Твърд диск (хард диск) – устройство

Твърдият диск или още хард дискът е устройство, което се използва за запис и четене на двоична информация. Той е нещото което може би най-много ще ни липсва ако се повреди, понеже

нашата безценна информация се намира на него. Капацитетът в днешно време достига до 1,5 терабайта за 3,5 инчов модел. Твърдият диск се използва не само в компютри, но и в телевизори и други устройства които имат нужда от повечко място, а вече дори и в GSM-ми. Тази статия ще ви запознае с устройството, начина на действие и някои технологии на хард дисковете.

Устройство и начин на действие на хард дискът

Може да се каже че се състои главно от две части: механична част или още механика и електронна част – платка и електронните елементи по нея.

—Механична част на твърдият диск—

Може би най-важното нещо в механичната част, а и в целия твърд диск е плочата или по-скоро плочите. Те съдържат в себе си информацията която четем или записваме. Тяхната повърхност трябва да е перфектно гладка и перфектно чиста, самият хард диск се сглобява в специална стая с пречистен въздух, защото дори и най-малката прашинка може да повреди плочата. Изработват се от алумиева сплав или стъкло и се покриват от двете страни с магнитен слой – най-често кобалтова сплав. Всъщност стъклените плочи имат някои предимства, сред които са: по-голяма гладкост, по-голяма издръжливост на нагряване и други. Плочите се разполагат на специална ос и се задвижват от двигателче наречено шпиндел.

Шпинделът работи на 12V, а консумацията му при стартиране е с два до три пъти по-висока от нормалната. Той генерира голяма скорост, която трябва да се поддържа постоянна и стабилна. Специална система следи скоростта с голяма точност и постоянно я регулира. Скоростта на въртене обикновенно е 7200 RPM (revolutions per minute) тоест оборота в минута, като има модели достигащи 10000 или 15000 RPM. При хард дисковете използвани в мобилните компютри стойностите най-често са 4200, 5400 или 7200 RPM. По-ниската скорост на въртене води до по-бавна работа, но и до по-ниска консумирана мощност и по-ниско ниво на шума. Самото въртене предизвиква голямо триене с въздуха, а то от своя страна отделяне на значителна топлина. При по-бързите модели трябва да се помисли сериозно за охлаждането на твърдият диск или по-точно на неговата електроника.

Плочите са разделени на множество малки сектори. Най-често секторът съдържа 512 байта двоична информация. Тази информация включва: адрес на сектора, за да може да бъде намиран от главата на хард диска, един бит е отделен за информация дали сектора е дефектен, място където се записва самата информация и други. Съвкупност от няколко последователни сектора се нарича клъстър, а цяла окръжност от сектори – писта или пътечка. Клъстърите могат да са с различна големина (все числа, които се получават като степен на двойката), като най-малката е един сектор (две на нулева степен). Всеки един бит от информация създава около себе си локално магнитно поле, което трябва да е достатъчно слабо за да не взаимодейства с другата информация.

Главите, използвани за четене и запис, обикновенно са два пъти повече от плочите (понеже плочата има две повърхности). При четене или запис те се доближават на разстояние няколко милионни от сантиметъра до повърхноста на плочата, а не я допира (ако главата допре плочата, се наблюдава явлението head crash – сблъсък на главата и плочата, това може да доведе до повреда и загуба на данни). Това което възпрепятства главите от допир до повърхноста на плочата е въздухът, който заобикаля плочата. И той също като нея се движи с огромна скорост. Ако въздушното налягане е много ниско може главите да се доближат прекалено много до плочата и да я допрат и надраскат. Макар че да изглежда така, твърдият диск не е вакумиран. Въздух навлиза през малък отвор, който се филтрира доста обстойно.

Понеже главите са много малки, те се закрепват върху плъзгач (slider), който има специален дизайн помагащ за точното им позициониране. Докато в миналото четящата и пишещата част от главата на хард дискът са били едно и също нещо, то в наши дни те са две отделни части закрепени на един и същ плъзгач. При записване на информация в даден бит, първоначално главата се позиционира над него и след това създава магнитно моле, което взаимодейства и променя магнитното поле на бита. Магнитното поле което създава главата се контролира чрез тока който минава през нейната намотка. При четене на даден бит, главата преобразува данните от магнитното поле на дадения бит в електрически импулс, който се изпраща за обработка към електрониката на твърдия диск. Има две възможни състояния: при завъртане на плочата да пристигне първо южния полюс или да пристигне първо северния полюс на магнитното поле.

Главата и плъзгачът се преместват много прецизно и много бързо от задвижващо рамо. Пътят който изминават е с формата на дъга – част от окръжност. Рамото може да измине пътят от единия край на плочата до шпиндела около 50 пъти за една секунда, като същевременно позиционира главата точно върху правилната пътечка. То се задвижда от малко електродинамично двигателче. Това двигателче се състои от неподвижен постоянен магнит с дъговидна форма и подвижен електромагнит, намиращ се в канала на постоянния магнит. При пускане на ток през бобината на електромагнита се създава магнитно поле, което взаимодейства с полето на постоянния магнит. Така бобината на електромагнита извършва дъговидно движение.

Когато плочата не се върти, тоест при изключване на компютъра или при спиране на захранването, е нужно главата да не падне върху плочата ами примерно да се премести на друго място. Има два подхода в тази насока – тя се позиционира или върху специално предназначена за това пътечка (писта) на плочата, където не се записва информация, или на място извън плочата. Това позициониране се нарича паркиране на главата. В миналото то се е правело от специална програма, която е трябвало да се стартира преди спиране на компютъра, но в днешните хард дискове това действие е напълно автоматизирано.

—Електронна част на хард дискът—

Електрониката на хард дискът постепенно става все по сложна и изпълнява все повече функции. Тя си има собствен процесор и памет, също и софтуер който да управлява процесора. Този софтуер е записан на чип ставащ само за четене на информация (ROM – Read Only Memory).

Част от задачите за които отговаря електрониката са: управление на шпинделът и поддръжка на постоянната му скорост на въртене, управление на преместването на рамото, ръководене на всички операции за четене и запис, контролиране на вграденият кеш и други сложни операции.

Кешът е чип много бърза памет. Той се използва като буфер (посредник), тоест когато примерно искаме да прочетем дадена информация от плочата, тази информация се прочита на парчета и всяко парче минава първо през кеш паметта, преди да отиде в главната оперативна памет на компютъра. Колкото повече кеш имаме толкова по-големи парчета можем да четем наведнъж и това ускорява процеса. Към момента на пазара се намират модели с 2, 8, 16 и дори 32MB кеш.

Технологии

Тук можете да прочетете за няколко технологии разработени с цел усъвършенстване на твърдите дискове. Те са само малка част от многото различни технологии, но ще ви дадат представа за това в каква насока се работи.

S.M.A.R.T. – Self Monitoring Analysis and Reporting Technology или технология за самостоятелно наблюдение, анализиране и отчет. Тази технология позволява на твърдият диск да се самонаблюдава и анализира, като следи дадени параметри дали са в норма и ако не са да уведоми потребителя. Това се прави с цел потребителя да може да бъде предупреден преди хард дискът му се повреди.

NCQ – Native Command Queuing – това е технология поддържана от SATA твърдите дискове (но не всички), която намалява времето необходимо за извършване на няколко едновременни заявки за прочит на данни. Редът по който се изпълняват заявките се променя с цел по-бързото им завършване – с по-малко завъртания на плочата. На изображението може да се види разликата – с червена линия е означен пътят който ще измине главата ако не се поддържа NCQ, a със зелена – при наличие на такава поддръжка.

HiVERT – Това е технология на Hitachi, която намалява консумираната електроенергия в ненатоварен режим на твърдият диск. Основната идея се състои в това механизмът който задвижва главата да бъде изключван когато не се използва хард дискът. Това води до намаляването на консумираното електричество в ненатоварен режим от 11 до 44%.

Перпендикулярен запис – Ако си представим всеки един бит от информация като миниатюрен правоъгълен магнит, то може да се каже че по принцип той е разположен успоредно (хоризонтално) на плочата. При използването на тази технология битовете се разполагат перпендикулярно на повърхността. Това позволява да се запише повече информация на по-малка повърхност.