Из чего состоит жесткий диск компьютера | | Яндекс Дзен

Жесткие диски

Из чего состоит жесткий диск компьютера

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.

Так выглядит стандартный HDD, который можно обнаружить внутри почти любого системного блока

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.

Этот микрочип управляет остальным диском

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.

Этот контроллер управляет механическим 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.

Благодаря ограничителю напряжения диск защищён от скачков

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.

У гермоблока очень функциональная поверхность под платой управления

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.

На этих пластинах хранится информация, которую мы записываем на жёсткий диск

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.

Фильтры безостановочно очищают воздух от микрочастиц

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.

Без этих магнитов на диске нельзя было бы управлять головками

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.

Устройство системы, которая держит магнитные головки в препаровочой зоне, пока они не понадобятся

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.

По этому кабелю проходит соединение электронной и механической частей накопителя

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.

Типичная сборка кронштейна с магнитными головками на концах

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.

Так при приближении выглядит площадь с элементами записи/чтения

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.

Снова возвращаемся к усилителю, про который упоминали при изучении платы управления

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.

Благодаря прижимному кольцу пластины не двигаются относительно друг друга

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.

Под магнитными дисками тоже достаточно полезных компонентов

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.

Как устроен жесткий диск компьютера (HDD)

Приветствую всех читателей блога pc-information-guide.ru. Многих интересует вопрос — как устроен жесткий диск компьютера. Поэтому я решил посвятить этому сегодняшнюю статью.

zhestkii-disk-v-razobrannom-sostoianii

Жесткий диск компьютера (HDD или винчестер) нужен для хранения информации после выключения компьютера, в отличие от ОЗУ (оперативной памяти) — которая хранит информацию до момента прекращения подачи питания (до выключения компьютера).

Жесткий диск, по-праву, можно назвать настоящим произведением искусства, только инженерным. Да-да, именно так. Настолько сложно там внутри все устроено. На данный момент во всем мире жесткий диск — это самое популярное устройство для хранения информации, он стоит в одном ряду с такими устройствами, как: флеш-память (флешки), SSD. Многие наслышаны о сложности устройства жесткого диска и недоумевают, как в нем помещается так много информации, а поэтому хотели бы узнать, как устроен или из чего состоит жесткий диск компьютера. Сегодня будет такая возможность).

ustroistvo-zhestkogo-diska-kompiutera

Устройство жесткого диска компьютера

Жесткий диск состоит из пяти основных частей. И первая из них — интегральная схема, которая синхронизирует работу диска с компьютером и управляет всеми процессами.

integralnaia-skhema-zhestkogo-diska

Вторая часть — электромотор (шпиндель), заставляет вращаться диск со скоростью примерно 7200 об/мин, а интегральная схема поддерживает скорость вращения постоянной.

А теперь третья, наверное самая важная часть — коромысло, которое может как записывать, так и считывать информацию. Конец коромысла обычно разделен, для того чтобы можно было работать сразу с несколькими дисками. Однако головка коромысла никогда не соприкасается с дисками. Существует зазор между поверхностью диска и головкой, размер этого зазора примерно в пять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса!

Но давайте все же посмотрим, что случится, если зазор исчезнет и головка коромысла соприкоснется с поверхностью вращающегося диска. Мы все еще со школы помним, что F=m*a (второй закон Ньютона, по-моему), из которого следует, что предмет с небольшой массой и огромным ускорением — становится невероятно тяжелым. Учитывая огромную скорость вращения самого диска, вес головки коромысла становится весьма и весьма ощутимым. Естественно, что повреждение диска в таком случае неизбежно. Кстати, вот что случилось с диском, у которого этот зазор по каким то причинам исчез:

povrezhdenie-zhestkogo-diska

Так же важна роль силы трения, т.е. ее практически полного отсутствия, когда коромысло начинает считывать информацию, при этом смещаясь до 60 раз за секунду. Но постойте, где же здесь находится двигатель, что приводит в движение коромысло, да еще с такой скоростью? На самом деле его не видно, потому что это электромагнитная система, работающая на взаимодействии 2 сил природы: электричества и магнетизма. Такое взаимодействия позволяет разгонять коромысло до скоростей света, в прямом смысле.

dvigatel-koromysla-zhestkogo-diska

Четвертая часть — сам жесткий диск, это то, куда записывается и откуда считывается информация, кстати их может быть несколько.

Ну и пятая, завершающая часть конструкции жесткого диска — это конечно же корпус, в который устанавливаются все остальные компоненты. Материалы применяются следующие: почти весь корпус выполнен из пластмассы, но верхняя крышка всегда металлическая. Корпус в собранном виде нередко называют «гермозоной». Бытует мнение, что внутри гермозоны нету воздуха, а точнее, что там — вакуум. Мнение это опирается на тот факт, что при таких высоких скоростях вращения диска, даже пылинка, попавшая внутрь, может натворить много нехорошего. И это почти верно, разве что вакуума там никакого нету — а есть очищенный, осушенный воздух или нейтральный газ — азот например. Хотя, возможно в более ранних версиях жестких дисков, вместо того, чтобы очищать воздух — его просто откачивали.

Это мы говорили про компоненты, т.е. из чего состоит жесткий диск. Теперь давайте поговорим про хранение данных.

Как и в каком виде хранятся данные на жестком диске компьютера

Данные хранятся в узких дорожках на поверхности диска. При производстве, на диск наносится более 200 тысяч таких дорожек. Каждая из дорожек разделена на секторы.

dorozhki-i-sektora-zhestkogo-diska

Карты дорожек и секторов позволяют определить, куда записать или где считать информацию. Опять же вся информация о секторах и дорожках находится в памяти интегральной микросхемы, которая, в отличие от других компонентов жесткого диска, размещена не внутри корпуса, а снаружи и обычно снизу.

Сама поверхность диска — гладкая и блестящая, но это только на первый взгляд. При более близком рассмотрении структура поверхности оказывается сложнее. Дело в том, что диск изготавливается из металлического сплава, покрытого ферромагнитным слоем. Этот слой как раз и делает всю работу. Ферромагнитный слой запоминает всю информацию, как? Очень просто. Головка коромысла намагничивает микроскопическую область на пленке (ферромагнитном слое), устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний: о или 1. Каждый такой ноль и единица называются битами. Таким образом, любая информация, записанная на жестком диске, по-факту представляет собой определенную последовательность и определенное количество нулей и единиц. Например, фотография хорошего качества занимает около 29 миллионов таких ячеек, и разбросана по 12 различным секторам. Да, звучит впечатляюще, однако в действительности — такое огромное количество битов занимает очень маленький участок на поверхности диска. Каждый квадратный сантиметр поверхности жесткого диска включает в себя несколько десятков миллиардов битов.

Принцип работы жесткого диска

Мы только что с вами рассмотрели устройство жесткого диска, каждый его компонент по отдельности. Теперь предлагаю связать все в некую систему, благодаря чему будет понятен сам принцип работы жесткого диска.

Итак, принцип, по которому работает жесткий диск следующий: когда жесткий диск включается в работу — это значит либо на него осуществляется запись, либо с него идет чтение информации, или с него загружается ОС, электромотор (шпиндель) начинает набирать обороты, а поскольку жесткие диски закреплены на самом шпинделе, соответственно они вместе с ним тоже начинают вращаться. И пока обороты диска(ов) не достигли того уровня, чтобы между головкой коромысла и диском образовалась воздушная подушка, коромысло во избежание повреждений находится в специальной «парковочной зоне». Вот как это выглядит.

koromyslo-v-parkovochnoi-zone

Как только обороты достигают нужного уровня, сервопривод (электромагнитный двигатель) приводит в движение коромысло, которое уже позиционируется в то место, куда нужно записать или откуда считать информацию. Этому как раз способствует интегральная микросхема, которая управляет всеми движениями коромысла.

Распространено мнение, этакий миф, что в моменты времени, когда диск «простаивает», т.е. с ним временно не осуществляется никаких операций чтения/записи, жесткие диски внутри перестают вращаться. Это действительно миф, ибо на самом деле, жесткие диски внутри корпуса вращаются постоянно, даже тогда, когда винчестер находится в энергосберегающем режиме и на него ничего не записывается.

Ну вот мы и рассмотрели с вами устройство жесткого диска компьютера во всех подробностях. Конечно же, в рамках одной статьи, нельзя рассказать обо всем, что касается жестких дисков. Например в этой статье не было сказано про интерфейсы жесткого диска — это большая тема, я решил написать про это отдельную статью.

Нашел интересное видео, про то, как работает жесткий диск в разных режимах

Всем спасибо за внимание, если вы еще не подписаны на обновления этого сайта — очень рекомендую это сделать, дабы не пропустить интересные и полезные материалы. До встречи на страницах блога!

https://zen.yandex.ru/media/tehnichka/iz-chego-sostoit-jestkii-disk-kompiutera-5fead02fadb1796a08b71958

Как устроен жесткий диск компьютера (HDD)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Related Posts