ハードディスクの構造〜基本情報技術者合格のための学習法〜

HDD基本情報

ハードディスクとその他の補助記憶装置

 ハードディスクの「ハード」とは文字通り「硬い」ディクス(プラッタ)を使用しています。
 逆に現在ではほとんど見かけなくなりましたが、「フロッピーディスク」の「フロッピー」とは、「弱い」ディスクという意味で、フィルム状のペラペラなディスクが入っています。
 

ハードディスクの構造と記憶方法

 ハードディスク(磁気ディスク)は、高速回転しているディスクに磁気ヘッドを使って情報を読み書きしています。
ハードディスクの構造は構造はこの様になっています。

ディスク(プラッタ)

 金属やガラスでできている硬い円盤。表面に磁性体が塗布されていて、磁化することで情報を記録ができます。

アクセスアーム

 先端に磁気ヘッドがついてるアーム。ディスク上の目的地まで磁気ヘッドを運義ます。

磁気ヘッド

 アクセスアームの先端についている微小な電磁コイル。ディスク表面の磁性体を磁化させたり読み取ったりします。

セクタとトラック

フォーマット(初期化)を行うことによりプラッタの上にデータを記録するための領域が作成されます。

セクタ

領域(プラッタ)の扇状に分かれた最小範囲です。
データはセクタを最小単位として書き込まれます。

一つのセクタに収まりきらないデータは複数のセクタを使って書き込まれます。
セクタ内で余ってしまった領域は書き込まれない無駄な部分となります。

トラック

セクタを複数集めた1周分の領域です。

シリンダ

複数の同心円状のトラックをまとめたものです。

クラスタ

OSがファイルを読み書きする際に、複数のセクタを1ブロックとみなしたものです。

ハードディスクの記憶容量算出方法

例)
シリンダ数1500
1シリンダあたりのトラック数20
1トラックあたりのセクタ数40
1セクタあたりのバイト数512

1トラックの容量

20480バイト = 512バイト(セクタ) * 40個(トラック)

1シリンダの容量

409600バイト = 20480バイト(トラック容量) * 20(トラック数)

総容量

614400000バイト(614.4MB) = 409600バイト(シリンダ容量) * 1500個(シリンダ数)

データへのアクセスにかかる時間

データへアクセスするハードディスクの作業は次の3段階の手順を踏みます

  1. シーク(位置決め)
    アクセスアームを動かして、磁気ヘッドを目的のデータが書かれているドラック位置まで運びます。
  2. サーチ(回転待ち)
    ディスクの回転に伴い、目的のデータが、磁気ヘッドの位置まで回ってくるのを待ちます。
    「1.2.」の区間を待ち時間と呼びます。
  3. データ転送
    セクタに書かれたデータを読み込みます。

ハードディスクからデータを読み出すアクセス時間の計算方法

例)ハードディスクの場合の5,000バイトのデータを読み出す場合のアクセス時間
回転速度5000回転/分
平均シーク時間20ミリ秒
1トラックあたりの記憶容量15000バイト

平均サーチ時間

1分 = 60000ミリ秒
計算するために単位を合わせます。
60000ミリ秒 / 5000回転(回転速度) = 12ミリ秒(1回転する時間)
12ミリ秒 / 2 = 6ミリ秒

サーチ時間の最短 = 磁気ヘッドの真下に読み込み位置があって待ち時間が0の場合
サーチ時間の最長 = 磁気ヘッドが読み込み位置を通り過ぎた直後で、待ち時間が1回転する場合
つまり最短と最長(1/2回転)するのが平均です。

データ転送時間

15000バイト(1トラックあたりの記憶容量) / 12ミリ秒(平均サーチ時間) = 1250バイト/ミリ秒(1ミリ秒あたりの転送量)

5000バイト(読み出すデータ量) / 1250バイト/ミリ秒(1ミリ秒あたりの転送量) = 4ミリ秒

アクセス時間

20ミリ秒(平均シーク時間) + 6ミリ秒(平均サーチ時間) + 4ミリ秒(データ転送時間
) = 30ミリ秒

フラグメンテーション

ハードディスクに書き込みや消去を繰り返していくと、連続した空き容量が減り、ファイルが断片化してしまうことです

デフラグメンテーション

 断片化したファイルのデータを連続した領域に並べなおして、フラグメンテーションを解消する方法です。

RAID

複数のハードディスクを組み合わせることで、ハードディスクの速度や信用性を向上させます。

RAIDの代表的な種類とその特徴

RAID0(ストライピング)

 ひとつのデータを2台以上のディスクに分散させて書き込見ます
複数のディスクに分散させて、書くので、高速化を吐かれますが、1台でも故障すると全ファイルが失われ、信頼性は低いです。

RAID1(ミラーリング)

  2台以上のディスクに対して常に同じデータを書き込見ます。
複数のディスクに同じデータがあるので、常時バックアップがある状態です。
使用できるディスク領域は半分になりますが、1台が故障してもそのまま使えるので、信頼性は高いです。

RAID5

  3台以上のディスクを使って、データと同時にパリティと呼ばれる誤り訂正符号も分散させて書き込見ます。
複数のディスクに分散させてデータを書くとともに、そのパリティ情報を別のディスクに保存するので、1台が故障してもパリティ情報を使用してデータの復元ができます。

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外付けハードディスク

内蔵型

ハードディスク以外の補助記憶装置

補助記憶装置

駆動装置から記憶媒体を簡単に取り外せるものをリムーバブルメディアと呼びます。
リムーバブルメディアは、バックアップやソフトウェアの配布媒体として広く利用されています。

光ディスク

 レーザ光線によってデータの読み書きを行います。

CD(Compact Disc)
 直径12cmの光ディスクで、記憶容量は650MBと700MBの2種類があります。

種類説明
CD-ROM再生専用型のCDです(書き込みができない読み込み専用)
CD-R追記型のCDです(一度だけ書き込める)
CD-RW何度でも書き換え可能型のCDです(何度も書き換えができる) 

CD

DVD(Digital Versatile Disc)
CDよりも波長の短い赤色レーザで記録するため、ピットの高密度化が可能になってより、大容量を実現しています。

種類説明
DVD-ROM再生専用型のDVDです
DVD-R追記型のDVDです
DVD-RW書き換え可能型のDVDです(追記は出来なく一度全てのデータを消去します。)
DVD-RAM書き換え可能型のDVDです(追記が可能です。)

DVD

光磁気ディスク(MO:Magneto Optical disk)
 レーザ光線と磁気によってデータの読み書きを行います。

磁気テープ
 磁性体が塗布された「テープ状のフィルムに、時期を使って読み書きを行う」カセット型の記憶媒体です。
ブロックごとにスタート、ストップすることをせず、連続してデータの読み書きを行うものをストリーマと呼びます。

フラッシュメモリ
 EEPROMの一種を補助記憶媒体に転用したものです。これを代表したものにメモリーカードやUSBメモリがあります。

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