Накопители на жестких магнитных дисках.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), или в англоязычном варианте hard disk drives (HDD), являются одним из самых распространенных в настоящее время типов запоминающих устройств. Это объясняется удачным сочетанием основных их параметров: емкости, стоимости, времени обращения, габаритов и потребляемой мощности, делающим их наилучшим типом запоминающих устройств для хранения больших объемов информации, доступ к которой должен осуществляться без вспомогательных действий со стороны пользователя.

К такой информации, в первую очередь, относятся операционные системы, базы данных, документы, находящиеся в работе, постоянно или часто используемое программное обеспечение и т.п. Постоянное снижение стоимости НЖМД и увеличение их емкости приводят к проникновению их в новые приложения и сферы информационной техники.

Запись информации на магнитных носителях (не только на жестких дисках) обычно осуществляется за счет изменения состояния намагниченности отдельных участков их поверхности. Чем меньше геометрические размеры таких участков, тем большее количество информации удается записать на единице площади носителя, т.е. тем выше плотность записи информации.

Общие сведения об устройстве жестких дисков. Жесткие диски включают в себя электромеханическую и электронную части.

Электромеханическая часть размещается в жестком корпусе, внутри которого закреплен шпиндельный двигатель с вращающимся шпинделем и смонтированными на нем дисками накопителя, а также установленный в этом же корпусе подвижный блок головок чтения/записи с приводом, обеспечивающим позиционирование (перемещение) головок. Общий вид жесткого диска со снятой крышкой корпуса показан на рис. 2.2, а в разборе на рис. 2.3.

Сами диски (или пластины), которых, как правило, бывает на шпинделе от одного до пяти (иначе корпус получится очень высоким, а шпиндель с дисками – тяжелым), изготовлены из сплавов алюминия или специального стекла (иногда керамики). Последнее используется при высоких скоростях вращения шпинделя. Поверхность дисков имеет магнитное покрытие, на котором, собственно, и записывается информация.

Рис. 2.2. Общий вид жесткого диска со снятой крышкой корпуса.

Процесс записи состоит в локальных изменениях магнитного состояния этого покрытия.

Информация на диске располагается по окружностям, называемым дорожками (см. рис.2.4), совокупность равноудаленных от центра дорожек поверхностей всех пластин НЖМД называют цилиндром.

Дорожки для хранения информации разбиты на секторы, емкость которых в большинстве случаев составляет 512 байт. Сектор обладает определенной структурой, включающей в себя заголовок, поле данных и контрольный код этого поля.

Часть корпуса, в которую заключена электромеханика диска, часто называют герметичной (хотя обычно имеется защищенное воздушным фильтром отверстие для выравнивания внутреннего давления с атмосферным), поскольку в ней не допускается присутствие никаких загрязнений, в том числе частичек пыли. Необходимость этого вызвана тем, что головки чтения/записи находятся на очень малом расстоянии от поверхности диска (порядка  мм), удерживаясь над ней воздушным потоком (нетрудно подсчитать, что линейная скорость перемещения диска относительно головок на внешних цилиндрах составляет более 100 км/час при скорости вращения 7200 об/мин). Поэтому даже небольшие частицы могут легко повредить магнитное покрытие. (Для частиц, которые образуются в процессе эксплуатации за счет износа поверхностей, внутри корпуса существует даже некое подобие пылесоса: рециркуляционный фильтр.)

Рис. 2.3. Вид жесткого диска в разборе.

 

Рис. 2.4. Обращение к жесткому диску

(1 – пластина диска, 2 – блок головок чт/зп, 3 – дорожка (цилиндр), 4 – файл;

а – поиск дорожки (перемещение блока головок чт/зп), б – ожидание подхода файла под блок головок, в – передача данных).

В электронную часть диска входят контроллер, усилители сигналов интерфейсных шин и буферная память (кэш диска). Контроллер обеспечивает управление процессами разгона и останова шпинделя, позиционирования головок, чтения и записи информации, а также внешний интерфейс диска.

Привод позиционирования головок чтения/записи чаще всего поворотный (для получения меньших его размеров) электромагнитный, с подвижной катушкой, перемещающейся в магнитном поле постоянного магнита под действием протекающего по ней тока. Направление и сила тока определяют направление и скорость перемещения катушки и механически связанных с ней головок чтения/записи.

После установки на требуемый цилиндр головки удерживаются на нем с помощью следящей системы, считывающей с диска специальные сервометки. Эти метки записаны на диске либо в специальных местах информационных дорожек, либо на служебных серводорожках, расположенных между основными, либо реже на специально выделенной поверхности диска. Понятно, что требования обеспечения работы системы позиционирования и приводят к тому, что поперечная плотность записи данных существенно меньше продольной. Сервометки также используются для поддержания постоянной скорости вращения диска.

Время позиционирования на требуемую дорожку зависит, как отмечалось, от расстояния до нее от текущего положения головок чтения/записи. Минимальное время затрачивается на переход к соседнему цилиндру. Но и переход с дорожки на дорожку в пределах одного цилиндра по времени близок к переходу на дорожку соседнего цилиндра (порядка 1 – 2 мс), так как система позиционирования даже при переключении дорожек в пределах цилиндра все равно должна выверить точность установки головок.

Удержание головок на требуемой дорожке при чтении или записи является весьма непростой инженерной задачей. Влияние вибрации вращающегося диска, температурные расширения, механические напряжения, воздушный поток и другие факторы учитываются с помощью специальных приемов и алгоритмов.

Запись и считывание информации с магнитного слоя (на основе оксидов

железа или хрома), покрывающего пластину диска, осуществляется с помощью головок чтения/записи, которые в современных дисках обычно комбинированные: для записи используется электромагнитные, а для чтения – магнитно-резистивные головки.

Как правило, изготовить идеальный магнитный слой в процессе производства не удается, и на нем имеются дефектные участки. Соответствующие им секторы не могут использоваться для хранения данных и должны быть заблокированы. Информация о них хранится в специальной таблице.

Обнаруженные при контроле после изготовления плохие секторы просто пропускаются при нумерации (и тем самым при доступе), но номера секторов, пришедших в негодность в процессе эксплуатации, переназначаются на имеющееся на диске запасное место. Такие секторы называют перемещенными (или remapped – переназначенными), а их количество на диске можно прочитать специальными утилитами. На хорошем новом диске таких секторов быть не должно. Поскольку эти секторы оказываются на определенном удалении от секторов с соседними номерами (адресами), то обращение к ним приводит к задержкам при чтении и записи по последовательным адресам, что заметно, например, на графиках скорости чтения в виде длинной “бороды” – провалов в скорости считывания данных.

Магнитные свойства носителя и самих головок, используемый метод записи, расстояние от головок до поверхности диска, скорость вращения диска и ряд других параметров определяют максимальную плотность записи информации, при которой будет обеспечена требуемая надежность работы накопителя.

Собственно говоря, чисто физические сбои при чтении и записи данных происходят относительно часто: (по паспортным данным дисков фирмы IBM) при чтении теряется 1 бит из 1013 прочитанных битов. На скорости передачи 700 Мбит/с сбои в среднем будут происходить примерно 1 раз в четыре часа. Понятно, что при такой частоте сбоев нормально работать нельзя. Спасает положение использование контрольных (корректирующих) кодов. Например, корректирующий код (Error Correcting Code) в дисках той же фирмы обеспечивает обнаружение до 12 неверных байтов в секторе.

Для предупреждения потери данных в случае выхода диска из строя его контроллер, как правило, осуществляет специальный мониторинг состояния диска, фиксируя изменение таких его параметров, как частота ошибок чтения данных, время разгона шпинделя до номинальной скорости вращения, количество перемещенных секторов, частота ошибок позиционирования головок чтения/записи, общее количество отработанных часов и др. На основании анализа изменения этих параметров с течением времени контроллер, оснащенный такими средствами, названными SMART (Self- Monitoring, Analyzing and Reporting Technology – технология самодиагностики, анализа и оповещения) технологией, может предсказать предположительное время выхода диска из строя.

Интерфейсы жестких дисков. Связь жесткого диска с остальными устройствами ЭВМ обеспечивает его контроллер, который реализует управление всеми основными процессами диска и протоколы обмена данными с шинами расширения.

Непосредственное подключение жестких дисков к ЭВМ осуществляется по специальным интерфейсам, из которых сейчас наиболее распространенными являются ATA, SCSI и SerialATA. Хотя внешние диски могут подключаться по интерфейсам параллельного порта LPT, шинам USB, eSATA и IEEE 1394 – FireWare.

Каждый из них, как обычно, предусматривает определенный набор шин, протокол обмена по ним, спецификацию параметров электрических сигналов и набор команд для управления операциями чтения/записи и обмена данными.

Интерфейс ATA. Интерфейс ATA (AT Attachment – подключение к ПЭВМ PC AT конца 1980-х – начала 1990-х годов) был разработан для подключения жестких дисков с собственными встроенными контроллерами (Integrated Device или Drive Electronics). Поэтому и сейчас, говоря о таких дисках, могут использовать оба термина: IDE или ATA, подразумевая один и тот же тип дисков, хотя появление последовательного интерфейса Serial ATA нарушило однозначность соответствия этих терминов.

Будучи “долгожителем” (а более 15 лет – это большой срок в вычисли-

тельной технике), интерфейс ATA имел несколько версий, начиная с первоначального для подключения к PC AT, и до серии модификаций ATA/ATAPI (PI означает пакетный интерфейс – Package Interface, используемый устройствами типа CD-ROM) с существенно большей скоростью обмена и возросшим набором функций. С появлением последовательного интерфейса к обычному интерфейсу ATA стали добавлять термин параллельный.

Фактически ATA – это стандарт интерфейса с дисками, а IDE и EIDE (Enhanced IDE) – это стандарты проектирования дисков, прямой доступ к памяти - DMA (Direct Memory Access) и UDMA (Ultra DMA) – это методы доступа, используемые для дисков, обеспечивающие передачу данных между диском и памятью, без непосредственного участия процессора.

Электрическое подключение ATA (IDE) дисков осуществляется 40-контактным кабелем (шлейфом) длиной не более 18 дюймов (около 46 см). Однако сам кабель может состоять либо из 40, либо из 80 проводов, причем второй вариант используется для скоростей передачи выше 33 Мбайт/с. На кабеле имеется 3 разъема (в упрощенных вариантах – только 2), позволяющие подключить 2 жестких диска или DVD-ROM привода. Один из подключаемых дисков называется ведущим (master или устройство 0), второй – ведомым (slave или устройство 1). Подключаемые к кабелю диски должны быть соответствующим образом сконфигурированы имеющимися на них переключателями – джамперами. Положения этих переключателей, соответствующие основным вариантам подключения (кроме ведущего и ведомого, возможен еще очень редко используемый вариант кабельной выборки), показываются на ярлыке, расположенном снаружи на крышке корпуса диска. Неправильная их установка приводит к тому, что ПЭВМ может “зависнуть” при запуске.

В случае 80-проводного кабеля разъемы должны иметь разный цвет: разъем синего цвета подключается к ЭВМ (системной плате), разъем черного цвета – к основному диску (устройство 0, или ведущий – master), средний разъем серого цвета – к устройству (устройство 1, или ведомый – slave). У 40 - проводного кабеля все разъемы черного цвета.

Максимальная скорость передачи данных по интерфейсу ATA достигнута в версии ATA/ATAPI-6 и составляет 133 Мбайт/с в режиме UltraDMA.

Интерфейс SerialATA. Интерфейс SerialATA (последовательный ATA) является дальнейшим развитием семейства ATA, для которого последней версией параллельной спецификации стала ATA/ATAPI-6 (часто называемая по величине максимальной скорости передачи ATA/133).

Основные цели, которые преследовали его разработчики, заключались в создании недорогого интерфейса, более высокопроизводительного, чем ATA, полностью с ним программно совместимого, имеющего перспективы развития примерно на десятилетие, обеспечивающего более удобное подключение дисков к компьютеру и большую длину кабеля, а также низковольтного и экономичного в энергопотреблении. Интерфейс SerialATA можно рассматривать и как более дешевую альтернативу интерфейсу SCSI (см. ниже).

С точки зрения логики работы SerialATA совместим со своим параллельным предшественником. Основные различия связаны с его физической реализацией.

Скорость передачи данных по интерфейсу в начальном варианте стандарта составляет 150 Мбайт/с, в перспективе предполагается ее рост до 600 Мбайт/с. Интерфейсный кабель содержит две пары сигнальных проводов и три земляных (экранных) провода, длина его не должна превосходить 1 м. Сигналы по нему передаются в дифференциальной форме. Более тонкий кабель, по замыслу разработчиков, удобнее подключать; он также улучшает условия для вентиляции. Правда, кабель питания имеет 15 линий.

Предполагается возможность горячего подключения и отключения устройств (для этого, в частности, сигнальные контакты разъемов в устройстве короче земляных).

В интерфейсе SerialATA к каждому кабелю подключается только одно устройство, а различения дисков на Master и Slave, как в параллельном варианте, нет, однако, количество кабелей может оказаться вдвое большим. Впрочем, при необходимости контроллер интерфейса может эмулировать поведение двух

независимых дисков как пары Master / Slave.

Интерфейс SCSI. Интерфейс SCSI (Small Computer System Interface – интерфейс малых вычислительных систем) появился примерно в то же время, что и ATA. Но в отличие от последнего он предназначался для связи различных устройств, а не только дисков.

Интерфейс SCSI имеет две модификации по разрядности передаваемых данных (в параллельном варианте): “узкую” (Narrow) 8-битную и “широкую” (Wide) 16-битную. К первой можно подключить до восьми устройств, ко второй – до шестнадцати. Стандарт предусматривает и 32-битный вариант, но на практике он не встречается.

Все подключаемые к шине SCSI устройства, вообще говоря, равноправны и могут выступать как в качестве устройства, запускающего операцию передачи данных (инициализирующего устройства), так и в качестве устройства, к которому обращается инициализатор обмена. Такое устройство называют целевым.

Подключаемые устройства бывают двух типов: контроллер периферийных устройств и хост-адаптер. Устройства первого вида могут управлять работой до восьми логических устройств, хост-адаптер используется для связи шины SCSI с шиной расширения компьютера. Контроллер может быть либо внешним по отношению к устройствам, которыми он управляет, либо встроенным.

За время существования интерфейса SCSI были созданы различные его модификации, различающиеся, в частности, пропускной способностью, которая в начале 2000-х годов достигла 320 Мбайт/с. Помимо упомянутого отличия по разрядности: Narrow и Wide, по частоте передачи различают обычный и быстрый (Fast и Ultra) варианты с различными индексами.

Кроме того, известна и спецификация последовательного варианта интерфейса (Fiber Channel – (опто)волоконный канал), относимого к этому же семейству.

Электрически параметры интерфейса SCSI (параллельного варианта) также имеют несколько модификаций, различающихся способом передачи сигнала (линейный и дифференциальный) и уровнем используемых напряжений, при допустимой длине шин до 25 метров. Кабели шин могут быть плоскими и круглыми с различным количеством линий и разъемами, имеющими от 25 до 80 контактов.

Выполнение операций обмена по шинам SCSI осуществляется под управлением контроллера инициализирующего устройства и предполагает передачу сообщений, команд и данных (а также информации о состоянии).

Сообщения в основном или указывают на необходимость выполнения каких-либо действий, или информируют об их выполнении. Например, имеются сообщения, служащие для установления связи, разрыва соединения, извещения о завершении команды и др.

Команды указывают на то, какие операции необходимо выполнить: чтение, запись, поиск и другие. Учитывая, что интерфейс SCSI используется для связи различных устройств, все они разделены на несколько типов, в частности, имеется группа устройств прямого доступа, в которую входят жесткие диски, группа DVD-ROM, группа устройств последовательного доступа (накопителей на магнитной ленте, стримеров), группа сканеров и др.

Команды могут быть общими для всех устройств, например копирование, чтение из буфера, получение результатов диагностики, или специальными для устройств определенной группы, например запись данных с верификацией или переназначение дефектных блоков для дисков, позиционирование на заданный логический блок для устройств последовательного доступа и др. Причем имеются команды, обязательные для исполнения и не обязательные.

Для установления связи с исполняющим (целевым) устройством инициализатор обменивается с ним сообщениями. После установления связи он посылает целевому устройству команды, в процессе исполнения которых и осуществляются требуемые передачи данных, дополняемые по необходимости сообщениями.

Интерфейс SCSI считается более надежным и производительным, чем интерфейс АТА, но и более дорогим, применяемым, как правило, в серверных системах, хотя появление SerialATA усиливает конкуренцию между этими двумя семействами интерфейсов.

Сменные и внешние диски. Интерфейсы, о которых сказано выше, используются, главным образом, для подключения стационарных жестких дисков. Однако для переноса больших объемов информации во многих случаях используются сменные и внешние диски. Они представляют собой обычные жесткие диски, отличающиеся лишь способом подключения к компьютеру.

Сменные диски устанавливаются в специальные салазки (каркас – rack), которые позволяют подключать их к интерфейсу ATA, вставляя в специальный каркас, смонтированный в корпусе системного блока и позволяющий подключать диск, не открывая корпуса. Довольно часто на этом каркасе монтируются дополнительные вентиляторы.

В качестве внешних дисков, как правило, используются малогабаритные накопители формата 2,5 дюйма, применяемые в мобильных компьютерах (ноутбуках). Они монтируются в специальные корпуса, в которых, кроме самого диска, размещены согласующие схемы, обеспечивающие связь диска с интерфейсом параллельного порта LPT (в старых дисках) или с шиной USB. В последнем случае можно достичь производительности, мало уступающей стационарным дискам.

2.2.2. Накопители на гибких магнитных дисках (см. рис. 2.5.).

Накопители на гибких магнитных дисках НГМД (FDD – floppy disk drives) были разработаны сотрудником фирмы IBM Аланом Шугартом в конце 1960-х годов. Первоначально они использовались как постоянная память, в частности, для хранения микропрограмм, затем появились гибкие диски с возможностью записи. В персональных ЭВМ они устанавливаются, практически, с первых моделей. С тех пор гибкие диски уменьшились в размере, примерно вдвое (с 8 до 3,5 дюймов), а емкость их возросла, примерно в 30 раз (со 100 Кбайт до 2,88 Мбайт), что совсем немного для такого длительного периода.

Рис. 2.5. Накопитель на гибких магнитных дисках.

 

Гибкий диск (дискета) по размещению информации на нем схож с жестким диском: у 3,5 дюймовой дискеты (диаметром около 85 мм) имеется по 80 концентрических дорожек с обеих сторон, на которых могут быть записаны по 9, 18 или 36 секторов размером 512 байтов каждый (что дает соответственно емкость дискеты 720 Кбайт, 1,44 Мбайт и 2,88 Мбайт). Наиболее распространенным вариантом являются дискеты емкостью 1,44 Мбайт. Их можно разметить и иным способом, например увеличив число секторов до 20 (что позволяет сделать известный драйвер 800.com), однако это, как правило, приводит к снижению надежности считывания.

В принципе, контроллеры гибких дисков позволяют также изменять размер и нумерацию секторов и количество используемых дорожек.

Начало дорожки на дискетах отмечается специальным индексным отверстием. У старых (5-дюймовых) дискет это отверстие было сделано непосредственно в диске и его футляре, у 3,5-дюймовых оно расположено в металлической вставке, занимающей центральную часть гибкого диска.

Кроме 3,5-дюймовых дискет, существовали 8- и 5-дюймовые дискеты различной емкости, имевшие различную плотность записи, количество дорожек, в том числе, с записью только на одной стороне диска, но в настоящее время они уже давно не используются.

Привод накопителя на гибких магнитных дисках включает в себя электромеханическую часть с блоком головок чтения/записи и электронную часть.

Электромеханическая часть включает в себя шпиндельный двигатель, привод позиционирования головок чтения/записи и систему загрузки дискеты.

Шпиндельный двигатель низкооборотный: гибкий диск вращается с постоянной (после разгона) угловой скоростью 300-360 об/мин. Стабильность скорости вращения поддерживается следящей системой.

Привод позиционирования головок построен на основе шагового двигателя, перемещающего головки на нужный цилиндр при повороте вала двигателя на заданный угол, посредством подачи на него соответствующего количества импульсов. Обратной связи при этом не предусмотрено и погрешность позиционирования определяется механикой привода. При ее износе и температурных изменениях размеров погрешности растут, и дискета может “не читаться”.

После перемещения головок проверяется адресный маркер дорожки и, если он не совпадает с требуемым, позиционирование повторяется посредством возврата на нулевую дорожку и последующей подачи необходимого количества импульсов на шаговый двигатель. Для определения выхода на нулевую дорожку в накопителе имеется специальный датчик. Положение нулевой дорожки можно подстраивать поворотом шагового двигателя.

Сами головки чтения/записи более простые, чем у жестких дисков, так как плотность записи информации в НГМД значительно ниже (135 дорожек на дюйм, а не несколько десятков тысяч). Они представляют собой обычные электромагнитные головки, осуществляющие чтение и запись при непосредственном контакте с дискетой, что возможно в связи с малой скоростью ее вращения. Однако такой способ, будучи более простым в реализации, менее надежен и приводит к более быстрому износу дискет и головок.

Для уменьшения взаимного влияния верхняя и нижняя головки несколько смещены относительно друг друга по радиусу. Нижняя головка имеет номер 0, верхняя – 1.

В наиболее распространенных 3,5-дюймовых накопителях при загрузке дискеты она вставляется в металлическую рамку внутри накопителя. В конце движения вовнутрь рамка с дискетой резко опускается вниз, приводя ее в контакт с магнитной пластиной шпинделя, удерживающей центральную металлическую пластинку дискеты, и нижней головкой. Сверху прижимается вторая головка. Кроме того, от усилия вставления дискеты взводится пружинный механизм, выталкивающий ее при извлечении из накопителя.

Электронная часть НГМД содержит схемы управления двигателями, усилители сигналов для головок чтения/записи и дополнительные формирователи сигналов датчиков. В отличие от накопителей на жестких дисках контроллер в электронику, установленную непосредственно в НГМД, не входит.

Интерфейс накопителей на гибких дисках достаточно прост. Он включает в себя сигналы управления шпиндельным двигателем и шаговым двигателем перемещения головок, линии данных считывания и записи (однобитные) и некоторые вспомогательные сигналы (в том числе, “защита записи”, “индекс начала дорожки”, “нулевая дорожка”, “выбор стороны диска”, “смена диска”).

В персональных ЭВМ НГМД подключается 34-проводным кабелем (шлейфом), который можно использовать для двух дисководов.

Контроллер накопителей на гибких магнитных дисках внешний. В ПЭВМ он располагается в одной из микросхем чипсета (в южном мосте, или контроллере ввода-вывода). Для передачи данных контроллер обычно использует режим прямого доступа к памяти.

Время обращения к НГМД, обычно не является критическим параметром. Оценить его величину можно зная скорость вращения шпинделя и емкость дорожки. При скорости вращения 300 об/мин и емкости дорожки 9 Кбайт (18 секторов по 512 байт) скорость передачи данных составляет примерно 50 Кбайт/с. Время перемещения головок на один шаг имеет тот же порядок, что и для жестких дисков (2 мс и выше для более старых накопителей). Соответственно перемещение между крайними цилиндрами займет уже в 4-5 раз больше времени. Кроме того, следует принять в расчет еще и время успокоения головок после позиционирования (порядка 15 мс).