Do zapamiętywania olbrzymich ilości danych współczesne komputery wykorzystują pamięć masową (ang. mass storage, mass memory) opartą na technologii dysków magnetycznych i optycznych. Idea działania tych urządzeń jest podobna - informacja zostaje zapisana w postaci binarnej na nośniku o kształcie dysku, skąd jest później odczytywana przez specjalne głowice. Odczytane dane są wstępnie gromadzone w wewnętrznym buforze pamięciowym, a następnie przesyłane przez porty wejścia/wyjścia do komputera. Zaletą pamięci dyskowych jest duża pojemność informacyjna sięgająca setek GB dla dysków magnetycznych i dziesiątek GB dla dysków optycznych (np. technologia bluray). Dodatkowo dyski optyczne są wymienne, co daje dostęp do nieograniczonej ilości danych - muzyki, filmów, gier lub programów narzędziowych, prezentacji, itp. W stosunku do dysków optycznych, dyski magnetyczne charakteryzują się większą szybkością zapisu i odczytu danych, natomiast zapis na dyskach optycznych wymaga specjalnych urządzeń - nagrywarek CD/DVD/BluRay.

Poniżej prezentujemy uproszczone zasady działania dysków magnetycznych i optycznych.

Dyski magnetyczne

Jeśli przez przewodnik (ang. conductor) przepuścimy prąd elektryczny (ang. electric current), to ruch elektronów spowoduje powstanie wokół tego przewodnika pola magnetycznego (ang. magnetic field).

Zjawisko to wykorzystano do konstrukcji elektromagnesu, zbudowanego z wielu zwojów przewodnika, który wytwarza biegunowe pole magnetyczne. Dodatkowo w środku zwojów wstawiany jest rdzeń (ang. core) z materiału dobrze przewodzącego pole magnetyczne, czyli z tzw. ferromagnetyka. Dzięki rdzeniowi pole staje się jeszcze silniejsze.

Ponieważ w elektromagnesie pole powstaje dzięki przepływowi prądu elektrycznego przez zwoje przewodnika, to możemy w prosty sposób sterować wytwarzanym polem magnetycznym przez włączanie, wyłączanie lub zmianę kierunku płynięcia prądu elektrycznego. Jeśli w polu magnetycznym umieścimy przedmiot zbudowany z miękkiego ferromagnetyka (materiału łatwo magnesowalnego), to materiał ten sam stanie się magnesem i będzie wytwarzał własne pole magnetyczne, nawet po zaniku pola, które go namagnesowało. Możesz zrobić prosty eksperyment - weź śrubokręt i potrzyj go o dowolny magnes - śrubokręt zacznie przyciągać małe metalowe przedmioty - czasem może to być bardzo pożyteczne - odkręcona śrubka nie odpadnie od końcówki śrubokręta.

Śrubokręt "zapamiętał" to, iż wcześniej znajdował się w polu magnetycznym.

Istnieje również zjawisko odwrotne do opisanego. Jeśli pole magnetyczne porusza się względem przewodnika lub zmienia się w czasie, to w przewodniku powstaje siła elektromotoryczna (ang. electromotoric force), czyli po prostu napięcie elektryczne (oczywiście na końcach przewodnika). Gdy przewodnik uformujemy w zamknięty obwód, to pod wpływem powstałego napięcia popłynie przez przewodnik prąd elektryczny. Dzięki temu zjawisku możesz korzystać w domu z dobrodziejstw energii elektrycznej - w ten właśnie sposób generatory napędzane turbinami tworzą prąd elektryczny w elektrowniach.

Prąd elektryczny można wykryć przy pomocy odpowiednich układów elektronicznych, zatem pośrednio można wykrywać pole magnetyczne. Istnieją również specyficzne materiały zmieniające swoje parametry w polu magnetycznym (np. oporność), co również jest wykorzystywane przez współczesne pamięci magnetyczne.

Przedstawione dwa zjawiska inżynierowie wykorzystali przy budowie pamięci magnetycznych. Składają się one z dwóch podstawowych elementów: głowicy zapisująco-odczytującej (ang. R-W head) oraz nośnika ferromagnetycznego - dysku magnetycznego (ang. magnetic disk).

Głowica zapisująco/odczytująca jest specjalnej konstrukcji elektromagnesem, który ma za zadanie wytworzyć mikroskopijnej wielkości pole magnetyczne obejmujące fragment dysku. Pole magnetyczne namagnesuje ten fragment, przez co zacznie on wytwarzać swoje własne pole magnetyczne, które głowica będzie później w stanie odczytać. Ponieważ dysk się obraca, głowica zapisuje wciąż nowe jego fragmenty na tzw. ścieżce lub cylindrze (ang. path. cylinder).

Dysk magnetyczny jest wykonany z twardego i sztywnego materiału - aluminium lub kompozyt ceramiczny - pokrytego bardzo cieniutką warstwą miękkiego ferromagnetyka. Pole magnetyczne głowicy magnesuje fragmenty tej warstwy tworząc koncentryczne ścieżki zapisu danych. Ciekawe jest to, iż głowica nie styka się z powierzchnią dysku - inaczej materiał ferromagnetyczny zostałby bardzo szybko wytarty z jego powierzchni. Gdy dysk zacznie się szybko obracać, wytwarza przy swej powierzchni cieniutką poduszkę powietrzną, po której ślizga się głowica - zupełnie jak mikroskopijny poduszkowiec.

Głowice współczesnych dysków twardych są pozycjonowane przy pomocy odpowiedniego elektromagnesu. Dźwignia głowicy wyposażona jest w sprężynkę, która ma za zadanie obrócić ramię w położenie startowe (ang. head landing zone) w przypadku zaniku napięcia - w przeciwnym razie (jak to miało często miejsce w przeszłości) wirujący dysk utraciłby przy zatrzymaniu poduszkę powietrzną i "lądująca" na nim głowica spowodowałaby wytarcie fragmentu ścieżki magnetycznej. Zawarte tam dane stałyby się nieczytelne i co gorsza obszaru tego nie dałoby się powtórnie namagnesować. Powstałyby tzw. uszkodzone sektory (ang. bad sectors).

W trakcie pracy głowica unosi się nad powierzchnią dysku na wysokości kilku µm. Dlatego wewnątrz dysku nie może występować kurz, ponieważ jego drobinki osiadając na dysku magnetycznym zakłócałyby ruch głowicy, a to z kolei powodowałoby uszkodzenia warstwy magnetycznej. Dyski twarde są zamknięte hermetycznie i użytkownik nie powinien ich otwierać bez zachowania odpowiednich warunków czystości powietrza.

Zapisując dane głowica pozostawia na powierzchni wirującego dysku koncentryczne ślady magnetyczne, które nazywamy ścieżkami (ang. track) lub cylindrami (ang. cylinder). Ze względów techniczno-ekonomicznych ścieżki są dzielone na wycinki - tzw. sektory (ang. sectors). Pomiędzy sektorami występują małe przerwy (ang. gaps). Ułatwiają one rozpoznawanie początków i końców sektorów.

Dane zapisywane są w postaci binarnej w sektorach. Sektory posiadają najczęściej pojemność 512 bajtów danych. Pojemność dysku obliczamy wg wzoru:

pojemność = liczba głowic × liczba ścieżek na dysku × liczba sektorów na ścieżce × liczba bajtów w sektorze

Ponieważ długość ścieżki zależy od jej odległości od środka dysku (stary wzór: obwód = 2πr), to ścieżki wewnętrzne zawierają mniej sektorów od ścieżek zewnętrznych. Zatem powyższy wzór nie odpowiada fizycznej strukturze dysku. Jednakże nie musimy się tym przejmować - producenci dysków podają uśrednioną liczbę sektorów, a odczytem i zapisem informacji na dysku steruje specjalizowany komputer jednoukładowy, nazywany kontrolerem dysku twardego (ang. hard disk controller). To on lokalizuje odpowiedni sektor i zapisuje lub odczytuje z niego dane. Nie jest to wcale łatwe i wymagało rozwiązania całego mnóstwa problemów technicznych, o których ty na szczęście nic nie musisz wiedzieć.

Przykład:

Pewien dysk twardy, zgodnie z danymi producenta, posiada następujące parametry:

Obliczamy pojemność dysku:

Organizacją danych na dyskach zajmuje się system operacyjny twojego komputera. To on określa sektory, w których znajduje się informacja zawarta w określonym pliku. Jeśli tworzysz nowy plik, system przydziela dla niego odpowiednie sektory, w których będzie zapisywana informacja. Gdy plik kasujesz, sektory zostają zwolnione i będą mogły być przydzielone innemu plikowi w razie potrzeby. Do tego celu używany jest fragment dysku, w którym przechowywane są informacje o plikach i zajmowanych przez nie sektorach - obszar ten nazywany jest tablicą zawartości dysku (ang. VTOC - Vulume Table of Contents). Dzięki systemowi operacyjnemu nie musisz znać fizycznej struktury twojego dysku twardego - inaczej praca z komputerem byłaby prawdziwą męką.

Zwróć uwagę na to, iż jednostką zapisu/odczytu na dysku twardym jest sektor - nie można zapisać pojedynczego bitu. Jest to ograniczenie ekonomiczne - tak po prostu jest taniej i wydajniej. W pamięci RAM można zapisywać pojedyncze komórki - w pamięci dyskowej ich odpowiednikami są sektory. Informacja odczytana z sektora jest umieszczana w buforze pamięciowym dysku i stamtąd odczytuje ją komputer - pozwala to przyspieszyć znacznie odczyt, ponieważ zwykle dane znajdują się w sąsiadujących ze sobą sektorach - chociaż jeśli często zapisujesz i kasujesz pliki, to może dojść do tzw. fragmentacji dysku - kolejne sektory z danymi pliku nie będą znajdowały się blisko siebie i głowica odczytująca musi dosyć intensywnie skakać po ścieżkach. W takim przypadku szybkość zapisu/odczytu danych może znacznie zmaleć - dlatego należy co jakiś czas uruchamiać oprogramowanie defragmentujące dysk twardy. Defragmentacja polega na takim przemieszczeniu sektorów dla poszczególnych plików, aby znajdowały sie one fizycznie obok siebie.