【磁気ディスクの内部機能】HDDの内部構造〜記録データの単位を解説!

【磁気ディスクの内部機能】HDDの内部構造〜記録データの単位を解説!
ハテオ君

磁気ディスクってどんな機能や役割を担当しているだろう?またどんな構造になっているんだろう...。

今回はこの悩みを解決します!

今回の記事テーマ

磁気ディスクの磁気ディスクの構造と機能〜データの単位まで徹底解説!

ハードディスクの内部には、薄く硬い円盤状の磁気ディスクと呼ばれる補助記憶装置があります。

この装置は、補助記憶装置の中では代表的な記憶媒体になり、皆さん普段から使っている「CD」や「DVD」などもこの磁気ディスク装置に該当します。

IT業界やIT試験でも必ず出てくる装置になりますので、ぜひ今回の記事を参考にしてみてください。

本日の記事内容

記事の最後には、今回の内容に関しての確認問題も用意していますので、インプットとアウトプットとしても是非活用してみてください。

元中卒の自分が、誰でも理解できるように解説していきます。

それでは早速見ていきましょう。

黄島 成

磁気ディスク装置(HDD)とはどんな装置なのか理解しよう

磁気ディスク装置とは、HDD(ハードディスク)の中にある円盤型の記憶装置になります。

具体的には、磁性体を塗った円盤状のディスクにデータが記録され、磁気ヘッドを移動させながらデータの読み書きをする補助記憶装置です。
別名、「ハードディスクドライブ(HDD)」とも呼ばれます。

磁性体とは、磁気を帯びた物体を示す性質」のことを指します。

磁性体=磁性のある物質

ちなみに、ハードディスク(HDD)の名前の由来は、HDDの本体カバーを開けるとハードな(硬い)ディスクが入っていることから「ハードディスク」と呼ばれています。

この円盤状のハードディスクに、磁気の力を利用して情報を書き込むことで大切なデータを保存することができたり、必要な情報があれば書き込んだ内容を読み取ることも可能です。

磁気ディスクはアクセスとデータ転送が比較的高速で大容量なため、大型の「デスクトップPC」「一般のPC」「携帯電話」まで幅広く利用されています。

現在のコンピュータでは、この磁気ディスク装置が必ず使用されています。

磁気ディスク装置の基本構造は3種類のパーツで構成されている

磁気ディスク装置は、以下3つの装置から構成されています。

  • スイングアーム
  • 磁気ディスク(プラッタ)
  • 磁気ヘッド

順番にそれぞれの特徴を見ていきましょう。

①:スイングアーム(アクセスアーム)

スイングアームとは、磁気ヘッドを左右に動かすパーツになります。

別名「アクセスアーム」とも呼ばれ、ディスク上の目的地まで磁気ヘッドを運ぶ役割を果たします。

②:磁気ディスク(プラッタ)

磁気ディスクとは、両面に磁気体を塗布した数枚の円盤状のパーツになります。

別名「プラッタ」とも呼ばれ、磁性体を磁化しデータを記録する役割を果たします。

③:磁気ヘッド

磁気ヘッドとは、スイングアームの先端部分で磁気面に位置付けし情報を読み書きするパーツになります。

磁気のON/OFFをキャッチしたり、ON/OFFをしたりして情報の読み書きを行う役割を果たします。

磁気ディスクで記録できる単位は3つの単位

磁気ディスクで扱うデータを記録する単位は以下3つです。

  • トラック
  • セクタ
  • シリンダ

順番に詳しく見ていきましょう。

①:トラック

磁気ディスクのデータは、「トラック」とゆう単位で記録されます。

トラックは円心円状のモノで、磁気ディスク一周分がこのトラックになります。

②:セクタ


磁気ディスクでデータを記録する最小単位を
セクタ」と呼びます。

トラックの中には、セクタが無数にあり、そのセクタがいくつか集まることで円心円状のトラックができます。

③:シリンダ

トラックが複数集まった磁気ディスクは1枚だけでなく、複数枚から構成されています。

このトラックの集合体を「シリンダ」と呼びます。

上記3つ特徴一覧

名称特徴
セクタトラックを細分化した最小単位
トラックデータの記録単位で1周のこと 
シリンダ円心円状のトラックが集まったもの

データの記録はセクタ方式で行われる

上記で説明したように磁気ディスクのデータは、

セクタが集まり円状のトラックができる→トラックが集まり1面ができる→円状の磁気ディスクが複数枚集まったものがシリンダになる。

この流れでデータの記録を行う記録方式を「セクタ方式」と言います。

セクタ方式の特徴

  • データをセクタ単位で読み書きをする
  • 1つのセクタに収まらない場合複数のセクタにまたいで記録
  • 1つのセクタに複数のデータを書き込みできない
  • 余った領域には何も記録されない

例えば、セクタ長が512バイトのディスクに1,000バイトの2つのデータを書き込む場合は以下通りです。

上記図では、データとしては2つのセクタを使用され、1つのセクタには1,024バイトのデータが記憶できるが、1つのデータが1000バイトなので、残りの24バイトは空き領域になります。

セクタには1つのデータしか記録できないため、 この空き領域にもう一つのデータを記録することは不可能です。

磁気ディスクのアクセス時間を求める計算方法を心得よ

磁気ディスクの性能を見る指標として、「アクセス時間」が挙げられます。

磁気ディスクのアクセス時間とは、ディスクからデータを読み書きから読み書き完了までの時間のことです。

アクセス時間は以下3つの時間を足した総時間になります。

  • 位置決め時間
  • 回転待ち時間
  • データ転送時間

順番にそれぞれの時間を見ていきましょう。

①:位置決め時間(シーク時間)

位置決め時間とは、磁気ヘッドの移動時間になります。

別名「シーク時間」とも呼ばれ、アクセス開始の磁気ヘッドの位置と、目的のデータのトラック位置により位置決め時間は異なります。

②:回転待ち時間(サーチ時間)


回転待ち時間とは、
目的のデータが磁気ヘッドの位置まで到着するまでの時間になります。

別名「サーチ時間」とも呼ばれます。

目的データが存在するトラックに位置決めしたとき、運良く目的のデータが回ってくれば最も時間がかからず、運悪く目的データが通り過ぎたところなら最も時間がかかります。

通常、平均回転待ち時間が使われ、1回転するのに要する時間の2/1になります。

③:データ転送時間

データ転送時間はm目的のデータが磁気ヘッドを通り過ぎデータを読み取る時間です。

つまり、磁気ヘッドにデータの先頭部分が回転し、データの末尾部分が磁気ヘッドに車での時間がデータ転送時間になります。

結論、磁気ディスク装置のアクセス時間を求める場合は下記計算式になります。

位置決め時間+回転待ち時間+データ転送時間=アクセス時間

磁気ディスクのフラグメンテーション

磁気ディスク装置において、ファイルの書込みや削除を繰り返すとまとまった空き領域がなくなってしまうため、1つのファイルがバラバラに分散して記録されるようになります。

さらに、バラバラに記録されていると、ディスクヘッドを通常より多く動かす必要があるため、非効率的なI/O操作が増加してレスポンスが低下する。

この状態を「フラグメンテーション(断片化)」と言います。

フラグメンテーションを解消するためには、最適化ソフト(デフラグメンテーションソフトやオプティマイザーソフト)などを使用して、断片化が発生したファイルを連続した領域に再配置します。

再配置することによって、磁気ヘッドの動きが少なくなるため、アクセス時間の短縮が可能となります。

フラグメンテーションはファイルの断片化が発生しており、アクセス速度が遅くなってしまう状況のことです。

記憶媒体の代表的な4種類と特徴の紹介

それでは、最後に磁気ディスク以外に使われる記憶媒体の種類を紹介していきます。

補助記憶装置では様々な種類が存在するため全ては紹介 出来ないですが、代表的な記憶媒体は主に4つです。

  • 光ディスク
  • DAT
  • フラッシュメモリ
  • SSD

順番にそれぞれの特徴を見ていきましょう。

①:光ディスク

光ディスクとは、データの読み書きにレーザー光線を使 う記憶媒体のことです。

具体的には、「樹脂・アルミ・円盤」の表面のビットと呼ばれる穴を記録情報として、レーザー を用いてデータの書き込み・読み出しをする補助記憶媒体になります。

みなさんがよく使う「CD」や「DVD」などがこの光ディスクになります。

この光ディスクでは、「再生専用型」「追記型」「置き 換え型」の3種類に分けられます。

代表的な光ディスク

  • CD-ROM(Read Only Memory)
  • CD-R(CD Rewritable)
  • CD-RW(CD Rewritable
  • DVD(Digital Versatile Disc)
  • BD(Blue-ray Disc)

順番にそれぞれの特徴を見ていきましょう。

CD-ROM(Read Only Memory)

CD-ROMとは、音や映像などが記録されており、それを 視聴するための再生専用型の光ディスクになります。

ディスク上のビットと呼ばれる微細な穴にレーザ光線を照射し、反射光の違いでデータを読み取ります。

音楽用のCDなどがこのCD-ROMにあたります。

CD-R(CD Rewritable)

CD-Rとは、容量がいっぱいになるまで、データの読み 書きが何度でもできる追記型のCDになります。

ディスク上に塗布された有機色素をレーザ光線で照射し分解することで、データを書き込みます。

データの読み書きは何度も出来るが、一度記録すると削除することはできないところが特徴的です。

CD-RW(CD Rewritable)

CD-RWとは、データの読み書きに加え、書き換え・削除もできる書き換え型のCDになります。

ディスクの記録面に相変化金属を使用し、レーザ光線で照射し結晶/非結晶を作ることでデータを書き換えます。

容量は少ないですが、削除が可能なので外付けHDDやUSBの代わりとしても利用できます。

DVD(Digital Versatile Disc)

DVDとは、CDより波長の短いレーザ光線を使って大容 量化を可能としている記憶媒体です。

データ記録用や、映画などの動画をMPEG2で圧縮して記 録するなど、多用途に使われています。

CDと同じく「再生専用型のDVD-ROM」「追記型のDVD-R、DVD+R」「書換え型のDVD-RWやDVD+RW」などがあり、対応したドライブが必要になります。

記憶容量は「片面一層で4.7GB」「片面二層で8.5GB」などがあります。

BD(Blue-ray Disc)

BDは、青紫色のレーザ光線を使ってハイビジョン映像を 2時間以上記憶することができる記憶媒体です。

片面一層で25GB」「片面二層で50GB」とDVDに変わる光ディスクとして普及しています。

BDには、再生専用型のBD-ROMや追記型のBD-R、書換え型のBD-REがあります。

DAT(Digital Audio Tape)

DATは、カセット型の磁気テープで、データの読み書きは 磁気を使う記憶媒体です。

アクセス速度は遅いですが、大容量で安価なため、バッ クアップ用の媒体として用いられています。

DATは元々音楽用として開発されましたが、データ記録用に応用したものに『DDS(Digital Data Storage)』 があります。

DATは、アクセス速度は遅いけど、大容量で安価なため データのバックアップ用媒体として広く普及しています 。

②:フラッシュメモリ

フラッシュメモリは、電気的に全部または一部分を消して内容を書き直せる半導体メモリです。

記憶容量は数GB~数TBで、アクセス速度が速くコンパクトであるため、「ノートパソコン・スマートフォン・デジタルカメラ」の媒体としてよく用いられ、代表的なものは「USBメモリ」「SDカード」などがあげられます 。

SDカードは2GBまでしか記録できませんが、上位規格と して32GBまで記録できるSDHCカードや2TBまで記録で きるSDXCカードがあります。

また、一回り小さいサイズでスマートフォンのメモリなどで使われるmicroSDカードにもSDHCやSDXCカード があります。

フラッシュメモリは、データを電気的に消去して書き直せるメモリです。

③:SSD(Solid State Drive)

SSDは、フラッシュメモリを用いた記憶媒体で、ハード ディスクの代わりとして利用されています。

特徴としては、ハードディスクのような「シーク」や「 サーチ」といった機械的な動作がないため、静音で振動 や衝撃に強く、消費電力が小さい、アクセス速度が速い などの特徴があります。

今回のまとめ&確認問題

磁気ディスク装置の基礎知識については上記内容で以上となります。

それではまず今回の内容をまとめていきましょう。

まとめ

  • 磁気ディスク装置は、磁気を利用してデータの書き込み記録をする記憶媒体
  • 磁気ディスク装置の基本構造は、「スイングアーム・ディスク・磁気ヘッド
  • 磁気ディスクで扱う単位は「セクタ・トラック・シリンダ」の3つ
  • アクセス時間は「シーク時間+サーチ時間+データ転送時間」の総時間
  • 時休機ディスク以外の記憶媒体は主に「光ディスク・DAT・フラッシュメモリ・SSD」の4つ

今回の確認問題「アウトプット用」

確認問題

ハードウェア確認問題⑤

「次へ」で問題スタート!

①解説

【問題①】

500バイトのセクタ8個を1ブロックとして、ブロック単位でファイルの領域を割り当てて管理しているシステムがある。2,000バイト及び9,000バイトのファイルを保存するとき、これら二つのファイルに割り当てられるセクタ数の合計は幾らか。ここで、ディレクトリなどの管理情報が占めるセクタは考慮しないものとする。

:22 不正解×
:26 不正解×
:28 不正解×
:32 正解○

【解説】

500バイトのセクタを8個で1ブロックが重要。

つまり1ブロックが500バイトなので、500×8個=1ブロック(4000バイト)

極端にデータサイズの小さいなファイルでも、最低1ブロック(4000バイト)の領域を割り当てないといけません。

そのため、問題の2000バイトと9000バイトのファイルに必要なブロックは以下のようになります。

  • 2000バイトのファイルを格納=1ブロック(4000バイト)
  • 9000バイトのファイルを格納=3ブロック(12000バイト)

上記2つのファイルを格納するためには計4ブロックの領域が使われる。

4ブロック=セクタ8個が4つ=32セクタ

つまり答えは32セクタなので「」となる。

②解説

【問題②】

回転数が4,200回/分で、平均位置決め時間5ミリ秒の磁気ディスク装置がある。この磁気ディスク装置の平均待ち時間は約何ミリ秒か。ここで、平均待ち時間は平均位置決め時間と平均回転待ち時間の合計である。

:7  不正解×
:10  不正解×
:12  正解○
:14  不正解×

【解説】

平均位置決め時間は5ミリ秒とわかっているので、平均回転待ち時間を正しく計算することがこの問題を解く鍵となります。

平均回転待ち時間はディスクが1回転に要する時間の1/2です。

60,000ミリ秒÷4200回転÷2=7.1428…

したがってこの磁気ディスク装置の平均待ち時間は、平均位置決め時間は5ミリ秒と、平均回転待ち時間約7ミリ秒を足して約12ミリ秒となります。

つまり答えは「」となる。

③解説

【問題③】

アプリケーションの変更をしていないにもかかわらず、サーバのデータベース応答性能が 悪化してきたので、表のような想定原因と特定するための調査項目を検討した。調査 項項目cとして、適切なものはどれか。

想定原因調査項目
同一マシンに他のシステムを依存させた事による不可の増加
・接続クライアント数の増加による通信料の増加
a
・非定型検索による膨大な処理時間をようするSQL文の発行b
・フラグメンテーションによるディスクI/Oの増加c
・データベースバッファの容量の不足d

:遅い処理の特定
不正解×
:外的要因の変化の確認
不正解×
:キャッシュメモリのヒット率の調査
不正解×
:データの格納状況の確認
正解○

【解説】

磁気ディスク装置において、ファイルの書込みや削除を繰り返すとまとまった空き領域がなくなってしまうため、1つのファイルがバラバラに分散して記録されるようになります。

さらに、バラバラに記録されていると、ディスクヘッドを通常より多く動かす必要があるため、非効率的なI/O操作が増加してレスポンスが低下する。

この状態を「フラグメンテーション(断片化)」と言います。

フラグメンテーションが発生しているか否かを判断するには、ツールなどを用いてディスクの格納状況を調査し、断片化率の確認を行います

つまり一番適切な答えは「」となる。

確認問題

最後まで読んでいただきありがとうございました!

今回の内容が、役に立ったな!と思ったらシェア&ブクマ登録よろしくお願いします。

また、質問や問い合わせに関しては、コメント欄かお問い合わせフォームを活用ください。

それではまたお会いしましょう。

黄島 成

-ハードウェア
-