現在使用されているほぼすべてのデスクトップ コンピューターとサーバーには、1 つ以上のハードディスク ドライブが搭載されています。すべてのメインフレームとスーパーコンピューターは通常、数百台のコンピューターに接続されており、VCR タイプのデバイスやビデオカメラでもテープの代わりにハードディスクが使用されています。では、ハード ドライブとは何ですか?また、これらの無数のハード ディスクはどのように動作するのでしょうか?
ハードディスク ドライブは、磁性材料でコーティングされた 1 つまたは複数の剛性の高速回転ディスクを使用してデータを取得および保存するデータ ストレージ デバイスです。ハードディスクは、データとオペレーティング システム用のストレージ スペースを提供するという優れた機能を備えています。また、コンピューターに停電時にも記憶する能力も与えます。この記事では、ハード ドライブを分解して中身を確認し、ファイルに保存されているギガバイトの情報をどのように整理するかについても説明します。
従来のハードディスクドライブの基本
1956 年のハードディスク ドライブの発明は、データ ストレージ技術における革命的な飛躍を示しました。 IBM のエンジニアとそのチームによって開発された最初のハードディスク ドライブは、IBM 305 RAMAC コンピュータ システムの一部であり、IBM モデル 350 ディスク ファイルとして知られていました。この画期的なデバイスはデータ ストレージに磁気ディスクを利用し、テープ ドライブのシーケンシャル アクセスと比較して大量の情報への迅速なアクセスを可能にしました。
元のユニットは冷蔵庫 2 台ほどの大きさで、50 枚の 24 インチ ディスクにわずか 5 メガバイトのデータを保存していました。数十年にわたり、HDD は容量、サイズ、速度の点で劇的に進化し、現代のコンピューティングとデータ管理の状況を大きく形作ってきました。
ハードディスクは、わずか数メガバイトを保持できる直径 20 インチまでの大型ディスクとして始まりました。これらは当初、「固定ディスク」または「ウィンチェスター」 (人気のある IBM 製品に使用されていたコード名) と呼ばれていました。後に「フロッピー ディスク」と区別するために「ハードディスク」と呼ばれるようになりました。ハードディスクには、テープやフロッピー ディスクに見られる柔軟なプラスチック フィルムとは対照的に、磁気媒体を保持する硬いプラッターが付いています。
最も単純なレベルでは、ハードディスクはカセット テープとそれほど変わりません。ハードディスクとカセット テープはどちらも、 「テープ レコーダーの仕組み」で説明されているのと同じ磁気記録技術を使用します。ハードディスクとカセットテープも磁気ストレージの大きな利点を共有しています。つまり、磁気媒体は簡単に消去したり書き換えたりすることができ、媒体上に保存された磁束パターンを長年にわたって「記憶」します。
次のセクションでは、カセットテープとハードディスクの主な違いについて説明します。
カセットテープとハードディスクの比較
カセットテープとハードディスクという 2 種類のストレージデバイスの大きな違いを見てみましょう。
- カセットテープの磁気記録材料は、薄いプラスチックストリップ上にコーティングされています。ハードディスクでは、磁気記録材料が高精度のアルミニウムまたはガラスのディスク上に積層されます。次に、ハードディスクのプラッターは鏡面のように滑らかになるまで研磨されます。
- テープの場合、テープ上の特定のポイントに移動するには、早送りまたは逆再生する必要があります。長いテープの場合、これには数分かかる場合があります。ハードディスク上では、ディスク表面上の任意の点にほぼ瞬時に移動できます。
- カセットテープデッキでは、読み取り/書き込みヘッドがテープに直接接触します。ハードディスクでは、読み取り/書き込みヘッドはディスク上を「飛行」し、実際にはディスクに触れません。
- カセットテープデッキ内のテープは、ヘッド上を毎秒約 2 インチ (約 5.08 cm) で移動します。ハードディスク プラッターは、その頭の下で最大 3,000 インチ/秒 (時速約 170 マイルまたは 272 キロ) の速度で回転します。
- ハードディスク上の情報は、カセット テープに比べて非常に小さな磁区に保存されます。これらのドメインのサイズは、プラッターの精度とメディアの速度によって可能になります。
これらの違いにより、最新のハードディスクの記憶容量は非常に驚異的です。ハードディスクも、その情報にほんの一瞬でアクセスできます。
ストレージ容量とパフォーマンス
一般的なデスクトップ コンピュータには、10 ～ 40 GBの容量のハードディスクが搭載されています。データはファイルの形式でディスクに保存されます。ファイルは単にバイトの名前付きコレクションです。バイトはテキスト ファイルの文字の場合もあれば、コンピュータが実行するソフトウェア アプリケーションの命令の場合もあり、データベースのレコードの場合もあり、GIF のピクセルの色である場合もあります。画像。
ただし、ファイルに何が含まれているかに関係なく、ファイルは単なるバイト列です。コンピュータ上で実行されているプログラムがファイルを要求すると、ハードディスクはそのバイトを取得し、一度に 1 つずつCPUに送信します。
ハードディスクのパフォーマンスを測定するには、次の 2 つの方法があります。
- データ レート– データ レートは、ドライブが CPU に送信できる 1 秒あたりのバイト数です。 1 秒あたり 5 ～ 40 メガバイトの速度が一般的です。
- シーク時間– シーク時間は、CPU がファイルを要求してからファイルの最初のバイトが CPU に送信されるまでの時間です。一般的には 10 ～ 20 ミリ秒の時間がかかります。
もう 1 つの重要なパラメータはドライブの容量、つまりドライブが保持できるバイト数です。
内部: 電子基板
ハードディスクの仕組みを理解する最良の方法は、内部を覗いてみることです。 (「ハードディスクを開く」ということなので、ドライブが故障している場合を除き、自宅で試すことはできません。)
一般的なハードディスク ドライブは次のとおりです。
これは、片側にコントローラー電子機器が取り付けられた密閉されたアルミニウム製のボックスです。電子機器は、読み取り/書き込みメカニズムとプラッターを回転させるモーターを制御します。また、電子機器はドライブ上の磁区をバイトに組み立て (読み取り)、バイトを磁区に変換します (書き込み)。電子機器はすべて、ドライブの他の部分から切り離された小さなボードに含まれています。
内部: ボードの下
ボードの下には、プラッターを回転させるモーターの接続部と、内部と外部の空気圧を均一にする高度にフィルター処理された通気孔があります。
ドライブからカバーを取り外すと、非常にシンプルですが非常に精密な内部が現れます。
この図では次のことがわかります。
- ディスク プラッター – 通常、ドライブの動作中は 3,600 rpm または 7,200 rpm で回転します。これらの大皿は驚くべき公差で製造されており、鏡のように滑らかです (著者の興味深い自画像でわかるように…これを避ける簡単な方法はありません!)。
- アーム – これは読み取り/書き込みヘッドを保持し、左上隅の機構によって制御されます。アームはヘッドをハブからドライブの端まで移動させることができます。アームとその動作機構は非常に軽く、高速です。一般的なハードディスク ドライブのアームは、1 秒間に最大 50 回、ハブからエッジへ移動したり、戻ったりすることができます。これは驚くべきことです。
内部: ディスクプラッターとヘッド
ドライブに保存できる情報量を増やすために、ほとんどのハードディスクには複数のプラッタが搭載されています。このドライブには 3 つのディスク プラッターと 6 つの読み取り/書き込みヘッドがあります。
ハードディスク上でアームを動かすメカニズムは、信じられないほど高速かつ正確である必要があります。高速リニアモーターを使用して構成できます。
多くのドライブは「ボイス コイル」アプローチを使用しています。ステレオのスピーカーのコーンを動かすのに使用されるのと同じ技術が、アームを動かすのに使用されます。
データの保存
データはプラッターの表面にセクターとトラックに保存されます。トラックは同心円で、セクターはトラック上のパイ状のくさびです。次のようになります。
典型的なトラックは黄色で示されています。典型的なセクターは青色で示されています。セクターには、256 や 512 などの固定バイト数が含まれます。ドライブまたはオペレーティング システム レベルで、セクターはクラスターにグループ化されることがよくあります。
ドライブをローレベルフォーマットするプロセスにより、プラッタ上にトラックとセクタが確立されます。各セクターの開始点と終了点がプラッターに書き込まれます。このプロセスにより、ドライブがバイトのブロックを保持できるように準備されます。次に、高レベルのフォーマットにより、ファイル割り当てテーブルなどのファイル ストレージ構造がセクターに書き込まれます。このプロセスにより、ドライブがファイルを保持できるように準備されます。
