Хард-диск

Унутрашњост (глава) тврдог диска

Тврди или чврсти диск (енгл. hard disk drive (HDD) – хард диск драјв, hard disk – хард диск или hard drive – хард драјв) је врста секундарне меморије. Подаци се снимају магнетним путем, у концентричним круговима (цилиндрима) на површини тврдих округлих плоча (дискова).

Принцип рада

Магнетски диск своје деловање темељи на физичким основама магнетског поља и својствима феромагнетских материјала. При упису података на њега користе се својства тзв. тврдих феромагнетских материја да након што су магнетизоване спољашњим пољем, остану магнетизоване и након што се спољашње магнетско поље уклони. Тврди диск се састоји од неколико плоча, обично од немагнетских материјала, најчешће алуминијума или стакла. Те плоче су премазане са танким слојем феромагнетског материјала дебљине 10 до 20 nm (као поређење, дебљина обичног копираног папира је између 0,07 mm и 0,18 mm - 70.000-180.000 nm). На тај магнетски материјал се обично још стави премаз угљеника као заштитни слој. За магнетски материјал се данас обично бирају легуре кобалта, док су раније били коришћени оксиди гвожђа, хрома, или слично. Диск се окреће око свог средишта брзином од 3000 обртаја/min do 10000 обртаја/min, док се тик иза њега налази глава за читање и писање (енгл. read-and-write head), причвршћена на ручку која може да премести главу ближе или даље у односу на средиште диска. На данашњим, модерним дисковима, удаљеност те главе од површине плоче се мери у нанометрима.

Подаци се на диск уписују уз помоћ мале спирале која је саставни део главе. Спирала у бираним тренуцима пропушта електричну струју изабраног смера (принцип бинарних бројева, 0 или 1). Магнетска глава састоји се од спирале која је намотана на тврдо феритно језгро. Глава је учвршћена на ручицу коју по диску помера покретач. Уз помоћ њега, глава може да се помера над целим полупречником диска. Магнетска површина плоче у диску је подељена на пуно малих магнетских подручја величине микрометра, а свака од тих површина се користи за чување (кодирање) једног бита информације. До 2005. та подела магнетске површине је била само хоризонтална, али од тада до данас та подела је и вертикална, чиме су добијени тврди дискови већег капацитета (до 2 TB). Због природне кристалне структуре магнетских материјала, те регије на диску се састоје од неколико стотина магнетских честица (једна магнетска честица је величине 10 nm). Протицањем струје кроз спиралу ствара се магнетско поље које се због близине главе протеже и кроз магнетски материјал на површини диска. Како се диск брзо окреће испод главе, сав материјал који прође испод главе се магнетизује у смеру одређеном смером протицања електричне струје. Укључивањем струје у краткотрајним бинарним тренуцима, постиже се на површини диска низ различито магнетизованих подручја једно иза другог, чиме је на диск записан низ података, тј. битова. Подаци се на диску налазе као низ магнетских честица на магнетском слоју диска које су смештене у концентричне кругове.

Читање се на почетку радило користећи чињеницу да када низ различито магнетизованих подручја брзо прође испод спирале магнетске главе, у спирали се индукује електрични напон код сваке промене поља. Индуковани напон и тако добијена струја имају своју јачину, која зависи од јачине магнетског поља, његовог смера, брзине промене магнетског поља испред главе и удаљености главе од диска. Због разлике у индукованом напону на спирали у одређеном тренутку добија се напонски сигнал. Из тог напонског сигнала се може закључити какав је распоред магнетизованих подручја прошао испод ње и тиме се низ битова прочитао. Но, данас се користе друге магнетске појаве, рецимо особине да присутност магнетског поља мења електричну отпорност неког материјала. Код таквих дискова, глава је магнетоотпорна. Приликом проласка читајуће главе преко магнетизоване површине диска, читајућа глава мења свој електрични отпор због промене јачине и смера магнеског поља.

У данашњим тврдим дисковима главе за читање и писање су одвојене, за разлику од старих дискова на којима се све обављало уз помоћ једне главе. Читајућа глава је магнетоотпорна, док је пишућа глава танкослојна и индуктивна.

Добра својства магнетског диска јесу велики капацитет, постојаност података и брзи приступ подацима. Негативна својства јесу: осетљивост на прљавштину и електромагнетска поља, као и ограничење максималне густине података. Магнетски диск је посебно осетљив на електромагнетска поља и при руковању треба имати то на уму.

Историја

Прве тврде дискове је направио IBM 1955. године (IBM 350 Disk File за свој рачунар IBM 305), а изумео их је Рејнолд Џонсон (Reynold Johnson). Укупни капацитет им је био 5 милиона 6-битних карактера (3.75 мегабајта). Имали су 50 дискова пречника 61 cm са 100 површина за снимање. Свака површина је имала по 100 трака. Имали су једну једину главу (уместо једну по површини) па је време приступа било веома дуго.

Нешто касније су произведени и уређаји са измењљивим пакетима тврдих дискова, али је због недовољне прецизности у позиционирању глава овај систем значајно ограничавао капацитет, те је убрзо и напуштен.

1973. године IBM је произвео први потпуно затворени систем (3340 "Winchester"). Ово име („винчестер“) је остало у честој употреби до пред крај 20. века, а још увек се користи у неким језицима (нпр. у руском и украјинском).

Историјат од 1980. године до данас

1980. - први диск  од 1 GB, IBM 3380, величине фрижидера, тежак око 250 килограма, и цене око 40.000 долара.
1986. - стандардизација SCSI интерфејса
1998. - стандардизација UltraDMA/33 и ATAPI приступа
2002. - адресирање преко 137 GB простора на диску
2003. - увођење SATA стандарда
2005. - први 500 GB тврди диск (Hitachi)
2005. - стандардизација Serial ATA 3G 
2005. - увођење SAS стандарда (Serial Attached SCSI)
2005. - Toshiba уводи вертикално записивање
2006. - први диск од 750 GB (Seagate)
2007. - први диск од 1.000 GB (1 TB - терабајт) Hitachi
2008. - први диск од 1,5 TB (Seagate)
2009. - први диск од 2 TB (Western Digital)
2010. - први диск од 3 TB (Seagate)

Логичка структура

Тврди диск је подељен на логичке делове: Master boot record, остатак трага 0 (Remain of track 0), Boot Record (садржи информације и датотеке потребне за подизање оперативног система), FAT1 и FAT2 (садрже таблице датотека и њихову локацију унутар партиције), Boot directory (бележи структуру директоријума на партицији), и највећим делом DATA, у ком су сачувани подаци.

Организација података

• 
  Подаци се снимају на једну или обе површине сваке плоче (диска), у концентричним круговима. Један такав круг (на једној површини) се назива стаза, траг или трака.
• 
  Скуп свих стаза једнаке удаљености од центра ротације (па тим и пречника) се назива „цилиндар“.
• 
  Подаци нису континуални већ је свака стаза угаоно подељена у више блокова које називамо „секторима“. Уобичајена дужина сектора је 512 бајтова, не рачунајући додатне податке за позиционирање и контролу и корекцију грешака.
• 
  Ради релативног одржања густине података преко целе површине дискова, спољни цилиндри могу имати више сектора него унутрашњи. Скуп суседних цилиндара са једнаким бројем сектора се назива „зона“.

Врсте тврдих дискова

Постоје екстерни (спољни) и интерни (унутрашњи) хард-дискови. Екстерни су великог капацитета (и до неколико терабајта), али зато могу бити велики као кућиште рачунара. Интерни хард-дискови знатно су мањих димензија, али зато располажу и мањим капацитетима. Постоје магнетски интерни хард-дискови (најчешћи 99,99% корисника) и флеш (енгл. Flash) интерни хард-дискови, који се одликују великом брзином уписа/исписа података, али су знатно скупљи. Флеш меморија се првенствено користи за мале капацитете и користи се за меморијске картице.

Повезивање тврдог диска са рачунаром

Постоји јако много начина повезивања хард-диска и рачунара (тачније матичне плоче), а најчешћи су: ATA (ATA33, ATA100, ATA133), UDMA, PIO, IDE, S-ATA, S-ATA2, S-ATA3. Тренутно најбржи од поменутих је S-ATA3 који се одликује јако великом брзином преноса података. Стандард повезивања за екстерне хард-дискове је E-SATA.

Види још

• Форматирање хард диска