ハードドライブにデータを書き込んでいます。 ハードディスクへのデータの書き込み方法

LMD に書き込むには、FM、修正周波数変調 (MFM)、および RLL 方式が使用され、データの各バイトが 16 ビット コードに変換されます。

MFM方式では、FM方式に比べてデータ記録密度が2倍になります。 この方法 (図 14.2) では、書き込まれるデータ ビットが 1 の場合、その前のクロック ビットは書き込まれません。 と書かれていれば、 0 "、その前の部分は " 1 」の場合、データ ビットと同様にクロック信号も記録されません。 でも、その前なら「」 0 「少しの価値がある」 0 」と同期信号が記録されます。

現在、3 種類の録画があります。

パラレルレコーディング方式

の上 この瞬間これは、HDD に情報を記録するための最も一般的な技術です。 情報のビットは、回転するディスクの表面を通過する小さなヘッドを使用して記録され、数十億の水平方向の離散領域、つまりドメインを磁化します。 これらの領域はそれぞれ、磁化に応じて論理 0 または 1 になります。 現在、ドメインは非常に小さくなっているため、その安定性に疑問が生じています。 この技術のさらなる発展には疑問があり、多くの人がこの方法は使い果たされたと考えています。 この方式を使用した記録密度は現在 150 Gbit/in² (23 Gbit/cm²) です。

垂直記録方式

さらなる密度増加の問題を解決するために、多くの製造業者は、情報のビットを垂直領域に保存する技術を検討しています。 これにより、より強力な磁場の使用が可能になり、1 ビットの書き込みに必要な材料の面積が減少します。 実験試作機の記録密度は200Gbit/inch²（31Gbit/cm²）で、将来的には400～500Gbit/inch²（60～75Gbit/cm²）まで密度を高める予定です。

熱磁気記録方式

現在、熱アシスト磁気記録（ＨＡＭＲ）方式の開発が盛んに行われている。 この方法では、ディスクのスポット加熱を使用し、ヘッドがその表面の非常に小さな領域を磁化できるようにします。 ディスクが冷却されると、磁化は「固定」されます。 Seagate と IBM が平方メートルあたり 4 Tbit の密度を達成するために使用することを計画しているのはこの方法です。 インチ (平方センチメートルあたり 620 ギガビット)。 これにより、25 TB の容量を持つ 3.5 インチ ハード ドライブの生産が可能になります。 これまでのところ、最大密度は平方メートルあたり 100 Tbit に設定されています。 これは、3.5 インチのフォームファクターで 0.65 Pb (ペタバイト) の体積に相当します。

ハードディスクに情報を記録するためのフォーマット

HDD は通常、トラックあたり固定セクタ数 (17、34、または 52) で、セクタあたりのデータ量が 512 バイトまたは 1024 バイトのデータ形式を使用します。 セクターは磁気マーカーでマークされています。

特定のデータ形式は、PC の内部ソフトウェア構成とストレージ アダプターの技術的特性によって決まります。 フォーマットの構造 (図 14.3) は、NGMD で使用される構造と似ています。

各セクターの先頭はアドレス マーカーによって示されます。 同期バイトは、識別子フィールドとデータ フィールドの先頭に書き込まれ、HDD アダプターのデータ割り当て回路を同期する役割を果たします。 セクター識別子には、シリンダー、ヘッド、セクター番号コードで表されるパッケージ内のディスクのアドレスが含まれています。 HDD とは異なり、HDD では比較バイトとフラグ バイトが識別子に追加されます。 比較バイトは各セクターの同じ番号を表し、これを利用して識別子が正しく読み取られます。 フラグ バイトには、トラックの状態 (プライマリかスペア、サービス可能か欠陥か) を示すフラグが含まれています。

制御バイトは、セクタ識別子が書き込まれるときに識別子フィールドに 1 回書き込まれ、セクタ識別子が書き込まれるたびにデータ フィールドに書き込まれます。 新しいエントリーデータ。 HDD 内の制御バイトは、読み取りエラーを判断するだけでなく、修正することも目的としています。 最も一般的に使用されるのは多項式補正コードです。 特定のコードの使用は、アダプターの回路実装によって異なります。

HDDを使用する前に、 初期フォーマット- 特別なプログラムの制御下で実行される手順。その間、サービス情報がディスク パッケージに書き込まれ、データ フィールドの適合性がチェックされます。

で 最近企業が使用する 適応型フォーマット。 その本質は、最高のパフォーマンスと信頼性を保証するために各ドライブが工場で個別に構成されているという事実にあります。 これを行うために、組み立てられたディスクの各ヘッドとプラッターの表面ペアがテストされてそのパフォーマンス特性が決定され、磁気プラッターの各面が個別にフォーマットされ (トラックとセクターにラベル付けされ)、特定のディスクを使用する際に最高のパフォーマンスが保証されます。頭。 その結果、各プラッターの各面の線記録密度が隣接する面と一致しない可能性があります。

HDD 内の 5 つの異なる間隔は、電子的な読み取り/書き込みプロセスを同期し、ドライブの電気機械コンポーネントの動作を制御するために使用されます。

初期フォーマットの結果、セクタの位置が決定され、セクタの論理番号が設定されます。 ディスクの回転速度が非常に速いため、連続したセクタにアクセスする際のディスク回転数を最小限に抑えるため、連続した番号のセクタが N 個まで配置されます。 物理セクター相互に接続します (図 14.4)。

に セクタ順序は、ディスクをフォーマットするときに設定されます。 交互比率は 6:1、3:1、1:1 です。 最新の HDD モデルは 1:1 比率を使用しており、そのコントローラーは 1 ターンでディスクからトラック全体の情報を読み取り、それをバッファー メモリに保存します。 バッファメモリからリクエストがあった場合、必要なセクタから情報が転送されます。

ディスク上の各トラックは同じ数のセクタに分割されているため、トラック 0 に近いトラック上のセクタは小さくなります。 このようなセクターを記録するには

使用されています 磁場より大きな強度 ( 書き込み補償）。 ディスク面 (ヘッド) の数、シリンダ (トラック) の数、および書き込み補償が開始されるポイントは次のとおりです。 構成する設定 HDDコントローラー。

平均アクセス時間 HDD上の情報には、

t av =t n +0.5/F+t rev、(14.1)

ここで、t n は平均測位時間です。 F - ディスク回転速度。 t 交換 - 交換時間。 交換時間は、コントローラのハードウェアとそのインターフェイスのタイプ、内蔵バッファ キャッシュの有無、ディスク データ エンコード アルゴリズム、およびインターリーブ係数によって異なります。

HDDまたはハードドライブはパーソナルコンピュータのコンポーネントの1つです。 これは、ほぼすべてのデータとプログラムが保存されるデバイスです。 動作原理 ハードドライブ材料の残留磁化現象に基づいています。 直接記憶媒体は、強磁性材料でコーティングされた 1 つまたは複数のプレートです。 ヘッドは文字通り表面上に浮かんでおり、何十億もの小さな領域を磁化することによって情報を記録し、残留磁場を記録することによって情報を読み取ります。

一番最初の HDD現れた 1956年に。 それは直径60cmの50枚の円盤で構成されており、毎分約1.5千回転の速度で回転しました。 その容量はわずか 5 MB で、その寸法は現代の冷蔵庫に似ていました。

進化の過程で、ディスクに記録される情報の密度が増加したため、容量は増加し、サイズは徐々に縮小しました。 初代モデルに比べてデータ記録密度が約6,000万倍に向上しました。 現在、ハード ドライブの容量は数百 GB、数千 GB です。 メーカーはかなり高い水準を達成しているにもかかわらず、 技術特性– テクノロジーの進化は今も続いています。

並行録音。ドメインと呼ばれる単一のメモリ セルは、キャリア プレートを覆う多くの強磁性原子で構成されています。 あるドメインが隣にある別のドメインに与える影響を排除するために、それらのドメインは特別な緩衝ゾーンによって互いに分離されています。 これにより、最も多くのことが提供されます 安全なストレージしかし、ドメインのサイズを際限なく縮小することは不可能です。 平行記録技術では、磁気方向ベクトルがディスク表面と平行になるように磁性粒子を配置します。 したがって、メソッドの名前が付けられました。 技術的な観点から見ると、これは考えられるすべてのソリューションの中で最も単純であるため、この技術は比較的安価で、最も信頼性の高い技術の 1 つです。 ただし、この方法の欠点である制限もあります。最大密度は約 23 Gbit/cm 2 です。

垂直記録。テクノロジーが存在し始めた 2005年以来。 ここで、磁気方向ベクトルはディスクの表面に対して垂直に配置されます。 したがって、隣接するドメインの磁場は互いに平行に向けられ、実際には相互作用しません。 バッファゾーンを設置する必要がないため、データストレージ密度を高めることができます。 理論上の最大密度は 75 Gbit/cm2 です。

録音技術ハムル実際、それは垂線の続きです。 違いは、ドメインが記録前に熱処理されることです。 この技術が「熱磁気記録」と呼ばれる理由です。 レーザービームによるドメインの正確な加熱により、非常に 高密度データストレージ – 最大 150 Gbit/cm2。 これは今のところ、テスト段階にある有望なテクノロジーです。 記憶媒体のメーカーは、記憶媒体がさらに開発されれば、記録密度 7 Tbit/cm 2 というまったく信じられない指標を達成できると確信しています。 しかし、これはまだ遠い理論にすぎず、実際には確認されていません。

ちなみに何でも 優れた特性ハードドライブがない場合、データ損失などの問題が発生する可能性があります。 そして実際、これは使用される録音技術には依存しません。 したがって、ファイル回復プログラムは個人の PC ユーザーの間で長い間人気があるでしょう。

通信、通信、無線エレクトロニクス、 デジタルデバイス

面内記録に使用される磁性材料のドメインは、媒体の表面と平行に配置されます。 この効果は、情報信号に応じてヘッドの磁界が変化し、デジタルデータを記録する際に利用されます。 粒子サイズを小さくして表面記録密度を高めようとすると、有用ゾーンのサイズに対する不確実ゾーンのサイズの比率が大きくなり、有用ゾーンのサイズに有利になるわけではなく、最終的には必然的にいわゆる超常磁性効果が生じることになります。粒子が単一領域に入ると...

磁気ディスク記録技術

縦方向記録

20 世紀の 70 年代に登場した最初のハードドライブの例では、長手方向の情報記録技術が使用されていました。 これを行うために、磁気テープの表面と同様にディスクの表面も二酸化クロムの層で覆われました。 CrO2 または酸化鉄。記録層の縦磁化を提供します。 このようなキャリアの保磁力 H c = 28 kA/m。

酸化物層を適用する技術は非常に複雑です。 まず、酸化鉄粉末と溶融ポリマーの混合物の懸濁液を、高速回転するアルミニウム ディスクの表面にスプレーします。 遠心力の作用により、ディスクの中心から外縁までディスクの表面全体に均一に分布します。 溶液の重合後、表面を研磨し、十分な強度と低い摩擦係数を備えた純粋なポリマーの層をその上に塗布します。 そして最後にディスクを研磨します。 このタイプのドライブのディスクは茶色または黄色です。

知られているように、磁性材料はドメイン構造を持っています。 別々の微視的領域で構成されています -ドメイン 、その内部ではすべての原子の磁気モーメントが一方向に向いています。 その結果、そのような各ドメインはかなり大きな合計磁気モーメントを持ちます。 面内記録に使用される磁性材料のドメインは、媒体の表面と平行に配置されます。 磁性材料が外部磁場の影響を受けない場合、個々のドメインの磁気モーメントの方向は無秩序であり、どの方向も同様に起こります。 このような材料が外部磁場の中に置かれると、ドメインの磁気モーメントは外部磁場の方向と一致する方向に配向する傾向があります。 この効果は、情報信号に応じて変化するヘッドの磁界によってデジタルデータを記録する際に利用されます。

最小限の要素 1ビットの情報を記憶できる磁気記録層の記憶（セル）は、独立したドメインではなく、数十（70～100）のドメインからなる粒子（領域）です。 このような粒子の全磁気モーメントの方向が磁気ヘッドの移動方向と一致する場合、その状態はデータの論理「0」と比較でき、方向が逆の場合は論理「1」と比較できます。 ”。

しかし、隣接する領域が反対方向の磁気モーメントを持っている場合、それらの境界に位置し、極のように接触しているドメインは互いに反発し、最終的にはエネルギー的により安定した状態をとるために、何らかの予測できない方法で磁気モーメントの方向を変更します。位置 。 その結果、2つの領域の境界に不確実ゾーンが形成され、記録された情報のビットを保存する領域のサイズが減少し、それに応じて読み取り時に有効な信号のレベルが減少します（図5.6）。 当然騒音レベルも上がります。

粒子サイズを小さくして表面記録密度を高めようとすると、有用ゾーンのサイズに対する不確実ゾーンのサイズの比率が増加し、後者に有利ではなくなり、最終的には必然的にいわゆる超常磁性効果、粒子が単一ドメイン状態逆向きの磁気モーメントを持つ隣接するドメインは、記録ヘッドの磁場を除去した直後にその方向を変えるため、記録された情報を記録することができなくなります。 記録層の材料は、体積全体にわたって均一に磁化されます。

したがって、超常磁性の存在により、面内記録技術は最初の 10 年半ばまでに到達しました。 XXI 1インチあたり120ギガビットの世紀の記録密度 2 、その機能は事実上使い果たされており、ハードドライブの容量を大幅に増加させることはできなくなりました。 このため、開発者はこの欠点のない他のテクノロジーに目を向けざるを得なくなりました。

垂直記録

垂直記録の可能性は、コバルト、白金、その他の物質を含む薄膜では、これらの物質の原子が磁軸がキャリアの表面に対して垂直になるように配向する傾向があるという事実に基づいています。 このような原子から形成されるドメインも担体の表面に対して垂直に位置します。

磁気読み取りヘッド内の信号は、ドメインの磁力線を横切るときのみ形成されます。 これらの力線がキャリアの表面に対して垂直になる場所。 キャリアの表面に平行に配置されたドメインの場合、磁力線はその端部でのみ表面に垂直になり、そこで表面に到達します (図 5.7a)。 ヘッドがドメインと平行に、つまりその磁力線と平行に移動するとき、そこには信号は存在しません。 記録密度を高めるためにドメイン長を短くすることは、超常磁性効果が効果を発揮し始めるまで、ある限界までしか可能ではありません。 ドメインがキャリアの表面に対して垂直に配置されている場合、その磁場の力線は常に表面に対して垂直になり、情報が含まれます (図 5.7b)。 ドメインの長さに起因する「アイドル」実行は発生しません。 逆の磁化をもつドメインは互いに反発しないので、超常磁性が存在しないのと同様です。 垂直磁化を有する媒体の方がより高い記録密度が得られることは明らかである。

垂直記録用に設計されたディスクには、特別な製造技術が必要です。 プレートのベースを徹底的に研磨し、真空蒸着法を使用してその表面にリン酸ニッケルの平坦化層を適用します。 NiP これにより、第一に表面粗さが減少し、第二に後続の層への接着力が増加します (図 5.8)。

次に、記録層からのデータの読み取りを可能にする軟磁性材料の層が適用され、記録層自体は磁区が垂直に配向した材料でできています。 コバルト(Co)、プラチナ( Pt)、パラジウム(Pd) )、それらの相互およびクロムとの合金 ( Cr ）、およびこれらの金属の数原子の厚さの薄膜からなる多層構造。

記録層の上には、厚さ約100分の1ミクロンのガラスセラミックの保護膜が塗布されています。

垂直磁化による記録層への情報の記録にはそれぞれ特徴があります。 許容可能な信号レベルを確保し、良好な信号対雑音比を確保するには、記録ヘッドによって生成された磁力線が記録層を通過して再びヘッドコアに近づく必要があります。 これは、記録層の下にある軟磁性副層がこの目的のために機能するものです（図5.9）。

専門家の予備的な予測によると、垂直記録技術により最大 500 Gbit/インチの記録密度が可能になる 2 。 この場合、3.5 インチ ドライブの容量は 2 TB、2.5 インチ ドライブの容量は 640 GB、1 インチ ドライブの容量は 50 GB になります。 ただし、これらは暫定的な予測にすぎません。 上限は1Tbit/inchになる可能性あり 2 そしてさらに。 未来が教えてくれるでしょう。

有望な磁気記録技術

垂直記録技術は現在鋭意開発中ですが、最大記録密度にはまだ程遠いです。 しかし、この瞬間はいつか必ずやってきます。 もしかしたら、今よりももっと早いかもしれません。 そのため、新たな高効率磁気記録技術を模索する研究がすでに進行中である。

そのような技術の 1 つが熱磁気記録です。HAMR (熱補助磁気記録)、つまり メディアを予熱して録音します。 この方法では、光磁気記録と同様に、集束したレーザービームで記録媒体の領域を短時間（1ピコ秒）加熱します。テクノロジー間の違いは、ディスクから情報を読み取る方法に現れます。 光磁気ドライブでは、記録時よりも低いパワーで動作するレーザー光によって情報が読み取られます。また、熱磁気記録では、通常のハードドライブと同じように磁気ヘッドによって情報が読み取られます。そして、ここでの記録密度は光磁気フォーマットよりもはるかに高くなる予定です MD、CD - MO、または DVD - MO - 最大 10 Tbit/インチ 2 。 したがって、記録媒体として他の材料が必要となる。 現在、そのような材料が検討されています さまざまなつながりプラチナ、コバルト、ネオジム、サマリウムおよびその他の元素: Fe 14 Nd 2 B、CoPt、FePt、Co 5 Sm など このような材料は非常に高価である。その理由は、その組成に含まれる希土類元素のコストが高いことと、それらの製造および目的の担体のベースの表面への適用のための技術プロセスの複雑さとコストの両方のためである。 テクノロジーにおける書き込み/読み取りヘッドの設計ハムル また、光磁気記録とは完全に異なるものと想定されます。レーザーは、光磁気記録装置のように磁気ヘッドと反対側ではなく、同じ側に配置される必要があります (図 5.10)。 加熱は180℃ではなく100℃程度まで行うとされています。

磁気記録の開発におけるもう 1 つの有望な方向は、粒子が明確に構造化されたドメイン配列に配置された材料を記録層として使用することです (ビットパターンメディア ）。 この構造では、情報の各ビットは 70 ～ 100 個のドメインの配列ではなく、1 つのセルドメインにのみ格納されます (図 5.11)。

このような材料は、フォトリソグラフィー (図 5.12) を使用して人工的に作成することも、適切な自己組織構造を持つ合金を見つけることもできます。

最初の方法は、少なくとも 1 Tbit/インチの記録密度を可能にする材料を得るために開発される可能性は低いです。 2 、1 つの粒子のサイズは最大 12.5 nm でなければなりません。 既存のリソグラフィー技術も、今後 10 年間に計画されているリソグラフィー技術もこれを提供しません。 ただし、このアプローチを軽視しないようにする非常に賢い解決策があります。

自己組織化磁性材料の探索 (SOMA - 自己順序付け磁気アレイ） とても 有望な方向性。 数年前から、シーゲイトの専門家はヘキサン溶媒中で蒸発させたFePt合金の特性を指摘してきました。 得られた材料は、完全に滑らかなセル構造を持っています。 1つのセルの大きさは2.4nmです。 各ドメインの安定性が高いことを考慮すると、許容可能な記録密度は 40 ～ 50 Tbit/インチのレベルになると言えます。 2 ！ これが最終的な録音制限のようです 磁気メディア.

S

不確実性の領域

米。 5.6. 縦断記録から生じる不確実性ゾーン

信号があります

信号がありません

米。 5.7. パラレルのあるメディア

および垂直（b）磁化

軟磁性材料のサブレイヤー

ディスクベース(Al)

レベリング層 ( NiP)

垂直磁化の記録層

保護層

米。 5.8. 垂直構造のハードディスク

磁化

硬磁性記録層

軟磁性層

米。 5.9. 垂直で素材に記録する

磁化

録音ポール

リターンポールポール

米。 5.10. 光磁気ヘッド危害

米。 5.11。 BRM 微細構造: 1 - 通常の記録中の 1 ビットの情報に対応する領域。 2 - 境界がドメインの境界と一致する配列。 3 - 1 ビットのデータを保存できるドメイン

米。 5.12. フォトリソグラフィーにより得られる記録層

ハード ドライブ (ハード ドライブとも呼ばれます) は、コンピュータ システムの最も重要なコンポーネントの 1 つです。 これについては誰もが知っています。 しかし、全員ではありません モダンユーザーハードドライブがどのように機能するかを原理的に理解しています。 一般に、動作原理は基本的な理解にとって非常に単純ですが、いくつかのニュアンスがあり、それについてはさらに説明します。

ハードドライブの目的と分類について質問がありますか?

もちろん、目的の問題は修辞的なものである。 どのユーザーでも、たとえ最も初心者レベルのユーザーでも、ハード ドライブ (別名ハード ドライブ、別名ハード ドライブ、または HDD) は情報を保存するために使用されるとすぐに答えるでしょう。

一般に、これは真実です。 オペレーティングシステムとハードドライブに加えて、それを忘れないでください。 ユーザーファイル、OSによって起動されるブートセクターと、ディスク上でそれらをすぐに見つけることができる特定のラベルがあります。 必要な情報.

最新のモデルは非常に多様です。 通常のHDD, 外部ハードディスク、高速ソリッドステート SSDドライブただし、特にハードドライブとして分類することは習慣的ではありません。 次に、ハードドライブの構造と動作原理を、完全ではないにしても、少なくとも基本的な用語とプロセスを理解するのに十分な方法で検討することを提案します。

最新の HDD には、次のようないくつかの基本的な基準に従って特別な分類があることにも注意してください。

• 情報の保存方法。
• メディアタイプ;
• 情報へのアクセスを整理する方法。

ハードドライブはなぜハードドライブと呼ばれるのでしょうか?

今日、多くのユーザーは、なぜハードドライブを小型武器に関連したものと呼ぶのか疑問に思っています。 これら 2 つのデバイスに共通するものは何でしょうか?

この用語自体は、世界初の HDD が市場に登場した 1973 年に登場しました。その設計は 1 つの密閉容器内の 2 つの別々のコンパートメントで構成されていました。 各コンパートメントの容量は 30 MB であったため、技術者はディスクに、当時人気のあった「30-30 ウィンチェスター」銃のブランドに完全に合わせた「30-30」というコード名を付けました。 確かに、90年代初頭のアメリカとヨーロッパでは、この名前はほとんど使用されなくなりましたが、ソ連崩壊後の空間では依然として人気があります。

ハードディスクの構造と動作原理

しかし話は逸れます。 ハードドライブの動作原理は、情報の読み取りまたは書き込みのプロセスとして簡単に説明できます。 しかし、どうしてこんなことが起こるのでしょうか？ 磁気ハードドライブの動作原理を理解するには、まずそれがどのように動作するかを学ぶ必要があります。

ハードドライブ自体は 4 ～ 9 枚のプレートのセットであり、スピンドルと呼ばれるシャフト (軸) によって相互に接続されています。 プレートは上下に配置されています。 ほとんどの場合、その製造材料はアルミニウム、真鍮、セラミック、ガラスなどです。プレート自体には、ガンマフェライト酸化物、クロム酸化物、バリウムフェライトなどをベースにしたプラッターと呼ばれる材料の形で特殊な磁性コーティングが施されています。このような各プレートの厚さは約 2 mm です。

ラジアル ヘッド (各プレートに 1 つ) が情報の書き込みと読み取りを担当し、プレートの両面が使用されます。 回転速度は 3600 ～ 7200 rpm で、2 つの電気モーターがヘッドの移動を担当します。

この場合、コンピュータのハードドライブの動作の基本原理は、情報がどこにでも記録されるのではなく、同心のパスまたはトラック上にあるセクターと呼ばれる厳密に定義された場所に記録されるということです。 混乱を避けるために、統一ルールが適用されます。 これは、ハードドライブの動作原理を、ハードドライブの観点から見て、 論理構造、普遍的。 たとえば、世界中で統一規格として採用されている 1 セクターのサイズは 512 バイトです。 次に、セクターは一連の隣接するセクターであるクラスターに分割されます。 そして、この点におけるハードドライブの動作原理の特徴は、情報の交換がクラスタ全体（セクタのチェーン全体）によって実行されることです。

しかし、情報の読み取りはどのように行われるのでしょうか? ハード磁気ディスク ドライブの動作原理は次のとおりです。特別なブラケットを使用して、読み取りヘッドが半径方向 (らせん状) に目的のトラックに移動し、回転すると所定のセクターの上に位置し、すべてのヘッドが同時に移動して、異なるトラックから同じ情報を読み取るだけでなく、 異なるディスク(プレート)。 すべてのトラックが同じ シリアルナンバー通常シリンダーと呼ばれます。

この場合、ハードドライブの動作原理がもう 1 つ確認できます。読み取りヘッドが磁気表面に近づくほど (接触しないが)、記録密度が高くなります。

情報はどのように書き込まれ、読み取られるのでしょうか?

ハード ドライブ (ハード ドライブ) は、ファラデーとマクスウェルによって定式化された磁気物理法則を使用しているため、磁気ドライブと呼ばれています。

すでに述べたように、非磁性感受性材料で作られたプレートは磁性コーティングでコーティングされており、その厚さはわずか数マイクロメートルです。 動作中、いわゆるドメイン構造を持つ磁場が発生します。

磁区は、境界によって厳密に制限された合金鉄の磁化された領域です。 さらに、ハードディスクの動作原理は次のように簡単に説明できます。外部磁場にさらされると、ディスク自体の磁場が厳密に磁力線に沿った方向を向き始め、影響がなくなると残留磁化のゾーンが現れます。ディスク上には、メイン フィールドに以前に含まれていた情報が保存されます。

読み取りヘッドは書き込み時に外部磁場を生成する役割を果たし、読み取り時にはヘッドの反対側にある残留磁化ゾーンが起電力または EMF を生成します。 そうすれば、すべては単純です。EMF の変化は、EMF の 1 つに対応します。 バイナリコード、その不在または終了はゼロです。 起電力の変化時刻は通常ビット要素と呼ばれます。

さらに、磁気表面は、純粋にコンピューターサイエンスの考慮から、情報ビットの特定の点列として関連付けることができます。 ただし、そのような点の位置を完全に正確に計算することはできないため、目的の位置を決定するのに役立つ事前に指定されたマーカーをディスク上にインストールする必要があります。 このようなマークを作成することをフォーマット (大まかに言うと、ディスクをトラックに分割し、セクターを組み合わせてクラスターにすること) と呼ばれます。

フォーマットに関するハードドライブの論理構造と動作原理

について 論理的な組織 HDD では、ここではフォーマットが最初に行われ、低レベル (物理) と高レベル (論理) の 2 つの主なタイプが区別されます。 これらの手順を実行しないと、ハードドライブを次の場所に持ち込むことができません。 労働条件話す必要はありません。 新しいハードドライブを初期化する方法については、別途説明します。

低レベルのフォーマットでは、HDD の表面に物理的な影響を与え、トラックに沿ってセクタが作成されます。 興味深いことに、ハードドライブの動作原理は、作成された各セクターが独自の固有のアドレスを持つというものです。これには、セクター自体の番号、セクターが配置されているトラックの番号、およびサイドの番号が含まれます。大皿の。 したがって、直接アクセスを構成する場合、同じ ラム表面全体にわたって必要な情報を検索するのではなく、指定されたアドレスに直接アドレス指定することで、パフォーマンスが達成されます (これは最も重要なことではありませんが)。 物理フォーマットを実行すると、すべての情報が完全に消去され、ほとんどの場合復元できませんのでご注意ください。

別物 - 論理フォーマット(Windows システムではこれは クイックフォーマットまたはクイックフォーマット）。 さらに、これらのプロセスは、同じ原理で動作するメインハードドライブの特定の領域である論理パーティションの作成にも適用できます。

論理フォーマットは主に次のような影響を与えます。 システム領域で構成されます。 ブートセクターパーティション テーブル (ブート レコード)、ファイル アロケーション テーブル (FAT、NTFS など)、およびルート ディレクトリ (ルート ディレクトリ)。

情報はクラスターを介していくつかの部分に分けてセクターに書き込まれます。1 つのクラスターに 2 つの同一のオブジェクト (ファイル) を含めることはできません。 実はその創作は、 論理パーティション、メインのものから切り離すかのように システムパーティションそのため、そこに保存されている情報は、エラーや障害が発生した場合でも変更または削除されることはありません。

HDDの主な特徴

一般的に言えば、ハードドライブの動作原理はある程度明らかになったようです。 次に、最新のハードドライブのすべての機能 (または欠点) の全体像を示す主な特性に移りましょう。

ハードドライブの動作原理とその主な特性は完全に異なる場合があります。 何を理解するには 私たちが話しているのはでは、現在知られているすべての情報記憶装置を特徴づける最も基本的なパラメータに焦点を当ててみましょう。

• 容量（容積）;
• パフォーマンス (データアクセス速度、情報の読み取りおよび書き込み);
• インターフェース（接続方法、コントローラーの種類）

容量は 合計ハードドライブに記録および保存できる情報。 HDD 製造業界は急速に発展しており、現在では約 2 TB 以上の容量のハード ドライブが使用されるようになりました。 そして、信じられているように、これは限界ではありません。

インターフェースが最大の特徴です。 これは、デバイスがマザーボードにどのように接続されているか、どのコントローラーが使用されているか、読み取りと書き込みがどのように行われるかなどを正確に決定します。主要で最も一般的なインターフェイスは、IDE、SATA、および SCSI です。

IDE インターフェイスを備えたディスクは安価ですが、主な欠点として、同時に接続できるデバイスの数が限られている (最大 4 台) こと、(Ultra DMA ダイレクト メモリ アクセスまたは Ultra ATA プロトコル (モード 2 およびモード 4) をサポートしている場合でも) データ転送速度が遅いことが挙げられます。これらを使用すると、読み取り/書き込み速度が 16 MB/s に向上すると考えられていますが、実際には、UDMA モードを使用するためのインストールが必要です。 特殊ドライバー理論的には、以下のものがすべて揃った状態で提供される必要があります。 マザーボード.

ハードドライブの動作原理とその特性を語る上で、IDE ATA バージョンの後継バージョンを無視することはできません。 このテクノロジの利点は、高速 Fireware IEEE-1394 バスの使用により、読み取り/書き込み速度を 100 MB/秒まで高めることができることです。

ついに、 SCSIインターフェース前の 2 つと比較して、最も柔軟で高速です (書き込み/読み取り速度は 160 MB/秒以上に達します)。 しかし、そのようなハードドライブの価格はほぼ 2 倍になります。 ただし、同時に接続する情報記憶装置の数は 7 ～ 15 台で、コンピュータの電源をオフにすることなく接続でき、ケーブルの長さは約 15 ～ 30 メートルになります。 実はこのタイプのHDDはユーザーのPCではなくサーバーで使われることがほとんどです。

通信速度を特徴付ける速度と、 スループット I/O。通常は転送時間と転送される連続データ量で表され、MB/秒で表されます。

いくつかの追加オプション

ハードドライブの動作原理とは何か、またその機能にどのようなパラメータが影響するかについて言えば、いくつかの点を無視することはできません。 追加の特性、デバイスのパフォーマンスや耐用年数が左右される可能性があります。

ここで、まず回転速度が重要であり、これは目的のセクタの検索と初期化（認識）の時間に直接影響します。 これはいわゆる 隠された時間 search - 必要なセクタが読み取りヘッドに回転される間隔。 現在、スピンドル速度にはいくつかの標準が採用されており、ミリ秒単位の遅延時間で毎分の回転数で表されます。

• 3600 - 8,33;
• 4500 - 6,67;
• 5400 - 5,56;
• 7200 - 4,17.

速度が高くなるほど、セクターの検索にかかる時間が短くなり、物理的に言えば、ヘッドをプラッターの希望の位置決めポイントに設定するまでのディスクの 1 回転当たりの時間が短くなることが簡単にわかります。

もう 1 つのパラメータは内部伝送速度です。 の上 外部トラックこれは最小限ですが、内部トラックに徐々に移行するにつれて増加します。 したがって、頻繁に使用されるデータをディスクの最も高速な領域に移動する同じデフラグ プロセスは、それを内部トラックに移動することに他なりません。 より高速な読む。 外部速度には固定値があり、使用されるインターフェイスに直接依存します。

最後に、重要な点の 1 つは、ハード ドライブ自体のキャッシュ メモリまたはバッファの存在に関連しています。 実際、バッファの使用に関するハードドライブの動作原理は、RAM または仮想メモリに似ています。 キャッシュ メモリ (128 ～ 256 KB) が大きいほど、ハード ドライブの動作が速くなります。

HDDの主な要件

ほとんどの場合、ハードドライブに課せられる基本的な要件はそれほど多くありません。 主なものは長寿命と信頼性です。

ほとんどの HDD の主な標準は、耐用年数が約 5 ～ 7 年で、動作時間が少なくとも 50 万時間です。 高級この数字は少なくとも 100 万時間です。

信頼性に関しては、状態を監視する S.M.A.R.T. セルフテスト機能が担当します。 個々の要素ハードドライブ、常時監視を実行します。 収集したデータをもとに、出現の確実な予測も 誤動作の可能性さらに遠く。

言うまでもなく、ユーザーは傍観者であってはならない。 したがって、たとえば、HDD を使用する場合は、最適な温度環境 (摂氏 0 ～ 50 ± 10 度) を維持し、ハードドライブの揺れ、衝撃、落下、ほこりやその他の小さな粒子の侵入を避けることが非常に重要です。 、など ちなみに、多くの人が同じタバコの煙の粒子が、読み取りヘッドとハードドライブの磁気表面の間の距離、および人間の髪の毛の約2倍、つまり5〜10倍であることを知るのは興味深いことです。

ハードドライブ交換時のシステムの初期化の問題

ここで、何らかの理由でユーザーが次のような場合にどのようなアクションを実行する必要があるかについて少し説明します。 難しいものを変えましたディスクを追加するか、追加のディスクをインストールします。

このプロセスについては完全には説明しませんが、主な段階のみに焦点を当てます。 まず、ハードドライブを接続して確認する必要があります BIOS設定新しい機器が識別されたかどうか、ディスク管理セクションで初期化して作成します。 ブートエントリ、シンプルなボリュームを作成し、それに識別子 (文字) を割り当て、選択したファイル システムでフォーマットします。 この後初めて、新しい「ネジ」が完全に使用できる状態になります。

結論

実際、最新のハードドライブの基本的な機能と特性に関する簡単な説明はこれだけです。 外付けハードドライブの動作原理は、据え置き型 HDD で使用されるものと実質的に変わらないため、ここでは基本的には考慮されませんでした。 唯一の違いは、追加ドライブをコンピューターまたはラップトップに接続する方法です。 最も一般的な接続は、マザーボードに直接接続される USB インターフェイス経由です。 同時に、最大のパフォーマンスを確保したい場合は、USB 3.0 標準 (内部のポートは青色に塗装されています) を使用することをお勧めします。 外付けHDD彼をサポートします。

それ以外の場合、多くの人は、あらゆるタイプのハードドライブがどのように機能するかを少なくとも少しは理解していると思います。 おそらく、特に学校の物理学のコースでさえ、上に挙げたトピックが多すぎるかもしれませんが、それでも、これなしでも、生産技術とその技術に固有のすべての基本原理と方法を完全に理解することは可能です。 HDDアプリケーション、理解することは不可能です。

1.6 ハードディスクへのデータ記録技術

ハードドライブの動作原理はテープレコーダーの動作原理と似ています。 ディスクの作業面は、読み取りヘッドに対して相対的に移動します (たとえば、磁気回路内にギャップのあるインダクターの形で)。 AC印加時 電流（記録中）ヘッド コイルに到達すると、ヘッド ギャップから現れる交番磁場がディスク表面の強磁性体に影響を与え、信号強度に応じてドメイン磁化ベクトルの方向を変化させます。 読み取り中、ヘッド ギャップでの磁区の移動によりヘッド磁気回路内の磁束が変化し、電磁誘導の影響によりコイル内に交流電気信号が発生します。

最近では、磁気抵抗効果が読み取りに使用され、磁気抵抗ヘッドがディスクに使用されています。 それらでは、磁場の変化は、磁場の強さの変化に応じて抵抗の変化をもたらします。 このようなヘッドにより、（特に情報記録密度が高い場合に）信頼性の高い情報読み取りの可能性を高めることができる。

パラレルレコーディング方式。

現時点でも、これは HDD に情報を記録するための最も一般的な技術です。 情報のビットは、回転するディスクの表面を通過する小さなヘッドを使用して記録され、数十億の水平方向の離散領域、つまりドメインを磁化します。 これらの領域はそれぞれ、磁化に応じて論理 0 または 1 になります。

使用時に達成可能な最大値 この方法記録密度は約23Gbit/cm2です。 現在、この方式は垂直記録方式に徐々に置き換えられつつある。

垂直記録方式

垂直記録方式は、情報ビットを垂直領域に保存する技術です。 これにより、より強力な磁場の使用が可能になり、1 ビットの書き込みに必要な材料の面積が減少します。 最新のサンプルの記録密度は 15 ～ 23 Gbit/cm2 ですが、将来的には密度を 60 ～ 75 Gbit/cm2 に高めることが計画されています。

ハードドライブ 垂直記録 2005 年から市場で入手可能になりました。

熱磁気記録方式

熱アシスト磁気記録（ＨＡＭＲ）方式は、現存する方式の中で最も有望な方式であり、現在盛んに開発が進められている。 この方法では、ディスクのスポット加熱を使用し、ヘッドがその表面の非常に小さな領域を磁化できるようにします。 ディスクが冷却されると、磁化は「固定」されます。 このタイプの鉄道はまだ市場に投入されておらず（2009 年現在）、実験サンプルのみが存在しますが、その密度はすでに 150 Gbit/cm2 を超えています。 HAMR 技術の開発はかなり長い間行われてきましたが、最大記録密度の推定については専門家の間で依然として意見が異なります。 したがって、日立は限界を 2.3 ～ 3.1 Tbit/cm2 と名付けており、Seagate Technology の代表者は、HAMR メディアの記録密度を 7.75 Tbit/cm2 まで高めることができると示唆しています。 この技術は 2010 年以降に広く使用されることが予想されます。

1.7 ハードドライブにデータを配置する

PC 時代の初めから、ディスク構成がトラック上のシリンダー、ヘッド、セクターの数によって決定されることは誰もが知っていました。 数年前には正確な兆候が示されましたが、 セットアッププログラムこれらのディスク パラメータはすべて必須でしたが、現在は必須ではありません。 厳密に言うと、「セットアップ」セクションに表示されるディスクパラメータは、 標準CMOSセットアップは、原則として、実際のディスク パラメータとは何の関係もありません。これらのパラメータは、ディスク ジオメトリ変換のタイプ (Normal、LBA、Large) に応じて変化することに気づくかもしれません。 通常 - ディスクの製造元のマニュアルに従ったジオメトリで、DOS は 504 Mb (1 Mb - 1048576 バイト) を超える領域を認識できません。 LBA - 論理ブロック アドレス - この設定により、 DOSディスク最大4GB。 Large は Unix などのオペレーティング システムで使用されます。 SETUPで設定したパラメータは制御ロジックにより実際のパラメータに変換されます ハードドライブ。 現代の多くの OS BIOS をバイパスし、LBA を通じてディスクを操作します。

データをハード ドライブに物理的に保存するには、いくつかの方法があります。 データがディスク上でどのように表示されるかを決定するには、次を使用する必要があります。 さまざまなプログラムディスクのパフォーマンス (ベンチマーク) を決定します。 Winbench 98/99 プログラムにはハイエンド ハード ドライブ テストが含まれており、現時点では抽象度が不十分な 2 つのパラメータ (データ転送速度とアクセス時間) が評価され、どのタスクに対して最も多くのタスクが実行されているかがチェックされます。 人気番組、ディスクを積極的に使用する場合、ディスクが最適です。

図 1.1 - ハードドライブ上のデータ配置の垂直表示

従来のハードドライブは「縦型」ディスプレイを使用します。 データは最初に 1 つのシリンダーに上から下に書き込まれ、その後ヘッドが別のシリンダーに移動します。

図 1.2 - ハードドライブ上のデータ配置の水平表示

「水平」表示の場合、データはまず 1 つのディスクの表面にシリンダーからシリンダーへと順番に書き込まれ、次にディスクの表面にも書き込まれます。 次のディスク等 この方法は、ライブ ビデオを録画する場合など、連続した高速データ ストリームを録画する場合に適しています。

複合法「縦」と「横」の両方の方法を使用して表示します。

このようなディスクをテストすると、最初のシリンダーから離れるほど、ディスクのパラメータが悪くなることが明らかです。 これは、外側のトラックにはより多くのセクターが収容され、読み取り/書き込みが高速になるためです。

Winbench 97/98/99 を実行し、最初にディスク テスト用にドライブ C を選択し、次に最後の論理ドライブ (できれば少なくとも 2.5 Gb の容量を持つディスク) を選択することで、この妥当性を簡単に検証できます。 WD AC32500 モデルのディスク パフォーマンス推定値の差は 15% でした。

実際には、ディスクは複数のゾーンに分割されており、各ゾーンには通常、同じセクタ数を持つ 20 ～ 30 個のシリンダが含まれています。 これらのゾーンは「ノッチ」とも呼ばれます。

ディスク上の記録密度が高くなるほど、ディスクからの読み取り速度も速くなります。 このため、ディスクパラメータを評価する際には、内部データ転送速度を注意深く確認する必要があります。 内部データ転送速度は、ディスクの記録密度とスピンドル速度に直接比例します。 ディスクの回転速度を上げることは、消費電力、騒音の増大、放熱の問題など非常に困難であるため、ディスクの記録密度を高めることが性能向上の最適な方法となります。 これが、今日の 5400 RPM ハード ドライブが 2 年前にリリースされた 7200 RPM ドライブを容易に上回る理由です。 全て ハードのメーカーディスクは主に記録密度の増加の問題に関係しています。 他のすべての条件が等しい場合、同じ容量の 2 つのドライブのうち、ディスクの数が少ないドライブの方が高速に動作します。 より高い記録密度を実現します。

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