Жёсткий диск

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 14:28, 24 декабря 2016.
Жёсткий диск
Laptop-hard-drive-exposed.jpg
Устройство 2,5-дюймового жесткого диска SATA
Жесткий диск, разработанный в 1997 году

Жесткий диск (HDD) или накопитель на жёстких магнитных дисках представляет собой устройство для хранения данных, используемых для хранения и извлечения цифровой информации с использованием одного или более жестких быстро вращающихся дисков (пластин), покрытых магнитным материалом. Жесткие диски в паре с магнитными головками, расположенными на подвижном рычаге привода, который считывать и записывать данные на поверхность пластин. Осуществляется доступ к данным способом с произвольным доступом, а это означает, что отдельные блоки данных могут быть сохранены или получены в любом порядке, а не только последовательно. Жесткие диски представляют собой тип энергонезависимой памяти, сохраняя сохраненных данных даже при отключении питания. Представленный IBM в 1956 году, жесткий диск стал доминирующим вторичным устройством хранения данных для компьютеров общего назначения в начале 1960-х годов. Постоянно совершенствуясь, жесткие диски сохранили эту позицию в современную эпоху серверов и персональных компьютеров. Более 200 компаний производили жесткие диски исторически, хотя после обширной индустрии консолидации большинство производства у Seagate, Toshiba и Western Digital. По состоянию на 2016 год, производство HDD (в байтах в год) растет, хотя и единичные поставки и доходы от продаж сокращаются. Основная конкурирующая технология для вторичного хранения флэш-памяти в виде твердотельных накопителей (SSD), которые имеют более высокие скорости передачи данных, более высокую поверхностную плотность хранения, более высокую надежность, и намного более низкое время ожидания и время доступа. В то время как SSD-накопители имеют более высокую стоимость передачи одного бита, SSD-накопители заменяют жесткие диски, где скорость, потребляемая мощность, малый размер, и долговечность имеют важное значение. Основные характеристики жесткого диска являются его емкость и производительность. Емкость определяется в единичных префиксов, соответствующих степеням 1000: 1-терабайт (ТБ) диск имеет емкость 1000 гигабайт (ГБ, где 1 гигабайт = 1 миллиард байт). Как правило, некоторые из емкости жесткого диска является недоступным для пользователя, поскольку он используется в файловой системе и операционной системы компьютера, а также, возможно, встроенной избыточности для исправления ошибок и восстановления. Производительность определяется время, необходимое для перемещения головок на дорожку или цилиндра (среднее время доступа) плюс время, необходимое для требуемого сектора, чтобы двигаться под днищем (среднее время ожидания, которое является функцией физической скорости вращения в оборотах в минуту), и, наконец, от скорости, с которой передаются данные (скорость передачи данных). Два наиболее распространенных форм-факторов для современных жестких дисков являются 3,5-дюймовый, для настольных компьютеров, а также 2,5-дюймовый, в первую очередь для ноутбуков. Жесткие диски подключаются к системам с помощью стандартных интерфейсных кабелей, таких как, USB или SAS (Serial Attached SCSI) кабелей PATA (Parallel ATA), SATA (Serial ATA).

Содержание

История

Улучшение характеристик HDD с течением времени
Параметр Начинался с Развился до Улучшение
Емкость
(formatted)
3.75 Мб 10 Тб 2.7 миллиона к одному
Физический объем 68 кубических футов 2.1 кубических дюймов 56,000 к одному
Вес 910 кг 62 г) 15000 к одному
Среднее время доступа около 600 мс несколько мс около 200 к одному
Цена US$9,200 за мегабайт (1961) $0.032 за гигабайт в 2015 300 миллионов к одному
Поверхностная плотность 2000 бит на квадратный дюйм 1.3 терабит на квадратный дюйм в 2015 году 650 миллионов к одному

Жесткие диски были введены в 1956 году, в качестве хранилища данных для подготовки в режиме реального времени обработки транзакций компьютера IBM и были разработаны для использования с общего назначения мэйнфреймов и мини-ЭВМ. Первый диск IBM, 350 RAMAC, был размером примерно двух средних холодильников и хранится пять миллионов шесть битовых символов (3,75 мегабайт) на стеке 50 дисков.

IBM 350 RAMAC блок хранения диска был заменен IBM 1301 единицы хранения диска, который состоял из 50 пластин, каждая из примерно 1 / толщиной 8 дюймов и 24 дюймов в диаметре. В то время как IBM 350 используют две головки чтения / записи, пневмопривод и перемещение с помощью двух измерений, 1301 был одним из первых единиц хранения диска использовавший массив головок, по одному на жестком диске, двигаясь как единое целое. Цилиндр режима операции чтения / записи были поддержаны. Движение массива головки зависит от двоичного сумматора системы гидравлических приводов, которые заверили повторяемое позиционирование. В 1962 году IBM представила диск модели 1311, который был размером стиральной машины и хранится два миллиона символов на съемном диске пакета. Пользователи могут приобрести дополнительные пакеты и поменять их по мере необходимости, так же, как бобин магнитной ленты. Более поздние модели съемных дисков пакета, от IBM и других, стали нормой в большинстве компьютерных установок и достигли мощностей 300 мегабайт в начале 1980-х годов. Несъемные жесткие диски были названы "Fixed Disk" дисками.

Некоторые высокопроизводительные жесткие диски были изготовлены с одной головкой на дорожку (например, IBM 2305), так что никакое время не было потеряно на физическое перемещение головок на дорожку. Они были очень, и уже не производятся.

В 1973 году IBM представила новый тип HDD под кодовым названием "Винчестер". Ее основной отличительной чертой было то, что дисковые головки не были полностью выведены из стопки пластин диска, когда диск был выключен. Это значительно снизило стоимость механизма привода головки, но исключается удаление только диски с диска, как это было сделано с диска пачек в день. Вместо этого, первые модели "технологии Винчестер" имели съемный модуль. Позже "Винчестер" диски отказались от концепции съемного носителя и вернулись к несъемным тарелках.

Как и первый съемный диск, первые диски "Винчестер" используют магнитные пластины 14 дюймов (360 мм) в диаметре. Несколько лет спустя, дизайнеры изучают возможность того, что физически меньшие жесткие диски могут иметь преимущества. Приводы с несъемным восьми-дюймовыми пластинами появились, а затем диски, используемые в 5 1/4 дюйма (130 мм) форм-фактора (монтажная ширина эквивалентный тому, который используется современных накопителей на гибких магнитных дисках). Последние были в первую очередь предназначены для рынка персональных компьютеров (ПК).

Когда началась 1980-е годы, жесткие диски были редкой и очень дорогой дополнительной функцией в персональных компьютерах, но к концу 1980-х годов их стоимость была снижена до точки, где они были стандартными на всех, кроме самых дешевых компьютеров.

Большинство жестких дисков в начале 1980-х, были проданы конечных пользователей ПК в качестве внешней, дополнительной подсистемы. Подсистема не была продана под названием производителя диска, но под именем изготовителя подсистемы, такие как Corvus Systems и Tallgrass Technologies, или под названием производителя системы ПК, таких как ProFile Apple. IBM PC / XT в 1983 году сделали внутренний 10 Мб HDD, и вскоре после этого внутренние жесткие диски распространились на персональные компьютеры.

Внешние жесткие диски остаются популярными гораздо дольше на Apple Macintosh. Многие компьютеры Macintosh, сделанные в период между 1986 и 1998 г имеют порт SCSI на задней панели, что делает внешнюю экспансию простой. Старые компактные компьютеры Macintosh не имеют доступных пользователю отсеки для жестких дисков , так что на этих моделях внешние диски SCSI были единственным разумным вариантом расширяя при любой внутренней памяти.

Плотность записи постоянно росла с момента их изобретения, жесткие диски постоянно улучшали свои характеристики; несколько основных моментов приведены в таблице выше.

Технология

Магнитная запись

Магнитное сечение и частота модуляции

Современные данные HDD записываются путем намагничивания тонкой пленки ферромагнитного материала на диске. Последовательные изменения в направлении намагниченности представляют собой двоичные биты данных. Данные считываются с диска, обнаруживая переходы намагниченности. Пользовательские данные кодируются с использованием схемы кодирования, таких как кодирование с ограничением длины поля записи кодирования, которая определяет, как данные представлены магнитных переходов.

Схема маркировки основных компонентов HDD

Типичная конструкция жесткого диска состоит из шпинделя, который содержит плоские круглые диски, называемые также вращающимися пластинами, которые держат записанные данные. Пластины выполнены из немагнитного материала, обычно из алюминиевого сплава, стекла или керамики, и покрыты тонким слоем магнитного материала, как правило, 10-20 нм в глубину, с наружным слоем углерода для защиты. Для справки, стандартный кусок бумаги для копирования составляет 0.07-0.18 мм (70,000-180,000 нм).

Запись одного бита на 200 МБ HDD-диск
Продольная запись (стандарт) и перпендикулярная запись

Современные жесткие диски вращают со скоростью от 4200 оборотов в минуту в портативных устройствах с низким энергопотреблением, до 15000 оборотов в минуту для высокопроизводительных серверов. Первые жесткие диски центрифугировали при 1200 оборотах в минуту и, в течение многих лет, 3600 оборотов в минуту была нормой. По состоянию на декабрь 2013 года, жесткие диски в большинстве жестких дисков потребительского класса имели 5,400 оборотов в минуту или 7,200 оборотов в минуту.

Информация записывается и считывается из тарелочек, называемых головкой чтения и записи, которые позиционируются для работы в непосредственной близости от магнитной поверхности, их высота полета часто в диапазоне от десятков нанометров. Головка для чтения и записи используется для обнаружения и изменения намагниченности материала, проходящего непосредственно под ним.

В современных дисках, есть одна головка для каждой магнитной поверхности пластин на шпинделе, смонтированных на общей руке. Кронштейн привода (или рычаг доступа) перемещает головки по дуге (примерно в радиальном направлении) поперек пластин, как они вращаются. Рычаг перемещается с помощью привода звуковой катушки или в некоторых старых конструкций шаговым двигателем. В современных дисках, небольшие размеры магнитных областей создает опасность того, что их магнитное состояние могут быть потеряны из-за тепловых эффектов, термонаведенная магнитная нестабильность, которая обычно известна как "суперпарамагнитный предел". Для того, чтобы противостоять этому, жесткие диски покрыты двумя параллельными магнитными слоями, разделенные 3 атомами слой элементов рутений немагнитной, и два слоя намагничены в противоположной ориентации, таким образом, усиливают друг друга. Еще одна технология используется для преодоления тепловых эффектов, чтобы обеспечить большую плотность записи является перпендикулярной записи, сначала отправлены в 2005 году, и по состоянию на 2007 года технология была использована во многих жестких дисков.

В 2004 году новая концепция была введена, чтобы обеспечить дальнейшее увеличение плотности данных в магнитной записи, используя носитель записи, состоящий из соединенных мягких и жестких магнитных слоев.

Компоненты

800px-Hard disk dismantled.jpg

Современные накопители на жестких магнитных дисках практически все состоят из одних и тех же узлов:

  • диски (c нанесенным на их поверхность оксидным или тонкопленочным магнитным рабочим слоем, количество дисков обычно от 1 до 5 (максимум 11), диаметр дисков 5,25/3,5/2,5/1,8 или 1,0 дюйм);
  • головки чтения/записи (количество 3-10 шт., используются композитные ферритовые головки с металлом в зазоре, тонкопленочные, магниторезистивные, головки GMR изготовленные по технологии высокой магниторезистивности);
  • механизм привода головок (привод с подвижной катушкой, как правило поворотный с сервосистемой слежения, использующей сервоинформацию на вспомогательном клине, на специальном диске, на диске со встроенными кодами или с записью сервоинформации во втором магнитном слое);
  • двигатель привода дисков (шпиндельный двигатель 5400 - 7200 и более оборотов в минуту с автоматической системой регулирования скорости вращения с обратной связью);
  • воздушный фильтр (фильтр рециркуляции и барометрический фильтр).
800px-Kopftraeger WD2500JS-00MHB0.jpg

Печатная плата со схемами управления (плата электроники содержит схемы, управления накопителя и практически почти все схемы выполняющие функции контроллера жесткого диска), кабели и разъемы (интерфейсный разъем, разъем электропитания, разъем управления шпиндельным двигателем, зажим или разъем заземления) относятся к электронным компонентам жестких дисков. Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly - блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA, - печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали - являются съемными.


Ошибки и коррекция ошибок

Современные приводы широко используют кодов коррекции ошибок (ККО), особенно коды Рида-Соломона коррекции ошибок. Эти методы хранят дополнительные биты, определяемые математическими формулами, для каждого блока данных; дополнительные биты позволяют исправлять много ошибок, которые будут исправлены невидимо. Дополнительные биты сами занимают место на жестком диске, но имеют более высокую плотность записи, которые будут использоваться, не вызывая неисправимых ошибок, что приводит к гораздо большей емкости. Например, типичный 1 ТБ жесткий диск с секторами по 512 байт обеспечивает дополнительную емкость около 93 Гб для данных ККО.

В новейших дисках, 2009, с низкой плотностью проверок на четность кодов (LDPC) вытесняют Рида-Соломона; LDPC коды имеют характеристики, близкие к Shannon Limit и таким образом обеспечивают самую высокую плотность хранения данных. "No-ID Формат", разработанный IBM в середине 1990-х годов, содержит информацию о том, какие секторы плохо и где переназначенный секторы были расположены.

Лишь незначительная часть обнаруженных ошибок не исправимо. Например, спецификация для SAS диска предприятия (модель с 2013 года) оценивает эту долю одним сбоем ошибки в каждых 1016 бит, а другое предприятие диска SAS с 2013 года определяет аналогичные коэффициенты ошибок. Другой современный (по состоянию на 2013 г.) предприятие SATA диск определяет частоту появления ошибок менее 10 невосстанавливаемых ошибок чтения в каждых 1016 бит. Наихудшим типом ошибок являются те, которые остаются незамеченными, и даже не обнаруживаются операционной системы компьютера. Эти ошибки могут быть вызвано сбоем жесткого диска.

Будущее развитие

Full History Disk Areal Density Trend.png

Скорость продвижения поверхностной плотности была аналогична закону Мура (удваивается каждые два года) до 2010 года: 60% в год в течение 1988-1996, 100% в течение 1996-2003 годов и на 30% в течение 2003-2010 гг. Гордон Мур (1997) заметил, что рост не может продолжаться вечно. Ареал улучшение плотности замедлился до 10% в год в течение 2011-2014 годов, из-за трудностей перехода с перпендикулярной записи на новые технологии.

Поверхностную плотность является инверсией размера бит ячейки, так что увеличение плотности записи соответствует уменьшению размера бит ячейки. В 2013 году производство настольных 3 ТБ HDD (с четырьмя пластинами) имели бы поверхностную плотность около 500 Гбит / дюйм 2, которые составили бы к битовой ячейки, содержащей около 18 магнитных зерен (11 по 1,6 зерна). Некоторые новые технологии магнитного хранения в настоящее время разрабатываются, чтобы преодолеть или, по крайней мере, притухнуть эту трилемму и тем самым поддерживать конкурентоспособность жестких дисков относительно продуктов, таких как флэш-память на основе твердотельных накопителей (SSD).

В 2013 году компания Seagate представила одну такую технологию, черепичной магнитной записи (SMR). Кроме того, SMR приходит с конструктивными сложностями, которые могут привести к снижению производительности записи. Другие новые технологии записи, что, по состоянию на 2016 год, по-прежнему остаются в стадии разработки, включают в себя термоассистируемую магнитную запись (Hamr), микроволновую магнитной записи (MAMR), двумерную магнитной записи (TDMR). Темпы роста плотности записи упала ниже ставки закона Мура 40% в год, а также замедление, как ожидается, сохранится по крайней мере до 2020 г. В зависимости от предположений о целесообразности и сроках этих технологий, срединному прогнозу наблюдателями отрасли и аналитики на 2020 год и последующий период роста плотности записи составляет 20% в год в диапазоне 10-30%. Достижим предел технологии Hamr в сочетании с БПР и SMR может быть 10 Тбит / дюйм2, который был бы в 20 раз выше, чем 500 Гбит / дюйм2 представлено 2013 производство настольных жестких дисков. По состоянию на 2015 г. производство Hamr жестких дисков было отложено на несколько лет, и, как ожидается, в 2018 году они требуют другую архитектуру, с модернизированными средствами и головок чтения / записи, новые лазеры и новые оптические датчики ближнего поля.

Емкость

Емкость жесткого диска, как сообщает операционной системы для конечного пользователя, меньше суммы, указанной производителем, на это имеется несколько причин: операционная система занимает некоторое пространство для резервирования данных, а также использование пространства для файловой системы структур. Разница в мощности сообщается в истинных единицах.

Расчет

Современные жесткие диски имеют хост-контроллер как непрерывный набор логических блоков, а максимальная емкость диска рассчитывается путем умножения количества блоков по размеру блока. Эта информация доступна из спецификации продукта производителя, а также от самого диска за счет использования функций операционной системы, которые вызывают команды привода низкого уровня.

Валовая вместимость старых жестких дисков рассчитывается как произведение количества цилиндров в зоне записи, количество байт на сектор (чаще всего 512), а также подсчета зон привода. Некоторые современные диски SATA также сообщают головки цилиндров сектора мощности, но это не физические параметры, так как приведенные значения ограничены историческими интерфейсами операционной системы. В современных жестких дисках резервные мощности для управления дефектами не входят в опубликованной мощности. Однако, во многих ранних жестких дисков определенное количество секторов были зарезервированы в качестве запасных частей, тем самым уменьшая мощность, доступную для операционной системы.

Для RAID подсистем, целостности данных и требований к отказоустойчивости также уменьшают реализованный потенциал. Например, массив RAID-1 имеет половину общей емкости в результате зеркального отображения данных, в то время как RAID 5 массив х дисков теряет 1 / х мощности (которая равна емкости одного диска) из-за хранения информации о четности. Большинство поставщиков RAID используют контрольные суммы для улучшения целостности данных на уровне блоков. Некоторые системы поставщиков проектирования с использованием жестких дисков с секторами 520 байт содержит 512 байт пользовательских данных и восемь контрольных сумм байт, или с использованием отдельных секторов размером 512 байт для данных контрольных сумм. Некоторые системы могут использовать скрытые разделы для восстановления системы, уменьшая мощность, доступную для конечного пользователя.

Форматирование диска

Форматирование диска – это процесс подготовки устройства хранения данных, такие как жесткий диск, твердотельный диск, дискета или USB флэш-накопитель для первоначального использования. В некоторых случаях операция форматирования может также создать один или несколько новых файловых систем. Первая часть процесса форматирования, которая выполняется основной средой, часто называют "низкоуровневым форматированием". Секционирование является общим термином для второй части процесса, что делает устройство видимым для операционной системы хранения данных. Третья часть процесса, как правило, называют "форматирование высокого уровня" чаще всего относится к процессу создания новой файловой системы. В некоторых операционных системах все или части этих трех процессов могут быть объединены или повторяться на разных уровнях.

Процесс форматирования диска

Форматирование диска для использования операционной системой и ее приложения, как правило, включает в себя три различных процессов.

  1. Низкоуровневое форматирование. Это базовая разметка области хранения данных, которая выполняется на заводе-изготовителе в качестве одной из заключительных операций изготовления устройства хранения данных. При этом процессе в области хранения данных создаются физические структуры: треки — tracks (дорожки), секторы, при необходимости записывается программная управляющая информация. Впоследствии в подавляющем большинстве случаев эта разметка остаётся неизменной за все время существования носителя. Большинство программных утилит с заявленной авторами возможностью низкоуровневого форматирования на самом деле, в лучшем случае, перезаписывают только управляющую информацию.
  2. Разбиение на разделы. Этот процесс разбивает объём винчестера на логические диски (например, C:, D:…; sda1, sda2…; hda1, hda2…). Это осуществляется с помощью встроенных служб самой операционной системы или соответствующими утилитами сторонних производителей метод разбиения существенно зависит от типа операционной системы. Этот шаг принципиально необязателен (если его пропустить, весь объем носителя будет состоять из одного раздела), но в виду очень больших объемов современных жестких дисков (до 8 000 Гб) их разбиение на логические разделы обычно осуществляется.
  3. Высокоуровневое форматирование. Этот процесс записывает (формирует) логические структуры, ответственные за правильное хранение файлов (файловые таблицы), а также, в некоторых случаях, загрузочные файлы для разделов, имеющих статус активных. Это форматирование можно разделить на два вида: быстрое и полное. При быстром форматировании перезаписывается лишь таблица файловой системы, при полном — сначала производится верификация (проверка) физической поверхности носителя, при необходимости исправляются поврежденные сектора, то есть участки оптической поверхности, имеющие физические повреждения (маркируются как неисправные, что исключает в последующем запись в них информации), а уже потом производится запись таблицы файловой системы.
Форматирование низкого уровня
Форматирование низкого уровня НDD диска

Низкоуровневое форматирование (англ. Low level format) — операция, в процессе которой на магнитную поверхность жёсткого диска наносятся так называемые сервометки — служебная информация, которая используется для позиционирования головок диска. Выполняется в процессе изготовления жёсткого диска, на специальном оборудовании, называемом серворайтером.

Низкоуровневое форматирование — это процесс нанесения информации о позиции треков и секторов, а также запись служебной информации для сервосистемы. Этот процесс иногда называется «настоящим» форматированием, потому что он создает физический формат, который определяет дальнейшее расположение данных. Когда в первый раз запускается процесс низкоуровневого форматирования винчестера, пластины жесткого диска пусты, то есть не содержат абсолютно никакой информации о секторах, треках и так далее. Это последний момент, когда у жесткого диска абсолютно пустые пластины. Информация, записанная во время этого процесса, больше никогда не будет переписана.

Старые жёсткие диски имели одинаковое количество секторов на трек и не имели встроенных контроллеров, так что низкоуровневым форматированием занимался внешний контроллер жёсткого диска, и единственной нужной ему информацией было количество треков и количество секторов на трек. Используя эту информацию, внешний контроллер мог отформатировать жёсткий диск. Современные жёсткие диски имеют сложную внутреннюю структуру, включающую в себя изменение количества секторов на трек при движении от внешних треков к внутренним, а также встроенную сервоинформацию для контроля за приводом головок. Также современные накопители используют технологию «невидимых» плохих секторов, могут автоматически помечать повреждённые секторы как нерабочие, исключая последующую возможность запись в них информации. Вследствие такой сложной структуры данных, все современные жёсткие диски проходят низкоуровневое форматирование только один раз — на заводе-изготовителе. Нет никакого способа в домашних условиях произвести настоящее низкоуровневое форматирование любого современного жёсткого диска, будь это IDE/ATA, SATA или SCSI винчестер. Причём это невозможно сделать даже в условиях сервисного центра.

Старые жёсткие диски нуждались в неоднократном низкоуровневом форматировании на протяжении всей своей жизни, в связи с эффектами температурного расширения, связанного с применением шаговых моторов в приводе головок, у которых перемещение головок было разбито на сетку с фиксированным шагом. С течением времени у таких накопителей смещалось физическое расположение секторов и треков, что не позволяло правильно считывать информацию, применяя шаговый двигатель в приводе магнитных головок. Головка выходила на нужную, по мнению контроллера, позицию, в то время как позиция заданного трека уже сместилась, что приводило к появлению сбойных секторов. Эта проблема решалась переформатированием накопителя на низком уровне, перезаписывая треки и секторы по новой сетке шагов привода головок. В современных накопителях, использующих в приводе головок звуковую катушку, проблема температурного расширения ушла на второй план, вынуждая производить лишь температурную перекалибровку рабочих параметров привода головок.

Результатом выполнения «низкоуровневого» форматирования из BIOS может быть:

  • отсутствие результата, то есть полное игнорирование винчестером этой процедуры. Позиционирование будет отработано, но никаких действий на дисках произведено не будет;
  • запись нулей во все секторы, то есть простое стирание информации пользователя;*
  • возникновение проблем с жёсткими дисками старых серий, не обеспечивающих надёжную защиту от пользователя. Некоторые старые жёсткие диски ёмкостью 40-80 Гб могут на команду 50h отвечать ошибкой, что может привести к маркировке всех секторов как «bad» или наоборот, записать нулями часть служебных треков, что приведёт к неработоспособности накопителя.

Информацию после проведения реального низкоуровневого форматирования восстановить нельзя никаким образом.

Разбиение диска
GParted - популярная утилита для разбиения диска

Разбиение накопителя — это определение областей диска, которые операционная система будет использо¬вать в качестве отдельных разделов или томов. С точки зрения DOS томом является участок диска, обозначенный какой-либо буквой. Например, диск С — это том С, диск D — это том D и т.д. Некоторые пользовате¬ли считают, что выполнять разбиение диска нужно только для того, чтобы разбить его на несколько томов (более одного). Но это неправильное представление; диск необходимо логически разбивать даже в том случае» если он будет представлять собой единственный том С. При разбиении диска в его первый сектор (цилиндр 0, головка 0, сектор 1) заносится главная загрузочная запись MBR (Master Boot Record). В ней содержатся сведения о tом, с каких цилиндров, головок и секторов начинаются и на каких заканчиваются имеющиеся на диске разделы. В этой таблице разбиения также содержатся указания для системной BIOS, какой из разделов является загрузочным, т.е. где ей следует искать ос¬новные файлы операционной системы. Количество разделов на всех жестких дисках в системе может дости¬гать 24. Это означает, что в компьютере может быть установлено либо 24 отдельных накопителя, в каждом из которых имеется по одному разделу, либо один жесткий диск с 24 разделами, либо несколько накопителей с разным количеством разделов, но при условии, что общее количество разделов не больше 24. Если общее ко¬личество разделов превысит эту цифру, DOS просто проигнорирует их, хотя другие операционные системы могут работать и с большим количеством томов. Такое ограничение DOS связано с тем, что в латинском ал¬фавите от С до Z всего 24 буквы.

Преимущества использования разделов
Harddrive-partition-extended-logical-volumes.png

Выделение на одном жёстком диске нескольких разделов даёт следующие преимущества:

  • на одном физическом жёстком диске можно хранить информацию в разных файловых системах, или в одинаковых файловых системах, но с разным размером кластера (например, выгодно хранить файлы большого размера — например, видео — отдельно от маленьких, и задавать больший размер кластера для хранилища больших файлов);
  • манипуляции с одним разделом не сказываются на других разделах;
  • как следствие, можно отделить информацию пользователя от файлов операционной системы, и тогда:
  1. образ раздела с ОС, применяемый, например, для резервного копирования перед внесением существенных изменений в конфигурацию ОС, будет иметь меньший размер по сравнению с образом всего диска, а восстановление системы из образа не затронет данные пользователя, которые могли измениться с момента последнего снятия образа;
  2. при переустановке ОС «начисто» (с полным уничтожением предыдущей установки) не потребуется дополнительного запоминающего устройства для временного хранения пользовательских данных — последние останутся незатронутыми;
  • на одном жёстком диске можно установить несколько операционных систем;
  • уменьшение влияния фрагментации на скорость дисковых операций:
  1. при меньшем размере раздела фрагменты каждого файла распределяются на меньшем физическом пространстве, то есть фрагменты файла находятся физически ближе друг к другу, что сокращает время на позиционирование головки диска при обращении к файлу;
  2. на разделе размещается меньшее количество файлов, что приводит к меньшей фрагментации.
Недостатки использования разделов

Создание более одного раздела имеет следующие недостатки по сравнению с наличием одного раздела, занимающего ту же область диска:

  • Снижает общее пространство, доступное для хранения пользователя на диске, так как операционная система дублирует определенные области файловой системы администрирования на диске для каждого раздела.
  • Увеличивает фрагментацию диска, так как он снижает средний размер смежных свободных блоков на каждом разделе - по сравнению с одним разделом того же общего размера - после того, как тот же объем данных, было написано им.
  • Перемещение файлов между томами потребует фактического копирования (байт), в то время как перемещение файлов в пределах объема, как правило, требует только "мета-данных", которые будут обновлены.
Типы разделов жесткого диска

С точки зрения менеджеров дисков, таких как Norton Partition Magic и Acronis Partition Expert, существуют три основных типа разделов жесткого диска:

  • Первичный (Primary partition);
  • Расширенный (Extended partition);
  • Логический (Logical partition).

В первичном разделе жесткого диска могут быть размещены; операционная система, программы, пользовательские данные. В каждом сеансе работы с компьютером только один первичный раздел может быть активным, то есть раздел с которого была загружена операционная система. Многие операционные системы, в том числе Windows, могут загружаться только с активного первичного раздела. Если вы намерены использовать на компьютере несколько операционных систем, вам необходимо создать на жестком диске несколько первичных разделов. На жестком диске можно создать не более четырех первичных разделов. В расширенном разделе жесткого диска создаются логические диски, которые в терминологии менеджеров дисков называются логическими разделами. Причем на жестком диске можно создать любое количество логических разделов, но все они будут располагаться только в расширенном разделе. Логические разделы почти ни чем не отличаются от первичных разделов. В них могут размещаться приложения, пользовательские данные, а также можно установить некоторые операционные системы, при загрузке которых не требуется первичный раздел. Из выше изложенного можно сделать следующий вывод, что первичные разделы лучше использовать для загрузки операционных систем и хранить на них исключительно системные файлы и папки. На логических же разделах можно хранить всю остальную информацию, поскольку эти разделы будут доступны из большинства операционных систем.

Тома и разделы в дисковых ОС Microsoft

Том — это не то же самое, что раздел диска. Например, информация на гибком диске является информацией одного тома, разделов же на гибком диске не создают. Вот один из примеров — рассмотрен компьютер, в котором имеется один дисковод гибких дисков (со вставленной дискетой) и два жёстких диска. Первый жёсткий диск разбит на два раздела, а на втором выделен только один.

Физический диск Раздел Файловая система Том
Гибкий диск FAT A:
Жёсткий диск 1 Раздел 1 NTFS C:
Раздел 2 NTFS D:
Жёсткий диск 2 Раздел NTFS E:

В этом примере

  • «A:», «C:», «D:», и «E:» — тома
  • Гибкий диск, Жёсткий диск 1 и Жёсткий диск 2 — физически существующие устройства

Любой из них можно сделать основным. Правда, Microsoft в справке к ОС Windows указано, что под терминами том (volume) и раздел (partition), как правило, подразумевают одно и то же.

Тома в UNIX-подобных операционных системах

В UNIX-подобных операционных системах обозначения жёстких дисков и разделов на них несколько отличаются от видимых пользователю в Windows. В Linux диски получают буквенное обозначение типа sdX, где X соответствует индексу из последовательности a, b,... а разделы на устройствах нумеруются и обозначаются цифрами, причём нумерация логических разделов, которые в Windows соответствуют логическим дискам в расширенном разделе, начинается с 5, так как номера 1-4 зарезервированы для обозначения первичных разделов и, собственно, расширенного раздела.

Например, обозначения разделов для ОС Windows будет sda1 (для C:) и sda5 (для D:). Если бы было четыре основных раздела или два основных и два логических (пусть C:, D:, E:, F:) то в первом случае они обозначались бы как sda1, sda2, sda3, sda4, а во втором как sda1, sda2, sda5, sda6, соответственно.

Чтобы было удобнее работать с разделами на жёстком диске, в UNIX-подобных операционных системах их монтируют в каталоги корневой файловой системы, обозначаемой /, которая обязана существовать. Более того, системой реализуется принцип: любое устройство есть файл, и жёсткие диски, как и остальные устройства компьютера, также являются файлами и доступны в каталоге dev корневой файловой системы. Отсюда и полное обозначение жёсткого диска /dev/sda.

Также в UNIX-подобных операционных системах все логические диски должны иметь точку монтирования. Точка монтирования соответствует определенному каталогу файловой системы. Дерево каталогов логического диска представляется поддеревом файловой системы, включенным в него в точке монтирования. Логический диск может быть примонтирован к любому каталогу существующей файловой системы. В свою очередь, к любому каталогу на подмонтированном носителе можно подмонтировать еще один носитель и т.д. Пути, используемому в качестве точки монтирования, должен соответствовать пустой каталог (хотя, например, в системах на базе FreeBSD и Linux, если каталог не пуст, его содержимое просто замещается содержимым логического диска). Хотя логический том можно примонтировать куда угодно, сменные носители (флешки, компакт-диски и т.п.) принято монтировать к подкаталогам папок /mnt или /media. В настольных дистрибутивах Linux этот процесс обычно происходит автоматически. При этом в каталоге /media (/mnt) создается подкаталог, имя которого совпадает с именем монтируемого тома.

Для управления точками монтирования логических дисков UNIX-подобные операционные системы предоставляют команду «mount».

Пример: Если компакт-диск, содержащий файл «info.txt», был смонтирован в каталог «/mnt/iso9660», то этот файл будут доступен как «/mnt/iso9660/info.txt».


Multi-boot и mixed-boot системы
Меню запуска GRUB показывает Ubuntu Linux (с тремя различными режимами загрузки), и Windows Vista.

Multi-boot системы – компьютер, где пользователь может загрузить одну из двух или более различных операционных систем (ОС), которые хранятся в отдельных запоминающих устройствах или в разных разделах одного и того же устройства хранения данных. В таких системах меню при запуске дает возможность выбора ОС для загрузки / запуска (и только одна операционная система в то время загружается).

Это отличается от виртуальных операционных систем, в которых одна операционная система работает как автономный виртуальный "программы" в рамках другой уже запущенной операционной системы. (Примером является операционная система Windows "виртуальная машина" работает изнутри операционной системы Linux.)

Таблица разделов GUID
Схема таблицы разделов GUID

GUID Partition Table, аббр. GPT — стандарт формата размещения таблиц разделов на физическом жестком диске. Он является частью Расширяемого микропрограммного интерфейса (англ. Extensible Firmware Interface, EFI) — стандарта, предложенного Intel на смену BIOS. EFI использует GPT там, где BIOS использует Главную загрузочную запись (англ. Master Boot Record, MBR).

Восстановление разделов

При удалении раздела, его запись не будет удалена из таблицы и данные больше не доступны. Данные остаются на диске до перезаписи. Специализированные утилиты восстановления, (такие как TestDisk, Aomei Partition Assistant, M3 Partition Recovery и gpart), в состоянии найти потерянные файловые системы и воссоздать таблицу разделов, которая включает в себя записи для этих восстановленных файловых систем. Некоторые дисковые утилиты могут перезаписать ряд секторов. Например, если для Windows Управление дисками (Windows 2000 / XP и т.д.) используется для удаления раздела, он будет перезаписывать первый сектор (относительный сектор 0) раздела перед его удалением. Он по-прежнему может восстановить FAT или NTFS раздел, если резервная копия загрузочного сектора доступна.

Сжатые диски

Жесткие диски могут быть сжаты, чтобы создать дополнительное пространство. В DOS и ранних Microsoft Windows, были использованы такие программы, как Stacker (DR-DOS, за исключением 6,0), SuperStor (DR DOS 6.0), DoubleSpace или DriveSpace (Windows 95). Это сжатие было сделано путем создания очень большого файла на разделе, а затем хранить данные на диск в этом файле. При запуске, драйверы устройств открыл этот файл и присваивается ему отдельное имя. Версии Windows, используя ядро NT, в том числе самых последних версий, XP и Vista, содержат возможность внутреннего сжатия диска. Использование отдельных утилит сжатия диска резко снизилась.

Форматирование высокого уровня

Высокоуровневое форматирование – процесс, который заключается в создании главной загрузочной записи с таблицей разделов и (или) структур пустой файловой системы, установке загрузочного сектора и т.п. В процессе форматирования также проверяется целостность носителя для блокировки дефектных секторов. Известен также способ без проверки носителя, который называется «быстрое форматирование».

После завершения процесса низкоуровневого форматирования винчестера, мы получаем диск с треками и секторами, но содержимое секторов будет заполнено случайной информацией. Высокоуровневое форматирование — это процесс записи структуры файловой системы на диск, которая позволяет использовать диск в операционной системе для хранения программ и данных. В случае использования операционной системы DOS, для примера, команда format выполняет эту работу, записывая в качестве такой структуры главную загрузочную запись и таблицу размещения файлов. Высокоуровневое форматирование выполняется после процесса разбивки диска на партиции (разделы), даже если будет использоваться только один раздел, занимающий весь объем накопителя. В современных операционных системах процесс разбиения винчестера на разделы и форматирования может выполнятся как в процессе установки операционной системы, так и на уже установленной системе, используя графический интуитивно понятный интерфейс.

Различие между высокоуровневым и низкоуровневым форматированием огромно. Нет необходимости производить низкоуровневое форматирование для стирания информации с жесткого диска, т.к. высокоуровневое форматирование подходит для большинства случаев. Оно перезаписывает служебную информацию файловой системы, делая винчестер чистым, однако, сами файлы при этом процессе не стираются, стирается только информация о местонахождении файла. Т.е. после высокоуровневого форматирования винчестера содержавшего файлы, мы будем иметь диск, свободный от каких-либо файлов, но, используя различные способы восстановления данных, можно добраться до старых файлов, которые были на диске до его форматирования. Единственным условием успеха в восстановлении данных является то, что файлы на диске перед форматированием не должны были быть фрагментированы. Для полного стирания данных с винчестера, можно порекомендовать использовать утилиты, зануляющие диск (прописывающие например, нули, по всей поверхности накопителя), после чего придется заново разбивать винчестер на диски и форматировать его высокоуровневыми средствами, но при этом никакие данные не уцелеют .

Host protected area

Host protected area (HPA), иногда расшифровывают как hidden protected area - это область жесткого диска, которая не видна в операционной системе (ОС). Может быть выделена средствами BIOS некоторых материнских плат или специального программного обеспечения. В этой области может храниться информация о параметрах работы ПК, которая записывается туда при проверке системы средствами производителя ПК. Например так поступает фирма DELL на некоторых ноутбуках. Также в скрытой области может содержаться информация для восстановления программного обеспечения ПК к первоначальному состоянию. В некоторых случаях область используется для сокрытия информации с целью сделать её максимально недоступной.

Creation of an HPA. The diagram shows how a host protected area (HPA) is created.
1. IDENTIFY DEVICE возвращает истинный размер жесткого диска. READ NATIVE MAX ADDRESS возвращает истинный размер жесткого диска.
2. READ NATIVE MAX ADDRESS возвращает истинный размер жесткого диска. HPA был создан.
3. IDENTIFY DEVICE возвращает поддельный размер жесткого диска. READ NATIVE MAX ADDRESS возвращает истинный размер жесткого диска, НРА существует ..

Контроллер IDE имеет регистры, которые содержат данные, которые могут быть запрошены с помощью команд ATA. Возвращаемые данные дают информацию о приводе, подключенного к контроллеру. Есть три ATA команды, участвующие в создании и использовании скрытой защищенной области. Это команды:

  • IDENTIFY DEVICE
  • SET MAX АДРЕС
  • READ NATIVE MAX АДРЕС

Операционные системы с помощью команды IDENTIFY DEVICE узнают адресное пространство жесткого диска. Команда IDENTIFY DEVICE запрашивает определенный регистр на контроллере IDE, чтобы установить размер диска.

Этот регистр, однако, может быть изменен с помощью команды ADDRESS ATA SET MAX. Если значение в регистре меньше, чем фактический размер жесткого диска, то HPA создается. HPA полезена только тогда, когда другое программное обеспечение или программно-аппаратный продукт (например, BIOS) может использовать его. ATA команда, которая использует, называется READ NATIVE MAX ADDRESS. Идентификация HPA на жестком диске может быть достигнуто с помощью ряда инструментов и методов.

Методы идентификации

Использование Linux, существуют различные способы, чтобы обнаружить существование НРА. Последние версии Linux будет печатать сообщение при загрузке системы, если HPA обнаружен. Например:

dmesg | less
[...]
hdb: Host Protected Area detected.
    current capacity is 12000 sectors (6 MB)
    native  capacity is 120103200 sectors (61492 MB)

Программа HDPARM (версии 8.0 и выше) обнаружит HPA на диске SDX при вызове с этими параметрами:

hdparm -N /dev/sdX

Переформатирование

Переформатирование - это форматирование жесткого диска или раздела, уже отформатированного или содержащего данные. Переформатирование диска удаляет все данные на диске. В некоторых более поздних версиях Windows переформатирование жесткого диска и последующая переустановка Windows иногда рекомендовались как способ решения серьезных компьютерных проблем. Переформатирование решало проблему, но за счет удаления всего содержимого. Затем пришлось бы переустанавливать свои программы с помощью исходных установочных файлов или дисков и восстанавливать из заблаговременно сделанных архивов свои личные файлы, такие как документы, музыка и изображения. В ОС Windows 7 предлагается ряд менее радикальных вариантов восстановления, обеспечивающих лучшие стартовые возможности для решения компьютерных проблем. Переформатирование и переустановку следует рассматривать как крайнюю меру, только для случаев, когда все другие варианты восстановления или диагностики не принесли положительного результата.

Форматирование жесткого диска Windows

MS-DOS 6.22a FORMAT /U switch failing to overwrite content of partition

Существует несколько способов форматирования жесткого диска:

  • Форматирование средствами Windows

Этот способ самый простой и для него не требуется наличие специальных программных утилит. С его помощью можно провести форматирование в операционных системах Windows XP, 7, 8 и многих других. Зайдите в “Мой компьютер”, правой кнопкой мыши кликните на диск, который необходимо очистить. В появившемся списке нажимаем пункт “Форматирование”.

118.jpg

На экране появится окошко форматирования, в котором можно произвести основные настройки. Файловую систему оставляем NTFS. Размер кластера также можно не менять и оставить 4096 байт. При желании можете изменить метку тома и ввести свое название. Наиболее важный момент в настройках это выбор способа форматирования.

212.jpg

Можно выбрать либо быстрое форматирование (для этого ставим галочку возле соответствующей надписи), либо полное (галочку не ставим). В первом случае форматирование жесткого диска произойдет действительно быстро. При этом физически файлы не удаляются с диска, происходит лишь обнуление информации о начальной записи файлов и диск кажется “пустым”. При желании с такого диска можно восстановить удаленную информацию. Если Вы хотите освободить место для записи новых файлов, то смело выбирайте быстрое форматирование. Во втором случае происходит полное стирание всей информации на диске, при этом происходит проверка диска на наличие битых секторов и их последующее восстановление. После полного форматирования провести восстановление информации можно, но уже гораздо сложнее.

  • Форматирование с помощью командной строки

Для быстрого форматирования диска введите в командной строке команду “format /FS:NTFS X: /q” (вместо X введите букву Вашего диска, который нужно отформатировать, NTFS означает форматировать в NTFS).

62.jpg
  • Форматирование с помощью BIOS

При запущенной операционной системе провести форматирование диска с системными файлами невозможно. При попытке система выдаст соответствующую ошибку. Решением проблемы может стать так называемая процедура форматирования через BIOS.

  • Форматирование с помощью программы

Данный способ требует наличия установленной специальной программы для работы с жесткими дисками. Таких программ существует большое множество. Вы можете использовать любую из них (HDD Low Level Format Tool).

Форматирование жесткого диска в Unix-подобных операционных систем

Низкоуровневое форматирование жесткого диска под Linux невозможно. Впрочем, в этом нет особой необходимости, поскольку современные диски выпускаются отформатированными на низком уровне. Форматирование на высоком уровне заключается в создании на диске разделов и файловой системы. Для создания разделов под Linux используются программы fdisk, cfdisk и sfdisk. Программа cfdisk позволяет создать качественную таблицу разделов, но имеет некоторые ограничения. Программа fdisk, хотя и позволяет произвести разбиение диска в большинстве случаев, но содержит несколько ошибок. Ее главное преимущество в том, что она поддерживает разделы DOS, BSD и других систем. Программа sfdisk работает более корректно, чем fdisk, и она гораздо мощнее и fdisk, и cfdisk, но имеет неудобный пользовательский интерфейс. После разбиения диска на разделы надо создать файловую систему в разделах, предназначенных для использования под Linux,. Для этого используется команда mkfs. С ее помощью можно создать не только файловую систему типа ext2fs, но и файловые системы других типов. Типичный пример запуска этой команды:

[root]# mkfs -t тип /dev/hda3

где тип - тип создаваемой файловой системы, например, ext2, а /dev/hda3 - указание форматируемого раздела диска. Чтобы использовать mkfs, не обязательно иметь права суперпользователя, достаточно иметь право записи в файл соответствующего устройства. Эта команда перезаписывает область диска, в которой хранятся inodes. Так что если вы ошибетесь в указании раздела диска, вы можете уничтожить ценные для вас данные. После создания файловой системы ее надо смонтировать в общее дерево каталогов. Делается это с помощью команды mount. Нужно отметить, так это то, что смонтировав первый раз диск или раздел, в котором вы только что создали файловую систему, вы увидите, что она пуста, т. е. не содержит никаких файлов и каталогов, кроме единственного каталога с именем lost+found. Этот каталог должен существовать в каждой файловой системе, поскольку он выполняет служебную роль: при проверке файловой системы командой fsck в этом каталоге собираются "потерянные" файлы и подкаталоги.

Единицы измерения

Десятичные и двоичные префиксы
Емкость, заявленная производителем Емкость, полученная пользователями Сообщаемая емкость
Windows, Linux macOS
10.6+
Префикс Байт Байт Разница
100 GB 100,000,000,000 107,374,182,400 7.37% 93.1 GB, 95,367 MB 100 GB
1 TB 1,000,000,000,000 1,099,511,627,776 9.95% 931 GB, 953,674 MB 1,000 GB, 1,000,000 MB


Приставки для кратных бит и байт
Десятичные
Объем СИ
1000 k kilo
10002 M mega
10003 G giga
10004 T tera
10005 P peta
10006 E exa
10007 Z zetta
10008 Y yotta
Двоичные
Объем IEC JEDEC
1024 Ki kibi K kilo
10242 Mi mebi M mega
10243 Gi gibi G giga
10244 Ti tebi
10245 Pi pebi
10246 Ei exbi
10247 Zi zebi
10248 Yi yobi

Суммарная мощность жестких дисков определяется производителями в единицах СИ на основе, таких как гигабайт(1 Гб = 1,000,000,000 байт) и терабайт (1 ТБ = 1,000,000,000,000 байт). Тем не менее, традиционно используют бинарную интерпретацию префиксов, то 1024 вместо 1000.

Разница между десятичной и двоичной интерпретации префикса вызвало некоторую путаницу потребителей и привело к искам против производителей жестких дисков

Эксплуатационные характеристики

Физический размер

Почти все накопители 2001—2008 годов для PC и SERVER имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма — под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных PC и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8, 1,3, 1 и 0,85 дюйма.

Производительность

Производительность жестких дисков меньше зависит от технологии их изготовления. Сегодня все жесткие диски имеют очень высокий показатель скорости внутренней передачи данных (до 40-100 Мбайт/с),и потому их производительность в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с материнской платой. В зависимости от типа интерфейса разброс значений может быть очень большим: от нескольких мегабайт в секунду до 13-16 Mбайт/с для интерфейсов типа EIDE;до 80 Мбайт/с для интерфейсов типа SCSI и от 50 Мбайт/с и более для наиболее современных итерфейсов типа IEEE 1394 и Serial ATA.

Время произвольного доступа

Среднее время, за которое «винт» выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на любой участок магнитного диска. Диапазон этого параметра — от 2,5 до 16 mc. Как правило, минимальным временем обладают диски для серверов (например, у HitachiUltrastar — это 3,7 mc, самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate— 12,5 mc). Для сравнения, у SSD-накопителей этот параметр меньше 1 mc.

Ёмкость

Это количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время большинство производителей жестких дисков используют изобретенную компанией IBM технологию с использованием гигантского магнитoрезиcтивного эффекта (GMR-Giant Magnetic Resistance). Максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жёстких дисков на начало 2016 года достигает 8000 Гб (8 терабайт).

Сопротивляемость ударам

Cопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных

При последовательном доступе: внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с; внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Скорость вращения шпинделя

Количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются «харды» со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки); 5400, 5700, 5900, 7200 и 10 000 (PC); 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в «винтах» для ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в PC.

Надёжность

Определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T. Количество операций ввода-вывода в секунду[править] У современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Объём буфера

Буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных «хардах» он обычно варьируется от 8 до 128 Мб.

Доступ и интерфейсы

Техническое средство взаимодействия двух разнородных устройств, что в случае с жёсткими дисками является совокупностью линий связи, сигналов, отправляемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих контроллеры интерфейсов, и правил (протокола) обмена. Современные серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (IDE и PATA), SATA, eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и FibreChannel.

Seagate HDD, который использует параллельный интерфейс ATA
Крупным планом разъем питания

ATA (Advanced Technology Attachment)

ATA/PATA - параллельный интерфейс для подключения жестких дисков и оптических приводов, созданный во второй половине 80-х годов прошлого века. После появления последовательного интерфейса SATA получил наименование PATA (параллельный ATA). Стандарт непрерывно развивался, и последняя его версия - Ultra ATA/133 - обладает теоретической скоростью передачи данных около 133 Мб/с. Однако жесткие диски PATA, рассчитанные на массовый рынок, достигли только скорости 66 Мб/с. Данный способ передачи данных уже устарел, однако на современных материнских платах все равно устанавливают один разъем PATA.

На один разъем PATA можно подключить два устройства (жесткие диски и/или оптические приводы). При этом может возникнуть конфликт устройств. «Разводить» ATA-устройства приходится вручную с помощью установки на них переключателей (джамперов). При правильной установке джамперов компьютер сможет понять, какое из устройств ведущее (master), а какое ведомое (slave).

PATA использует 40-проводные или 80-проводные интерфейсные кабели, длина которых по стандартам не должна превышать 46 см. Чем больше в системном блоке устройств ATA, тем сложнее обеспечить их оптимальное взаимодействие. Кроме того, широкие шлейфы препятствуют нормальной циркуляции воздуха в корпусе. Вдобавок их достаточно легко повредить при подключении или отключении кабеля.

SATA (Serial ATA)

SATA - последовательный интерфейс для подключения накопителей данных. Пришел на смену PATA в начале 2000-х годов. В настоящее время безраздельно властвует на большинстве персональных компьютеров. Первая версия SATA revision 1.x (SATA/150) обладала теоретической скоростью передачи данных до 150 Мб/с, последняя - SATA rev. 3.0 (SATA/600) - обеспечивает пропускную способность до 600 Мб/с. Впрочем, скорость эта пока не востребована, так как средняя скорость самых быстрых моделей для массового рынка колеблется в районе 150 Мб/с. Тем не менее в среднем SATA-диски в два раза быстрее своих предшественников.

Три версии последовательного интерфейса часто обозначают как SATA I/SATA II/SATA III, что, по мнению разработчиков, неправильно. В теории разные версии интерфейса обладают обратной совместимостью. То есть SATA rev. 2.x можно подключить к материнской плате с разъемом SATA rev. 1.x. Несмотря на то что разъемы взаимозаменяемы, в реальности разные модели материнских плат с разными моделями жестких дисков могут взаимодействовать по-разному.

В SATA, в отличие от PATA, используется 7-контактный интерфейсный кабель с максимальной длиной 1 метр и с небольшой площадью сечения (то есть он гораздо уже кабеля PATA). Также его гораздо сложнее повредить и легче подключать или отключать. Для обладателей старых компьютеров и винчестеров существуют переходники с SATA на PATA и обратно. «Горячая замена» дисков не поддерживается - при включенном системном блоке нельзя отсоединять и присоединять диски SATA (PATA, впрочем, тоже).

eSATA (External SATA)

Интерфейс для подключения внешних накопителей. Создан в 2004 году. Поддерживает режим «горячей замены», для чего необходима активация в BIOS режима AHCI. Разъемы SATA и eSATA не совместимы. Длина кабеля увеличена до 2 метров. Также разработан разъем Power eSATA, который позволяет объединить интерфейсный кабель и кабель питания.

FireWire (IEEE 1394)

Последовательный высокоскоростной интерфейс для подключения к ПК различных устройств и создания компьютерной сети. Стандарт IEEE 1394 был принят в 1995 году. С тех пор были разработаны несколько вариантов интерфейсов с различной пропускной способностью (FireWire 800 до 80 Мб/с и FireWire 1600 до 160 Мб/с) и различной конфигурацией разъемов. В FireWire существует возможность «горячего подключения», кроме того, не нужен отдельный кабель для питания.

Впервые начал использоваться для захвата фильмов с видеокамер стандарта MiniDV. Чаще применяется для подключения различных мультимедийных устройств, реже - для подключения жестких дисков и массивов RAID. Одно время FireWire планировался на роль замены для ATA.

SCSI (Small Computer System Interface)

Параллельный интерфейс для подключения различных устройств (от жестких дисков и оптических приводов до сканеров и принтеров). Стандартизирован в 1986 году и с тех пор непрерывно развивался. Версия интерфейса Ultra-320 SCSI обладает пропускной способностью до 320 Мб/с. Для подключения устройств используется 50- и 68-контактный кабель. В последних версиях SCSI используется 80-контактный разъем и поддерживается «горячая замена».

Этот интерфейс почти незнаком массовому пользователю из-за высокой стоимости SCSI-дисков. Вследствие этого большинство материнских плат выпускаются без встроенного контроллера. Обычная сфера применения SCSI-дисков - серверы, высокопроизводительные рабочие станции, RAID-массивы. Постепенно уходит в прошлое, так как вытесняется интерфейсом SAS.

SAS (Serial Attached SCSI)

Последовательный интерфейс, пришедший на смену SCSI. Технически более совершенен и более быстр (до 600 Мб/с). Существует несколько различных вариантов разъемов SAS. Интерфейс SCSI использует общую шину, поэтому с контроллером одновременно может работать только одно устройство. SAS за счет реализации выделенных каналов лишен этого недостатка. Обратно совместим с интерфейсом SATA (к нему можно подключить SATA rev. 2.x и SATA rev. 3.x, но не наоборот). В отличие от SATA более надежен, но стоит существенно дороже и потребляет больше энергии. В отличие от SCSI имеет разъемы меньшего размера, что позволяет использовать накопители типоразмера 2,5 дюйма.

USB (Universal Serial Bus)

Последовательный интерфейс для передачи данных различных устройств. По одной шине передаются данные и питание. Поддерживается «горячая замена». USB-устройства могут не иметь собственного источника питания: максимальная сила тока - 500 мА для USB 2.0 и 900 мА для USB 3.0. На практике это означает, что внешние жесткие диски типоразмера 1,8 и 2,5 дюйма получают питание по USB-кабелю. 3,5-дюймовые внешние диски уже требуют отдельного блока питания. Несмотря на то что внешний диск подключается через разъем USB и позиционируется как «жесткий диск USB HDD», внутри устройства находятся обычный винчестер SATA и специальный контроллер SATA-USB.

USB чрезвычайно распространен. Наиболее распространена версия USB 2.0. В ближайшие годы стандартом станет USB 3.0, но пока на рынке не так много устройств USB 3.0 и материнских плат с соответствующей поддержкой. Скорость обмена данными по сравнению с USB 2.0 возросла в 10 раз до 4,8 Гбит/с. Реальная скорость USB 3.0, как показывают тесты, - до 380 Мб/с.

Новый интерфейс использует новые кабели: USB Тип А и USB Тип B. Первый совместим с USB 2.0 Тип А.

Thunderbolt (ранее известный как Light Peak)

Перспективный интерфейс для подключения периферийных устройств к ПК. Разработан фирмой Intel для замены интерфейсов, таких как USB, SCSI, SATA и FireWire. В мае 2010 года был продемонстрирован первый компьютер с Light Peak, а с февраля этого года к поддержке интерфейса присоединилась Apple.

Скорость передачи данных до 10 Гбит/с (в 20 раз быстрее USB 2.0), максимальная длина кабеля 3 метра. Возможны одновременное соединение со множеством устройств, поддержка разных протоколов, «горячее» подключение устройств.

Несмотря на отличные показатели скорости передачи данных, пока неизвестно, станет ли интерфейс Thunderbolt стандартом на массовых ПК.

Сетевые интерфейсы

В последние годы набирают популярность сетевые системы хранения данных. По сути, это отдельный мини-компьютер, выполняющий роль хранилища данных. Называется NAS (англ. Network Attached Storage). Подключается через сетевой кабель, настраивается и управляется с другого ПК через браузер. Некоторые NAS оснащаются дополнительными сервисами (фотогалерея, медиацентр, BitTorrent- и eMule-клиенты, почтовый сервер и т. п.). Покупается для дома в тех случаях, когда необходимо большое дисковое пространство, которым пользуются многие члены семьи (фотографии, видео, аудио). Передача данных от сетевых хранилищ к другим компьютерам сети происходит по кабелю (обычно стандартная гигабитная сеть Ethernet) либо с помощью Wi-Fi.

Производители и продажи

Схема консолидации производителей HDD.

Более 200 компаний производили жесткие диски. Но всего три производителей сегодня: Western Digital, Seagate и Toshiba.

Во всем мире доходы для дисковых систем хранения были $ 28 млрд в 2015 году, по сравнению с $ 32 млрд в 2013 г. мировые поставки были 469 миллионов единиц в 2015 году, что на 17% по сравнению с 564 млн в 2014 году и 551 млн в 2013 г. Доля рынка 40-45% для Seagate и Western Digital и 13-17% для Toshiba. Две крупнейшие производители имели среднюю цену продажи в USD $ 60 за единицу HDD в 2015 году.

Конкуренция с SSD

Для начала стоит отметить, что строение HDD и SSD кардинально отличается. Привычный всем жесткий диск представляет собой несколько пластинок, по которым катается считывающая головка (она осуществляет также и запись информации).

SSD диск состоит из полупроводников и принцип его работы основывается на изменении электрического заряда в частях SSD-диска (так осуществляется запись информации).

Объем

Это основной параметр, по которому большинство выбирают диски. Сейчас с каждым годом объемы значительно растут и на данный момент самыми «ходовыми» являются:

Для HDD: от 250Гб до 3Тб (покупаются в основном 1Тб-2Тб)

Для SSD: от 60Гб до 256Гб (большинству хватает 128Гб)

Да, у SSD гораздо меньший объем, но это обусловлено немалой ценой.

Цена

Само производство SSD-дисков стоит дорого, хотя это окупается 2 немалыми преимуществами: огромной скоростью работы (операционная система и программы загружаются во много раз быстрее) и тихой работой (механические части отсутствуют, поэтому нет ни гула, ни нагрева элементов).

Хотя тут есть и недостатки — ограничение флэш-памяти по количеству циклов перезаписи, то есть, даже при очень бережном пользовании, рано или поздно, SSD-диск придёт в негодность. Однако, если верить производителям, SSD должен протянуть 7-8 лет, а к этому времени большинство пользователей успевают купить новый компьютер.

Если сравнивать цены, то, например, за 4000руб Вы можете купить HDD-диск на 2Тб. За эту же сумму можно взять SSD на 128Гб. Разница, к сожалению, существенная. Однако, SSD и не покупают для использования только хранения информации. Основное их назначение – установка на них операционной системы и рабочих программ. Для всего этого 128Гб вполне достаточно. А для хранения больших объемов информации можно использовать второй – HDD диск.

Скорость

Скорость классических HDD на сегодняшний день достигает до 150-170 Мбайт/с, у SSD – до 550Мбайт/с. Сейчас стало очень популярным использование в связке SSD + HDD (под ОС + под всё остальное). Хоть SSD и стоят немало, но цена за прирост в скорости работы оправдана.

Производитель

В наши дни на рынке HDD дисков можно выделить 3 производителей, это: Seagate Technology, Western Digital и Toshiba. Раньше их было больше, но в результате немалой конкуренции, остались только 3. SSD-диски, как тренд нашего времени, выпускаются гораздо большим количеством компаний, лидерами здесь являются: Adata, Corsair, Intel, Kingmax, Kingston, OCZ и Silicon Power.

Внешние жесткие диски

Toshiba 1 TB 2.5" внешний жесткий диск.
800px-External hard drives.jpg

Внешние жесткие диски, как правило, подключаются через USB; варианты с использованием интерфейса USB 2.0 как правило, имеют более низкие скорости передачи данных по сравнению с внутренне смонтированным жестких дисков, подключенных через SATA. Подключение и функциональные возможности воспроизведения диска обеспечивает совместимость системы и имеет большие возможности хранения и портативный дизайн. По состоянию на март 2015 года, имеющиеся мощности для внешних жестких дисков варьировались от 500 ГБ до 8 ТБ.

Внешние жесткие диски, как правило, доступны в виде предварительно собранных интегрированных продуктов, но также могут быть собраны путем комбинирования внешнего корпуса (с USB или другой интерфейс) с отдельно приобретаемого привода. Они доступны в 2,5-дюймовых и 3,5-дюймовых размеров; варианты 2,5-дюймовые, как правило, называют портативные внешние накопители, в то время как варианты 3,5-дюймовые называются настольными внешними накопителями. "Портативные" диски упакованы в небольших и легких корпусах, чем "настольные" накопителей; кроме того, "портативные" диски используют питание посредством подключения USB, в то время как "настольные" диски требуют внешние блоки питания.

Такие функции, как биометрической безопасности или несколько интерфейсов (например, Firewire) доступны по более высокой цене. Есть предварительно смонтированные внешние жесткие диски, которые вынутые из своих корпусов, не могут быть использованы в ноутбуке или настольном компьютере из-за встроенного интерфейса USB на своих печатных плат, а также отсутствие SATA (или Parallel ATA) интерфейсов.

Визуальное представление

Жесткие диски традиционно рисовался как стилизованный стопку пластин или в виде цилиндра, и, как таковые встречаются в различных схемах; иногда, они изображены с небольшими огнями, чтобы указать, доступ к данным. В большинстве современных графических пользовательских средах (GUI), жесткие диски представлены иллюстрациями или фотографиями корпуса привода.

Ссылки