID 1 (зеркалирование). Изначально предполагается, что жесткий диск – вещь надежная. Соответственно, вероятность выхода из строя сразу двух дисков ниже на порядок.
Достоинства:
- обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения за счет распараллеливания запросов;
- имеет высокую надежность – работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве.
Недостаток: приходится выплачивать стоимость двух жестких дисков, получая полезный объем одного жесткого диска (классический случай, когда массив состоит из двух дисков).
RAID 5. Самый популярный из уровней, в первую очередь благодаря своей экономичности. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, отсутствует выделенный диск для хранения информации о чётности. Жертвуя ради избыточности емкостью всего одного диска из массива, мы получаем защиту от выхода из строя любого из винчестеров тома.
На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные ресурсы, так как требуются дополнительные вычисления, зато при чтении (по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что потоки данных с нескольких накопителей массива распараллеливаются. Недостатки RAID 5 проявляются при выходе из строя одного из дисков – весь том переходит в критический режим, все операции записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко падает производительность. При этом уровень надежности значительно снижается (так как уменьшена избыточность массива).
Matrix RAID – это технология, реализованная фирмой Intel в своих чипсетах начиная с ICH6R. Строго говоря, эта технология не является новым уровнем RAID (ее аналог существует в аппаратных RAID-контроллерах высокого уровня), она всего-навсего позволяет, используя лишь 2 диска, организовать одновременно один или несколько массивов уровня RAID 1 и один или несколько массивов уровня RAID 0. Это позволяет за сравнительно небольшие деньги обеспечить для одних данных повышенную надежность, а для других высокую скорость доступа.
Пример использования. Имеются в наличии два диска по 1024 Гбайт. Каждый диск разбивается на тома по 389 и по 645 Гбайт, затем 645-гигабайтные тома объединяются в скоростной массив RAID 0, а 389-гигабайтные – в массив повышенной надежности RAID 1. В массиве RAID 1 можно разместить операционную систему, рабочие документы, фото- и видеоархивы, коллекцию mp3 и прочие важные данные, а файл подкачки и «игрушки» в массиве RAID 0. В результате получается весьма рациональное сочетание повышенной производительности и надежности хранения данных.
Можно ли установить HDD вертикально?
Все внутренние жесткие диски Seagate и Maxtor можно установить и боком, и вверх ногами. Если они не перемещаются при использовании и достаточно охлаждаются, направление установки не имеет значения.
Классификация дисков Western Digital и Seagate
Диски Western Digital
- WD Blue – обычный диск для повседневных задач;
- WD Black – наличие двухъядерного процессора и динамического кэширования повышает быстродействие в сравнение с другими дисками;
- WD Purple и WD Gold – для систем видеонаблюдения и работы 24/7.
Диски Seagate
- Barracuda Compute – ежедневные задачи;
- Firecuda Gaming – быстрые диски для геймеров;
- SkyHawk Surveillance – видеонаблюдение;
- Ironwolf NAS – для систем NAS.
Интересные факты: Почему жёсткие диски называют Винчестерами?
1. Сам термин появился еще в далеком 1973 году, когда на рынке появился первый в мире винчестер, конструкция которого состояла из двух отдельных отсеков в одном герметичном контейнере. Емкость каждого отсека составляла 30 Мб, из-за чего инженеры дали диску кодовое название «30-30», что было созвучно с маркой популярного в то время ружья «30-30 Winchester». Правда, в начале 90-х в Америке и Европе это название практически вышло из употребления, но на постсоветском пространстве это бытовое название жёсткого диска всё ещё популярно.
2. Основную массу жёсткого диска составляет литой металл. Силы внутри устройства при активном использовании могут быть довольно серьёзными, поэтому толстый металл препятствует изгибанию и вибрациям корпуса. Даже в крошечных 1,8-дюймовых HDD в качестве материала корпуса используются металл, однако обычно они делаются не из стали, а из алюминия, потому что должны быть как можно более лёгкими.
3. Вопреки расхожему мнению, жесткие диски не герметичны, за исключением устройств с очень большими ёмкостями — в них вместо воздуха используется гелий, потому что он намного менее плотный и создаёт меньше проблем в накопителях с большим количеством дисков. Внутренняя полость жесткого диска сообщается с атмосферой через фильтр, способный задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Это необходимо для поддержания постоянного давления внутри диска при колебаниях температуры корпуса. Пылинки, оказавшиеся при сборке в жестком диске и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на еще один фильтр – пылеуловитель.
4. Конечно, физически сломать диск пополам не так просто, а вот повредить некоторые детали во время работы можно легко. Первое, чего боится винчестер, это удар или падение во время работы. Считывающая головка находится прямо над магнитной пластиной и при резком ударе обязательно коснется ее поверхности, потому что зазор между ними меньше, чем отпечаток пальца человека. А пластина в это время вращается со скоростью 7200 об/мин. После такого «касания» диск можно выкидывать. Чтобы исключить случаи с касанием пластин, производители научили головки парковаться. Теперь считывающее устройство при отсутствии задания на чтение и запись отъезжает в безопасное место и не «нависает» над вращающимся диском. И тогда падения диску не страшны.
5. Кроме того, HDD может сгореть, если резко отключить компьютер от электричества. Или просто выйти из строя из-за износа. Это нормально. В таком случае диск нужно будет поменять. И лучше следить за ним, чтобы сделать это заранее. Так вы успеете перенести данные на новый и не потеряете их.
Что такое внешний жесткий диск?
Внешний жесткий диск — это жесткий диск, не встроенный в компьютер. Это портативное устройство, которое можно подключить к любому компьютеру, чтобы получить доступ к хранящимся на нем данным. В то время как внутренние жесткие диски напрямую подключены к материнской плате компьютера и хранят данные операционной системы, программных платформ, драйверы, программы, которыми вы пользуетесь, а также ваши файлы, внешние жесткие диски используются в основном для хранения личных файлов.
Жесткий диск компьютера можно изымать и обновлять, но это сложная задача, поэтому многие люди используют внешние жесткие диски, когда на их компьютере не хватает места.
В наши дни внешние жесткие диски могут вмещать до 20 ТБ данных, что более чем в миллион раз превосходит емкость самого первого жесткого диска в 1956 году. Благодаря такой вместимости в сочетании с портативностью и доступностью внешние жесткие диски стали лучшим решением для увеличения емкости компьютера до появления облачных хранилищ.
Компоненты hdd мы рассмотрели, давайте теперь свяжем всё это вместе чтобы был понятен сам принцип работы жесткого диска. При подаче питания на Жёсткий диск, двигатель расположенный внутри корпуса начинает раскручивать шпиндель на котором закреплены магнитные пластины. И пока пластины ещё не набрали обороты, чтобы между головкой коромысла и диском образовалась воздушная подушка, головки запаркованы у шпинделя у центра, чтобы не навредить секторам с информацией и самой головке. Как только обороты достигают нужного уровня, сервопривод (электромагнитный двигатель) приводит в движение коромысло, которое уже позиционируется в то место, откуда нужно считать служебную информацию о состоянии жесткого диска и других необходимых сведениях о нем, эта область со служебной информацией называется нулевой дорожкой. После неё уже считываются все остальные данные хранящиеся на диске. Ну а в случае когда питание, резко прекращается, двигатель переходит в режим генератора, и энергия от вращения шпинделей превращается в электрическую энергию, благодаря которой, головки безопасно паркуются и не повреждаются.