パソコンショップでもよく見かける有名なパーツなのですが、なぜハードディスクと言うのでしょうか？
当たり前のように読んでいた名前にはちゃんと由来があったのです。
ハードディスクのことを略してＨＤ、ＨＤＤと呼ばれることも多く、
HDとは、ハードディスクの英語表記「hard disk」の頭文字をとってＨＤと表記され、
HDDとは、ハードディスクドライブの英語表記「hard disk drive」の頭文字をとってHDDとも呼ばれています。
別名「磁気ディスク装置」ともよばれ、基本構造はレコードプレイヤーに類似しています。
磁性体を塗布した円盤に磁気ヘッドを用いて情報を記録し、また読み出す円盤がガラスやアルミニウム等固い素材で作られている事から硬い円盤の意味でハードディスクと呼ばれるようになったそうです。
インストールしたWindowsなどのOSや，設定データをいつも同じように呼び出せるように記憶しておき，次に起動したときにこのハードディスクから呼び出します。
システムの構成を考える上では，OSやデータの読み込み書き込みの速いハードディスクの選択なども非常に重要な要素です。
■ CPU、メモリとの関係
CPUが直接データをやり取りするメモリは記憶できる容量が限られているため、すべてのプログラムやデータを記憶しておくことはできません。また、電源を切ってしまうとメモリに蓄えられていたデータは消えてしまいます。
電源が供給されないと主記憶装置の記録情報は消えてしまうため、データは、ハードディスクによって記憶され、メモリと異なり，電源が切れると，データなどが無くなるということが無く，いつまでも記憶しておくことが可能なので、データの保存にハードディスクが用いられているのです。
このような理由から、大容量の情報が記憶でき、電源を切っても恒久的に情報を保存しておける大容量の記憶装置が必要になります。ハードディスクはそのうちのひとつで、情報を磁気的に記録します
ハードディスクはパソコンをはじめとするほとんどのパソコンに搭載されており、まずwindowsが起動する為に必要なプログラムも全てハードディスクに保存されています。
ハードディスクに障害が起こると、起動に必要なwindowsのプログラムも読み出せなくなってしまう為、パソコン自体も起動できなくなってしまうのです。
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ハードディスクの構造
−内部構造について− |
ハードディスクの構造はレコード盤に例えることができます。
レコード盤に当たる物がディスク、針に当たる物がヘッド、及びヘッドを駆動するアーム等が組み込まれています。
ハードディスク装置の場合、可動部は磁気ヘッドを動かすボイスコイルモーター、プラッタを回転させるスピンドルモーターの2つがあります。
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ハードディスクの構造
−プラッタ− |
「プラッタ」とはハードディスクに内蔵される磁気ディスクでデータを保存させる金属の円盤を指します。
ハードディスクはプラッタ表面の磁性体の磁化状態を電気的に変化させることにより、データの記憶や消去を行ないます。
読み書きを行なう際には、ディスクを高速に回転させ、磁気ヘッドを近づけて(装置によっては接触させる場合もある)表面の磁界を制御します。
通常、ハードディスクでは、内部に1枚から4枚程度までのプラッタ（磁性体を塗布した金属製のディスク）が収納されており、両面（片面の場合もある）に読み書きをしています。
別名磁気ディスク装置と呼ばれるように名前に「磁気」がついている通り、データやプログラムの読み取り／書き込みはすべて磁気を使って行なわれます。
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ハードディスクの構造
−ヘッド− |
「ヘッド（または磁気ヘッド）」とは、プラッタに記録されている磁気情報の読み書きをする装置です。
磁気ヘッドはプラッタと呼ばれる円盤の面に対して張り出しているアームの先端についている電磁石であり、磁性面に情報を書き込んだり、書かれた情報を読み出したりをする磁気記録において、電気信号と磁気の間の変換をしています。
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ハードディスクの構造
−スピンドルモーター− |
「スピンドルモーター」とは、ハードディスクドライブ（HDD）のディスク（円盤部分）を回転させるモーターのことです。
ハードディスクドライブ（HDD）内のディスクが回転し始めると、ヘッドがディスク上に浮上し、データを読み書きできるようになります。
そのディスクを回すのが、ディスクの中心にあるスピンドルモーターの役割です。
円盤部分を回転させるモーターはダイレクトドライブ方式となっており、4200・5400・7200・10000・15000rpm（回転／分）が主立った回転数です。
スピンドルモーター回転数が早ければ早いほどデータの読み書きのスピードは速くなります。
スピンドルモーターには、回転軸を支える軸受け（ベアリング）が入っており、最近のHDDは記録密度が上がり、トラックピッチが非常に狭くなっているため、回転軸のぶれを非常に小さくしなければ、データをうまく読み書きできなくなっています。
記憶容量や処理速度などHDDの性能を左右するため、回転数やNRRO（非繰返し性振れ）などの点で非常に高度な精度要求を満たす事が求められています。
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ハードディスクの構造
−ボイスコイルモーター− |
「ボイスコイルモーター」とは、アームを駆動して磁気ヘッドの位置決めに使われるモーターのことです。
ディスク上のアームの可動は、ボイスコイルと呼ばれるモーターで直接的に駆動します。
ボイスコイルモーターは動電型振動装置で、スピーカーの原理を発展的に応用したもので、現在ではリニアモーターとして幅広く使われています。
スピーカーのコイルは、音声を再生するという意味からボイスコイルと呼ばれ、ボイスコイルモーターにおいてもその名称が流用されていますが、
ボイスコイルモーターは音声再生とは直接関係なく、あくまで電気エネルギーから直進運動をつくるリニアモータのことを指しています。
アームは円盤上を1秒間に最高100回程度の速度で往復でき、 これによってプラッタのどの位置に記録されたデータへも瞬時にヘッドを移動して読み取り、書き込みが可能となっています。
アーム駆動のボイスコイルモーターは通常のモーターの形をしておらず、仕組みはリニアモーターと同様に、2枚の強力な磁石（主にネオジム磁石を使った物）の間にコイルを置き、このコイルの動きがそのままアームの動きとなっています。
パソコンのHDD(ハードディスクドライブ)では、磁気ヘッドがスピーディな移動をめまぐるしく繰り返すため、その駆動機構には瞬発力と持久力の双方が要求されます。
ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）ではヘッドの位置決めに使用されますが、それを固定するパーツが、通称「ヨーク」と呼ばれる金属部品で、通常は上下2種類のパーツで１セットとなります。
その他にもボイスコイルモーターは、カメラのズーム、絞り、シャッター、ボンディングや微細加工機のアクチュエータ、XYステージにと幅広く使われています。
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ハードディスクの構造
−制御基盤− |
「制御基盤」は、ヘッドの動作制御、読み込み・書き込みの制御を行っています。
最近のHDDは写真のように基盤は1枚でPC側と接続するための端子と一体になっています。
磁気ディスクやヘッドは同一でも、接続する仕様によって制御基盤のみ異なるHDDも見受けられます。
E-IDE接続のHDD マスターとスレーブの設定用のジャンパースイッチの設定が必要です。
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ハードディスクの構造
−記憶容量− |
ハードディスクの記憶容量は、「1枚あたりのプラッタ容量×プラッタの枚数＝記憶容量」 がハードディスクの記憶容量になります。
プラッタは通常複数枚格納されていて、それぞれ表裏に記録できるようになっています。
このため、160GBのハードディスクといっても、80GBのプラッタを2枚内蔵している場合もあれば、160GBのプラッタを1枚内蔵している場合もあります。
もちろん1プラッター当たりの容量が大きい方が、プラッタの枚数と容量で、HDD（ハードディスクドラブ） の総容量が決まるので、枚数が少なく、容量が大きいものが記録密度が高いので性能が良くなります。
記憶容量が合計160GBのHDD（ハードディスク） を例に取ると、80GBのプラッタが2枚か、160GBのプラッタが1枚搭載されることになりますが、80GBのプラッタが2枚あるとデータが分散されてしまうため、枚数が少なく容量の大きいプラッタの方が性能はいいと言えます。
（※プラッタの記憶容量は両面あわせたものを基準としているため、片面しか使用していないプラッタを持つハードディスクでは、ハードディスク全体の容量がプラッタあたりの容量の整数倍にならず、プラッタあたりの容量の0.5倍の端数が出ることがあります。）
プラッタサイズを大きくするメリットには以下の理由があります。
- １．HDD内のディスク枚数を減らせるので，低発熱化，低騒音化する事が可能。
- 160GBの容量を持つハードディスクの場合，80GB/プラッタだとディスクが2枚必要ですが，160GB/プラッタだと半分の1枚で済みます。ディスク枚数が減るということはHDD内の回転部が減るということなので，騒音や発熱面でも性能が向上してきます。
- ２．低回転数でも高速なデータ転送ができる。
- データ密度が向上するので，効率よくデータを読み書きすることが出来ます。5400rpmでも一昔前の7200rpmのHDDの性能を上回る結果を出す事ができる場合もあります。
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ハードディスクの構造
−プラッタ上でのデータの取り扱いのされ方− |
- 「トラック」
- HDをフォーマットすると表面に木の年輪のように同心円状に並ぶトラックができます。
磁気ディスクの表面は研磨されており、鏡のように滑らかになっています。外見上は境目などは見せませんが、論理的には同心円状の記録領域で構成されています。この円周上の記憶領域を「トラック」と呼びます。
シリンダ・トラックにはわかりやすいように番号が付きます。
一番外側のトラックはトラック0と呼ばれ、すべてのトラック0をまとめたものがシリンダ0になります。
- 「セクタ」
- １本のトラックはさらに複数の領域に区切られています。この区切られた領域は「セクタ」と呼ばれ、記憶領域の最小単位となります（通常512バイト）。1トラックあたりのセクタ数はハードディスクによって異なり、また外周にいくほどセクタ数は多くなります。
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- 「シリンダ」
- ハードディスクのプラッタは両面を利用できます。
両面使用の場合は、当然トラックやセクタもプラッタの裏表両面に存在します（ヘッドも裏表両面に1個ずつ配置されています）。
また、現行のハードディスクは大容量化しており、複数枚のディスクが一定感覚で重ねあわされた構造となっています。
複数枚のディスク上では、トラック番号が同一となるよう円筒状に並んでおり、その円筒状に並んだトラックの集合体をシリンダと呼びます。
同じシリンダに記録されているデータはヘッドの移動を伴わないので、高速に読み書きすることができます。
- 「クラスタ」
- 容量の小さなセクタ単位でデータの読み書きを行うと、管理部分に負担がかかります。そこでOSレベルでは、数個〜数十個のセクタをまとめて、１つの大きな読み書きの単位として扱っています。この単位を「クラスタ」と呼びます。
クラスタの大きさは、ファイルシステムやパーティションのサイズによって変わってきますが、大きなものになると32KBにも達します。これは1バイトのファイルを作成しても1つのクラスタ（つまり32KBの記憶領域）が消費されてしまうことを意味しています。
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ハードディスクの仕組み
−フォーマット− |
製造されたばかりのハードディスクには、トラックやセクタといった論理的な境界はない状態になっています。
コンピュータは、常にユーザーの要求に応じて必要な情報をすばやく探し出さなければならないため、どの情報がどこに格納されているのかを把握している必要があります。
ディスクを使用するには、まず保存領域を一定単位に区切って、管理用の番地を付けなければなりません。
その番地を使って「どの場所にどのデータが保存されているか」を管理するのです。
このように、初めて保存領域を区切って番地を割り当て、ディスクを使用可能な状態にすること、もしくは一度区切って番地を付けた領域を白紙に戻して、新しく仕切り直す一連の処理のことを「フォーマット」と呼びます。
ハードディスクを図書館にたとえるなら、ほんの位置を明確に把握できるよう本棚を用意する作業がフォーマットとなります。
フォーマットには「物理フォーマット」と「論理フォーマット」の2種類があります。
- 「物理フォーマット」
- このフォーマットは、トラックとセクタに区分けする作業です。
ローレベルフォーマットと呼ばれ、通常はハードディスク製造メーカーが行うもので、ユーザーが行う操作ではありません。
この物理フォーマットでトラックやセクタに分割されてから出荷されます。
- 「論理フォーマット」
- このフォーマットは、物理フォーマットによって特定できるようになったセクタを、実際に使用・管理できる状態にする作業です（この形式はOSによって違いがあります）。
物理フォーマットされたディスク上にファイルシステムを生成する作業を指します。
通常「フォーマットする」といった場合、この論理フォーマットを指します。
フォーマットは、使用済みのハードディスクに対しても実行できます。
クイックフォーマットと通常のフォーマットの違い
ハードディスクなどをフォーマットする際、通常の「フォーマット」と、「クイックフォーマット」では何が違うのでしょうか？
Windows XPでは、「マイコンピュータ」にある「ローカルディスク」などのアイコン上で右クリックし、「フォーマット」を選ぶと「フォーマット-（選んだディスク名）」画面が開きます。ここでどのファイルシステムでフォーマットするかなどを選択して、「開始」を押すと通常フォーマット（Windows 98/Meの「フォーマットの種類」で「通常のフォーマット」を選んだ場合と同じ）が始まります。
ここで「クイックフォーマット」にチェックを入れてから「開始」すると、フォーマットにかかる時間を短縮することができます。
通常のフォーマットでは、データの管理情報の保存領域を消去します（データ自体の情報は残っています）。
加えて、ディスクの不良個所のチェックを行います。
不良個所にチェックを入れて、今後、その部分へデータを書き込みできないようにするのです。
こうすれば、不良個所に記録したファイルが後から開けないなどのトラブルを回避することができます。
一方、クイックフォーマットでは、管理情報の保存領域の消去のみを実行します。不良個所のチェックを省くことで、作業時間の短縮を図るのです。
注意：物理フォーマット・論理フォーマットに限らず、フォーマットを行うことで、ディスクに記録されていたデータはすべて消去されてしまいますので、フォーマットを行う前には、必ずバックアップを行うように心がけてください。
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ハードディスクの仕組み
−ファイルシステム− |
ファイルシステムとは、ファイルの管理方法を指します。
ハードディスク上のパーティションは、そのままでは利用することができず、OSがファイルを管理したり、データの読み書きを行える仕組みを構築することで、初めて利用することが可能になります。
このようなユーザーが扱うファイルやディレクトリを実際の物理的なディスク上に対応させ、ファイルやディレクトリ自体を構成する管理の仕組みがファイルシステムです。
ファイルシステムによって次のような基本操作が行われます。
- ディスクの空き容量の確保
- ディレクトリ（フォルダ）名、ファイル名のサポート
- ディスクに保存されたファイルの物理位置
論理フォーマットの形式は、OSによって異なります。同じセクタを管理するにしても、OSの機能や処理方法に適した管理方法がありますので、基本的にはOSごとにファイルシステムが異なります。ここでは、Windowsで採用されているファイルシステムについて説明します。
- 「FAT16」
- Microsoft社製のOSはすべてFAT16（FAT：File Allocation Table）と呼ばれるファイルシステムを使用できますが、もともとDOSの時代に規格化されたファイルシステムなので、管理できる最大容量が２GBに制限されています。
- 「FAT32」
- FAT16の容量制限を克服した改良型のFATがFAT32です。FAT32はWindows95 OSR2からサポートされています。Windows NT4.0/3.Xではサポートされていませんが、Windows XP/2000ではサポートされています。
FAT32では管理領域が32ビットに拡張されたため、管理可能な最大容量は２TB(2000GB)までアップしています。クラスタサイズが小さくなったことで、FAT16に比べて記憶領域を効率よく使用できます。
- 「NTFS」
- Windows NT、Windows 2000、Windows XPといったNT系Windowsで採用されているファイルシステムがNTFS（New Technology File System）です。NT系Windowsのセキュリティ機能や多彩なディスク機能をサポートして、その堅牢さゆえ、他のOSやファイルシステムからはアクセスできない特徴を持ちます。
- 「その他のファイルシステム」
- Mac OSで採用されているのはHFSです。Mac OS 8.1からはHFSを拡張したHFS+が採用されています（最新のMac OS XもHDF+）。その他、オープンソースOSでは、UNIXのUFS、FreeBSDではFFS、Linuxのext2/3などさまざまなファイルシステムが存在しています。
ファイルシステムが壊れてしまうと、管理情報がなくなってしまうので、データがどこに保存されているのかわからなくなっていまいます。
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ハードディスクの仕組み
−パーティション− |
ハードディスクは、記憶領域全域をひとつのドライブとして使用する形態のほかに、記憶領域を分割して複数のドライブとして使用することも可能です。
この分割された領域のことを「パーティション」と呼びます。
パーティションの管理状況は下記の手順で確認できます。（windowsXP用）
- 「マイコンピュータ」を右クリックして「管理」をクリックすると、「コンピュータの管理」画面が開きます。
- ここの「ディスクの管理」を選択すると、お使いのPCに搭載されているHDDとそのパーティションが確認できます。
フォーマットには「
↑2枚組みのプラッタ構造のハードディスクの上部プラッタを取り外した状態
