Накопитель на жестких магнитных дисках

Накопитель на жестких магнитных дисках (от англ. HDD – Hard Disk Drive), или винчестер – это запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются круглые жесткие пластины (иногда называемые также дисками), обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Винчестер используется для постоянного (длительного) хранения информации – программ и данных.

В принципе жесткие диски подобны дискетам. В них информация также записывается на магнитный слой диска. Однако этот диск, в отличие от дискет, сделан из жесткого материала, чаще всего алюминия (отсюда и название Hard Disk). В корпусе объединены такие элементы винчестера, как управляющий двигатель, носитель информации (диски), головки записи/считывания, позиционирующее устройство (позиционер) и микросхемы, обеспечивающие обработку данных, коррекцию возможных ошибок, управление механической частью, а также микросхемы кэш-памяти.

Если дискета физически состоит из одного диска, то винчестер состоит из нескольких одинаковых дисков, расположенных друг под другом.

НЖМД помещен в почти полностью герметизированный корпус. В отличие от НГМД, внутреннее устройство которого хорошо видно, НЖМД изолирован от внешней среды, что предотвращает попадание пыли и других частиц, которые могут повредить магнитный носитель или чувствительные головки чтения/записи, располагаемые над поверхностью быстро вращающегося диска на расстоянии нескольких десятимиллионных долей дюйма.

Магнитные диски являются элементами устройств чтения-записи информации – дисководов. Сам магнитный диск – это пластиковый (для гибких дисков) и алюминиевый либо керамический (для жестких дисков) круг с магниточувствительным покрытием. В случае жесткого диска таких кругов Может быть несколько, и все они в центре посажены на один стержень. Для гибкого диска такой круг один, при помещении в дисковод он фиксируется в центре. Во время работы диск раскручивается. Схема дисковода показана на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5. Схема дисковода магнитного диска

Головки чтения-записи могут синхронно перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлении (это показано стрелками), что позволяет им приблизиться к любой точке поверхности диска. Каждая точка поверхности рассматривается как отдельный бит внешней памяти.

Так же, как и основная память, поверхность диска (или дисков) имеет структуру. Элементы физической структуры следующие:

1) дорожка – концентрическая окружность, по которой движутся головки чтения-записи при размещении или поиске данных. Дорожки нумеруются, начиная с нуля. Нулевой номер имеет самая внешняя дорожка на диске;

2) секторы – блоки, в которых размещаются данные на дорожке при записи. Нумеруются начиная с единицы. Помимо пользовательской информации (самих данных), сектора содержат служебную информацию, например, собственный номер. Сектора являются Минимальными адресуемыми элементами данных для диска;

3) стороны диска. Нумеруются начиная с нуля. Для винчестера, расположенного вертикально, нулевой номер имеет самая верхняя сторона, для гибкого диска нулевой номер – у «лицевой» стороны дискеты;

4) цилиндр – совокупность дорожек с одинаковыми номерами на разных сторонах диска. Номера цилиндров совпадают с номерами дорожек;

5) кластер – совокупность секторов, имеющих смежные номера. Может состоять из одного сектора (для дискет) или нескольких (для винчестера). Является минимальным адресуемым элементом данных для операционной системы. Кластеры используются операционной системой для добавления данных к файлу: добавление очередной «порции» данных к файлу выполняется в объеме кластера независимо от того, что реальный объем добавляемых меньше объема кластера. Это приводит к нерациональному расходованию внешней памяти. Поэтому не рекомендуется хранить на диске большое количество маленьких файлов: они имеют много пустых «хвостов».

Разбивка непрерывного пространства поверхности диска на указанные элементы (можно эту процедуру назвать дискретизацией) выполняется при его форматировании. При этом также формируются маркер начала и конца дорожки, места расположения секторов, в сектора записывается служебная информация.

Дискретное пространство диска имеет, в свою очередь, следующую структуру (она описана в порядке возрастания номеров сторон, дорожек и секторов):

1) таблица разделов PT (Partition Table). Состоит из четырех элементов, описывающих разделы диска, причем операционные системы используют только первые два элемента. Описание раздела диска содержит данные о первых и последних головках чтения-записи, дорожках, секторах раздела, общем количестве секторов в разделе, типе файловой системы и признак того, что раздел является загрузочным;

2) главная загрузочная запись MBR (Master Boot Record). Содержит код процессора, необходимый для дальнейшей загрузки операционной системы;

3) загрузочная запись операционной системы BR (Boot Record). Содержит следующую информацию: программу загрузки операционной системы, размер кластера, количество копий FAT, количество файлов в корневом каталоге Root, размер FAT и некоторую другую информацию;

4) таблица размещения файлов FAT (File Allocation Table) и ее копии. Содержит полную карту принадлежности кластеров файлам и используется операционными системами для хранения сведений о размещении файлов на диске и о «плохих» (bad) кластерах. В силу важности FAT она дублируется несколько раз;

5) корневой каталог Root. Это таблица, в которой каждая запись соответствует файлу или подкаталогу, подчиненному корневому каталогу диска, и имеет структуру:

• имя файла или подкаталога;

• тип файла,

• атрибуты, в которых определяются следующие параметры файла или подкаталога: предназначенность только для чтения, скрытость, системность, маркер принадлежности данной записи метке тома, признак принадлежности данной записи подкаталогу, а не файлу, архивность;

• время создания;

• дата создания;

• номер начального кластера файла или подкаталога;

• размер файла.

Следует подчеркнуть, что записи для файлов и подкаталогов идентичны, за исключением двух характеристик: в поле атрибутов выставлен признак подкаталога, а в поле размеров выставлен ноль;

6) область размещения файлов FA (File Area). Содержит файлы и подкаталоги, которые описаны в Root.

К основным характеристиками винчестеров относят:

информационный объем – до 300 Гбайт;

число пластин (дисков) – от 1 до 3 шт.;

количество головок – 2, 4, 6 шт.;

скорость вращения дисков – скорость, с которой пластины диска вращаются относительно магнитных головок (измеряется в оборотах в минуту). У современных моделей этот показатель обычно составляет 7200 об./мин;

Время доступа – 7–9 мс;

Скорость чтения и записи информации – 75 Мбайт/с и более;

Размер кэш-памяти – в среднем 4–8 Мбайт.

Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

Реальная производительность жестких дисков всегда определяется интерфейсом. На сегодняшний день в компьютерах могут быть интерфейсы параллельного (IDE и SCSI) и последовательного типов (USB и Fire Wire), используемые в основном при подключении внешних дисков. Винчестеры, подключаемые при помощи интерфейсов SCSI, USB и Fire Wire имеют гораздо более высокие характеристики, чем IDE.

Винчестер (как один физический диск) может быть разделен на несколько логических дисков (разделов). Каждый из них обозначается одной буквой латинского алфавита начиная с C: и может иметь свою метку (название). Кроме того, каждый логический диск имеет файловые системы (их разновидности были рассмотрены ранее), которые могут различаться (например, диск C: имеет файловую систему NTFS, а D: – FAT 32). Процесс полной очистки диска от хранимой на нем информации и его переразметки называется форматированием диска (логического или физического).