Cum functioneaza Hard disk-ul?

Capacitatea Hard Disk-urilor a crescut intr-un mod astronomic in ultimii ani. Insa cum functioneaza acesta? Inainte de a intelege modul de citire si scriere a HDD-ului, vom analiza intai partile componente.
HardDisk-ul este compus dintr-o carcasa, un platan (sau mai multe), un motor, un brat de citire, o interfata si o placa logica.
In mod normal, capacitatea unui hard disk in ziua de azi este de aproximativ cateva sute de Gb. Dupa un mic calcul, 1 Gb fiind egal cu 1024 Mb, 1 Mb fiind egal cu 1024 Kb, iar 1 Kb fiind egal cu 1024 bytes, rezulta ca 1 Gb = 1.073.741.824 bytes (1024 x 1024 x 1024). Un hard disk cu o capacitate de 100 Gb poate stoca 100 de miliarde de bytes.
Un bit este cea mai mica unitate de masura intr-un calculator. Deoarece sunt prea mici, bitii sunt asamblati in grupuri de cate opt, formand un byte. Un byte poate contine suficienta informatie pentru a stoca un singur caracter ASCI precum litera „C”.

Placa logica

Pe partea de jos a hard disk-ului se gaseste placa logica. Aceasta este o piesa importanta deoarece se ocupa cu cele mai importante lucruri. Aceasta ofera calculatorului „manualul de utilizare”. Prin aceasta, calculatorul isi poate face o idee despre dispozitivul conectat (HDD): ce tip este, cat de mare este, ce cablu este conectat si cum sa acceseze dispozitivul. Fara aceasta parte calculatorul n-ar putea detecta daca aveti un HDD instalat si nici nu va putea efectua transferul de date.
Daca ii spunem calculatorului sa incarce 1000 Mb de informatie, HDD-ul va trimite informatia atat de repede pe cat poate. Pentru a grabi procesul de citire, hard disk-urile sunt dotate cu un cache, o mica memorie unde sunt stocate datele inainte de a le trimite mai departe. In timp ce hard disk-ul incarca urmatorii 16 Mb ai fisierului, pachetul de date citit anterior este pregatit in cache-ul HDD-ului. Atunci cand datele din cache sunt preluate, urmatorul pachet citit este copiat in cache. Acest proces este valabil si pentru scriere, doar ca este inversat.

Motorul

O componenta de baza este motorul folosit pentru a invarte platanele pe care sunt scrise datele. Acesta este controlat foarte precis de catre placa logica, functionand la o viteza de 7.200 , 10.000 rotatii pe minut (numarul rotatilor depind de tipul hard disk-ului). Intr-un laptop, viteza de rotatie este de obicei intre 4200 si 5400 rotatii pe minut.

Platanele si capetele de citire / scriere

Platanele sunt discuri magnetice subtiri confectionate din aluminiu si sunt acoperite cu un strat foarte subtire de material cu proprietati magnetice. Datele de pe un hard disk sunt organizate in cercuri concentrice numite track-uri.
In imagine: A) Piste, B) Sector de piste, C) Sectoare, D) Clustere

Un hard disk poate avea mai multe capete de citire, in functie de numarul de platane. Inaltimea de plutire a capetelor de citire poate fi de 0.1 micrometri (sau microni). Pentru a intelege mai bine, un fir de par uman este de aproximativ 100 microni, iar o globula rosie are un diametru de aproximativ 7 microni.
Daca bratul s-ar afla la o distanta prea mare de disc, ar polariza si spatiul de langa locul unde trebuie.
Din acest motiv hard disk-urile sunt foarte sensible la socuri, mai ales cand sunt pornite. In momentul in care calculatorul este oprit, bratul de citire / scriere este retras intr-un loc special, pentru a nu lovi platanul in urma unor posibile socuri.

Capetele de citire / scriere sunt puse in miscare de catre un motor pas-cu-pas.
Capetele de scriere / citire sunt electromagneti care efectueaza conversia semnalelor electrice in campuri magnetice si invers. Fiecare bit de date este inregistrat pe disc utilizand o anumita metoda de codificare, bitii fiind translatati in secvente de tranzitii de flux.
Din pricina densitatii ridicate de inregistrare este important sa nu existe interferente intre campurile magnetice alaturate. De aceea, campurile magnetice inregistrate au o intensitate redusa. Pentru cresterea densitatii de inregistrare, intensitatea acestor campuri trebuie redusa si mai mult, motiv pentru care capetele de citire / scriere trebuie sa fie mai sensibile. Din acest motiv se utilizeaza circuite speciale de amplificare pentru conversia impulsurilor electrice slabe generate de capetele de citire / scriere in semnalele care reprezinta datele citite de pe disc.

O unitate de discuri are deobicei cate un cap de scriere / citire pentru fiecare fata a platanelor, existand un singur mecanism de deplasare pentru toate capetele. (In imagine bratul de citire / scriere miscandu-se pe suprafata platanului cu mare viteza).
Capetele de citire / scriere sunt mentiunte la o distanta foarte mica fata de platan. Deoarece suprafata alocata unui bit este extrem de redusa (0,1 x 2 microni), capul trebuie mentinut la o distanta suficient de mica pentru a putea detecta campurile magnetice slabe.
La o viteza de 5400 – 10000 de rotatii pe minut capul nu poate fi in contact cu suprafata si in acelasi timp nu se poate indeparta de acesta la o distanta mai mare de o fractiune de micron. O asemenea distanta este mai mica decat lungimea de unda a luminii vizibile.
Datorita efectului planar, capul de citire „pluteste” deasupra discului, la o distanta determinata de viteza de rotatie, forma capului si tensiunea arcului. Chiar daca suprafata nu este perfect plata, capul va urmari neregularitatile.
Hard disk-urile sunt asamblate in conditii de curatenie extrema, conditii care trebuie mentinute si in timpul functionarii. Unitatea de discuri nu este perfect etansa, fiind permisa patrunderea aerului prin intermediul unor filtre. Totusi, datorita imperfectiunilor de filtrare, in interiorul unitatii pot patrunde particule de fum sau de praf. Una din cauzele cele mai obisnuite de distrugere a discurilor este deteriorarea suprafetei acestora de catre impuritatile colectate de capetele de citire / scriere.

Citirea si scrierea pe hard disk

Un cluster reprezinta o colectie de sectoare grupate impreuna de sistemul de fisiere pentru a simplifica lucrurile. Prin procedeul de „clusterizare” se poate pierde spatiu de pe hard disk. De exemplu, daca un hard disk este formatat cu 4 kb / cluster, iar noi vom scrie un fisier de 2 kb, doar jumatate din cluster va fi ocupat de date, cealalta jumatate ramanand un spatiu pierdut. Insa fara aceasta metoda, sistemul de operare nu va putea accesa datele rapid. Sunt mai bune 5 milioane de clustere rapide decat 10 milioane de clustere greoaie.

Citirea datelor de pe hard disk
Utilizatorul cere informatie de pe hard disk. Sistemul de operare acceseaza MFT (master file table), un index cu fisierele si locatiile lor, prin controlerul hard disk-ului, pentru a gasi clusterul unde este stocat.
Sistemul de operare spune hard disk-ului, prin controlerul hard drive-ului, ca are nevoie e un fisier dintr-un cluster. Placa logica a HDD-lui va actiona motorul si va roti platanele. Bratul se plimba pe suprafata platanului, citeste datele, si apoi amplifica campurile magnetice slabe care se potrivesc cerintelor. Placa logica a hard disk-ului foloseste capul de citire al bratului pentru a citi informatia din sectoarele cluster-ului respectiv.
Informatia este trimisa in cache-ul hard disk-ului, ca mai apoi sa fie trimisa catre memoria RAM si mai departe catre dispozitivele de iesire.

Procesul de scriere este inversul citirii, cu o mica exceptie. In loc sa cceseze MFT pentru a gasi locatia unui fisier, acceseaza „file table” pentru a gasi clustere libere pentru scriere.
Desi precizia si viteza hard disk-urilor pare uimitoare, ele sunt totusi cele mai incete componente dintr-un calculator, deoarece contine elemente mecanice.

Autor: Marius, www.descopera.org