Вопрос 2. Жесткий диск и оптический привод. Типы, устройство, характеристики.

Жёсткий диск (Винчестер, Винт, англ. HDD - Hard Disk Drive)

Жесткий диск - перезаписываемое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация здесь записывается на жёсткие (алюминиевые или керамические) пластины в форме дисков, покрытые слоем ферромагнитного материала. В жестких дисках могут использоваться одна или несколько пластин. При работе винчестера головки чтения/записи не касаются поверхности пластин. При отсутствии питания на HDD, головки находятся за пределами дисков (у шпинделя или за внешними пределами пластин), что предотвращает их возможный контакт с рабочей поверхностью. Жёсткий диск позволяет записывать и хранить десятки и сотни гигабайт информации. Именно на него устанавливается операционная система, компьютерные игры, программы.

Разновидности

Внутренние жесткие диски (подключение IDE или SATA) используются в настольных компьютерах и ноутбуках.

Внешние (переносные) жесткие диски (подключение USB, eSATA, Ethernet 100, FireWire) используются для переноски данных (прим. Очень большая флэшка).

Технологии записи данных

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Метод параллельной записи

На данный момент это всё ещё самая распространенная технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи

Метод перпендикулярной записи — это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных[когда?] образцов — 60 Гбит/см².[15]

Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, плотность записи которых 150 Гбит/см².[16] Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носители до 7,75 Тбит/см².[17] Широкого распространения данной технологии следует ожидать в 2011—2012 годах.

Основные характеристики

Ёмкость - объём данных, которые можно вместить на диск. Ёмкость современных накопителей может достигать 2 Тб. Обычно производители указывают ёмкость диска как величину, кратную 1000, а не 1024, как следовало бы. В результате реальная ёмкость винчестера, заявленного как "200 Гб", составляет 186,2 Гб.

Немного примеров –офисные программы в среднем занимают от 20МБ до 2-4ГБ, современные 3D игры от 800МБ до 15-20ГБ, 4 тома «Война и мир» Л. Н. Толстого в обычном файле txt занимает порядка 3,5 МБ в формате doc (документ Word) порядка 10 МБ, фотографии с цифровой мыльницы от 500КБ до 3-5МБ, песня в формате mp3 длительностью 5 минут занимает от 5 до 10 МБ, зависит от качества, фильм среднего качества от 600МБ до 4ГБ, высокого качества от 5 до 16ГБ.

Таким образом, объем жестких дисков можно условно поделить нуждами покупателя.

1. Офисный или используемый для обучения компьютер. Основное использование: Интернет, печать документов, немного картинок, возможно музыка. Для таких нужд подойдет жесткий диск объемом от 80 до 250 ГБ.

2. Игровой/мультимедийный компьютер. Основное использование: игры, фильмы, музыка, картинки, Интернет. Здесь уже потребуется жесткий диск от 320ГБ до 2-3ТБ (например для хранения большого количества фильмов качества FullHD). Возможна установка нескольких дисков.

3. Обработка фото и видео. Основное использование: видео редактор типа Adobe Premier, фото редактор типа Adobe Photoshop. Для этих целей ограничений так же нет. 1 час необработанного видео может занимать до 100ГБ, плюс во время обработки делается много временных файлов. В случае с фото, RAW файл с профессиональной фотокамеры, занимает от 8 до 20 МБ, за одну сессию фотограф делает до 500-1000 снимков, пока все это будет разобрано и почищено вам придется это где-то хранить.

Интерфейс - устройство, преобразующее сигналы и передающее их от одного компонента оборудования к другому. Современные накопители могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE* - Integrated Drive Electronic, он же Parallel ATA), EIDE, Serial ATA, SCSI, SAS, FireWire, USB. Сейчас распространены SATA-диски (Serial ATA) и IDE (второе название PATA - Parallel Advanced Technology Attachment). SATA-интерфейс более удобен в плане подключения (вместо широких IDE-шлейфов используются компактные SATA-кабели) и имеет более высокую скорость передачи данных. IDE-интерфейс уже устарел, но использующие его жёсткие диски, ещё в продаже. Не забывайте, что старые материнские платы не поддерживают интерфейс SATA.

IDE (АТА) (Advanced Technology Attachment ) - параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру. В настоящее время вытесняется своим последователем - SATA. Разные версии ATA известны под синонимами IDE, EIDE, UDMA, ATAPI. С появлением SATA*, интерфейс IDE получил название PATA (Parallel ATA).

SATA (Serial ATA) - последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации (как правило, с жёсткими дисками). SATA является развитием интерфейса ATA (IDE). Первоначально стандарт SATA предусматривал работу шины на частоте 1,5 ГГц (SATA150), обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (~150 МБ/с). Стандарт SATA300 позволяет работать на частоте 3 ГГц, обеспечивает пропускную способность до 2,4 Гбит/с (~300 МБ/с). Впервые был реализован в контроллере чипсета nForce 4 фирмы NVIDIA. Весьма часто стандарт SATA300 называют SATA-II. SATA150 и SATA300-устройства обычно являются обратно совместимыми (как SATA300-контроллер и SATA150-устройство, так и SATA150-контроллер и SATA300-устройство).

SAS (Serial Attached SCSI) - интерфейс, обеспечивающий подключение по физическому интерфейсу, аналогичному SATA, устройств, управляемых набором команд SCSI. Обладая обратной совместимостью с SATA-интерфейсом, он даёт возможность подключать по этому интерфейсу любые устройства, управляемые набором команд SCSI. SCSI (Small Computer Systems Interface) - интерфейс, разработанный для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств. SCSI широко применяется на серверах и высокопроизводительных рабочих станциях. RAID-массивы на серверах часто строятся на жёстких дисках со SCSI-интерфейсом (однако, в серверах нижнего ценового диапазона часто применяются RAID-массивы на основе SATA). В настоящее время устройства на шине SAS активно вытесняют устаревающую шину SCSI.

Время произвольного доступа (англ. random access time) — время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс[5]), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5[6]).

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T. (англ. Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) — технология оценки состояния жёсткого диска встроенной аппаратурой самодиагностики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя.

Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate) при последовательном доступе:

внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с; внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с. Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В дисках 2009 года он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Кэш (буфер) - это встроенная в жёсткий диск память, предназначенная для хранения данных, обращение к которым происходит наиболее часто. Это нужно для того, чтобы информация не считывалась с дисковой пластины при каждом запросе. В результате достигается более высокая скорость обработки данных. В настоящее время самым распространённым считается буфер объемом 16 Мб, бывают также модели с 8 Мб, и с 32 Мб-кэшем. Объём кэша чем больше, тем лучше. Сейчас распространены винчестеры с объёмом кэша 8,16 и 32 Мбайт.

Скорость вращения шпинделя. Естественно, чем она выше, тем быстрее вращаются магнитные диски внутри корпуса HDD, и тем быстрее происходят чтение и запись информации. Наиболее распространены жёсткие диски со скоростью вращения 7200 об/мин. (англ. 7200rpm). Хотя существуют "продвинутые модели" HDD со скоростью вращения шпинделя 10000 об/мин (интерфейс SATA-II) и 15000 об/мин (интерфейс SAS*). Как правило модели с высокими оборотами шпинделя имеют не очень большую ёмкость. В последнее время наметилась тенденция в производстве жестких дисков большого объема со скоростью вращения 5400, такие жесткие диски используются в основном для хранения данных (фильмы, музыка, картинки), не требующих высокой скорости доступа.

Оптический привод - устройство предназначеное для чтения и записи информации находящейся на оптических носителях (CD, CD-RW DVD, DVD-RW и т.д.). Сложно себе представить современный домашний компьютер или ноутбук без оптического привода. Ведь именно на CD-и DVD-дисках обычно располагаются дистрибутивы, музыкальные коллекции и новые фильмы. Особенно актуально наличие привода при сбое в работе ПК.

2. Интерфейс подключения

С интерфейсами все довольно просто их всего два вида это IDE и SATA. Теоретически SATA быстрее IDE, но практически скорости приводов абсолютно не отличаются. Все зависит от вашей материнской платы, практически на всех современных платах есть как минимум два SATA выхода поэтому если у вас только один жесткий диск подключен к SATA то смело выбирайте привод с интерфейсом SATA. К тому же оптический привод с SATA интерфейсом будет стоить дешевле чем привод с IDE интрефейсом.

3. Скорость чтения и записи

Выбирая привод, необходимо точно для себя решить, с какими форматами дисков вам придётся работать. скорости традиционно считаются в «иксах». 1x для CD-дисков – это скорость чтения Audio CD на первых оптических приводах. Она равна 150 кбайт/с. Для DVD 1x –1,385 Мбайт/с. То есть в 9 раз больше. К тому же скорость вращения DVD на скорости 1x в3 раза больше, чем CD. Вот и получается, что при 16x DVD вращается так же, как CD при 48 x.

CD-ROM– покупные диски с программами, видео, музыкой. Ёмкость – 700 Мбайт. Используются только для чтения. Максимальная скорость чтения – 56 x. Типичная – 40 x, 48 x, 52 x. Довольно часто производители ограничиваются величиной 40 x (6 Мбайт/с), так как при дальнейшем росте скорости значительно увеличивается шум при работе привода.

CD-R – диски одноразовой записи. Ёмкость – 700 Мбайт. Скорость чтения совпадает с CD-ROM. При записи чаще всего используются скорости 40x и 48x. Весь процесс длится менее 3-4 минут. Но возможны и промежуточные значения: 1, 2, 4, 8, 16, 24, 32 x. На скорости 1 x запись 700 Мбайт данных занимает 1 час 20 минут (помните обозначение «80 минут» на диске?).

CD-RW– диски, поддерживающие перезапись. Ёмкость – 700 Мбайт. Ресурс – 1000 перезаписей. Скорость чтения редко когда превышает 40x. Может быть также 32x и 24x. С записью чуть сложнее. К сожалению, не существует CD-RW-дисков, перезаписываемых в широком диапазоне скоростей. Носители делятся на 4 типа: CD-RW (1-4x), Hi-Speed CD-RW (HS, 4-12x), Ultra Hi-Speed (UHS, 12-24x) и Ultra Hi-Speed+(UHS+, 24-32x). Наибольшее распространение получили UHS-диски. Современные приводы поддерживают перезапись с максимальной скоростью 24x или 32x, при этом они обратно совместимы с более медленными болванками.

DVD-ROM – покупные диски ёмкостью 4,7 Гбайт (однослойные) или 8,5 Гбайт (двухслойные). Используются только для чтения. Заметим, что эти «гигабайты» не простые, в них 1 Кбайт=1000 байт, а 1 Мбайт=1000 Кбайт. В итоге реальный размер диска, доступный для чтения – 4,377 Гбайт для однослойного и 7,916 Гбайт для двухслойного.

DVD-R и DVD+R – диски одноразовой записи ёмкостью 4,7 Гбайт. Деление на «+» и «-» осталось со времен войны форматов. Но все современные приводы поддерживают и плюсовые, и минусовые болванки.

В быстрых приводах максимальная скорость чтения соответствует DVD-ROM – 16x. В более старых моделях она может быть 12x, 10x и даже 8x. Максимальная скорость записи – 16x, минимальное время записи – 6,5 минут. Но можно и медленнее: 1, 2, 4, 8x. Запись на скорости 1x занимает примерно 56 минут.

DVD-R DL и DVD+R DL – двухслойные диски одноразовой записи ёмкостью 8,5 Гбайт. Это, пожалуй, самый поздний из DVD-форматов. Дальнейший шаг прогресса – переход на Blu-ray и HD-DVD. Скорость чтения двухслойных дисков ограничена 8 x. Некоторые приводы не разгоняются быстрее 4-6x. Скорости чтения на сегодняшний день достигли значений 8x для DVD+R DL и 4x для DVD-R DL. В целом же максимум для двухслойных форматов – 8x.

DVD-RW и DVD+RW – диски, поддерживающие перезапись. Ёмкость – 4,7 Гбайт. Скорость чтения обычно составляет 6-8x. Запись DVD+RW достигает скорости 8x, DVD-RW – 6x.

DVD-RAM – перезаписываемые диски, запись и чтение с которых могут вестись одновременно. Ёмкость – 4,7 Гбайт. Выпускаются в двух видах – с защитным картриджем и без. Наличие картриджа значительно увеличивает ресурс диска. Сравнительно дорогие.

Не стоит гнаться за предельными скоростями чтения CD-дисков. Выигрыш по времени небольшой, а шум привода и износ диска – ощутимые. Имеет смысл остановиться на 40-48x. В случае с DVD скорости записи двухслойных дисков – не главное. Так ли часто вы будете их записывать? К тому же высокоскоростные болванки стоят дорого и в продаже почти не появляются. Поддержка DVD-RAM нужна довольно редко, в основном при наличии бытовых DVD-рекордеров, использующих этот формат. DVD-RAM с картриджем применяется только для хранения архивов важной информации. При желании, от DVD-RAM можно безболезненно отказаться.

Буфер, Мб

Объем встроенной памяти, использующейся для временного хранения считываемых или записываемых данных. При считывании и записи информации с разных дорожек диска затрачивается время на перемещение лазерного луча, и при отсутствии буфера или его недостаточном объеме данные будут поступать не с постоянной скоростью, а прерывисто. Чем объем буфера больше, тем стабильнее будет поток данных при высоких скоростях передачи информации