Жесткие диски HDD

Накопитель на жёстких магнитных дисках  от английского  hard (magnetic) disk drive  (HDD, HMDD) - устройство хранения данных, носителем информации в котором является диск (как правило алюминиевый) покрытый слоем ферромагнитного материала. Среди пользователей за ним закрепилось сленговое название «винчестер» или сокращено "винт".

Считается, что это название накопитель получил благодаря работнику IBM Кеннету Хотону, который руководил проектом по созданию устройства, которое впервые объединяло в одном корпусе пластины диска и блок считывающих головок. Диск имел 30 цилиндров по 30 дорожек и проект кратко именовался 30/30. Известные винтовки «Winchester» имеют патрон калибра 30/30, это совпадение и породило такое название.

Накопители SSD (solid-state drive)  энергонезависимое перезаписываемое устройство, носителем информации в котором является микросхема флешь-памяти, то же принято называть жестокими дисками, что в принципе не верно, так как в этом случае конструкция устройства и принцип хранения информации не имеет ни чего общего с классическим «винчестером». Очевидно так получилось из-за внешнего сходства устройства, один и тот формфактор и интрефейсы. В этом разделе мы поговорим именно об электромеханическом «винчестере».

И так устройство состоит из электронной и механических частей.


Механическая часть.

Собственно механическая часть размещается в  герметичном корпусе (гермозоне см. рис.1), выполненный из прочного сплава, полость которого, полностью или частично изолирована от внешней среды и наполнена очищенным воздухом. Для выравнивания давления  в корпусе есть тонка металлическая мембрана, способная прогибаться под избыточным давлением. Такой механизм необходим для предотвращения выхода накопителя из строя при перепаде атмосферного давления и при перегреве устройства во время работы.

Диски изготавливают из металлического сплава, попытки изготавливать их из другого более лёгкого материала  не увенчались успехом, пластины дисков разрушались при высоких скоростях вращения. Поверхности дисков, с обеих сторон, покрываются тонким слоем ферромагнетика, исполняющего роль магнитного запоминающего слоя. Магнитный материал состоит из доменов - областей, внутри которых магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону, такая область может хранить один бит информации. Различают параллельную и перпендикулярную технологию записи.

Параллельная технология записи -  ось намагниченности домена находится параллельно плоскости диска.

Перпендикулярная технология записи - ось намагниченности домена находится перпендикулярно плоскости диска.

Вторая имеет преимущество перед первой, так как позволяет записывать данные с большей плотностью, что позволяет записать больше информации на единицу поверхности. Конструкция современных «винчестеров» может включать более одного диска, тем самым увеличивая ёмкость накопителя. 

Электродвигатель шпинделя - безколлекторный двигатель постоянного тока (он-же вентильный двигатель). Ротор-магнит двигателя вращается внутри статора с обмотками. Нет трущихся переключающих контактов, как в коллекторном двигателе. Он способен обеспечивать высокие обороты шпинделя до 15000 об/мин. при  высокой стабильности вращения. Гидродинамические подшипники сводят биение шпинделя с дисками к минимуму. Для его управления используется специальный блок, входящий в электронную часть устройства, который выполняет коммутацию обмоток двигателя в зависимости от положения ротора.

Блок магнитных головок представляет собой систему рычагов посаженную на ось. Длинный конец такого рычага находится над диском, к нему прикреплена магнитная головка. Второй, более короткий и массивный конец снабжён катушкой электромагнитного привода которую окружает постоянным магнитом, движение осуществляется при подаче на катушку тока определённой величины и полярности. По сути конструкция представляет собой соленоидный привод. Магнитные головки перемещаются вместе с рычагом над диском по дуговой траектории и позиционируются над нужным участком диска. Механизм позиционирования не имеет дискретности, а позиционирование осуществляется по сервометкам  записанным на поверхности диска. Максимальный угол поворота составляет 30о. При старте головки находятся в парковочной зоне и соприкасаются с поверхностью диска. При раскрутке магнитных дисков воздушный поток прибоднимает магнитные головки над поверхностью и они парят не касаясь диска.


Элетронная часть

Электронная часть скомпонована на плате расположенной вне гермозоны (кроме микросхемы усилителя коммутатора магнитных головок) и состоит из управляющего микропроцессора, ПЗУ содержащую прошивку, буферной памяти, сигнального процессора (DSP - Digital signal processing) и контроллера интерфейса (HDC - hard-disk controller) .  

Микропроцессор и программное обеспечение.
В качестве процессорного ядра  наиболее часто используются 32 разрядные процессоры RISC архитектуры, такие как ARM7.  Микропроцессор управляет всеми компонентами жёсткого диска исполняя инструкции программы управления, стартовая часть которой хранится в ПЗУ, а основная часть на диске, в специально отведённой области.  

Микропроцессор и программное обеспечение. В качестве процессорного ядра  наиболее часто используются 32 разрядные процессоры RISC архитектуры, такие как ARM7. Микропроцессор управляет всеми компонентами жёсткого диска исполняя инструкции программы управления, стартовая часть которой хранится в ПЗУ, а основная часть на диске, в специально отведённой области.  

Современные жёсткие диски имеют возможность обновления своей микропрограммы. Такой функционал реализован не ради добавления новых возможностей, а для увеличения надёжности работы устройства. Самостоятельно обновлять прошивку не рекомендуется, так как при неправильном выполнении может привести к выходу устройства из строя. Иными словами, «Не пытайтесь повторить это дома».

Буферная память  (cache memory или просто кеш) - это оперативная память выполненная на высокоскоростных микросхемах, служит для нивелирования в разнице скоростей интерфейс и накопителя, используется как для чтения, так и для записи. Большой объем такой памяти, в теории, приводит к увеличению скорости накопителя, так как  наиболее востребованные данные будут находится в ней и не придётся лишний раз дёргать носитель. На практике прирост производительности не столь существенен.  

Контроллер интерфейса. В современных накопителях используется несколько типов контроллеров, различающихся скоростью доступа, способом подключения и другими характеристиками. Наиболее распространены контроллеры с интерфейсами SATA, SATA-II, SAS и IDE, SCS, последние два постепенно исчезают и больше не производятся. 


Нормальный жесткий диск   Плата элетроники
 Жесткий диск - гермозона рис.1  Жесткий диск - плата элетроники рис.2