НЖМД (HDD - Hard Dиsk Drive) является одним из основных компонентов любого современного компьютера, и, кроме того, одним из самых сложных и ненадежных его компонентов. Поэтому для правильной эксплуатации компьютера и уменьшения вероятности потери важной информации необходимо четко представлять себе конструкцию, принципы функционирования и возможности современных НЖМД.

Конструктивно НЖМД состоит из двух основных частей - герметизированном блока (HDA) и платы электроники (PCB). В гермоблоци расположены все механические компоненты (пакет магнитных дисков, насаженный на шпиндель двигателя, магнитные головки с системой позиционирования) а также микросхема предварительного усилителя-коммутатора, обеспечивающего усиления сигнала с головок и переключение между ними. Механические компоненты гермоблока изображенные на рис. 2.

На плате электроники, которая размещается за пределами гермоблока, установлены микросхемы, управляющие механическими узлами, кодированием-декодированием данных и приемом-передачей информации через внешний интерфейс.

БМГ - блок магнитных головок; ШД - шпиндельный двигатель; ЧП - предварительный усилитель; КЗЧ - коммутатор записи-чтения; КГ - кварцевый генератор; ПЗУ МП - постоянная память микропрограмм; МБ - менеджер буфера; БОЗП - буферная память (или кэш-память НЖМД).

Поверхность головки обычно керамическая. В процессе функционирования НЖМД головки «летят» над поверхностью дисков на расстоянии в десятые доли микрометра. Привод позиционирует блок головок, состоит из обмотки и постоянного магнита, аналогичный по устройству электродинамических громкоговорителей, поэтому и получил название Voice Coil (звуковая катушка). С помощью «звуковой катушки», которая обеспечивает непрерывное, плавное перемещение головок, позиционирование выполняется точнее, чем с помощью шаговых двигателей, использовавшихся в качестве позиционеров головок НЖМД ранее.

Исходное состояние любого ЖМД после его изготовления - это однородная магнитная поверхность, которую условно можно представить как неупорядоченную совокупность дибитив - элементарных участков, которые могут, за счет остаточной намагниченности, хранить один бит информации. Понятно, что для организации хранения информации, ее записи, поиска и чтения, необходимо эту совокупность каким-то образом упорядочить.

Прежде всего, группы дибитив объединяются в «информационные кольца» - дорожки или треки (см. рис. 4. Уменьшение расстояния между дорожками увеличивает информационную емкость диска, но оно не может быть слишком малым, из-за наличия взаимного влияния друг на друга дибитив, расположенных на соседних дорожках. Нумерация дорожек начинается с нуля, нулевая дорожка всегда расположена с наружной стороны диска.

Если накопитель имеет несколько рабочих поверхностей, (т.е. на шпинделе размещен пакет дисков, а у каждого диска могут использоваться обе поверхности), то совокупность всех дорожек с одинаковыми номерами называют цилиндром. Для каждой рабочей поверхности в накопителе есть своя головка, обеспечивающая запись и считывание информации.

Для обеспечения точного позиционирования БМГ на требуемую дорожку (цилиндр) на поверхность диска наносятся сервисные метки. Нанесение серворозмиткы выполняется только в заводских условиях и является базовым, наиболее низкоуровневым элементом форматирования ЖМД.

Вообще различают два типа форматирования магнитных дисков - физическое (или форматирование низкого уровня) и логическое (форматирование высокого уровня). Для жестких дисков, в отличие от гибких, существует и третий этап, выполняемый между физическим и логическим форматированием - разбиение диска на разделы.

Сектор обычно состоит заголовка (префикса), области данных и завершения (суффикса). Начало сектора определяется специальным байтом - адресным маркером (1). Далее следуют ячейки, содержащие адрес сектора в специальном формате CHS (2) и его контрольная сумма - для проверки целостности адреса (3). Личная информация размещаются в отдельной области (4), в которую при записи добавляется несколько десятков байт «избыточной» информации, предназначенной для коррекции ошибок чтения с помощью ECC-кода (5). Для проверки целостности данных пользователя также используется циклическая контрольная сумма (6). Для более надежного функционирования сектора при нестабильности скорости вращения диска в структуре сектора являются «пустые» области - «байта - пробелы» (7).

В процессе форматирования низкого уровня выполняется запись заголовков и завершений секторов, формируются интервалы между секторами и дорожками. Область данных каждого сектора заполняется произвольными (или специальными тестовыми) наборами данных с формированием соответствующих контрольных сумм, а также проверка читаемости каждого сектора путем сравнения (верификации) соответствия содержимого области данных сектора и контрольной суммы. В случае выявления непоправимых ошибок считывания в заголовке сектора делается отметка о его дефектность.

Форматирование ЖМД низкого уровня в полном объеме может быть выполнено только заводских условиях, либо при помощи специальных сервисных программ, распространяемых фирмами-производителями для сервисных центров и ремонтных мастерских.

Разбиение диска на разделы позволяет совмещать на одном НЖМД несколько операционных систем, имеющих разные файловые системы. В таблице 2 приведен список файловых систем, которые используют наиболее распространенные дисковые операционные системы.

Различные файловые системы используют и разные методы распределения файлов по логическим элементам, называемые кластеров. Кластер - это единичный блок дисковой памяти, что записывается или считывается как единое целое. Кластер состоит из одного или нескольких секторов (см. рис. 6), чаще всего - с 2n секторов.