【図解・動画あり】HDD(補助記憶装置)の仕組み




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【図解あり】HDD(補助記憶装置)の仕組み

HDD(Hard Disk Drive)はコンピュータの仮想記憶装置1つです。

コンピュータにおいては

  • プログラムの命令・データの処理を実行する装置 ➡️ CPU
  • プログラムの命令・データを保存する装置 ➡️ 記憶装置

それぞれ役割が分担されており、CPUの近くに位置する記憶装置ほど

  • 高速な命令・データの転送
  • 小容量

という特徴を持っており、逆にCPUから遠くに位置する記憶装置

  • 低速な命令・データの転送
  • 大容量

となります。

コンピュータの記憶階層

メモリ(主記憶装置)とHDD・SSD(補助記憶装置)では

  • レイテンシ(latency)
  • スループット(Throughput)
  • 揮発性か否か

が、大きな違いになっています。

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この記事では補助記憶装置であるHDD(Hard Disk Drive : ハード・ディスク・ドライブ)の

  • 基本構造
  • 基本動作

を説明していきます。

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HDD(Hard Disk Drive)の基本構造

HDD(Hard Disk Drive)の基本構造

HDD(ハード・ディスク・ドライブ)の内部構造は

  • 表側に
    • ディスク(プラッタ)
    • 磁気ヘッド
    • アクチュエータ 等々
  • 裏側に「制御基板

となっています。

HDD(Hard Disk Drive)の基本構造

HDD(Hard Disk Drive)の基本構造

ディスク(プラッタ)

ディスク(プラッタ)は、

  • ガラス
  • アルミニウム
  • セラミック 等

の硬い基盤の上に磁性体を塗布したものです。

磁性体・・・磁性のある物質。
磁性とは、「磁気を帯びた物体が示す性質」の事を指します。

容量に応じて一般的に14枚のディスク(プラッタ)1つのHDDの中に重なって入っています。

ディスク(プラッタ)の記録面は細分化して管理されています。
細分化では

  • トラック
  • シリンダ
  • セクタ

と定義した単位で行います。  

ディスク(プラッタ)

トラック

トラックディスク(プラッタ)

  • 両面に存在
  • 記録面を外側から内側に向かって同心円状に分割
  • 分割されたドーナツ状の記録領域

を指します。

シリンダ

シリンダとは複数のディスク(プラッタ)記録面にまたがる同一位置のトラックを仮想的に積み重ねて構成した円筒形を指します。

セクタ

トラックをさらに放射状に等分した領域をセクタと言います。 
セクタHDD(ハード・ディスク・ドライブ)の最小記録単位です。

下記の内容のHDD(ハード・ディスク・ドライブ)があるとします。

シリンダ 1シリンダのトラック 1トラックのセクタ 1セクタの記憶容量(バイト)
1,500 54,982 1,436 4,096 バイト

このHDD(ハード・ディスク・ドライブ)の容量は

4,096 バイト(Byte) ✖️ 1,436 ✖️ 54,982 ✖️ 1,500
= 485,094,309,888,000 バイト(Byte)(500 ギガ・バイト(G・Byte))

となります。

磁気ヘッド

磁気ヘッド

  • スイングアームの先端に取り付けられた形態
  • ディスク(プラッタ)の片面に1つずつディスク(プラッタ)を挟むように配置

されています。

全てののスイングアームは、1つのスイングアーム回転軸に固定されており、全ての磁気ヘッドは同じ動きでディスク(プラッタ)上を移動します。

磁気ヘッド

HDD(ハード・ディスク・ドライブ)へのアクセス (読み出し・書き込み) は、高速回転するディスク(プラッタ)上をスイングアームによって移動し、磁気ヘッドによって行われます。

磁気ヘッド

アクチュエータ

アクチュエータ(actuator)とは、日本語で駆動装置という意味です。

磁気ヘッドスイングアーム自体を動作させている箇所になります。

制御基板

HDD(ハード・ディスク・ドライブ)内部の裏側には制御基板が取り付けられており、

  • データ読み書き等の制御装置
  • モーターの制御装置
  • キャッシュメモリ 等々

のチップが搭載されています。

キャッシュメモリ・・・CPUがデータや命令などの情報を取得・更新する際のCPU記憶装置の性能差を埋めるために用いる高速小容量メモリ

HDD(Hard Disk Drive)の基本動作

HDD(Hard Disk Drive)の基本動作

HDD(ハード・ディスク・ドライブ)の動作はデータへのアクセスのみです。

  • データの書き込み
  • データの読み込み

に限られます。

HDD(ハード・ディスク・ドライブ)のデータの読み書きは

  1. シーク(seek:探す) ➡️ 位置の決定
    スイングアームを動作させることで、目的のトラック磁気ヘッドを誘導
  2. サーチ(search:検索する) ➡️ 回転待ち
    ディスク(プラッタ)の回転にともなって目的のデータが磁気ヘッドの位置まで回って来るまで待機
  3. データの転送
    セクタに書かれたデータの読み込みを開始
データへのアクセス時間 = シーク時間 + サーチ時間 + データの転送時間

HDD(ハード・ディスク・ドライブ)の基本動作について分かりやすい動画をTED Edが公開しています。

英語での説明になりますので、字幕を日本語に設定する事で、日本語でも理解出来ます。

TED Ed

How do hard drives work? – Kanawat Senanan

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