Budowa i działanie dysku twardego. Jak działa HDD?

Dysk twardy (HDD czyli Hard Disk Drive) to niezwykle delikatne i precyzyjnie skonstruowane urządzenie. Odpowiednia eksploatacja tego podzespołu przedłuża jego żywotność i zmniejsza ryzyko awarii, chroniąc tym samym dane, których utrata w momencie defektu bywa kłopotliwa i najczęściej, w przypadku ich odzyskiwania, kosztowna. Dlatego warto jest zapoznać się z jego konstrukcją i sposobem funkcjonowania – może mieć to dobry wpływ na sposób obchodzenia się z urządzeniem oraz jego długie i bezawaryjne działanie. Wszystkie dane, które znajdują się w laptopie przechowywane są na dysku, tam też instalowane jest oprogramowanie, łącznie z systemem operacyjnym, pod którym pracuje komputer. To rodzaj pamięci stałej (nieulotnej) – zapisane dane pozostają tam (bez względu na to czy urządzenie jest włączone czy nie) do momentu ich usunięcia bądź utraty w przypadku niefortunnej awarii. 

Talerze

Podstawowym elementem dysku twardego jest zespół wirujących talerzy. Talerze wykonane są ze szkła albo aluminium pokrytego cienką warstwą (kilka mikrometrów) materiału ferromagnetycznego (obecnie na ogół jest to stop kobaltu), dzięki któremu możliwe jest uformowanie stabilnych, odpowiednio ukierunkowanych domen magnetycznych – to one tworzą ciągi informacji rejestrowanych na dysku. Konstrukcje współczesnych dysków składają się na ogół z maksymalnie 4 talerzy – większa ich liczba podnosi poziom ryzyka wystąpienia awarii głowic.

Głowice

Zapis i odczyt informacji odbywa się za pomocą głowic elektromagnetycznych. Każdemu talerzowi dysku przypisane jest po jednej głowicy odczytu i zapisu. W spoczynku głowice „parkują” na talerzu blisko jego osi. Podczas pracy głowice unoszą się nad powierzchnią talerzy (głowice „pływające”) – ich odległość od powierzchni stabilizowana jest siłą aerodynamiczną będącą efektem wysokiej prędkości obracających się platerów. Optymalnie wysoka prędkość wirowania talerzy związana jest zatem nie tylko z wymogiem odpowiednio szybkiej pracy dysku, ale jak widać jest warunkiem zapewnienia właściwej pracy urządzenia – tylko wtedy wytworzona zostanie poduszka powietrzna utrzymująca głowice w odpowiedniej odległości od obracających się talerzy dysku.

Pozycjoner i serwomechanizm

Głowice umieszczone są na pozycjonerze – ruchomym ramieniu umożliwiającym pracę głowic nad i pod każdym talerzem dysku. Praca pozycjonera sterowana jest przez serwomechanizm zapewniający precyzyjne i szybkie pozycjonowanie (umieszczenie nad właściwym obszarem talerza) głowicy – w odpowiedniej odległości od osi obrotu, nad odpowiednim cylindrem. Pierwsze mechanizmy oparte były o silnik krokowy (stosowany w stacjach dyskietek). Jednak wzrastające pojemności (coraz większa liczba cylindrów – rosnąca gęstość zapisu) oraz szybkości pracy dysków (coraz krótszy czasu dostępu do pofragmentowanych bitów informacji) zmusiły konstruktorów do zastosowania innych, bardziej precyzyjnych rozwiązań. Jednym z nich jest wykorzystanie cewki (voice cil), której pierwowzorem był układ stosowany w głośnikach. Umieszczona w polu magnetycznym porusza się i przyjmuje odpowiednią pozycję zgodnie z przepływającym przez nią prądem – zastosowany układ reguluje natężenie prądu przesuwając głowice nad wyznaczonymi cylindrami. Rozwiązanie takie zapewnia czas przejścia pomiędzy kolejnymi ścieżkami poniżej 1. milisekundy, a przy większych odległościach wzrasta on maksymalnie do kilkudziesięciu milisekund.

Pozycjonowanie głowic

Umieszczenie głowicy dokładnie nad środkiem ścieżki zapisu ma olbrzymie znaczenie. Wystarczy bowiem niewielkie przesunięcie i zamiast informacji otrzymuje się ciąg nic nieznaczących bitów. Jest to o tyle trudne, iż podczas pracy dysk się rozgrzewa i pod wpływem ciepła odkształca. Aby odczyt przebiegał właściwie głowica korzysta z tzw. ścieżki sterującej. W tradycyjnej technice „Dedicated Servo” głowica dokonywała okresowej kalibracji, w czasie których następowały przerwy w transmisji danych. Obecnie stosowana technika „Embedded Servo” pozwala na ciągły kontakt z informacjami znajdującymi się na każdej ścieżce, regulującymi pracę mechanizmu głowicy, co wpływa na wzrost precyzji pozycjonowania oraz szybkość przepływu danych.

Zapis i odczyt danych na dysku

Dane na talerzach dysku są zapisywane dzięki strumieniowi elektromagnetycznemu wytwarzanemu przez prąd przepływający w cewce standardowej głowicy zapisująco – odczytującej (określanej niekiedy terminem głowicy cienkowarstwowej). Konsekwencją jest odpowiednie uporządkowanie domen materiału ferromagnetycznego tworzących na powierzchni talerzy ciągi informacji. Odczyt następuje w sposób odwrotny – zmienne pole magnetyczne namagnesowanej powierzchni dysku indukuje prąd w cewce głowicy, który przetwarzany jest przez odpowiedni układ elektroniczny. Wymóg rosnącej pojemności dysków (bez fizycznego zwiększania przestrzeni zapisu) i związana z nim coraz większa gęstość zapisu nie pozwala jednak na współpracę z głowicami cienkowarstwowymi podczas odczytywania informacji – powodem jest zbyt gęste ułożenie sektorów. Nowoczesne dyski twarde wyposażane są w specjalną głowicę magnetyczno – oporową (magnetorezystywną). Głowica taka posiada pewną domieszkę stopu niklu i żelaza, który pod wpływem zmiennego pola magnetycznego indukowanego przez domeny ferromagnetyczne powoduje zmiany jej oporu elektrycznego – właściwość ta wykorzystywana jest w budowie układu umożliwiającego precyzyjny odczyt danych z powierzchni nośnika.

Moduł elektroniki dysku

Obok modułu mechaniki dysku znajduje się blok elektroniki. Jest on umieszczony na płycie głównej dysku. Są to układy sterujące pracą części mechanicznej, jak również przetwarzające sygnały zapisu i odczytu. Pracą całego urządzenia zawiaduje procesor sygnałowy, oprogramowanie proceduralne znajduje się w pamięci ROM, zapisywane lub odczytywane dane buforowane są w pamięci RAM, całości dopełnia interfejs sygnałowy (ATA, SATA), blok zasilający, oraz układ sterujący serwomechanizmem pozycjonera.

Działanie dysku twardego

W chwili uruchomienia dysku twardego jako pierwszy pracę rozpoczyna procesor sygnałowy. Jest on odpowiedzialny za uruchomienie silnika zgodnie z procedurami zapisanymi w firmware dysku. Osiągając odpowiednią prędkość wirowania – wystarczającą do wytworzenia poduszek powietrznych, na których spoczywają głowice dysku – uruchomiony zostaje serwomechanizm pozycjonera. Następuje odczyt oprogramowania nośnika zapisany w strefie serwisowej (SA – Service Area), modułów wsadowych (numer seryjny, nazwa dysku) i parametrów pracy głowic. W następstwie poprawnego odczytu danych ze strefy serwisowej dysk staje się widzialny dla BIOS-u i jest gotowy do odczytu bądź zapisu informacji.

Firmware dysku twardego

Firmware jest wewnętrznym oprogramowaniem urządzenia, które zawiaduje podstawowymi jego funkcjami, zarządza transferem danych, monitoruje jego stan. Jest ono opracowywane przez producenta i przez niego uaktualniane. Uaktualnienia dotyczą ewentualnych błędów oprogramowania i jego optymalizacji korzystnie wpływających na pracę urządzenia. Modyfikacje firmware’u mogą pozytywnie oddziaływać na współpracę z systemami operacyjnymi różnych producentów a także na kompatybilność sprzętową z urządzeniami, w których znajdują zastosowanie. Aktualizowany firmware wpływa ponadto na poprawę parametrów pracy dysku, zakres jego funkcji, wydajność itp. Aktualizacji można dokonywać we własnym zakresie – należy jednak być szczególnie ostrożnym i lepiej nie przeprowadzać tej operacji będąc niedoświadczonym użytkownikiem – zaistniałe błędy mogą prowadzić nawet do niewykrywania dysku przez komputer. Płyta główna dysku nie jest jedynie zbiorem podzespołów – zawiera także część firmware’u (PCB firmware) będącego odpowiedzialnym za rozruch urządzenia, wgranie oprogramowania do pamięci, uruchomienie silnika dysku oraz zespołu głowic. Fizycznie ta część firmware’u może znajdować się w kości pamięci, jak również masce procesora.

Duża część firmware’u (Disk Firmware) znajduje się w specjalnie wydzielonym miejscu na powierzchni talerza. Obszar ten znany jest pod nazwą „strefa serwisowa”. Tam właśnie znajduje się część oprogramowania odpowiedzialna za określone funkcje: np. analiza stanu dysku S.M.A.R.T., kontrola uszkodzonych sektorów czy funkcje kontroli bezpieczeństwa. Dostęp do tej przestrzeni dysku odbywa się poprzez specjalne komendy technologiczne VSC (ang. Vendor Specific Commands), które stanowią tajemnicę producentów dysków.

Translator dysku

Translator jest jednym z modułów strefy serwisowej niezbędnym do prawidłowego odczytu obszaru danych. Jego zadaniem jest eliminacja (pominięcie) błędnych (nieresponsywnych) sektorów, które pojawiły się na etapie produkcji dysku. Proces ten następuje w oparciu o fabryczną listę błędów – każdy dysk posiada własną, unikalna listę. Dzięki translatorowi błędne sektory mogą zostać pominięte przez firmware dysku. Trzeba zaznaczyć, że odzyskanie danych w przypadku awarii i uszkodzenia translatora, przy jednoczesnym uszkodzeniu fabrycznej listy błędów, jest niezwykle kłopotliwe, niekiedy wręcz niemożliwe.

Obudowa dysku twardego

Całe urządzenie zamknięte jest w obudowie z otworami wentylacyjnymi (wyposażonymi w filtry) odprowadzającymi ciepło i wyrównującymi ciśnienie wewnątrz pracującego urządzenia. Zadaniem obudowy jest ochrona bardzo wrażliwych elementów dysku przed uszkodzeniem mechanicznym, ale także przed kurzem i wilgocią. Dyski twarde są montowane w sterylnych warunkach – jakiekolwiek zanieczyszczenie, pyłki czy drobinki kurzu, są w stanie doprowadzić do uszkodzenia głowic i awarii dysku. Dlatego dyski wyposażane są w filtry służące eliminacji wszelkich drobin mogących powstać w procesie eksploatacji i spowodować uszkodzenia newralgicznych podzespołów urządzenia. Grubość poduszki powietrznej, na której pracują głowice, a więc odległość głowic od powierzchni talerza jest rzędu mikrometra, stąd każde, nawet drobne, zanieczyszczenie może być dla głowic i talerzy destrukcyjne.

Podstawowe różnice pomiędzy dyskami twardymi

Dyski twarde różnią się między sobą pojemnością, prędkością obrotową i zastosowanym interfejsem sygnałowym. Pojemności współczesnych dysków przekraczają wartości 1. TB. Prędkości wirowania talerzy dysków mieszczą się w granicach 4200 – 15000 obr./min. Standardem w wielu modelach są 5400 i 7200 obr./min. Wyższe prędkości zarezerwowane są dla bardzo wydajnych, nowoczesnych dysków i zespołów serwerowych. Jeśli chodzi o sposób przesyłania danych, najważniejsze są dwa standardy – interfejs przesyłający dane równolegle (ATA) oraz bardziej nowoczesny standard SATA, przesyłający bity informacji w sposób szeregowy.

Dyski twarde stanowią niezwykle delikatne i wrażliwe urządzenie. Z tego powodu wymagane jest ostrożne obchodzenie się z laptopem – mobilność tego typu sprzętów nie oznacza odporności na wstrząsy czy uderzenia. Gdy komputer jest uruchomiony wszelkie niedelikatne działania mogą spowodować zetknięcie głowic z powierzchnią talerzy i - jeśli od razu nie doprowadzą do awarii – przyczynić się do powstawania uszkodzonych sektorów, spowolnienia pracy urządzenia – i w konsekwencji jedynie odroczenie usterki.

Pavel Kroupka