Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (4200, 5400, 7200, 10 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для "взлёта" головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин.
Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных, как правило, неодимовых, постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок.
Вопреки расхожему мнению, внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а так же при прогреве устройства во время работы.
Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр — пылеуловитель.
1.4 История жестких накопителей
По мере развития жестких дисков их максимальная емкость изменялась. Основным лимитирующим фактором являлись доступные на тот момент технологии, но помимо них возникали и другие препятствия, такие как ограничения используемых способов адресации, а также характеристики ПО.
Программное обеспечение времен начала 1990х, такое, как MS-DOS, для работы с жестким диском использовало вызов int 13h, ведущий в ПЗУ BIOS.
Адресация блоков диска в вызове int 13h выглядела как номера цилиндра/головки/сектора — C/H/S. При этом на номер C отводилось 10 бит, на номер H — 8 бит, на номер S — 6 бит (в одном 16-битном слове с C).
Обработчик int 13h в BIOS вписывал эти номера в управляющие регистры контроллера IDE. В этих регистрах на номер C отводилось 16 бит, на номер H — 4 бита (в одном байте с номером устройства на IDE шине и флажком LBA), на номер S — 8 бит.
Совокупность того и другого ограничения приводила к ограничению C/H/S = 10/4/6 бит, то есть 20 бит. Это позволяло адресовать 1М секторов по 512 байт каждый, то есть не более 512МБ.
Это ограничение стало ощутимым во времена 1994—1995, примерно время первых микропроцессоров Pentium.
Для его разрешения была изобретена трансляция значений CHS в коде обработчика int 13h в BIOS. Одним из популярных алгоритмов трансляции был LBA — Linear Block Addressing, в котором C понималось, как старшие биты линейного, обычного целочисленного номера сектора, H — как следующие 8, S — как младшие 6. Несложно догадаться, что в этой трансляции число условных секторов на дорожке понималось как строго 64, число условных головок — как строго 256, а число условных цилиндров — как размер диска, деленный на 8МБ.
Трансляция значений имела некие проблемы, а именно — диск, раз использованный (хотя бы разбитый на разделы, хотя бы с единственным созданным разделом) в какой-то трансляции, мог быть далее использован только в ней. Для смены режима трансляции диска было необходимо повторить создание таблицы разделов, что означало удаление всего содержимого диска.
В подавляющем большинстве случаев для всех дисков устанавливали трансляцию LBA и о ней забывали.
Аппаратный интерфейс регистров стандартного IDE контроллера использует 16 бит для номера C, 4 бита для номера H, и 8 бит для номера S. Всего 28 бит, что позволяет адресовать 256 М секторов по 512 байт — то есть 128 ГБ.
Решение проблемы возможно только на уровне аппаратуры (и обновления драйвера для использования новых возможностей аппаратуры). Оно было разработано в виде отправки адреса в контроллер дважды в определенной последовательности.
Это ограничение было снято достаточно давно в IDE контроллерах, а также в пакетах обновления для ОС Windows 2000 и в пакете обновления 2 для Windows XP. В Windows 2000 также требуется явно разрешить эту поддержку редактированием реестра вручную, кроме того, эта устаревшая ОС не способна разбивать на разделы диски емкостью свыше 128 ГБ ни в каком случае.
1.5 Классификация жестких дисков
Отличительная и неустранимая особенность жёстких дисков как класса оборудования – разброс индивидуальных характеристик. Не существует двух абсолютно одинаковых накопителей. Сошедшие с одного и того же конвейера экземпляры могут заметно различаться по шуму, нагреву и даже производительности, что обусловлено случайными отклонениями в качестве комплектующих и сборки.
В первую очередь влияет механика: магнитные головки, пластины, двигатели и т.п. на сборочную фабрику поступают уже со значительным разбросом параметров. В ходе технологического процесса (а сборка преимущественно ручная, с многоступенчатым контролем) одни разбросы нивелируются, зато другие добавляются, и всё это дает в итоге довольно пёструю картину. Таковы издержки массового производства сложной продукции.
Чтобы сделать состав партий ЖД более однородным, все готовые накопители после выходного тестирования подразделяются на три класса (grade) – A, B и C. Можно сказать, что это высший, первый и второй сорт по принятой ранее классификации.
В класс А включаются отборные экземпляры со стабильными и наиболее высокими характеристиками, порой превосходящими заявленные в спецификации. Производительность у них максимальная, уровень отказов низок, а заводская гарантия может быть продлённой. Цена же сравнительно высока.
Такие диски, как правило, не поступают в свободную продажу, а передаются в рамках долгосрочных контрактов наиболее крупным компьютерным фирмам, для комплектации "брэндовых" машин. Нередко эти фирмы проводят собственное расширенное тестирование, после чего даже перемаркируют диски в своей номенклатуре (для серверного сегмента это вообще обычное дело, равно как и модификация микропрограммы).
Класс В предназначен для рынков развитых стран (Северная Америка, Западная Европа, Япония и некоторые страны Юго-Восточной Азии). Диски этого класса не имеют замечаний при тестировании, однородны по качеству и часто продаются в коробочной упаковке наподобие видеокарт. Помимо самого накопителя, в комплект входят руководство по установке, CD с фирменными утилитами и крепёж. Для дисков справедливы все спецификации, заявленные производителем, а продажная цена близка к рекомендованной.
В класс С включены, как легко понять, все остальные диски. Они поступают на развивающиеся рынки, не имеющие пока большого значения в мировом масштабе, и чувствительные к цене. Таковым является и российский рынок: практически все ЖД, которые можно встретить у нас в продаже, относятся к классу С.
Покупателя такие изделия радуют дешевизной, однако их качество менее стабильное, в частности, сюда включаются урезанные экземпляры (если при тестировании выявляются дефекты по той или иной головке, то она программно отключается с уменьшением ёмкости). Также в класс C попадают ЖД, которые прошли технологический контроль "на троечку" – с теми или иными отклонениями (в их числе замедленное позиционирование, меньшая температурная стабильность, повышенный уровень внутренней коррекции данных и т.п.).
Понятно, что уровень сбоев и отказов в классе С несколько выше, а средний срок жизни – меньше. Ряд второстепенных характеристик, прежде всего шум и нагрев, могут быть хуже заявленных; наблюдается и повышенная чувствительность к условиям эксплуатации. Вместе с тем, эти диски вполне пригодны для эксплуатации, и на них действует стандартная гарантия производителя (впрочем, нередко уменьшаемая неавторизованными продавцами).
Низкоуровневое форматирование
На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются — на них формируются дорожки и секторы.
Ранние "винчестеры" (подобно дискетам) содержали одинаковое количество секторов на всех дорожках. На пластинах современных "винчестеров" дорожки сгруппированы в несколько зон. Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на каждой дорожке внешней зоны секторов больше, и чем зона ближе к центру, тем меньше секторов приходится на каждую дорожку зоны. Это позволяет добиться более равномерной плотности записи и, как следствие, увеличения ёмкости пластины без изменения технологии производства.
Границы зон и количество секторов на дорожку для каждой зоны хранятся в ПЗУ блока электроники.
Кроме того, в действительности на каждой дорожке есть дополнительные резервные секторы. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remaping). Конечно, данные, хранившиеся в нём, скорее всего, будут потеряны, но ёмкость диска не уменьшится. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая в процессе эксплуатации.
Таблицы переназначения секторов также хранятся в ПЗУ блока электроники.
Во время операций обращения к "винчестеру" блок электроники самостоятельно определяет, к какому физическому сектору следует обращаться и где он находится (с учётом зон и переназначений). Поэтому со стороны внешнего интерфейса "винчестер" выглядит однородным.