Budowa dysku twardego HDD

Dysk twardy, dysk komputerowy, HDD (ang. hard disk drive) – pamięć masowa wykorzystująca nośnik magnetyczny do przechowywania danych. Nośnikiem magnetycznym jest okrągły talerz wykonany z duraluminium lub z obecnie wykorzystywanego kompozytu ceramiczno-szklanego pokrytego warstwą antyferromagnetyczną. Dysk twardy jest to szczelnie zamknięta obudowa, w której znajduje się obracający talerz lub zespół talerzy magnetycznych oraz głowic elektromagnetycznych umożliwiających odczyt i zapis danych.  Głowice są umieszczone na ruchomych ramionach dzięki czemu są ustawiane w odpowiednim miejscu talerzy gdzie są odczytywane lub zapisywane dane z odpowiedniego cylindra. Budowa dysku twardego HDD omówiona jest w tym artykule na podstawie dysku 3,5" Seagate Barracuda 7200.12 1TB model ST1000528AS.

Budowa dysku twardego HDD
Budowa dysku twardego HDD

Wnętrze dysku twardego składa się z następujących podzespołów:

1 – Górny i dolny magnes neodymowy
2 – Ramię pozycjonera wraz z głowicą
3 – Filtr recyrkulacyjny
4 – Talerz dysku twardego
5 – Piasta silnika dysku
6 – Separator
7 – Połączenie głowicy z elektroniką zewnętrzną

Elementy dysku twardego
Elementy dysku twardego po rozłożeniu , Budowa dysku twardego
Elementy dysku twardego po rozłożeniu

1 - Górna pokrywa dysku twardego,
2 - Elektronika zewnętrzna dysku twardego,
3 - Obudowa dysku twardego,
4 - Ramię pozycjonera wraz z głowicą,
5 - Ogranicznik ruchu głowicy,
6 - Górny magnes neodymowy,
7 - Dolny magnes neodymowy,
8 - Filtr recyrkulacyjny,
9 - Uchwyt zaciskowy talerzy,
10 - Tuleja dystansowa między talerzami,
11 - Talerze,
12 - Separatory talerzy.

W czasie pracy dysku głowice unoszą się, a ich odległość nad talerzem jest stabilizowana dzięki sile aerodynamicznej powstałej w wyniku szybkich obrotów talerza. Dzięki temu głowice nie stykają się z powierzchnią magnetyczną i nie powodują jej uszkodzeń. Głowice w stanie spoczynku dysku w zależności od konstrukcji stykają się z powierzchnią talerzy blisko jego osi bądź zatrzymują się na zewnątrz talerzy na tzw. rampie.

Głowica dysku twardego w stanie spoczynku parkująca na powierzchni talerzy, Budowa dysku twardego
Głowica dysku twardego parkująca na powierzchni talerzy
Głowica dysku twardego w stanie spoczynku parkuje na specjalnej rampie, Budowa dysku twardego
Głowica dysku twardego parkująca na zewnętrznej rampie

Obudowa dysku posiada specjalnie filtrowane otwory wentylacyjne, dzięki którym odprowadzany jest nadmiar ciepła oraz służą do wyrównywania ciśnienia wewnątrz dysku. Produkcja dysków odbywa się w warunkach sterylnych dlatego nie należy otwierać dysków i nawet odrobina kurzu i pyłków znajdujących się w powietrzu atmosferycznym może doprowadzić do degradacji głowic lub uszkodzenia powierzchni talerzy. Wewnątrz dysku znajduje się również zaawansowany technologicznie filtr recyrkulacyjny zbierający i pochłaniający nawet najdrobniejsze cząstki oleju lub metalu, które mogą się wytwarzać podczas pracy HDD.

Wnętrze obudowy dysku twardego, Budowa dysku twardego
Wnętrze obudowy dysku twardego
1 - Filtr powietrza
2 - Silnik
3 - Dolny magnes neodymowy
Wewnętrzny filtr recyrkulacyjny dysku twardego, Budowa dysku twardego
Wewnętrzny filtr recyrkulacyjny dysku twardego
Cewka

Ramię głowicy poruszane jest dzięki cewce (ang. voice coil) umieszczonej w silnym polu magnetycznym i  zajmuje położenie zgodnie z przepływającym przez nią prądem, ustawiając ramię w odpowiedniej pozycji. Dzięki temu czas przejścia między kolejnymi ścieżkami jest nawet krótszy niż 1 milisekunda, a przy większych odległościach nie przekracza kilkudziesięciu milisekund. Układ regulujący prądem zmienia natężenie prądu, tak by głowica ustabilizowała jak najszybciej swe położenia w zadanej odległości od środka talerza (nad wyznaczonym cylindrem).

Cewka dysku twardego widok z góry, Budowa dysku twardego
Cewka dysku twardego widok z góry oraz ograniczniki ruchu pozycjonera głowicy
Cewka dysku twardego. Budowa dysku twardego
Cewka dysku twardego widok z dołu
Magnesy neodymowe

Silne pole magnetyczne jest wytwarzane dzięki bardzo silnym magnesom neodymowym. Taki magnes jest tak mocny, że może podnieść do 1300 razy więcej niż jego własna waga.

Przedwzmacniacz sygnału

Bardzo ważnym elementem zamontowanym na ramieniu poruszającym głowice jest przedwzmacniacz sygnału (ang. preamplifier, potocznie: preamp), kontrolujący głowice i wzmacniający sygnał z lub do nich.

Przedwzmacniacz sygnału (preamp), Budowa dysku twardego HDD
Przedwzmacniacz sygnału (preamp)

Powód, dla którego przedwzmacniacz znajduje się wewnątrz dysku jest prosty - sygnały z głowic są bardzo słabe i w nowoczesnych dyskach twardych mają częstotliwość większą niż 1GHz. Wyjęcie przedwzmacniacza z wnętrza dysku spowodowałby zanik sygnałów zanim dotrą do elektroniki dysku PCB.

Głowice

Głowice zapisują Informacja na powierzchni talerzy przez przesyłanie strumienia elektromagnetycznego przez głowicę zapisującą, która jest bardzo blisko magnetycznie polaryzowalnego materiału, zmieniającego swoją polaryzację magnetyczną wraz ze strumieniem indukcji magnetycznej. Odczyt odbywa się w odwrotny sposób, gdyż zmienne pole magnetyczne powoduje indukowanie napięcia elektrycznego w cewce głowicy lub zmianę oporu w głowicy magnetyczno-oporowej.

Budowa głowicy dysku twardego, Budowa dysku twardego
Budowa głowicy dysku twardego

Głowica składa się z następujących elementów:

A - Cewka
B - Oś pozycjonera wraz z łożyskiem
C - Ramię pozycjonera
D - Głowice
E - Połączenie głowicy z elektroniką zewnętrzną

Głowica dysku twardego. Budowa dysku twardego
Głowica dysku twardego
Głowica dysku twardego, budowa dysku twardego
Głowica dysku twardego
Głowica dysku twardego, budowa dysku twardego
Głowica dysku twardego

Elektronika dysku twardego

Zewnątrz każdego dysku znajduje się zintegrowana elektronika, PCB (ang. Printed Circuit Board), która kontroluje ruchem ramion głowic, obrotami talerzy, oraz przygotowuje odczyty i zapisy na rozkaz kontrolera dysku.

Elementy i podzespoły występujące na elektronice dysku twardego. Budowa dysku twardego
Elementy występujące na elektronice dysku twardego

Elektronika składa się z kilku podstawowych bloków:

1 – procesor sygnałowy MCU,
2 - kontroler silnika VCM,
3 – chip z pamięcią ROM - zawierającej oprogramowanie proceduralne,
4 - pamięć podręczna RAM - buforująca zapis i odczyt,
5 – czujnik wstrząsów,
6 – diody zabezpieczające przez przepięciem,
7 - interfejs sygnałowy - np. ATA, SATA,
8 - styki łączące elektronikę z głowicą i silnikiem.

Kontroler MCU

Sercem elektroniki jest największy chip znajdujący się zwykle po środku zwanym Micro Controller Unit lub MCU (1). Procesor ten podczas operacji odczytu informacji przez głowice przetwarza sygnały analogowe na informacje cyfrowe i koduje informacje cyfrowe na sygnały analogowe podczas zapisu danych przez głowice.  MCU kontroluje wszystko na PCB i przesyła dane przez interfejs np. SATA, ATA czy SAS.

Chip ROM

Chip z pamięcią ROM (ang. Flash) (3)- przechowuje część oprogramowania firmware. Po podłączeniu zasilania do dysku twardego układ MCU wczytuje zawartość pamięci flash do pamięci i uruchamia kod. Bez takiego kodu napęd nawet się nie rozpędzi. Czasami w elektronikach PCB nie ma oddzielnego chipa ROM i wtedy zawartość ROM umieszczoną jest wewnątrz MCU.

Elektronika dysku wraz z zintegrowaną pamięcią ROM w kontrolerze MCU. Budowa dysku twardego HDD
Elektronika dysku wraz z zintegrowaną pamięcią ROM w kontrolerze MCU
Kontroler silnika

Następnym układem jest kontroler silnika lub kontroler VCM (2). Ten układ jest najbardziej energochłonnym chipem na PCB. Kontroluje obroty silnika i ruchy głowic. Rdzeń regulatora VCM może wytrzymać temperaturę roboczą 100stC.

Pamięć podręczna

Chip zawierający pamięć podręczną DDR SDRAM dysku twardego buforujący zapis i odczyt (4).

Diody TVS

Kolejnym ważnym elementem występującym na przykładowej elektronice są podzespoły zabezpieczające o nazwie dioda Transient Voltage Suppression  lub dioda TVS (6). Diody te chronią PCB przed skokami napięcia pochodzącymi z zewnętrznego źródła zasilania. Gdy dioda TVS wykryje wzrost napięcia, sama się przepala i tworzy zwarcie między złączem zasilania a masą. Na tej płytce drukowanej znajdują się dwie diody TVS zapewniające ochronę 5V i 12V.

Czujniki wstrząsów

Innym elementem który występuje na elektronice dysku twardego jest czujnik wstrząsów (ang. Shock sensor) (5), który wykrywa nadmierne wstrząsy nośnika i wysyła sygnał do kontrolera VCM. Kontroler VCM natychmiast parkuje poruszające się głowice, a czasami wyłącza silnik obracający talerze. Teoretycznie czujnik wstrząsów chroni nośnik przed uszkodzeniami powstałymi przez wstrząsy lub uderzenia ale system ten nie uchroni upuszczonego dysku.

Styki

Na obudowie dysku widoczne są styki łączące elektronikę dysku z silnikiem i głowicą (8).

Obudowa dysku pod elektroniką zewnętrzną. Budowa dysku twardego
Obudowa dysku pod elektroniką zewnętrzną
A - Styk łączący elektronikę zewnętrzną z silnikiem
B - Styk łączący elektronikę zewnętrzną z głowicą
C - Otwór wentylacyjny
Styk łączący głowicę z elektroniką zewnętrzną. Budowa dysku twardego
Styk łączący głowicę z elektroniką zewnętrzną

Dyski twarde różnią się między sobą wielkością, pojemnością, prędkością obrotową oraz zastosowanym interfejsem sygnałowym. We współczesnych dyskach twardych prędkości obracania talerzy mieszczą się w granicach 4200 – 15000 obr./min.. Powszechnie stosowane są prędkości 5400 i 7200 obr/min. Wyższe prędkości obrotowe 10.000 czy 15.000 obr/min stosowane są głownie w wydajnych dyskach używanych w serwerach.

Interfejsy sygnałowe

Najbardziej popularne interfejsy sygnałowe występujące w dyskach twardych (7) to:

  • interfejs pracujący w sposób równoległy - najbardziej znane standardy to IDE (ATA) oraz SCSI,
  • interfejs pracujący w sposób szeregowy - najbardziej znane standardy SATA czy SAS.

Oczywiście w dyskach występują, również inne pochodne mniej popularne interfejsy jak: mSATA, micro SATA, SFF-8784, M.2 czy ZIF.

Działanie dysku twardego HDD

W chwili uruchomienia dysku twardego rozpoczyna pracę kontroler VCM, który odczytuje procedury zapisane w chipie pamięci ROM. Procedury te min. uruchamiają silnik obracający talerze dysku i po osiągnięciu odpowiedniej prędkości talerzy rozpoczyna pracę serwomechanizm pozycjonera przesuwający ramię głowicy na obszar nazywany strefą serwisową (ang Service Area). Service area zwane potocznie SA jest obszarem znajdującym się na powierzchni talerzy do którego zwykły użytkownik dysku nie ma dostępu. W strefie tej znajduje się oprogramowanie wewnętrzne dysku zawierające moduły wsadowe zawierające min. informacje o dysku (jak nazwa, model, nr. seryjny), parametry pracy głowic, gromadzone są parametry dysku SMART czy zabezpieczenia dysku.

Translator dysku jest jednym z ważniejszych modułów niezbędnych do prawidłowego odczytu obszaru z danymi. Jego zadaniem jest pominięcie przez firmware dysku błędnych sektorów, które powstały już na etapie produkcji dysku. Fabryczna lista błędów jest indywidualna dla każdego egzemplarza dysku.

Po poprawnym odczytaniu przez głowice firmware znajdującego się w strefie serwisowej dysk zostaje wykryty w biosie komputera i możliwe jest zapisywanie i odczytywanie danych.

Zalety i wady dysków talerzowych HDD

Zalety dysków HDD
  • Główną zaletą tradycyjnych dysków talerzowych jest ich cena w przeliczeniu na GB pojemności. Cena ich jest znacznie niższa niż porównywalne pojemności dysków SSD,
  • Zadowalające prędkości zapisu odczytu danych chodź dużo niższe od dysków SSD,
  • Znacznie większa ilość cyklów zapisu danych w porównaniu do dysków SSD.
Wady dysków HDD
  • Podstawowa wada to mała odporność na uszkodzenia mechaniczne takie jak wstrząsy uderzenia czy upadki,
  • Głośna praca dysku w porównaniu do całkowicie bezgłośnych dysków SSD,
  • Wysokie zużycie energii.

Trendy i pojemności dysków HDD

Mimo że rynek dysków SSD nadal rośnie to nie ma co liczyć na całkowite zakończenie życia tradycyjnych dysków talerzowych. Wciąż trwają badania nad ich rozwojem we wszystkich liczących się laboratoriach na świecie. Obecnie na rynku są dostępne dyski tradycyjne firmy Western Digital o pojemności 14TB, których talerze są zamknięte w szczelnej obudowie wypełnionej helem. Firma WD zapowiada również dyski o pojemności 40TB, które maja się pojawić na rynku do 2025 roku. To wszystko świadczy że tradycyjne dyski talerzowe będą jeszcze używane przez wiele długich lat zarówno w zwykłych zestawach PC jak również w zastosowanych serwerowych.

 

 

Jeżeli twój dysk uległ uszkodzeniu skontaktuj się z Nami.