Твърд диск (Hard Disk Drive, HDD)

Почти всеки настолен компютър и сървър, който се използва в днешно време съдържа един или повече хард-диска. Всеки супер-компютър е свързан с стотици хард-дискове. Могат да бъдат срещнати дори и VCR устройства и камкордъри, които използват хард-дискове вместо лента. Тези милярди хард-дискове правят едно нещо, но го правят наистина добре – те съхраняват цифрова информация и в сравнително постоянна форма. Те дават на компютъра възможността да „запомня” нещата, когато изгасне електричеството или когато компютъра бъде изключен умишлено.

Хард-дисковете бяха измислени през 50-те години на миналия век. Те първоначално представлявали плочи с големина до 20 инча в диаметър, които съдържали само няколко мегабайта. Оригиналното им название е „фиксирани дискове” или „Уинчъстъри”(това е кодово име използвано за назоваване на популярен IBM продукт). По-късно те стават известни и като хард-дискове, което ги разделя от флопи дисковете. Хард-дисковете имат твърда плоча, която съдържа магнитен носител, както при флопитата. Ако трябва да размишляваме върху нещата на най-просто ниво хард-диска не е много различен от аудио касетата. И двата носителя използват същите магнитни технологии за запис. Хард-дисковете и аудио касетите също така притежават някои общи предимства на магнитната технология – магнитният носител може да бъде лесно изтрит и презаписан, и той „запомня” информацията за много години напред. Ето и някои от разликите между аудио касетите и хард-дисковете:

магнитния записваем материал на аудио касетата е обвит с тънка пластмасова материя. При хард-диска, магнитния записваем материал е обвит от слой с много прецизна алуминиева обвивка или стъклен диск. Плочата на хард-диска е полирана до огледална гладкост.
с лента трябва да се превърта напред и назад, или да се обръща от другата страна, за да се стигне до специфично място на записа. Това може да отнеме няколко минути с по-дълга лента. При хард-диска, потребителя може да достигне до всяка точка от повърхността почти моментално.
при устройствата, които четат аудио касети главата за четене и запис докосва лентата директно. При хард-диска, главата за четене и запис „прелита” над диска, без да го докосва.
лентата при аудио касетите се движи около главата със скорост 2 инча в секунда. Плочата на хард-диска може да се завърти около главата си със скорости до 3000 инча в секунда(това са около 170 мили в час!).
информацията на хард-диска е съхранена в изключително малки магнитни адреси, в сравнение с тези при аудио касетата. Размерът на тези адреси е осъществен чрез прецизността на плочата и скоростта на носителя.

Поради тези различия, съвременните хард-дискове са в състояние да съхраняват изключително количество информация върху малка част от физическото пространство. Хард-дискът, също така, може да достигне до каквато и да е информация на него за части от секундата.

В типичния настолен компютър капацитета на хард-диска е между 20 и 80 GB (естествено с напредването на времето тази стойност непрекъснато се увеличава). Информацията се съхранява на хард-диска под формата на файлове. Файлът представлява именуван сбор от байтове. Байтовете трябва да са ASCII кодове, отговарящи на съответните символи, ако става въпрос за текстов файл, могат да представляват инструкции на софтуерно приложение, което компютъра трябва да изпълни, могат да бъдат записи от база данни или цветове на пиксели, образуващи някакво изображение. Каквото и да съдържа, файлът е низ от байтове. Когато някаква програма е стартирана, компютърът намира файл, хард-диска получава неговите байтове и ги изпраща на процесора един по един.

Съществуват два начина да бъде измерено действието на един хард-диск:

Data rate или скорост на трансфер – това е броя на байтове в секунда, които хард-диска може да изпрати на процесора. Скоростите между 5 и 40 MB/Sec са най-разпространени.
Seek time или време на получаване/търсене – това е интервала от време между това процесора да изиска един файл и хард-диска да му изпрати първия байт от него. Интервалите от 10 до 20 милисекунди са най-разпространени.

Друг важен параметър е и капацитета на хард-диска, което представлява броя на байтове, които той може да съхранява.

Нека се вгледаме във вътрешността на хард-диска.

Той представлява алуминиева кутия с електронни контролери, закрепени от едната страна. Електронните контролери контролират механизма за записване и четене и мотора, който завърта плочата. Електронните контролери също така събират магнитните адреси на устройството и ги превръщат в байтове (това е процеса на четене), като могат да ги превърнат в байтове на магнитни адреси (това е процеса на записване). Електронните контролери са закрепени на малко табло. Под него са поставени връзките за мотора, който завърта плочата, както и високофилтрирана „вентилационна шахта”, чиято цел е да изравни вътрешните и външните стойности на налягане на въздуха. Ако бъде махната обвивката на хард-диска, ще бъде разкрит много прост, но и много прецизен механизъм.

Там се намират:

плочата(плочите) – тя(те) обикновено се завъртат с скорост от 3600 до 7200 rpm, когато хард-диска оперира. Тези плочи са създадени с изключително старание и са напълно огледални.

шпиндела(arm) – той съдържа главите за запис и четене и е контролиран от механизма в горния ляв ъгъл. Шпинделът може да движи главите от центъра към външния ръб на хард-диска. Шпинделът и неговия задвижващ механизъм са изключително бързи. Той може да се движи от центъра към външния ръб и обратно 50 пъти в секундата.

За да се увеличи обема на информацията, която хард-диска може да съхрани повечето хард-дискове имат много плочи. Механизмът, който задвижва шпинделите на хард-диска може да бъде изключително бърз и прецизен. Той може да е съставен с помощта на високоскоростен праволинеен мотор. Много хард-диск устройства използват т.н. voice coil подход.

Информацията се съхранява на повърхността на плочата върху сектори и писти. Пистите са концентрични кръговe, а секторите са „резени” от пистите.

Примерната писта е оцветена с жълт цвят, примерния сектор е оцветен със син цвят. Секторът може да съдържа определен брой байтове – например 256 или 512. Или на хардуерно ниво или на ниво операционна система секторите са групирани заедно, образувайки клъстери. Процесът на форматиране на ниско ниво на хард-диск установява пистите и секторите на плочата. Началните и крайните точки на всеки сектор се записват на плочата. Този процес приготвя устройството за съхраняване на блокове от байтове. След това форматирането на високо ниво записва съответните структури за съхраняване на файлове, като например таблицата за разпределяне на файлове (file-allocation table) в сектори. Този процес подготвя хард-диска за постоянно съхраняване на файлове.