Аппаратная часть современного ПК: Дисковые устройства

Промышленный выпуск дисководов сверхвысокой ёмкости на 2,88 Мбайт Toshiba начала 1989 году. В 1991 году IBM официально приняла эти дисководы для установки в компьютерах PS/2, и практически все PS/2, выпущенные с тех пор, содержат эти дисководы как стандартное оборудование. Для работы с такими дисководами требовалась установленная операционная система MS-DOS версии 5.0 или старше.

Для правильной работы дисковода на 2,88 Мб необходимо обновление дискового контроллера, так как эти дисководы имеют ту же скорость вращения 300 об/мин, но записывают 36, а не 18 секторов на одной дорожке. В отличие от контроллеров дисководов предыдущих форматов, максимальная скорость передачи данных которых составляет 500 000 бит/с, для того что бы эти 36 секторов были считаны или записаны за то же время, которое требуется дисководу на 1,44 Мбайт для чтения и записи 18 секторов, от контроллера требуется гораздо более высокой скорости передачи данных, 1 000 000 бит/с.

Высота дисковода для 5¼″дюйма дискет равна 1 U, а ширина почти равна трём его высотам. Это иногда использовали производители корпусов компьютеров, где три устройства, помещённые в квадратную «корзину», могли быть вместе с ней переориентированы с горизонтального на вертикальное расположение.

«Стандартные» форматы дискет IBM PC различались размером диска, количеством секторов на дорожке, количеством используемых сторон (SS обозначает одностороннюю дискету, DS – двухстороннюю), а также типом (плотностью записи) дисковода – тип дисковода маркировался (таблицы 2, 3) [ссылка 5]:

SD (англ. Single Density, одинарная плотность, впервые появился в IBM System 3740);

DD (англ. Double Density, двойная плотность, впервые появился в IBM System 34);

QD (англ. Quadruple Density, четверная плотность, использовался в отечественных клонах Robotron-1910 – 5¼″дюймовая дискета 720 Кб, Amstrad PC, ПК Нейрон – 5¼″дюймовая дискета 640 Кб);

HD (англ. High Density, высокая плотность, отличался от QD повышенным количеством секторов);

ED (англ. Extra High Density, сверхвысокая плотность).

 

Таблица 2 – Рабочие плотности дисководов и ёмкости дискет в килобайтах

Параметр магнитного покрытия	5¼″			3½″
	Двойная плотность (DD)	Четверная плотность (QD)	Высокая плотность (HD)	Двойная плотность (DD)	Высокая плотность (HD)	Сверхвысокая плотность (ED)
Основа магнитного слоя	Fe	Fe	Co	Co	Co	Ba
Коэрцитивная сила, Э	300	300	600	600	720	750
Толщина слоя магнитного слоя, микродюйм	100	100	50	70	40	100
Ширина дорожки, мм	0,300		0,155	0,115	0,115	0,115
Плотность дорожек	48	96	96	135	135	135
Линейная плотность	5876	5876	9646	8717	17434	34868
Ёмкость (после форматирования)	360	720	1200 (1213952)	720	1440 (1457664)	2880

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3 – Сводная таблица форматов дискет,

используемых в IBM PC и совместимых ПК

Диаметр диска	5¼″дюйма					3½″дюйма
Емкость диска, Кбайт	1200	360	320	180	160	2 880	1 440	720
Байт описания носителя в MS-DOS	F916	FD16	FF16	FC16	FE16	F016	F016	F916
Количество сторон (головок)	2	2	2	1	1	2	2	2
Количество дорожек  на каждой стороне	80	40	40	40	40	80	80	80
Количество секторов на дорожке	15	9	8	9	8	36	18	9
Размер сектора, байт	512
Количество секторов в кластере	1	2	2	1	1	2	1	2
Длина FAT (в секторах)	2	2	1	2	1	9	9	3
Количество FAT	2	2	2	2	2	2	2	2
Длина корневого каталога в секторах	14	7	7	4	4	15	14	7
Максимальное количество элементов в корневом каталоге	224	112	112	64	64	240	224	112
Общее количество секторов на диске	2400	720	640	360	320	5 760	2 880	1 440
Количество доступных  секторов	2371	708	630	351	313	5 726	2 847	1 426
Количество доступных  кластеров	2371	354	315	351	313	2 863	2 847	713

 

В дополнительных (нестандартных) дорожках и секторах иногда размещали данные защиты от копирования проприетарных дискет. Стандартные программы, такие, как diskcopy, не переносили эти сектора при копировании.

Дополнительную  путаницу внёс тот факт, что компания Apple использовала в своих компьютерах Macintosh дисководы, применяющие иной принцип кодирования при магнитной записи, чем на IBM PC – в результате, несмотря на использование идентичных дискет, перенос информации между платформами на дискетах не был возможен до того момента, когда Apple внедрила дисководы высокой плотности SuperDrive, работавшие в обоих режимах.

Достаточно  частой модификацией формата дискет 3½″дюйма является их форматирование на 1,2 Мб (с пониженным числом секторов). Эта возможность обычно может быть включена в BIOS современных компьютеров. Такое использование 3½″дюйма характерно для Японии и ЮАР. В качестве побочного эффекта, активация этой настройки BIOS обычно даёт возможность читать дискеты, отформатированные с использованием драйверов типа 800.

 

 

 

2 Накопители на жёстких магнитных дисках

2.1 Общие сведения и история развития

 

Накопитель на жёстких магнитных  дисках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винчестер», «винт», «хард», «харддиск» – устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров [ссылка 6].

В отличие  от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм [ссылка 7]), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Также, в  отличие от гибкого диска, носитель информации совмещён с накопителем, приводом и блоком электроники и (в персональных компьютерах в подавляющем количестве случаев) обычно установлен внутри системного блока компьютера.

По одной из версий [ссылки 8, 9], название «винчестер» (англ. Winchester) накопитель получил благодаря работавшему в фирме IBM Кеннету Хотону, руководителю проекта, в результате которого в 1973 году был выпущен жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 Мб каждый, что по созвучию совпало с обозначением популярного охотничьего оружия – винтовки «Winchester Model 1894» использующего винтовочный патрон «30 WCF». Также существует версия [ссылка 10], что название произошло исключительно из-за названия патрона, также выпускавшегося Winchester Repeating Arms Company, первого созданного в США боеприпаса для гражданского оружия «малого» калибра на бездымном порохе, который превосходил патроны старых поколений по всем показателям и немедленно завоевал широчайшую популярность.

В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слова «винт» (наиболее употребимый вариант).

В истории развития жестких дисков можно выделить следующие этапы: [ссылка 11].

В 1956 году жёсткий диск IBM 350 появился в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, а общий объём памяти 50 вращавшихся в нём покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм составлял около 5 миллионов 6-битных байт (3,5 Мб в пересчёте на 8-битные байты).

В 1980 году свет увидел первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, емкостью 5 Мб, в 1981 году – 5,25-дюймовый Shugart ST-412 емкостью 10 Мб.

В 1986 году появляются стандарты SCSI, ATA(IDE), в 1998 году – стандарты UDMA/33 и ATAPI.

В 1999 году IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб, в 2000 году –Microdrive ёмкостью 500 Мб и 1 Гб.

В 2002 году выходит стандарт ATA/ATAPI-6 и накопители емкостью свыше 137 Гб, а в 2003 году появляется SATA., Hitachi выпускает Microdrive ёмкостью 2 Гб.

В 2004 году Seagate выпускает ST1 – аналог Microdrive ёмкостью 2,5 и 5 Гб.

В 2005 году выходит стандарт Serial ATA 3G (или SATA II), SAS (Serial Attached SCSI). Seagate выпускает ST1 – аналог Microdrive ёмкостью 8 Гб.

В 2006 году появляются первые «гибридные» жёсткие диски, содержащие блок флеш-памяти, Seagate выпускает ST1 – аналог Microdrive ёмкостью 12 Гб.

В 2007 году Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 Тб.

В 2009 году на основе 500-гигабайтных пластин Western Digital, затем Seagate Technology LLC выпустили модели ёмкостью 2 Тб, Samsung выпустила первые жёсткие диски с интерфейсом USB 2.0., Western Digital объявила о создании 2,5-дюймовых HDD объемом 1 Тб (плотность записи – 333 Гб на одной пластине), также появился стандарт SATA 3.0 (SATA 6G).

В 2010 году Seagate выпускает жёсткий диск объемом 3 Тб, Samsung выпускает жёсткий диск с пластинами, у которых плотность записи – 667 Гб на одной пластине.

В текущем  году Western Digital выпустила первый диск на 750 Гб пластинах.

Изначально  на рынке было большое разнообразие жёстких дисков, производившихся множеством компаний. В связи с ужесточением конкуренции и понижением норм прибыли, большинство производителей было либо куплено конкурентами, либо перешло на другие виды продукции.

На сегодняшний  день большая часть всех винчестеров  производится всего несколькими компаниями: Seagate, Western Digital, Samsung, а также ранее принадлежавшим IBM подразделением по производству дисков фирмы Hitachi. Fujitsu продолжает выпускать жёсткие диски для ноутбуков и SCSI-диски, но покинула массовый рынок в 2001 году (в 2009 году производство жёстких дисков было полностью передано компании Toshiba [ссылка 12]).

Toshiba является основным производителем 2,5- и 1,8-дюймовых жестких дисков для ноутбуков. Достаточно яркий след в истории жёстких дисков оставила компания Quantum. Одним из лидеров в производстве дисков являлась компания Maxtor. В 2001 году Maxtor выкупила подразделение жёстких дисков компании Quantum. В 2006 году состоялось слияние Seagate и Maxtor. В середине 1990-х годов существовала компания Conner, которую купила Seagate. В первой половине 1990-х существовала фирма Micropolis, производившая очень дорогие диски premium-класса. Но при выпуске первых в отрасли винчестеров на 7200 об/мин ею были использованы некачественные подшипники главного вала, поставлявшиеся фирмой Nidec, и Micropolis понесла фатальные убытки на возвратах, разорилась и была полностью выкуплена компанией Seagate.

В настоящее  время, в связи с продвижением на рынок внешних накопителей  и развитием технологий типа SSD (solid-state drive - энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство без движущихся механических частей), количество фирм предлагающих готовые решения вновь возросло.

2.2 Устройство и принципы работы

 

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока  электроники [ссылка 13].

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с  магнитным покрытием, блок головок  с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.

Блок головок – пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены  из металлического сплава. Хотя были попытки  делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика – окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения составляют коммерческую тайну. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с большим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается  со скоростью несколько тысяч  оборотов в минуту (3 600, 4 200, 5 000, 5 400, 5 900, 7 200, 9 600, 10 000, 12 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин.

Шпиндельный двигатель жёсткого диска трёхфазный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включенных «звездой» с отводом посередине, а ротор – постоянный секционный магнит.

Устройство позиционирования головок  состоит из неподвижной пары сильных  неодимовых постоянных магнитов, а также катушки на подвижном блоке головок. Вопреки расхожему мнению, в подавляющем большинстве устройств внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом, а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану (в таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации).