Конструктивные особенности строения жестких дисков

Любой жесткий диск имеет в своем составе: пластину (блин, зеркало) покрытую тонким слоем магнитного материала, блок головок (БМГ), механизм, обеспечивающий высокоточную установку головок на нужный сектор, корпус и плату микроконтроллера. Зеркальный блин (их может быть и несколько), на котором хранятся данные, закреплен на вращающемся шпинделе. Головки всегда работают в паре – считывающая и записывающая. Позиционирующее устройство отвечает за расположение БМГ относительно поверхности магнитной пластины. Корпус фиксирует все перечисленные выше элементы и надежно защищает их от физического воздействия извне. Плата электроники, на которой размещен микроконтроллер, реализует функции управления работой всех систем жесткого диска и отвечает за двустороннюю транспортировку информации.

Геометрия жестких дисков

Пластины винчестера могут быть отлиты из легких металлических сплавов или керамики. Каждая плоскость блина (или рабочая поверхность) покрывается специальным магнитным веществом, благодаря которому данные сохраняются на диске, и полируется до зеркального блеска. Состав феромагнитного материала каждого слоя покрытия (слоев, как правило, несколько) не одинаков и является технологическим секретом. В непосредственной близости от каждой рабочей поверхности расположены магнитные головки. Для увеличения производительности HDD они всегда работают попарно, одна на чтение, другая на запись.

При форматировании на зеркало наносится концентрическая насечка, образую своеобразные кольцевые зоны, которые называют дорожками. Для удобства работы каждую дорожку исходящими от центра пластины радиусами разделяют на сектора (кластеры). Любой кластер состоит из двух условных сегментов используемых для хранения служебной информации и непосредственно данных пользователя. Содержание служебного сегмента формируется единожды на конвейере завода и не перезаписывается впоследствии. Кроме всего прочего, служебный сегмент содержит относительный адрес всего сектора на поверхности пластины. Именно поэтому адресу и происходит обращение к кластеру при операциях чтения или записи.

Кластерный сегмент данных наполнен информацией, необходимой пользователю.

Другими словами в нем хранятся кусочки тех файлов, что владелец накопителя записывает на него. Важно помнить, что сегмент данных каждого сектора не способен перезаписываться частями. Он будет обновлен полностью, даже если размеры копируемого на винчестер файла меньше допустимой области данных кластера.

В случае, когда жесткий диск состоит из нескольких магнитных пластин, специалисты вводят в обиход еще один термин – цилиндр. Этим словом обозначается набор из дорожек, расположенных на разных блинах или соседних рабочих поверхностях одного зеркала и доступных для чтения/записи без изменения положения блока магнитных головок. Если учесть, что позиционирование БМГ происходит не мгновенно, то идеально расположенные кластеры единого файла должны находиться в рамках одного цилиндра.

Изначально каждая дорожка в независимости от своей близости к центру была разбита на фиксированное количество кластеров. Это позволяло контроллеру проводить адресацию сектора, указывая лишь его номер и номер цилиндра, а также ту головку, которой необходимо выполнить операцию. Если проводить аналогию с трехмерной областью, то на пластине была сформирована своеобразная цилиндрическая система координат, где для определения точки в пространстве указывался ее угол (номер сектора), высоту (номер головки) и радиус (номер цилиндра). Продолжив аналогию на декартовую область трех измерений, мы придем к модели многоэтажного дома, каждая квартира в котором похожа на предыдущую и определяется отдельным номером.

Указанное расположение кластеров практически в три раза уменьшало плотность записи на периферийных дорожках, по отношению к внутренним. С учетом этого недостатка была разработана новая форма разметки поверхности, в которой количество кластеров на дорожке возрастает по мере удаления от центра пластины. Такая форма записи информации получила название зонная и позволила почти в два раза повысить количество полезного информационного объема, без увеличения геометрических размеров блина и относительной плотности записи на его поверхности.

Разметка жесткого диска

Полученную разметку теперь гораздо сложнее представить в декартовой системе координат, поэтому отформатированный подобным образом жесткий диск не всегда корректно определялся BIOSом. Это связано с тем, что не каждый интерфейс способен правильно произвести преобразование кластерной структуры так, чтобы было понятно для микропрограммы материнской платы. Именно по этой причине из обихода вышли, а со временем и совсем забылись несколько дисковых интерфейсов - ST506/412, ESDI и прочие. С вводом новой геометрии разметки только IDE и SCSI не сошли с дистанции.

На самом деле процедура преобразования хаотичной круговой структуры в аккуратную трехмерную модель очень похожа на коварный обман. К примеру, BIOS ограничивает максимальное количество секторов на дорожке цифрой 63, в реалиях кластеров получается значительно больше. Интерфейс обманывает BIOS, представляя тому фальшивую адресную структуру, в которой секторов на дорожке ровно 63. Такая же подмена происходит и с числом головок. Для удобства адресации их количество варьируется в диапазоне от 16 до 255 штук, на самом деле их редко бывает больше 6. При зонной разметке скорость обмена данными мало зависит от близости дорожки к центру пластины, на ее величину в большей степени будет влиять номер цилиндра, в котором расположены кластеры информации.