ハードディスクドライブ(HDD)の仕組みを図解で解説

ハードディスクドライブ(HDD)の仕組みを図解で解説




ハードディスクドライブ(HDD)の仕組みを図解で解説

ハードディスクドライブ(HDD:Hard Disk Drive:以降、HDDと呼ぶ)はコンピュータの仮想記憶装置の一つです。

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いる一方で、CPUから遠くに位置する記憶装置は

  • 低速な命令・データの転送
  • 大容量

という特徴を持っています。

コンピュータの記憶階層

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この記事では、補助記憶装置であるHDDの

  • 基本構造
  • 基本動作

それぞれについて説明、最後に人気HDDを見ていきます。

HDDの基本構造

HDDの基本構造

HDDの基本構造は、表側には

  • ディスク(プラッタ)
  • 磁気ヘッド
  • アクチュエータ 等々

があり、裏側には

  • 制御基板

があります。

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1 ~ 4枚のディスク(プラッタ)が一つの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

トラックはディスク(プラッタ)の

  • 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)の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。

セクタはHDDの最小記録単位です。

下記条件のHDDの容量を計算して見ます。

シリンダ1シリンダのトラック数1トラックのセクタ数1セクタの記憶容量
(バイト)
1,50054,9821,4364,096 バイト

このHDDの容量は

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

となります。

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磁気ヘッド

磁気ヘッドは

  • 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)の片面に一つずつディスク(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一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、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。

磁気ヘッドや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と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の基本動作

HDDの基本動作

HDD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、目的のトラックに磁気ヘッドを誘導
  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

という一連の流れになります。

つまり、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 となります。

HDD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。

How do hard drives work? – Kanawat Senanan

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

人気HDD

人気HDD

人気内蔵HDDを

  • 2.5インチ
  • 3.5インチ

それぞれ紹介します。

内蔵HDD 2.5インチ

2020年6月時点における人気内蔵HDD(2.5インチ)ベスト3は

  • MQ04ABD200
  • MQ04ABF100
  • ST2000LX001

になります。

MQ04ABD200

スペック
メーカー東芝(TOSHIBA)
容量2TB
回転数5400 rpm
インターフェイスSerial ATA600
厚さ9.5 mm

MQ04ABF100

スペック
メーカー東芝(TOSHIBA)
容量1TB
回転数5400 rpm
インターフェイスSerial ATA600
厚さ7 mm
ディスク枚数1 枚

ST2000LX001

スペック
メーカーSEAGATE(シーゲイト)
容量2TB
回転数5400 rpm
インターフェイスSerial ATA600
厚さ7 mm
ディスク枚数2 枚
キャッシュ128MB
ハイブリッドHDD
フラッシュメモリタイプMLC
フラッシュメモリ容量8 GB

内蔵HDD 3.5インチ

2020年6月時点における人気内蔵HDD(3.5インチ)ベスト3は

  • ST8000DM004
  • WD60EZAZ-RT
  • WD40EZRZ-RT2

になります。

ST8000DM004

スペック
メーカーSEAGATE(シーゲイト)
容量8TB
回転数5400 rpm
インターフェイスSerial ATA600
キャッシュ256MB
ディスク枚数4枚

WD60EZAZ-RT

スペック
メーカーWESTERN DIGITAL(ウエスタンデジタル)
容量6TB
回転数5400 rpm
インターフェイスSerial ATA600
キャッシュ256MB

WD40EZRZ-RT2

スペック
メーカーWESTERN DIGITAL(ウエスタンデジタル)
容量4TB
回転数5400 rpm
インターフェイスSerial ATA600
キャッシュ64MB

以上、

  • HDDの基本構造
  • HDDの基本動作
  • 人気HDD

についての説明になります。

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