Dysk twardy - budowa i działanie


Z artykułu dowiesz się:

  • Jaką rolę pełni dysk twardy
  • Jak jest zbudowany dzisiejszy HDD
  • Zarys działania twardego dysku
  • Jakie są mocne i słabe strony HDD
  • Jak należy postępować aby maksymalnie zwiększyć żywotność HDD

Co powinieneś wiedzieć

Mieć ogólne pojęcie o funkcjonowaniu i budowie komputera osobistego

Wstęp

Niniejszy artykuł jest ogólnym zarysem budowy i działania dzisiejszych dysków twardych. W kilku słowach przybliża nam też problematykę w jaki sposób obchodzić się z naszym HDD aby jego żywotność była jak najdłuższa.

Dla większości z nas twardy dysk jest po prostu zamkniętym pudełkiem w którym znajdują się nasze dane. Niestety bardzo często brak podstawowej wiedzy o jego konstrukcji oraz niewłaściwe obchodzenie się z nim doprowadza nas do bezpowrotnej utraty zawartych na min danych. Dlaczego nie wolno otwierać twardego dysku ? Jak działa twardy dysk ? Dlaczego należy obchodzić się z nim jak z przysłowiowym "jajkiem" ? Dlaczego należy sprawdzać temperaturę HDD i dbać aby nie był zakurzony ? Na te i na wiele innych pytań postaramy się odpowiedzieć.

Jaką rolę pełni twardy dysk

Dzisiejsze dyski twarde znacznie różnią się od pierwszych rozwiązań pamięci maszyn przetwarzających dane. Powstałe w pierwszej połowie XIX wieku karty a następnie taśmy dziurkowane służyły do obsługi prostych maszyn (np. w fabrykach produkcyjnych) wg. zakodowanych na nich bardzo prostych sekwencji. Dopiero pod koniec pierwszej połowy XX wieku, wraz z powstaniem podwalin elektronicznych maszyn liczących (opartych jeszcze o technologię lampową i elektromagnetyczne przekaźniki) zaczęto szukać innych rozwiązań umożliwiających bardziej efektywne magazynowanie i przetwarzanie coraz większej ilości danych. W konsekwencji, prawdziwy przełom przyniósł dopiero rozwój techniki półprzewodnikowej - wkrótce potem zaczęto konstruować pierwsze rozwiązania wykorzystujące ferromagnetyczne właściwości niektórych stopów metali. Jednym z takich rozwiązań były bębny magnetyczne (pamięć bębnowa). Równocześnie bardzo szybko zaczęto używać powszechnie stosowane magnetyczne taśmy magnetofonowe oraz konstruować pierwsze twarde dyski.

Dzisiejszy twardy dysk pełni jedną z najważniejszych funkcji w komputerach osobistych. Przechowywane są na nim wszystkie dane użytkowe i konfiguracyjne systemu operacyjnego. Jest także jednym z podstawowych nośników pamięci masowych umożliwiających przechowywanie, edycję i zapis danych operacyjnych użytkownika.

Budowa twardego dysku

Dysk twardy (ang. Hard Disk Drive - HDD) jest urządzeniem pamięci nieulotnej (stałej), która przechowuje dane zakodowane cyfrowo na szybko obracających się talerzach (ang. platers). Talerze są sztywne (stąd w angielskiej nazwie słowo "hard") - do ich produkcji wykorzystuje się materiał niemagnetyczny - szkło lub aluminium. Na nich napylony jest półtwardy ferromagnetyk, który umożliwia sformowanie stabilnych domen magnetycznych i przechowywanie w nich kierunkowo namagnesowanych dipoli magnetycznych. W pierwszych dyskach jako ferromagnetyku używano trójtlenku żelaza; w latach późniejszych został on zastąpiony przez stop kobaltu.

Cała mechanika jest zamknięta w szczelnej obudowie, posiadającej filtrowane otwory wentylacyjne które odprowadzają część ciepła oraz wyrównują ciśnienie wewnątrz dysku. Dyski są zamykane w warunkach sterylnych; nawet odrobina kurzu będącego w powietrzu atmosferycznym błyskawicznie doprowadzi do degradacji samego nośnika podczas jego pracy.

Talerze są osadzone na piaście łożyska silnika napędzającego twardy dysk. W dzisiejszych konstrukcjach stosuje się od 1 do 4 talerzy (bardzo rzadko więcej).

Większa ilość talerzy (spotykana częściej w latach 80 i 90 ubiegłego stulecia) zwiększała ryzyko awarii poszczególnych głowic.

Kluczowym elementem mechaniki każdego dysku jest ruchome ramię (pozycjoner), na końcach którego zamontowane są szczotki głowic. Składa się on z obrotowego łożyska osiowego (na którym jest zamontowany), ramienia (umożliwiającego pracę głowic nad oraz pod każdym z talerzy) oraz elektromechanicznego serwomechanizmu magnetycznego, umożliwiającego dokładne i szybkie pozycjonowanie głowic nad zadanym obszarem talerzy.

Sama konstrukcja pozycjonera jest bardzo precyzyjna i delikatna. Spowodowane jest to dwoma czynnikami:

  • coraz większymi wymogami dotyczącymi precyzji pozycjonowania (ze względu na coraz większe upakowanie danych na platerach),
  • coraz większymi wymogami szybkości reakcji mechaniki (np. czas dostępu do pofragmentowanych bloków danych).

Powyższe wymagania doprowadziły do minimalizacji poszczególnych elementów mechaniki twardych dysków. Dotyczy to w szczególności ich wagi i rozmiarów.

Nowoczesne dyski posiadają domeny mniejsze niż 10 nm (0,000001 mm) - wymaga to ogromnej precyzji oraz maksymalnie małej masy ramienia pozycjonera umożliwiającej błyskawiczne ruchy nad obszarem roboczym platerów.

Ponadto, w większości dzisiejszych dysków na pozycjonerze zamontowany jest różnicowy przedwzmacniacz sygnału (ang. preamplifier, potocznie: preamp), umożliwiający dostarczenie stabilnego sygnału do modułu elektroniki zewnętrznej.

budowa dysku twardego

A - talerz dysku (plater)
B - piasta silnika dysku
C - głowica dysku
D - ramię pozycjonera dysku
E - serwomechanizm dysku
F - oś pozycjonera dysku
G - przedwzmacniacz sygnału
H - filtr wentylacyjny

Moduł elektroniki zewnętrznej zamontowany jest na zewnątrz dysku. W dużym uproszczeniu jest to mikrokomputer obsługujący w pełni (od wprowadzenia standardu ATA wprowadzono integrację kontrolera) wszystkie operacje wykonywane przez twardy dysk. Składa się z kilku podstawowych bloków:

elektronika zewnętrzna dysku twardego
A - procesora sygnałowego - jednostki zarządzającej pracą całego nośnika,
B - pamięci ROM - zawierającej oprogramowanie proceduralne,
C - interface sygnałowego - np. ATA, SATA
D - pamięci podręcznej RAM - buforującej zapis i odczyt
E - modułu zasilania oraz kontroli pracy silnika
F - bloku sterującego serwomechanizmem pozycjonera

To co najbardziej odróżnia dyski między sobą to interface sygnałowy oraz prędkość obrotowa.

W chwili obecnej dominują dwa standardy (wraz z ich pochodnymi):

  • word serial interfaces - rodzaj interface pracującego w sposób równoległy - najbardziej znane standardy to IDE (ATA), EIDE oraz SCSI
  • modern bit serial interfaces - rodzaj interface pracującego w sposób szeregowy. Interfejs w przeciwieństwie do swojego poprzednika przesyła dane szeregowo. W porównaniu z poprzednikiem nie jest to naraz kilkadziesiąt sygnałów, tyko jeden - ale za to nie porównywalnie szybciej. Najbardziej znane standardy to FC, SATA czy SAS.

Prędkość obrotowa dzisiejszych twardych dysków mieści się w przedziale od 4.200 do 15.000 obrotów na minutę (ang. Revolutions Per Minute - RPM). Prędkości z niższego przedziału stosowane były w starszych modelach oraz w dyskach stosowanych do urządzeń przenośnych. Natomiast prędkości od 7.200 wzwyż stosowane są w nowoczesnych dyskach oraz wydajnych rozwiązaniach serwerowych bądź workstation (SAS, SCSI).

Jak działa dysk twardy

W momencie kiedy włączymy komputer w pierwszej kolejności pracę zaczyna procesor sygnałowy dysku. Odczytuje on procedury zawarte w biosie dysku, które uruchamiają silnik HDD. Po osiągnięciu założonej prędkości obrotowej platerów uruchomiony zostaje serwomechanizm pozycjonera, który przesuwa jego ramię nad obszar talerza zawierający mikrooprogramowanie wewnętrzne samego nośnika. Obszar ten nazywa się strefą serwisową dysku (ang. Service Area, potocznie : SA).

Osiągnięcie minimalnej prędkości jest niezbędne do wytworzenia się pod końcówkami pozycjonera (tuż przed szczotkami głowic) tzw. poduszki powietrznej, która unosząc lekko głowice nie dopuszcza do ich fizycznego kontaktu z wirującym platerem.

W następnej kolejności głowice odczytują zamieszczone w SA fabryczne moduły wsadowe zawierające takie informacje jak nazwa dysku, nr seryjny, fizyczny translator dysku (stworzony w oparciu o fabryczną listę zawierających błędy sektorów) oraz adaptywne parametry pracy głowic.

Po poprawnym odczycie struktur serwisowych dysk zgłasza komunikat "status ready" - w tym momencie zostaje on wyświetlony w biosie komputera i jest gotowy do pracy - może odczytywać i zapisywać dane.

Większość dzisiejszych dysków posiada głowice magneto-rezystywne - odczyt stanu logicznego poszczególnych domen magnetycznych polega na zmianie rezystancji głowicy odczytującej w zależności od polaryzacji zawartych w nich dipoli.

Sam zapis dokonuje się poprzez zmianę natężenia pola magnetycznego (generowanego przez głowicę) - w dyskach twardych głowica magnesuje ferromagnetyk aż do pełnego nasycenia (zmiana kierunku namagnesowania dipoli) wykorzystując właściwości histerezy magnetycznej. Po namagnesowaniu domeny i usunięciu pola magnesującego półtwardy ferromagnetyk pozostaje stabilnie namagnesowany.

Mocne i słabe strony HDD

Mocne strony

Najważniejszą zaletą dzisiejszych twardych dysków jest ich pojemność. Wciąż trwają badania nad ich rozwojem we wszystkich liczących się laboratoriach na świecie. Tak duże upakowanie danych jest możliwe między innymi dzięki wciąż rozwijającym się technologiom badawczym.

Jednym z ostatnich takich przykładów jest zastosowanie tzw. zapisu prostopadłego, który umożliwia dużo większe upakowanie danych (domeny magnetyczne nie są ułożone płasko na nośniku tylko są skierowane w głąb warstwy paramagnetycznej) oraz większą szybkość działania dysku. Zastosowanie tej technologii teoretycznie umożliwia upakowanie danych w ilości ok. 1 TB na cal kwadratowy. Oznacza to, że wg dzisiejszych standardów budowy dysków 3,5 calowych (4 platery, osiem powierzchni roboczych) możliwe będzie konstruowanie dysków o pojemności ok. 300 TB.

Kolejną ważną cechą dzisiejszych twardych dysków jest ich cena i dostępność. Dzisiejszym standardem jest dysk. ok. 500 GB co przy cenie ok. 200 pln jest najbardziej korzystną ofertą na rynku pamięci masowych w przeliczeniu pln za 1 GB.

Należy wspomnieć też o mobilności i zadowalającej prędkości nowoczesnych HDD. Występują one w różnych rozmiarach zewnętrznych - począwszy od 0,8 cala i kończąc na dyskach 3,5 calowych. Umożliwia to stosowanie ich do nawet bardzo małych urządzeń (typu telefony, kamery czy aparaty) oraz stosowanie jako pamięci przenośne.

Słabe strony

Niewątpliwie do najsłabszych stron dysków twardych należy ich niska odporność na awarię. Ze względu na swoją konstrukcję narażone są one w sposób szczególny na wszelkiego rodzaju czynniki udarowe (uderzenia, puknięcia, upadki).

Kolejnym czynnikiem, który ma destrukcyjny wpływ na ich żywotność jest wysoka temperatura, która powstaje w czasie pracy nośnika. Może ona doprowadzić do fizycznej degradacji samego nośnika i w konsekwencji do nieodwracalnego zniszczenia zawartych na nim danych.

Jak należy postępować aby maksymalnie zwiększyć żywotność HDD

W 1992 r. firma IBM po raz pierwszy zastosowała w swoim twardym dysku (SCSI) pierwowzór systemu, który pozwalał monitorować pracę nośnika. Implementacja ta z biegiem czasu ewoluowała i doprowadziła do powstania standardu S.M.A.R.T. (ang. Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology), który pełni rolę swojego rodzaju systemu "wczesnego ostrzegania" przed możliwością wystąpienia awarii.

W wielu przypadkach monitorowanie na bieżąco parametrów S.M.A.R.T. umożliwia nam kontrolę takich parametrów pracy dysku jak:

  • temperatura,
  • pojawianie się nieresponsywnych sektorów (ang. bad sectors),
  • ilość włączeń i wyłączeń dysku,
  • łączny czas pracy dysku.
Prawidłowe reagowanie na ew. nieprawidłowości (np. S.M.A.R.T. wykazuje za wysoką temperaturę pracy dysku) pozwoli nam w znaczny sposób wydłużyć żywotność naszego nośnika. Niestety należy pamiętać, że powyższy system oferuje tylko bierną kontrolę działającego nośnika; nie uchroni on nas przed konsekwencjami wystąpienia nagłej awarii spowodowanej innymi czynnikami.

Dlatego też należy przestrzegać kilku zasad, które pozwolą zminimalizować szanse awarii twardego dysku:

  • w komputerach stacjonarnych należy regularnie kontrolować czystość; gruba warstwa kurzu na dysku potrafi bardzo szybko doprowadzić do dekalibracji termicznej dysku,
  • jeżeli to możliwe zamontujmy w komputerze wentylator skierowany na dysk, będzie on skutecznie zmniejszał temperaturę podczas pracy dysku i jednocześnie spowalniał proces osadzania się kurzu,
  • komputer stacjonarny nie powinien stać pod biurkiem w pobliżu naszych nóg; nawet lekkie uderzenia (szczególnie podczas jego pracy) mogą być zabójcze dla naszego HDD,
  • komputer nie powinien być umiejscowiony w pobliżu źródeł ciepła, np. kaloryfera,
  • jeżeli mamy komputer umiejscowiony na biurku (stacjonarny bądź przenośny), nie wolno nam uderzać w jego blat (szczególnie podczas pracy - dysk jest narażony na dekalibrację mechaniczną),
  • należy pamiętać, aby nie pozostawiać na dłuższy czas pracującego komputera (oczywiście z wyjątkiem sytuacji, gdzie jesteśmy do tego zmuszeni),
  • komputery przenośne (np. laptopy) mają mało wydajny system wentylacyjny; dlatego też absolutnie nie wolno wykonywać na nich dłuższych prac (powyżej kilkunastu minut) w warunkach, w których może doprowadzić to do przegrzania dysku. Przykładem może tu być praca na miękkim podłożu, takim jak koc bądź pościel - w takich warunkach skuteczność systemu odprowadzania ciepła spada niemal do kilkunastu procent,
  • dyski zewnętrzne są dużo mocniej narażone na czynniki udarowe bądź termiczne; dotyczy to w szczególności dysków 3.5 calowych (wg statystyk ok. połowy z nich ulega awarii do ok. roku czasu !) - dlatego powinny być one traktowane w sposób wyjątkowo ostrożny. Optymalnymi warunkami pracy takich dysków jest znalezienie dla nich bezpiecznego miejsca na biurku i bez zwisających na wierzchu przewodów,
  • wybierajmy zawsze zewnętrzne dyski, które leżą a nie stoją (dotyczy 3.5 calowych) - dyski stojące często ulegają przewróceniu,
  • nie przesuwajmy i nie podnośmy dysku zewnętrznego (podczas pracy jest to szczególnie niebezpieczne),
  • ograniczmy do maksimum przypadki przenoszenia dysku,
  • dyski 2.5 calowe są w sposób szczególny narażone na nawet delikatne naciśnięcia - w takich sytuacjach często dochodzi do nieprawidłowego zatrzymania (zarycia się) głowic na wirującym platerze,
  • przed każdym przenoszeniem dysku należy pomyśleć o ich stosownym zabezpieczeniu - nie należy przenosić luzem dysku bez żadnego zabezpieczenia - w razie przypadkowego upadku szansa na utratę dostępu do danych wynosi sporo ponad 90%,
  • występowanie anomalii napięciowych jest istną zmorą, jeżeli chodzi o uszkodzenia elektroniki dysków twardych. W tego typu sytuacjach elementem najbardziej zawodnym jest zasilacz komputera - dlatego zwróćmy uwagę na jego jakość.

Przestrzeganie powyższych i wielu innych, podstawowych zasad pozwoli nam wydajnie zwiększyć żywotność naszych dysków i zminimalizować do minimum ryzyko wystąpienia awarii.

W tym miejscu należy jednak stwierdzić, że metody bierne nie zmniejszają szans wystąpienia utraty danych z przyczyn logicznych (skasowanie danych, format, itp.). Tutaj jedyną metodą jest systematyczność w okresowym wykonywaniu kopii zapasowych. Jest to jedyna pewna metoda zabezpieczenia przed utratą danych.

Podsumowanie

Mamy nadzieję, że przedstawiony powyżej zarys budowy, działania i warunków pracy twardego dysku pozwoli czytelnikowi w bardzo ogólnym pojęciu przybliżyć specyfikę urządzenia jakim jest dysk twardy. Wbrew pozorom jest to bardzo skomplikowane urządzenie wymagające szczególnej staranności obchodzenia się z nim nawet w czasie codziennej pracy. W przypadku awarii samodzielne próby jego naprawy bądź odzyskania danych wiążą się ogromnym ryzykiem związanym z koniecznością posiadania dużej wiedzy i specjalistycznego laboratorium.

Uwaga

Zarówno autor, jak i redakcja, nie ponoszą żadnej odpowiedzialności za jakiekolwiek szkody i straty powstałe w wyniku stosowanie się do wskazówek w niniejszym artykule. W momencie utraty dostępu do danych nie zaleca się samodzielnego wykonywania jakichkolwiek działań, w wyniku których może dojść do zagrożenia zdrowia bądź życia lub wystąpienia znacznych strat.

 

Copyright DataMax Recovery © 2005 - 2020 | Mapa strony
Engined by Indingo