第2章
ハードドライブの紹介
導入
現代のコンピュータの世界では、ハードドライブがコンピュータの最も重要な部分であることが証明されています。今日、ハード ドライブはあらゆる種類のデータを保存するために最も一般的に使用される主要なストレージ デバイスであり、コンピューターの最も興味深いコンポーネントの 1 つでもあります。
現代のコンピューター ユーザーにとって、ハード ドライブのないコンピューター生活がどのようなものになるかを想像することさえ非常に困難です。なぜなら、今日ではほとんどの人がコンピューターに何十億バイトもの情報を保存しているからです。
最初のコンピュータにはストレージがまったくありませんでした。プログラムを実行するたびに、手動で入力する必要がありました。さらに、コンピューターに同じデータを何度も繰り返し処理させる簡単な方法がなかったため、今日私たちがコンピューティングと考えているものの多くは不可能になりました。コンピュータが本当に役立つツールになるためには、何らかの永続的なストレージが必要であることがすぐに明らかになりました。
コンピュータで使用された最初の記憶媒体は紙でした。プログラムとデータは、紙テープまたはパンチカードに開けられた穴を使用して記録されました。特殊なリーダーが光線を使用してカードやテープをスキャンします。穴がある場所には「1」と表示され、紙がセンサーを遮っている場所には「0」と表示され、その逆も同様です。
これは何もしないよりは大きな改善ではありますが、これらのカードは依然として非常に使いにくいものでした。基本的に、プログラム全体を最初から紙に書き、それをカードに転送する前に頭の中で動作させる必要がありました。なぜなら、間違えると、多くのカードを再度パンチする必要があったからです。自分が何に取り組んでいるのかを視覚化するのは非常に困難でした。
紙から次の大きな進歩は磁気テープの発明でした。音声をテープに記録するのと同様の方法で情報を記録することにより、これらの磁気テープは紙テープやパンチカードよりもはるかに柔軟で耐久性があり、高速になりました。
もちろん、テープは今でも現代のコンピュータで使用されていますが、オフラインまたはセカンダリストレージの形式として使用されています。ハードドライブが登場する前は、ハードドライブが一部のコンピューターの主なストレージでした。主な欠点は、線形に読み取る必要があることです。テープの端から端まで移動するには数分かかる場合があり、ランダム アクセスは実用的ではありません。
さて、本題に戻りましょう。 IBM は、商用開発に適した最初のハード ドライブを発表しました。それは今日私たちが使用しているディスクドライブとは異なっていました。彼らは、磁気パターンのデータを保存する回転する円筒形のドラムを使用しました。ドラムは大きくて扱いが難しかったです。最初の真のハード ドライブでは、ハード ドライブ ヘッドがディスクの表面と接触していました。これは、当時の低感度電子機器でディスク表面の磁場をより正確に読み取れるようにするためでしたが、当時の製造技術は今日ほど洗練されておらず、ヘッドがディスク表面と接触しながら高速で滑らかに滑走するために必要なほどディスク表面を滑らかにすることは不可能でした。時間が経つにつれて、ヘッドが摩耗したり、ディスク表面の磁気コーティングが摩耗したりします。
ディスク表面との接触を必要としない IBM の新技術の重要な発見として、これは現代のハードドライブの基礎となりました。このタイプの最初のハード ドライブは、1956 年 9 月 13 日に発表された IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) でした。このハード ドライブは、500 万文字 (約 5 メガバイト) を保存でき、データ転送速度は 1 秒あたり 8800 バイトでした。
1962 年に、IBM は 1301 Advanced Disk File を発表しました。このドライブの主な成果は、エアベアリング上でディスク表面上に浮上または飛行するヘッドの開発であり、これによりヘッドからディスク表面までの距離が 800 マイクロインチから 250 マイクロインチに短縮されました。
1973 年、IBM は、現代のハード ドライブの父と一般に考えられている 3340 ハード ドライブを発表しました。このハード ドライブには、それぞれ 30 MB の容量を持つ、固定スピンドルと取り外し可能なスピンドルの 2 つの独立したスピンドルがありました。 1979 年に発表された IBM のモデル 3370 は、薄膜ヘッドを搭載した最初のディスク ドライブでした。同年、IBM は 3310 を発表しました。これは 8 インチ プラッタを搭載した最初のドライブであり、10 年以上にわたって標準であった 14 インチ プラッタから大幅にサイズが縮小されました。
初期の PC で使用されていた 5.25 インチ フォーム ファクタで設計された最初のハード ドライブは、Seagate ST-506 でした。このドライブは 4 つのヘッドを持ち、容量は 5 MB でした。IBM は ST-506 を回避し、同じフォーム ファクタの 10 MB ドライブである ST-412 を IBM PC/XT に採用しました。このため、このドライブは PC および PC 互換機の世界で広く使用される最初のハード ドライブとなりました。
1983 年、Rodime は 3.5 インチ フォーム ファクターを採用した最初のハード ドライブである RO352 を発表しました。これは最も重要な業界標準の 1 つとなりました。 1985 年、Quantum は、当初ハード ドライブなしでリリースされた PC 用の ISA 拡張カードに適合する 10.5 MB ハード ドライブである Hardcard を発表しました。
1986 年に、Conner Peripherals は CP340 を発表しました。これはボイスコイルドライブを採用した最初のディスクドライブでした。 1988 年、Conner Peripherals は CP3022 を発表しました。これは、現在「ロー プロファイル」と呼ばれ、現代の 3.5 インチ ドライブの標準となっている、高さ 1 インチの縮小を採用した最初の 3.5 インチ ドライブでした。同年、PrairieTek は 2.5 インチ プラッターを使用するドライブを発表しました。 1990 年に、IBM は容量 857 MB の 681 (Redwing) ディスク ドライブを発表しました。 MR ヘッドと PRML ヘッドの両方を採用した最初の製品です。
1991 年に導入された IBM の Pacifica メインフレーム ディスク ドライブは、プラッター表面の酸化物メディアを薄膜メディアに置き換えた最初のディスク ドライブでした。同年、Integral Peripherals の 1820 は、後に PC カード ドライブに使用されることになる、1.8 インチ プラッターを搭載した最初のハード ドライブとなりました。1992 年には、Hewlett Packard が C3013A を発表しました。これは最初の 1.3 インチ ドライブとなりました。
ハード ドライブの歴史には多くの進歩があり、今日のドライブには現代的なデザイン、形状、パフォーマンス、容量がもたらされました。この本の中でそれらを詳細に列挙するのは難しい。
ハードドライブコンポーネント
ハードドライブは次の主なコンポーネントで構成されています。
- ディスクプラッターとメディア
- 読み取り/書き込みヘッド
- ヘッドスライダー、レバー、ドライブ
- ハードディスクスピンドルモーター
- コネクタとジャンパー
- ロジックボード
- キャッシュとキャッシュレイアウト
ハードドライブコンポーネント
ディスクプラッターとメディア
すべてのハードディスクは、プラッターと呼ばれる1 枚または複数枚 (通常は 1 枚以上) の円形で平らなディスクを使用します。プラッターの両面には、磁気パターンの形で情報を保存するように設計された特殊なメディア素材がコーティングされています。ディスク上の各プラッターの各表面には、数十億ビットのデータを保存できます。
プラッターは、プラッターの大部分を形成し、構造と剛性を与える基板材料と、データを表す磁気インパルスを実際に保持する磁気メディアコーティングという 2 つの主な物質で構成されています。
プラッターの品質、特にメディア コーティングは非常に重要です。ハード ディスク内のプラッターのサイズは、ハード ディスク全体の物理的寸法の主な決定要因であり、一般にドライブのフォーム ファクターとも呼ばれます。ほとんどのドライブは、さまざまな標準ハード ディスク フォーム ファクターのいずれかで製造されています。
ハードディスクは、サイズ仕様で参照されることがあります。3.5 インチのハードディスクを使用している場合、それは通常、ディスクのフォーム ファクタを参照していることを意味し、通常、フォーム ファクタはプラッタ サイズに基づいて名前が付けられます。以前のハードディスクの公称サイズは 5.25 インチでしたが、現在最も一般的なハードディスクのプラッタ サイズは 3.5 インチです。
ラップトップ ドライブは、サイズが小さく、重量が軽いため、通常は小型です。これらのドライブのプラッタの直径は通常 2.5 インチ以下です。2.5 インチが標準フォーム ファクタですが、モバイル機器では 1.8 インチ、さらには 1.0 インチのプラッタを備えたドライブが一般的になりつつあります。
ドライブは、ドライブに詰め込めるストレージの容量を最大化するために、プラッターを物理ドライブ パッケージの幅まで可能な限り拡張しますが、全体的な傾向としてはプラッターが小さくなる傾向にあります。企業がデスクトップ ユニットでもプラッターを小さくする主な理由は次のとおりです。
堅固で剛性の高いプラッターは、衝撃や振動に対する耐性が高く、高速スピンドルやその他の高性能ハードウェアと組み合わせるのに適しています。ハードディスク プラッターの直径を 2 分の 1 に縮小すると、剛性は約 4 倍になります。
プラッターのサイズが小さくなると、ランダム シークを実行するためにヘッド アクチュエータがヘッドを左右に動かす距離が短くなります。これにより、シーク時間が改善され、ランダム読み取りと書き込みが高速化されます。
最新のハードディスク スピンドルは、パフォーマンス上の理由から速度が向上しています。プラッターが小さくなると回転しやすくなり、必要なモーターのパワーも小さくなり、停止位置から回転速度を上げるのも速くなります。
現在入手可能な最小のハードディスク プラッタ サイズは、直径 1 インチです。IBM の驚くべき Micro ドライブは、プラッタが 1 つで、デジタル カメラ、パーソナル オーガナイザ、その他の小型機器に収まるように設計されています。プラッタのサイズが小さいため、Micro ドライブはバッテリ電源で動作し、1 秒未満でスピンダウンして再び起動できます。
エンジニアリングの観点から見ると、プラッターが増えるということは質量も増えることを意味し、したがってドライブの起動または停止のコマンドに対する応答が遅くなります。これはスピンドル モーターの強化で補うことができますが、他のトレードオフが発生します。
実際、最近の傾向は、ヘッド アームとプラッターの数を増やすのではなく減らすというものです。面密度は増加し続けており、プラッターをあまり使用せずに大型ドライブを作成できるようになりました。これにより、メーカーは市場に対して小さすぎるドライブを作成することなく、プラッターの数を減らしてシーク時間を改善できます。
ハード ディスクのフォーム ファクタも、ドライブ内のプラッタの数に大きな影響を与えます。ディスクで使用されるプラッタの数に関連する要因はいくつかあります。プラッタの数が多いドライブは、スピンドル ユニットの質量が増加し、すべてのドライブを完璧に調整する必要があり、ノイズと振動を制御するのがさらに困難になるため、設計がより困難になります。
それでも、ハードディスク エンジニアは特定のモデルに多数のプラッターを搭載したいと考えていましたが、標準の「スリムライン」ハードディスク フォーム ファクターの高さは 1 インチに制限されており、1 つのユニットに搭載できるプラッターの数は限られていました。もちろん、エンジニアはプラッター間の必要なクリアランスを減らすために絶えず取り組んでおり、特定の高さのドライブでプラッターの数を増やすことができます。
データを構成する磁気パターンは、ハードディスクのプラッターの表面にある非常に薄いメディア層に記録されます。プラッターの材料の大部分は基板と呼ばれ、メディア層をサポートするだけです。基板の材料は、硬く、扱いやすく、軽量で、安定しており、磁気的に不活性で、安価で、入手しやすいものでなければなりません。プラッターの製造に最も一般的に使用されている材料は、これらの基準をすべて満たすアルミニウム合金です。
プラッターは読み取り/書き込みヘッドが真上に浮かんだ状態で回転するため、プラッターは非常に滑らかで平らでなければなりません。そのため、アルミニウムの代替として、ガラス、ガラス複合材、マグネシウム合金などが提案されています。現在では、ガラスとガラス複合材がプラッター基板の次の標準になる可能性が高まっています。アルミニウム プラッターと比較して、ガラス プラッターにはいくつかの利点があります。
- より良い品質:
- 剛性の向上:
- 薄いプラッター:
- 熱安定性:
アルミニウムと比較したガラスの欠点の 1 つは、特に非常に薄く作られた場合に壊れやすいことです。
プラッターの基板材料は、実際の記録媒体が置かれるベースを形成します。メディア層は、実際のデータが保存される非常に薄い磁性材料のコーティングです。通常、厚さはわずか数百万分の 1 インチです。
昔のハードディスクは酸化物メディアを使用していました。酸化物メディアは安価に使用できますが、いくつかの重要な欠点もあります。まず、柔らかい素材であるため、読み取り/書き込みヘッドとの接触で簡単に損傷します。次に、比較的低密度のストレージにしか使用できないことです。比較的データ密度が低い昔のハードディスクでは問題なく機能しましたが、メーカーが同じスペースにさらに多くのデータを詰め込もうとすると、酸化物では対応できなくなりました。酸化物粒子が大きくなりすぎて、新しい設計の小さな磁場には対応できなくなりました。
今日のハードディスクは薄膜メディアを使用しています。薄膜メディアは、プラッターの表面に塗布された非常に薄い磁性材料の層で構成されています。プラッターにメディア材料を堆積させるために、特殊な製造技術が採用されています。
酸化物メディアと比較すると、薄膜メディアはより均一で滑らかです。また、磁気特性も非常に優れているため、同じスペースにより多くのデータを保存できます。磁気メディアを適用した後、各プラッターの表面は通常、薄い炭素製の保護層で覆われます。この上に超薄型の潤滑層が追加されます。これらの材料は、ヘッドの偶発的な接触やドライブに入り込む可能性のあるその他の異物によるディスクの損傷を防ぐために使用されます。
読み取り/書き込みヘッド
ヘッドは、ハードディスク内のデータが保存される磁気物理メディアへの読み取り/書き込みインターフェイスです。ヘッドは、ビットを磁気パルスに変換してプラッターに保存し、データを読み戻す必要があるときにそのプロセスを逆にする作業を行います。ヘッドは、面密度とディスクの回転速度を向上させるためにハードディスクで最も高価な部品の 1 つです。
しかし、今日のハードディスクでは GMR ヘッドが最も人気がありますが、読み取り/書き込みヘッドにはいくつかの技術が何度か提案されてきました。
- フェライトヘッド
- メタルインギャップ（MIG）ヘッド
- 薄膜（TF）ヘッド
- 異方性磁気抵抗（AMR/MR）ヘッド
- 巨大磁気抵抗（GMR）ヘッド
- 巨大磁気抵抗（CMR）ヘッド
読み取り/書き込みヘッドは、データの保存と取得において非常に重要な役割を果たすため、ハードディスクの全体的なパフォーマンスを決定する上で極めて重要なコンポーネントです。新しいヘッド技術は、現代のハードディスクの速度とサイズの向上のきっかけとなることが多く、読み取り/書き込みヘッドはハードディスクの最も洗練された部分であり、それ自体が技術的な驚異です。
保存されるデータの各ビットは、0 と 1 を磁束反転のパターンに変換する特殊なエンコード方式を使用してハードディスクに記録されます。各ハードディスク プラッタには、通常、データ保存に使用される 2 つの表面があり、ドライブで使用される各表面には通常 1 つのヘッドがあります。ほとんどのハードディスクには 1 ～ 4 枚のプラッタがあるため、ほとんどのハードディスクには 2 ～ 8 個のヘッドがあります。一部の大型ドライブには 20 個以上のヘッドがあります。特定の時点でハードディスクから読み取りまたは書き込みできるヘッドは 1 つだけです。特定の時点でどのヘッドがアクティブであるかを制御するために、特殊な回路が使用されます。
ヘッドはディスクの表面上を浮遊し、プラッターに物理的に触れることなくすべての作業を行います。ヘッドとプラッターの間の空間の量は、浮上高、フライング ハイト、またはヘッド ギャップと呼ばれます。読み取り/書き込みヘッド アセンブリは、ヘッド アームのスプリング スチールを使用してスプリング式になっており、ディスクが静止しているときにスライダーがプラッターに押し付けられます。
これは、ヘッドがプラッターから外れないようにするためであり、正確な浮上高を維持することは、正しい動作のために不可欠です。ディスクが動作速度まで回転すると、その高速により空気がスライダーの下に流れ込み、スライダーがディスクの表面から浮き上がります。プラッターからヘッドまでの距離は、メーカーによって厳密に管理されている特定の設計パラメータです。
現代のハードディスクの浮上高は 0.5 マイクロインチで、人間の髪の毛の太さでさえ 2,000 マイクロインチを超えます。そのため、ハードディスクに汚れが入らないようにすることが非常に重要です。ヘッドがディスクの表面に触れることなく、ディスクの表面にどれだけ近いところを飛んでいるかは、実に驚くべきことです。ほこりの粒子、指紋、煙の粒子でさえ、ハードディスクのヘッドにとっては大きな問題です。
ハードディスクドライブの読み取り書き込み構造
容量とパフォーマンスを向上させるためにドライブの面密度が増加すると、磁場は小さくなり弱くなります。これを補うには、ヘッドの感度を高めるか、浮上高を下げる必要があります。
浮上高が下がるたびに、ディスクの機械的な側面を調整して、プラッターがより平らになり、プラッター アセンブリと読み取り/書き込みヘッドの位置合わせが完璧になり、プラッターの表面にほこりや汚れがなくなるようにする必要があります。振動と衝撃も懸念事項となり、補正する必要があります。
これは、メーカーが小型プラッターやガラス製プラッター基板の使用に目を向けている理由の 1 つです。GMR などの新しいヘッドは、他の条件が同じであれば、感度の低い古いヘッドよりも高い浮上高を実現できるため好まれています。
ヘッドクラッシュ
ハード ディスクの読み取り/書き込みヘッドは、ディスク プラッター自体の上にある微細な空気層に浮いているため、特定の状況下ではヘッドがハード ディスク上のメディアに接触する可能性があります。通常、ヘッドが表面に接触するのは、ドライブの起動時または停止時のみです。
現代のハードディスクは 1 秒間に 100 回回転します。動作速度でヘッドがディスクの表面に接触すると、データの損失、ヘッドの損傷、ディスクの表面の損傷、またはこれら 3 つすべてが発生する可能性があります。これは通常、ヘッド クラッシュと呼ばれ、コンピューター ユーザーにとって最も恐ろしい 2 つの言葉です。ヘッド クラッシュの最も一般的な原因は、ヘッドとディスクの間の細い隙間に汚れが詰まるか、動作中のハードディスクに衝撃が加わることです。
ヘッドパーキング
プラッターが回転していないとき、ヘッドはディスクの表面上に静止しています。プラッターが回転すると、ヘッドはプラッターの表面をこすり、十分な速度に達すると、ヘッドが浮上して空気のクッションの上に浮かび上がります。ドライブの回転が停止すると、このプロセスが逆順に繰り返されます。どちらの場合も、一定時間、ヘッドは移動中にディスクの表面に接触します。
プラッターとヘッドは、この接触が発生することを前提に設計されていますが、それでも、データが存在するディスク領域でこの接触が発生しないようにすることは理にかなっています。
このため、ほとんどのディスクには、離着陸時にヘッドを配置する場所として指定された特別なトラックが用意されています。この領域はランディング ゾーンと呼ばれ、そこにはデータは配置されません。ヘッドをこの指定された領域に移動するプロセスは、ヘッド パーキングと呼ばれます。
ほぼすべての新しいオペレーティング システムには、必要に応じてヘッドを自動的にパークする機能が組み込まれています。ステッピング モーターを使用した初期のハード ドライブのほとんどは、ドライブのヘッドを自動的にパークしませんでした。そのため、当時の PC をシャットダウンする前にユーザーが実行する安全対策として、多くの小さなユーティリティが作成されました。ユーティリティは、ディスクにヘッドをランディング ゾーンに移動するように指示し、その後、PC を安全にシャットダウンできます。
ハード ディスクの BIOS セットアップのパラメータは、特定のハード ディスク モデルのランディング ゾーンであるトラックをシステムに伝えます。通常、これは、実際にデータに使用される最大番号のトラックの次に連続した番号のトラックです。最新のボイス コイル駆動ハード ディスク ドライブはすべて自動パーキングです。最新のハード ディスクのヘッドを手動でパーキングする必要はなくなりました。
ヘッドスライダー、アーム、アクチュエータ
ハードディスク プラッターの読み取りおよび書き込み操作は、各プラッターの上面と下面に取り付けられた読み取り/書き込みヘッドを使用してアクセスされますが、読み取り/書き込みヘッドが単に空間に浮いているわけではありません。読み取り/書き込みヘッドは、読み取り対象の表面に対して正確な位置に保持される必要があり、また、ディスクの表面全体にアクセスできるようにトラックからトラックへと移動される必要があります。
ヘッドは、このプロセスを容易にする構造に取り付けられており、ヘッド アセンブリ、アクチュエータ アセンブリ、またはヘッド アクチュエータ アセンブリと呼ばれることがよくあります。この構造は、いくつかの異なる部品で構成されています。ヘッド自体はヘッド スライダーに取り付けられています。スライダーは、ヘッド アームの端でディスクの表面上に吊り下げられています。ヘッド アームはすべて機械的に 1 つの構造に融合されており、アクチュエータによってディスクの表面上を移動します。
ヘッドスライダー
各ハードディスク ヘッドは、ヘッド スライダー (略してスライダー) と呼ばれる特殊なデバイスに取り付けられています。スライダーの機能は、ヘッドを物理的にサポートし、ヘッドがプラッターの表面上を浮遊しているときにプラッターに対して正しい位置に保持することです。ハードディスクの読み取り/書き込みヘッドは小さすぎるため、より大きなユニットに取り付けないと使用できません。
スライダーは、プラッター上を正確に移動できるように特別な形状になっています。ハードディスクの読み取り/書き込みヘッドが小型化するにつれて、それを支えるスライダーも小型化しています。小型スライダーを使用する主な利点は、プラッターの表面を引っ張る重量が軽減され、位置決め速度と精度が向上することです。また、スライダーが小型化されると、ディスクの表面と接触する可能性のある表面積も小さくなります。各スライダーはヘッド アームに取り付けられ、プラッターの表面上を移動して、スライダーがかみ合うようにすることができます。
ヘッドアーム
ヘッド アームは薄い金属片で、通常は三角形をしており、読み取り/書き込みヘッドを搭載したヘッド スライダーが取り付けられています。読み取り/書き込みヘッドごとに 1 つのアームがあり、それらすべてが一列に並んでヘッド アクチュエータに取り付けられ、1 つのユニットを形成します。
つまり、アクチュエータが動くと、すべてのヘッドが同期して一緒に動きます。アーム自体は軽量で薄い素材で作られており、ドライブの内側から外側に素早く移動できます。新しい設計では、重量を減らしてパフォーマンスを向上させるために、ソリッドアームを構造形状に置き換えています。
新しいドライブは、より高速でスマートなアクチュエータと、より軽量で剛性の高いヘッド アームを使用することで、トラック間の切り替え時間を短縮し、シーク時間の短縮を実現しています。ハード ディスク業界の最近の傾向として、さまざまなドライブ ファミリでプラッタの数を減らすことが挙げられます。さまざまなファミリのフラッグシップ ドライブでも、1 年ほど前は 4 枚または 5 枚のプラッタが一般的でしたが、現在は 3 枚または 2 枚しかありません。
この傾向の理由の 1 つは、ヘッド アームの数が多いと、ランダム シークで非常に高速な位置決めを可能にするのに十分な精度のドライブを作るのが難しくなることです。これは、追加のアームによってアクチュエータ アセンブリの重量が増加するためと、すべてのヘッドの位置合わせに問題があるためです。
ヘッドアクチュエータ
アクチュエータはハードディスクの非常に重要な部分です。トラックからトラックへの切り替えは、ハードディスク上でアクティブな動きを必要とする唯一の操作だからです。ヘッドの切り替えは電子的な機能であり、セクターの切り替えには、正しいセクター番号が回転してヘッドの下に来るまで待つ必要があります。トラックの切り替えはヘッドをシフトする必要があることを意味し、この動きが迅速かつ正確に行われるようにすることが最も重要です。
アクチュエータは、ヘッド アームをプラッターの表面の異なるトラック、異なるシリンダーに配置するために使用されるデバイスです。すべてのヘッド アームは同期ユニットとして移動し、各アームはそれぞれの表面の同じトラック番号に移動します。ヘッド アクチュエータには、一般的に次の 2 種類があります。
2 つの設計の主な違いは、ステッピング モーターが絶対位置決めシステムであるのに対し、ボイス コイルは相対位置決めシステムである点です。
最新のハード ディスクはすべてボイス コイル アクチュエータを使用しています。ボイス コイル アクチュエータは、熱の問題に対してはるかに適応性が高く、影響を受けにくいというだけではありません。ステッピング モーターよりもはるかに高速で信頼性も高いのです。アクチュエータの位置決めは動的で、トラックの実際の位置を調べることによるフィードバックに基づいています。この閉ループ フィードバック システムは、サーボ モーターまたはサーボ ポジショニング システムとも呼ばれ、正確な位置決めが重要な何千ものさまざまなアプリケーションで一般的に使用されています。
スピンドルモーター
スピンドル モーターまたはスピンドル シャフトは、ハード ディスク プラッターを回転させてハード ドライブを動作させる役割を果たします。スピンドル モーターは、多くの場合は連続使用で数千時間にわたって安定した、信頼性が高く、一貫した回転力を提供し、ハード ディスクが適切に機能できるようにする必要があります。これは、多くのドライブ障害が実際にはデータ ストレージ システムではなくスピンドル モーターの障害であるためです。
ハードディスクのスピンドル モーターは、長寿命でデータを長期間安全に保つために、次の品質を備えている必要があります。
- 故障することなく、何千時間も稼働し、何千回もの起動と停止サイクルに耐えられるよう、高品質でなければなりません。
- ドライブ内のプラッターとヘッドの許容誤差が厳しいため、スムーズに動作し、振動が最小限でなければなりません。
- 過度の熱や騒音を発生してはなりません。
- 電力をあまり消費してはいけません。
- 適切な速度で回転するように速度を管理する必要があります。
これらの要求を満たすために、すべての PC ハードディスクはサーボ制御の DC スピンドル モーターを使用しています。ハードディスク スピンドル モーターは直接接続するように構成されています。ハードディスク プラッター スピンドルに接続するためのベルトやギアはありません。プラッターが取り付けられているスピンドルは、モーターのシャフトに直接取り付けられています。
プラッターにはスピンドルと同じサイズの穴が機械加工されており、適切な距離を維持し、ヘッド アームのためのスペースを確保するために、間にセパレーター リングを挟んでスピンドルに配置されます。スピンドル モーターが行う作業量は、次の要因によって異なります。
プラッターのサイズと数: プラッターが大きく、ドライブ内のプラッターの数が多いほど、モーターの回転質量が大きくなるため、より強力なモーターが必要になります。これは、高速ドライブでも同様です。
o 電源管理:今日、ユーザーは停止位置から動作速度まで素早く回転するハードディスクをますます望んでおり、そのためにはより高速で強力なモーターも必要です。
新しいハードディスクではスピンドル速度が重要な問題であると考えられており、高速スピンドル速度によってハードディスクから発生するノイズ、熱、振動の量を制御することもハードディスクの重要なポイントになっています。
新しいドライブの中には、特に 7200 および 10,000 RPM モデルでは、動作中にかなりの騒音を発する場合があります。可能であれば、購入する前にハードディスクの動作を確認して、騒音レベルを評価し、気になるかどうか確認することをお勧めします。これは、個々のドライブによって大きく異なります。発生する騒音は、同じファミリーであっても、個々のドライブによってある程度異なります。スピンドル モーターによって発生する熱は、最終的にハードディスクに損傷を与える可能性があるため、新しいドライブや新しいハードディスクでは、冷却にさらに注意が払われています。
コネクタとジャンパー
ハード ディスクには、ハード ディスクを構成してシステムの他の部分に接続するために使用されるさまざまなコネクタとジャンパーがあります。ハード ディスクのコネクタの数と種類は、システムへの接続に使用するデータ インターフェイス、ドライブの製造元、およびドライブが備えている特別な機能によって異なります。
一般的なジャンパーの設定手順は、通常、ドライブに直接印刷されています。ハード ディスク ドライブは、電源からの電源コネクタの 1 つを接続する標準の 4 ピン オス コネクタ プラグを使用します。これにより、4 線プラスチック コネクタがハード ディスクに +5 および +12 の電圧を供給します。
インターフェースには 2 つのタイプがあり、通常、最新のハードディスク ドライブではそのうちの 1 つが使用されます。
- IDE/ATA: 40 ピンの長方形コネクタを備えています。
- SCSI: 50 ピン、68 ピン、または 80 ピンの D 字型コネクタ。これら 3 つのピン番号はすべて、次のような異なるタイプの SCSI ディスクを表します。
- 50 ピン コネクタは、デバイスがナロー SCSI であることを意味します。
- 68 ピンはワイド SCSI を意味します。
- 80 ピンは、シングル コネクタ アタッチメント (SCA) を使用するワイド SCSI を意味します。
コネクタとジャンパー
ハードディスク ドライブのコネクタは、通常、2xN の長方形のピン グリッドの形をしています (N は、インターフェイスに応じて 20、25、34、または 40 です)。現在の SCSI インターフェイス コネクタのほとんどは D 字型であるため、誤挿入を防ぐためにキーが付いていますが、他のインターフェイスでは必ずしもそうではありません。
このため、差し込む前にケーブルの向きが正しいことを確認することが重要です。ケーブルにはワイヤ 1 を示す赤いストライプがあり、ハード ディスクは対応するピン 1 を示すために何らかの形のマーカーを使用します。
IDE/ATA ハード ディスクは、ジャンパーに関してはかなり標準的です。通常、ジャンパー設定は数個しかなく、ドライブごとに大きく変わることはありません。ハード ディスクで通常見られるジャンパー設定は次のとおりです。
ドライブ選択:同じ IDE チャネルにマスターとスレーブの 2 つのドライブが存在する場合があります。通常、ジャンパーを使用して、各ドライブが IDE チャネルでマスターとして機能するかスレーブとして機能するかを指定します。
チャネル上の 1 つのドライブの場合、ほとんどの製造元はドライブをマスターとしてジャンパー設定するように指示していますが、Western Digital などの一部の製造元では、スレーブがあるチャネル上のマスターではなく、1 つのドライブに対して別の設定があります。マスターとスレーブという用語は誤解を招きます。なぜなら、ドライブには実際には動作上の関係がないからです。
スレーブ存在:一部のドライブには、マスターとして構成されたドライブに、ATA チャネル上にスレーブ ドライブもあることを通知するために使用される追加のジャンパーがあります。これは、標準のマスター/スレーブ IDE チャネル シグナリングをサポートしない一部の古いドライブにのみ必要です。
ケーブル選択:一部の構成では、特別なケーブルを使用してどのドライブがマスターでどのドライブがスレーブであるかを判断します。このシステムを使用する場合、通常、ケーブル選択ジャンパーが有効になります。
サイズ制限ジャンパー:大容量のハード ディスク ドライブの中には、BIOS プログラムや大容量ハード ディスク サポートが認識しない古いコンピュータでは正常に動作しないものがあります。この問題を回避するために、一部のドライブには特別なジャンパーがあり、これを設定すると、互換性のために BIOS に実際のサイズよりも小さいサイズとして表示されます。
たとえば、 2.5 GB のハード ディスクの中には、2.1 GB を超える容量をサポートしないシステムに対して 2.1 GB のハード ディスクとして認識させるジャンパーが付いているものがあります。これらは容量制限ジャンパーと呼ばれることもあり、メーカーによって異なります。
Seagate Technology ハードディスクモデルのジャンパー設定例
SCSI ハード ディスクには IDE/ATA ハード ディスクよりも高度なコントローラが搭載されているため、SCSI には通常、動作を制御するために設定できるジャンパーが多数あります。また、ジャンパーの数とタイプは、メーカーやモデルによって大きく異なります。
通常、最も一般的で重要な SCSI ドライブ ジャンパーは次のとおりです。
SCSI デバイス ID: SCSI バス上のすべてのデバイスは、アドレス指定のために一意に識別される必要があります。Narrows SCSI ドライブには、ディスクに 0 から 7 までの ID 番号を割り当てるために使用できる 3 つのジャンパー セットがあります。Wide SCSI ドライブには、0 から 15 までの ID 番号を有効にする 4 つのジャンパーがあります。一部のシステムでは、SCSI デバイス ID を構成するためにジャンパーを使用しません。
SCSIドライブのジャンパー
終端のアクティブ化: SCSI バスの両端にあるデバイスは、バスが正常に機能するためにバスを終端する必要があります。ハード ディスクがバスの終端にある場合、このジャンパーを設定すると、バスが終端され、正常に動作します。すべてのドライブが終端をサポートしているわけではありません。
自動起動を無効にする:このジャンパーが存在する場合、電源が投入されたときにドライブが自動的にスピンアップしないように指示し、代わりに SCSI バス経由の起動コマンドを待機します。これは通常、電源の起動負荷が過剰になるのを防ぐために行われます。一部の製造元では、このジャンパーの意味を逆にして、デフォルトで起動を無効にし、自動起動を有効にするジャンパーを提供しています。
自動起動の遅延:このジャンパーは、ドライブを自動的に起動するように指示しますが、電源が投入されてから事前に定義された秒数待機します。また、多数のドライブがあるシステムでモーターの起動負荷を相殺するためにも使用されます。
スタガー スピン:多数のハード ドライブがあるシステムで各ユニットにこのオプションが設定されている場合、ドライブは、ユーザー定義の定数に SCSI デバイス ID を掛けて起動時間をずらします。これにより、同じ SCSI チャネル上の 2 つのドライブが同時に起動することがなくなります。
ナローまたはワイド:一部のドライブには、ナロー モードまたはワイド モードで動作するかを制御するジャンパーがあります。
Force SE: Ultra2、Wide Ultra2、Ultra160、Ultra160+ またはその他の LVD SCSI ドライブで、LVD (低電圧差動) ではなく、シングルエンド (SE) 操作を強制的に使用できるようにします。
パリティを無効にする:機能をサポートしていないホスト アダプタとの互換性を保つために、SCSI バス上のパリティ チェックをオフにします。
これはすべてではありません。多くの SCSI ドライブには、追加のジャンパーによって有効になる特別な機能がいくつかあります。一部のドライブでは、ジャンパーの一部を SCSI インターフェイス経由で送信されるソフトウェア コマンドに置き換えています。
ロジックボード
新しいハードディスク ドライブには、多くの機能と高速化が備わっており、開発は今も進行中です。これらすべての機能を制御し、ディスクの高性能機能を期待どおりの高度な方法で提供するために、すべての最新のハードディスクは、ハードディスク ユニットに統合されたインテリジェント回路基板を使用して製造されています。この回路基板は、ハード ディスク ロジック ボードと呼ばれます。ロジック ボードは、次の重要なコンポーネントを使用して、ハード ディスクにさまざまな機能と特徴を提供します。
- 制御回路
- センス、増幅、変換回路
- インターフェースハードウェア
- ファームウェア
- 複数のコマンドの制御と並べ替え
今日の PC ハード ディスクで最も一般的な 2 つのインターフェイスである IDE (Integrated Drive Electronics) と SCSI (Small Computer Systems Interface) は、どちらも統合コントローラを使用します。IDE インターフェイスのより正確な名前は、AT Attachment または ATA (Advanced Technology Attachment) です。最新のハード ディスクには、1980 年代半ばの PC 全体よりも多くのメモリとより高速な内部プロセッサを含む非常に高度なロジック ボードが搭載されています。
ロジック ボードは、以前よりもいくつかの重要な機能を実行します。そのため、ジオメトリ変換、高度な信頼性機能、より複雑なヘッド テクノロジ、より高速なインターフェイス、ディスク自体からのより高帯域幅のデータ ストリーミングなどの変更に対応するために、ロジック回路をより強力にする必要があります。
ハードディスクの内部ロジックボードには、マイクロプロセッサ、内部メモリ、およびドライブ内部の動作を制御するその他の構造と回路が含まれています。ドライブの制御回路の最も重要な機能は次のとおりです。
- スピンドルが正しい速度で動作していることを確認するなど、スピンドル モーターを制御します。
- アクチュエータのさまざまなトラックへの動きを制御します。
- すべての読み取りおよび書き込み操作を管理します。
- 電源管理機能を実装します。
- ジオメトリ変換の処理。
- 内部キャッシュとプリフェッチなどの最適化機能を管理します。
- ハードディスク インターフェイスを介した情報の流れ、複数の要求の最適化、読み取り/書き込みヘッドが必要とする形式へのデータの変換など、このセクションで説明した他の機能を調整および統合します。
- すべての高度なパフォーマンスと信頼性機能を実装します。
最近のハードディスクにはマイクロプロセッサが内蔵されており、そのほとんどにはマイクロプロセッサを実行するソフトウェアも内蔵されています。これらのルーチンは制御ロジックを実行し、ドライブを動作させます。実際、これらの命令は読み取り専用メモリに埋め込まれているため、これは従来の意味でのソフトウェアではありません。このコードは、ROM に埋め込まれた低レベルのハードウェアベースの制御ルーチンであるシステム BIOS に似ています。通常はファームウェアと呼ばれます。
これが、ファームウェアがハードウェアとソフトウェアの中間リンクと呼ばれることがある理由です。多くのドライブでは、ファームウェアはソフトウェア制御で更新できます。
キャッシュとキャッシュ回路
ハードディスクの統合キャッシュ (バッファとも呼ばれる) の機能は、比較的高速なデバイスと比較的低速なデバイスの間のバッファとして機能することです。ハードディスクの場合、キャッシュはディスクからの最近の読み取り結果を保持するために使用され、また、近い将来に要求される可能性のある情報 (たとえば、要求された直後のセクター) をプリフェッチするためにも使用されます。
したがって、このキャッシュの目的は、PC で使用される他のキャッシュとそれほど変わりませんが、通常は通常の PC キャッシュ階層の一部とは考えられていません。ディスク キャッシュについて一般的に話す場合、通常はハード ディスク内のこの小さなメモリ領域ではなく、ディスク システムへのアクセスをバッファリングするために確保されているシステム メモリのキャッシュを指していることを常に念頭に置いてください。
キャッシュを使用すると、繰り返しの読み取り時にディスクへの物理的なアクセス回数が減り、バスがビジー状態のときにディスクから中断なくデータをストリームできるため、ハード ディスクのパフォーマンスが向上します。最近のハード ディスクのほとんどは 512 KB ～ 2 MB の内部キャッシュ メモリを備えており、一部の高性能 SCSI ドライブでは 16 MB ものキャッシュ メモリも備えています。
ハードディスクのキャッシュは、ハードディスクとハードディスク インターフェイスの速度の大きな違いにより重要です。ハードディスク上のデータを見つけるにはランダムな配置が必要であり、ハードディスク アクチュエータが移動し、ディスクがスピンドル上で回転するため、数ミリ秒のペナルティが発生します。このため、ハードディスクには内部バッファがあります。
単純なキャッシュの動作の基本原理は単純です。ハードディスクからのデータの読み取りは、通常、一度に 512 バイトのセクター 1 つだけではなく、さまざまなサイズのブロック単位で行われます。キャッシュはセグメントまたは部分に分割され、各セグメントまたは部分に 1 つのデータ ブロックを含めることができます。
ハード ディスクからデータを要求すると、まずキャッシュ回路に問い合わせが行われ、キャッシュのセグメントにデータが存在するかどうかが確認されます。データが存在する場合、ハード ディスク プラッタにアクセスすることなくロジック ボードにデータが提供されます。データがキャッシュにない場合は、ハード ディスクから読み取られ、コントローラに提供され、再度要求された場合に備えてキャッシュに配置されます。
キャッシュのサイズには制限があるため、セグメントをリサイクルする前に保持できるデータの数には限りがあります。通常、最も古いデータが最新のデータに置き換えられます。これは、循環キャッシュ、先入れ先出しキャッシュ (FIFO)、またはラップアラウンド キャッシュと呼ばれます。
パフォーマンスを向上させるために、ほとんどのハードディスク製造元は現在、特にハイエンドの SCSI ドライブにおいて、キャッシュ管理回路の機能強化を実施しています。
アダプティブ セグメンテーション:従来のキャッシュは、同じサイズのセグメントに分割されます。さまざまなサイズのデータ ブロックの要求が行われる可能性があるため、一部のセグメントのキャッシュ ストレージの一部が余って無駄になる可能性があります。多くの新しいドライブは、各アクセスに必要なスペースの量に基づいてセグメントのサイズを動的に変更し、使用率を高めます。セグメントの数を変更することもできます。これは固定サイズのセグメントよりも処理が複雑で、スペースが適切に管理されていない場合は無駄になる可能性があります。
プリフェッチ:ドライブのキャッシュ ロジックは、ドライブのアクセスと使用パターンの分析に基づいて、まだ要求されていないが、すぐに要求されると予想されるキャッシュ データの一部をロードしようとします。通常、これは、統計的に次に要求される可能性が高いため、ディスクから読み取ったデータに加えて追加のデータをロードすることを意味します。正しく実行すると、パフォーマンスがある程度向上します。
ユーザー制御:ハイエンド ドライブには、ユーザーがドライブ キャッシュの操作を詳細に制御できる一連のコマンドが実装されています。これには、キャッシュの有効化または無効化、セグメントのサイズの設定、アダプティブ セグメンテーションとプリフェッチのオン/オフの切り替えなどが含まれます。
内部バッファは明らかにパフォーマンスを向上させますが、制限もあります。ディスクのさまざまな部分にあるデータにランダム アクセスを頻繁に行う場合、内部バッファはあまり役に立ちません。ディスクが最近データをロードしていない場合、そのデータはキャッシュに存在しないからです。
バッファは、ディスクから大量のデータを読み取る場合にもあまり役に立ちません。これは、通常、50 MB のファイルをコピーする場合、バッファは非常に小さいためです。たとえば、512 バイトのバッファを持つ一般的なディスクでは、ファイルのごく一部がバッファ内にあり、残りはディスク自体から読み取る必要があります。
これらの制限により、キャッシュはシステム全体のパフォーマンスに、あなたが考えるほど大きな影響を与えません。キャッシュがどの程度役立つかは、ある程度はキャッシュのサイズによって決まりますが、少なくとも回路の知能によって決まります。これは、ハードディスク全体のロジックと同じです。また、ロジック全体と同様に、特定のドライブのキャッシュ ロジックがどのようなものかを正確に判断することは、多くの場合困難です。ただし、ディスクのキャッシュのサイズは、システムのパフォーマンスを向上させる全体的な影響にとって重要です。
ハード ディスクからの読み取りのキャッシュとハード ディスクへの書き込みのキャッシュは、いくつかの点で似ていますが、他の点では非常に異なります。高速なコンピューターをハード ディスクの低速なメカニズムから切り離すという全体的な目的は同じです。重要な違いは、書き込みではハード ディスクに変更が加えられるのに対し、読み取りでは変更が加えられないことです。
書き込みキャッシュがない場合、ハード ディスクへの書き込みのたびに、システムがハード ディスク上の正しい場所にアクセスしてデータを書き込むのを待機する間、パフォーマンスが低下します。ほとんどのドライブでは、この処理に少なくとも 10 ミリ秒かかります。これはコンピュータの世界では長い時間であり、システムがハード ディスクを待機している間、パフォーマンスが大幅に低下します。この動作モードは、ライトスルー キャッシュと呼ばれます。
書き込みキャッシュが有効になっている場合、システムがハード ディスクに書き込みを送信すると、ロジック回路は書き込みをはるかに高速なキャッシュに記録し、プロセスの完了を確認する応答をすぐにオペレーティング システムに送り返します。システムの残りの部分は、アクチュエータの位置が決まり、ディスクが回転するのを待つことなく、そのまま処理を進めることができます。これは、データがキャッシュに保存され、後でプラッターに書き戻されるため、ライトバック キャッシュと呼ばれます。ライトバック機能により、パフォーマンスが向上するのは言うまでもありません。
キャッシュ メモリは揮発性であるため、電源が切れるとその内容は失われます。キャッシュ内にまだディスクに書き込まれていない保留中の書き込みがあった場合、それらは永久に失われ、ハード ディスクによって完了が通知されるため、システムの残りの部分はこれを知る方法がありません。したがって、一部のデータが失われるだけでなく、システムはどのデータが失われたのか、またはそれが起こったことさえ知りません。最終的には、ファイルの一貫性の問題、オペレーティング システムの破損などが発生する可能性があります。このリスクのため、状況によっては書き込みキャッシュがまったく使用されません。
これは、高いデータ整合性が重要なアプリケーションに特に当てはまります。ただし、書き込みキャッシュによってパフォーマンスが向上するため、リスクがあるにもかかわらず書き込みキャッシュの使用が増えており、追加のテクノロジの使用によってリスクが軽減されています。
最も一般的な方法は、単に電源が切れないようにすることです。さらに安心するために、書き込みキャッシュを採用している高性能ドライブには、キャッシュ内の保留中の書き込みをすぐにディスクに書き込むようにドライブに指示する書き込みフラッシュ機能があります。これは、システムによって電源中断が検出された場合、UPS のバッテリーが切れる前に、または他の理由でシステムがシャットダウンされる直前に通常送信されるコマンドです。
低レベルのハードディスクジオメトリ
低レベルのハードディスク ジオメトリについて言う場合、ディスクの物理的な回路についてはあまり考慮していません。ここでは、上記のディスクのトラブルシューティングとデータ回復プログラミングを理解するために、これから扱う用語について説明します。
低レベルのハードディスク ジオメトリは、通常、次の用語に関係します。
- 追跡
- シリンダー
- セクタ
- 頭または側面
低レベルのハードディスクジオメトリ
ハードディスクのプラッタには、データを記録するための 2 つの面があります。プラッタの各面には目に見えない同心円があり、ハードディスクのフォーマット時に磁気情報として表面に書き込まれます。これらの円はトラックと呼ばれます。ハードディスクに保存されるすべての情報はトラックに記録されます。トラックには番号が付けられ、プラッタの外側から 0 から始まり、内側に行くにつれて番号が大きくなります。
トラックとシリンダーの最大数については、次の章で詳しく説明します。ただし、現時点では、シリンダー、トラック、ヘッド (サイド)、セクターの最大数の物理的な低レベル ジオメトリに関する知識を得ることができます。
| 名前 |
開始 |
終了制限 |
総数 |
| シリンダー |
0 |
1023 |
1024 |
| ヘッド |
0 |
255 |
256 |
| セクター |
1 |
63 |
63 |
ハードディスクのプラッターの表面では、ヘッドをディスクの内側から外側へ移動させることでデータにアクセスします。このデータの構成により、ディスクのどの部分にも簡単にアクセスできるため、ディスクはランダム アクセス ストレージ デバイスと呼ばれます。
低レベルハードディスクジオメトリトラック
各トラックには数千バイトのデータが保存でき、通常このストレージは 5000 バイト以上です。したがって、トラックをディスク上のストレージの最小単位にすると、ディスク スペースが無駄になります。これを行うと、5000 バイト未満のサイズの小さなファイルがスペースを無駄にし、通常、このサイズよりもはるかに小さいファイルがディスク内に多数存在する可能性が高くなります。
このようにトラックをストレージの最小単位にすると、小さなファイルによって大量のスペースが無駄になります。そのため、各トラックはセクターと呼ばれる小さな単位に分割されます。各セクターのサイズは 512 バイトです。つまり、セクターには 512 バイトの情報を保存できます。
したがって、ハード ディスク上のデータ ストレージの基本単位はセクターです。セクターという名前は、2 つの辺が半径で囲まれ、3 つ目の辺が円の周囲で囲まれた円のパイ形の角張ったセクションを指します。次の図は、トラック上のセクターを表す論理図です。
したがって、同心円状のトラックを含むハードディスクでは、その形状は、インターセプトされたプラッター表面の各トラックのセクターを定義します。ハードディスクの世界では、これがセクターと呼ばれ、トラックの長さに沿った小さなセグメントです。
標準によれば、ハードディスクの各セクターには 512 バイトのユーザー データを保存できます。ただし、実際にはセクターには 512 バイトよりはるかに多くの情報が保存されます。ドライブの管理、データの検索、その他のサポート機能の実行に必要な制御構造やその他の情報には、追加のバイトが必要です。
セクターの構造の詳細は、ドライブのモデルと製造元によって異なります。ただし、セクターの内容には通常、次の一般的な要素が含まれます。
ID 情報:従来、各セクターにはセクターの番号と位置を識別するためのスペースが残されています。これはディスク上のセクターの位置を特定するために使用され、この領域にはセクターのステータス情報も含まれます。たとえば、セクターが不良としてマークされ、再マップされたかどうかを示すために、ビットが一般的に使用されます。
同期フィールド:これらは、読み取りプロセスをガイドするためにドライブ コントローラによって内部的に使用されます。
データ:セクター内の実際のデータ。
エラー訂正コード (ECC):エラー訂正コードはデータの整合性を確保するために使用されます。
ギャップ:ギャップは基本的に、セクターの他の領域を分離するために必要に応じて追加される 1 つ以上のスペーサー、または、さらにビットを読み取る前にコントローラーが読み取った内容を処理する時間を確保するために使用されます。
前述の項目を含むセクターに加えて、各トラックのスペースはサーボ情報にも使用されます。オーバーヘッド項目用に各セクターが占めるスペースの量は重要です。この管理に使用されるビット数が多いほど、データに使用できる全体的なスペースが少なくなるためです。
これが、ハードディスク製造業者がディスクに保存しなければならない非ユーザー データ情報の量を削減しようと努力している理由です。前述のように、他のものに対してデータに使用される各ディスク上のビットの割合は、フォーマット効率と呼ばれます。したがって、フォーマット効率が高いことは、ドライブに期待される機能です。
今日のフォーマット効率を高めるための最新のアプローチでは、セクター フォーマットから ID フィールドが削除され、セクター ヘッダー内の各セクターにラベルを付ける代わりに、フォーマット マップがメモリに保存され、セクターを見つける必要があるときに参照されます。
このマップには、不良としてマークされ、サーボ情報の位置などに対するセクターの相対位置が再設定されたセクターに関する情報も含まれています。このアプローチにより、フォーマット効率が向上し、各プラッターの表面に保存できるデータが最大 10% 増加するだけでなく、パフォーマンスも向上します。この重要な位置情報は高速メモリに存在するため、はるかに迅速にアクセスできます。
ハードディスク HD HDD ドライブ 物理回路構造
ハード ディスクの各プラッターは、データの記録と読み取りに 2 つのヘッド (一部の特殊なケースを除く) を使用します。1 つはプラッターの上部用、もう 1 つは下部用です。プラッターにアクセスするヘッドは、ヘッド アームのアセンブリ上で一緒にロックされているため、すべてのヘッドが一緒に出し入れされ、各ヘッドは常に物理的に同じトラック番号に配置されます。
このため、1 つのヘッドをトラック 0 に配置し、別のヘッドをトラック 1,000 に配置することはできません。この配置のため、ヘッドのトラック位置はトラック番号ではなくシリンダー番号と呼ばれることがよくあります。
シリンダーは基本的に、すべてのヘッドが現在位置するすべてのトラックのセットです。ディスクに 4 つのプラッターがある場合、通常は 8 つのヘッドがあります。ここで、シリンダー番号が 720 であると仮定します。
ハードディスクドライブのシリンダーの物理的回路の幾何学的構造
これは、プラッターの表面ごとに 1 つずつ、合計 8 セットのトラックで構成され、トラック番号は 720 です。この名前は、前述の図に示すように、これらのトラックが同じサイズの円を空間内で積み重ねて骨格の円筒を形成することから来ています。
ディスクの要素のアドレス指定は、従来、シリンダー、ヘッド、セクター (CHS) を参照して行われます。
書式設定
すべてのストレージ メディアは、使用する前にフォーマットする必要があります。フォーマットに使用するユーティリティは、ハード ディスクで使用する場合とフロッピー ディスクで使用する場合で動作が異なります。ハード ディスクのフォーマットには、次の手順が含まれます。
パーティショニング:
このプロセスでは、ディスクを論理部分に分割し、異なるハードディスク ボリュームまたはドライブ文字を割り当てます。
ハード ドライブのパーティション分割は、ハード ドライブを整理するための最も効果的な方法の 1 つです。パーティションは、ディレクトリやファイルよりも一般的なレベルの整理を提供します。また、データをオペレーティング システムやアプリケーションから分離することで、セキュリティも強化されます。
パーティションを使用すると、定期的にバックアップする必要があるデータ ファイルをプログラム ファイルやオペレーティング システム ファイルから分離できます。ディスクに複数のオペレーティング システムをロードする場合は、ハード ドライブのパーティション分割が必須になります。そうしないと、ほとんどの場合、データが失われる可能性があります。
ハード ドライブの最初のセクターにはパーティション テーブルが含まれています。このパーティション テーブルには、4 つのパーティションを記述するスペースしかありません。これらはプライマリ パーティションと呼ばれます。これらのプライマリ パーティションの 1 つは、追加のパーティションのチェーンを指すことができます。このチェーン内の各パーティションは、論理パーティションと呼ばれます。次の章では、論理アプローチによるパーティションの基本について詳しく説明します。
高レベルのフォーマット:
パーティション上の論理構造を定義し、必要なオペレーティング システム ファイルをディスクの先頭に配置します。この手順もオペレーティング システム レベルのコマンドです。
DOS の FORMAT コマンド (FORMAT.COM) は、ハードディスクで使用する場合とフロッピー ディスクで使用する場合で動作が異なります。フロッピー ディスクは単純な標準ジオメトリを持ち、パーティション分割できないため、FORMAT コマンドは、必要に応じてフロッピー ディスクの低レベル フォーマットと高レベル フォーマットの両方を自動的に実行するようにプログラムされていますが、ハードディスクの場合は、FORMAT は高レベル フォーマットのみを実行します。
低レベル フォーマットが完了すると、トラックとセクターはあるものの、何も書き込まれていないディスクが作成されます。高レベル フォーマットは、ディスクにファイル システム構造を書き込むプロセスであり、これによりディスクはプログラムとデータの保存に使用できるようになります。
DOS を使用している場合は、FORMAT コマンド (つまり、FORMAT.COM) がその役割を果たし、DOS ブート レコード ファイル アロケーション テーブルやルート ディレクトリなどの構造をディスクに書き込みます。ハードドライブがパーティション分割された後に、高レベルフォーマットが実行されます。
フォーマット済みおよび未フォーマットのストレージ容量
ハード ドライブの合計容量は、フォーマット済みの容量か未フォーマットの容量かによって異なります。ハード ドライブ上のスペースの一部は、セクターの始まりと終わり、ECC (エラー訂正コード)、およびその他のサービス情報を示すフォーマット情報によって占有されます。このため、その差はかなり大きくなる可能性があります。
通常、ユーザーによって低レベルフォーマットされた古いドライブでは、サイズはフォーマットされていない容量の単位でリストされることがよくありました。
たとえば、 1980 年代初頭にオリジナルの IBM PC/XT で使用された最初のドライブである Seagate ST-412 を考えてみましょう。このモデル番号の「12」は、ドライブの未フォーマット容量が 12.76 MB であることを意味します。フォーマットされたディスクの実際の容量は 10.65 MB です。
ハード ドライブの未フォーマット容量は、通常、フォーマット済み容量より 19% (19 パーセント) 大きくなります。フォーマットされていないドライブは誰も使用できないため、重要なのはフォーマットされた容量だけです。そのため、最近のドライブは製造元によって常に低レベルフォーマットされています。
ハードディスクの容量は、次の 4 つの方法で表すことができます。
- フォーマットされた容量（百万バイト単位）
- フォーマットされた容量（メガバイト）
- 未フォーマットの容量（百万バイト単位）
- 未フォーマット容量（メガバイト）
ここで、C–H–S = 1024*63*63 (つまり、ドライブのシリンダー数 = 1024、ヘッドまたはサイド数 = 63、トラックあたりのセクター数 = 63) のハード ドライブがあり、各セクターが 512 バイトであるとします。ディスク サイズを計算する式は次のとおりです。
ディスクの合計サイズ (バイト) = (シリンダ) X (ヘッド) X (セクター) X (セクターあたりのバイト数) |
この式によれば、このハードドライブのサイズをバイト単位で計算すると、次のようになります。
= 1024 × 63 × 63 × 512
= 2080899072 バイト
ディスクのサイズを百万バイト単位で計算すると、およそ
= 2080,899072
約 20 億 8,100 万バイト
伝統的に、サイズは百万バイト単位で M と表記されます。したがって、私のディスクのサイズは百万バイト単位で約 2081 M になります。
しかし、ハード ドライブの容量をメガバイトで指定すると、1985 のような値になり、1985 Meg と表記されます。
したがって、ディスク容量を百万バイト単位で計算する一般的な式は次のようになります。
ディスク容量をメガバイト単位で計算する一般的な式は次のようになります。
