6.2 Накопители на жестких магнитных дисках

Накопитель на жестком магнитном диске (винчестер) - устройство, служащее для длительного хранения информации.

Первый носитель, использовавшийся в качестве постоянного накопителя в IBM PC, имел емкость - 10 Mb. Обозначение одного из дисков той серии (30/30) совпало с обозначением популярной винтовки, и жесткие диски по традиции часто называют теперь "винчестерами". На сегодняшний момент емкость дисков превышает 100 Gb.

Раньше существовали винчестеры с форм-фактором 5", однако сейчас стандартный размер всех накопителей равен 3.5", а в notebook используются 2.5".

Все HDD различаются по способу подключения (интерфейсом): IDE и SCSI.

Рассмотрим физическое и логическое устройство жестких дисков. В HDD также используется круглая пластина из металла, обычно алюминия, с нанесенным на нее магнитным слоем. В большинстве случаев их в носителе несколько, обычно две или три, кроме того располагает блоком головок чтения/записи, двигателем и управляющей электроникой, а также небольшим кэш-буфером и некоторыми другими компонентами. Все это упаковано в прочный корпус из металла, который не герметичный, а имеет специальное отверстие, закрытое воздушным фильтром, для выравнивания давления внутри корпуса с наружным давление окружающей среды. Часто в диске в качестве рабочей используется только одна поверхность пластины (или одна пластина используется полностью, а у другой - только одна сторона. От числа дисков и рабочих сторон зависит число головок. Они расположены блоком в виде гребенки таким образом, что для перемещения одной головки перемещается сразу весь блок. Хотя это и увеличивает среднее время доступа, зато значительно упрощает и удешевляет винчестер.

В рабочем состоянии диски постоянно вращаются. Так как скорость вращения достаточно большая, то между магнитной поверхностью и головками чтения/записи образуется воздушная подушка, и они парят над носителем на расстоянии 0.00005-0.0001mm. Когда HDD не работает, головки находятся в специальной посадочной зоне, при этом они блокируются во избежание различных повреждений как самих головок, так и носителя. При включении двигателя он раскручивает поверхности, и головки под наплывом воздуха выходят из посадочной зоны. При остановке двигателя происходит обратный процесс. Этот механизм называется механизмом автопарковки, и все современные диски обязательно им оснащаются. Износ механики автопарковки практически невозможен, но если часто включать/выключать компьютер или активно пользоваться средствами управления питанием Windows, то следует ожидать сокращения срока службы привода, хотя в непрерывном режиме современные диски могут в среднем работать 50 лет. Кроме того, следует соблюдать температурный режим, в котором функционирует накопитель. Изготовители гарантируют безотказную работу винчестеров при их температуре в диапазоне от 0o C до 50o C. При больших отклонениях температуры воздушная прослойка необходимой толщины может не образовываться, что приведет к повреждению магнитного слоя.

Вообще производители HDD уделяют довольно большое внимание надежности своих изделий. Основная проблема - попадание внутрь диска посторонних частиц. Для сравнения: толщина человеческого волоса в 10 раз больше расстояния между поверхностью и головкой. Для головки встреча с такими предметами обернется сильным ударом и, как следствие, частичным повреждением или полным выходом из строя. Внешне это заметно как появление большого количества закономерно расположенных нерабочих кластеров. Также опасны кратковременные большие по модулю ускорения, возникающие при ударах, падениях и т. д. Например, от удара головка резко ударяет по магнитному слою и вызывает его разрушение в соответствующем месте. В принципе, страшны последствия не самого удара, а то, что при этом образуются частицы, которые обязательно вызовут дальнейшую порчу диска. Для предотвращения таких неприятных случаев различные фирмы прибегают к ухищрениям. Помимо простого повышения механической прочности компонентов диска, применяется также интеллектуальная технология S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology), которая следит за надежностью записи и сохранности данных на носителе. Если обнаруживается ослабление сигнала, то информация перезаписывается и происходит дальнейшее наблюдение. Если сигнал опять ослабляется, то данные переносятся в другое место, а данный кластер помещается как дефектный и недоступный, а вместо него предоставляется в распоряжение другой кластер из резерва диска. Диск всегда отформатирован не на полную емкость, имеется некоторый запас из-за того, что практически невозможно изготовить носитель, на котором абсолютно вся поверхность была бы качественной, обязательно будут bad-кластера. При низкоуровневом форматировании диска его электроника настраивается так, чтобы она обходила эти сбойные участки и для пользователя было совершенно не заметно, что носитель имеет дефекты. Но вот если они видны (например, после форматирования утилита выводит их количество, отличное от нуля), то это плохо.

Логически диск состоит из дорожек, секторов и цилиндров. Дорожка - это окружность, вдоль которой ведется чтение/запись, которая в свою очередь разбивается на сектора. Так как HDD имеет несколько поверхностей, то чаще речь идет о цилиндрах, то есть совокупности дорожек, одинаково удаленных от центра диска. На внешних дорожках можно разместить больше секторов, чем на внутренних. Но при обычной организации структуры носителя это невозможно - все дорожки должны содержать одинаковое количество секторов, то есть много места теряется впустую. Чтобы устранить несоответствие, применяется метод секционирования записи, то есть все пространство поверхности делится на зоны, в каждой из которых применяется своя плотность записи. Например, на первой (самой длинной) дорожке может быть 200 секторов, а на последней - 100. Этот метод позволяет повысить скорость передачи данных, так как плоскости вращаются с постоянной скоростью, и в начале диска в единицу времени под головкой проходит больше секторов, чем в конце.

В результате выше сказанного, винчестеры записывают в CMOS Setup не свои реальные характеристики (Native Mode), а виртуальные (Translation Mode), и микроконтроллер диска пересчитывает их в настоящие координаты секторов, дорожек и цилиндров.

При включении (перезагрузке) компьютера все современные BIOS самостоятельно инициализируют винчестер и записывает его параметры в CMOS, считывая их с самого жесткого диска. Они записываются на заводе при низкоуровневом форматировании накопителя. Есть утилиты, которые позволяют заново переформатировать на низком уровне диск, однако этого делать не стоит.

Однако на практике существует два наиболее важных параметра HDD: скорость и емкость. Скорость диска характеризуют два значения. Это максимальная скорость чтения/записи и среднее время доступа. Первая для различных дисков может сильно отличаться и составляет примерно от 15 Mb/s до 40-60 Mb/s. Причем приличные диски должны обеспечивать скорость обмена не хуже 30 Mb/s, лучше 40 Mb/s (рассматривается пиковая скорость обмена, которая наблюдается при работе в основном с первыми дорожками диска и чтении/записи цельных массивов данных, а в реальных условиях, когда идет обмен небольшими порциями и со всем диском, значения на порядок ниже). Время доступа может варьировать от 12 до 4 ms. Также в характеристиках диска упоминается время перехода на соседнюю дорожку, которое, составляет около 1.5-0.5 ms. В большей степени быстродействие диска определяет скорость вращения плоскостей. Существуют типичные значения 3600, 4500, 5400, 7200, 10000, 15000 оборотов в минуту rpm. Диски с частотой вращения 3600 оборотов в минуту устарели и сняты с производства. Предпочтительными являются диски со скоростью вращения не менее 7200 rpm.

Что касается емкости, то следует отметить, что далеко не все производители считают, что 1 Mb=1024 Kb, 1 Gb=1024 Mb, некоторые (Western Digital и др.) полагают, что 1Gb=1000000000 bytes, а все программы и BIOS измеряют емкость диска в обычных компьютерных единицах измерения информации, поэтому объем винчестера может отличаться на некоторое число сотен килобайт от заявленного.

Существует два режимы обмена данными между винчестером и оперативной памятью:

-Programmed Input/Output (PIO - программируемый ввод-вывод) - режим, при котором осуществляется обмен данными между винчестером и оперативной памятью с участием центрального процессора. Бывают: PIO0, PIO1, РIO2, РIOЗ, PIO4, причем РIO0 медленный режим, а РIO4 – самый быстрый (16,6 Мбайт/с). Режимы РIO в современных компьютерах используются редко, поскольку сильно загружают процессор.

-Direct Memory Access (DMA - прямой доступ к памяти) - это режим, при котором винчестер ведет обмен данными напрямую с оперативной памятью без центрального процессора, перехватывая управление шиной.

В данное время широко развивается OAW – технология. Опишем ее. Как известно, существует теоретический предел магнитной технологии (суперпарамагнетический предел), который связан с тем, что при увеличении емкости дисков увеличивается плотность записи информации, то есть число магнитных частиц на единицу площади поверхности диска. При высокой плотности записи соседние частицы начинают воздействовать друг на друга и записанные данные теряются. Этот феномен наблюдается при достижении плотности записи порядка 20 Гбайт на квадратный дюйм.

Однако данная проблема решена компанией Seagate Technology, за счет использования технологии Optically Assisted Winchester (OAW), позволяющей создавать диски с плотностью записи, превышающей 20, 40 Гбайт/дюйм2. Новая технология основана на четырех технических решениях:

1. Advanced Light Delivery System - состоит из оптического переключающего модуля (Optical Switch Module) предназначенного для генерации лазерных импульсов и оптоволоконной системы для направления луча лазера к головке чтения/записи винчестера

2. Unique Head Design - магнитная головка с интегрированной оптической системой из микроскопических линз (менее 350 микрон в диаметре) для сверхточной фокусировки лазерного луча на поверхности носителя

3. Micro-Machined Mirror Servo System - оптический микропривод для системы зеркал, расположенных на головке винчестера. Зеркала поворачиваются под воздействием управляющих электрических сигналов, точно устанавливая место чтения/записи на поверхности носителя. Построенная система позволяет переключаться между несколькими дорожками не перемещая при этом головку.

4. RE-TM Media - магнитный слой носителя создан на основе аморфных редкоземельных металлов, что позволяет эффективно располагать магнитные заряды на поверхности диска без риска потери данных, а также обеспечить большую, чем это возможно на обычных носителях, плотность

Технология записи состоит в следующем: при обычных температурах трудно изменять магнитные заряды на поверхности носителя, однако если нагреть частицу с данными до температуры выше точки Кюри с помощью импульса лазера, магнитные свойства этой точки могут быть легко изменены без влияния на свойства окружающих ее точек. При чтении данных лазер переходит в режим низкой мощности, и, как и в традиционных магнитооптических дисках, магнитные характеристики бита данных на поверхности носителя определяются по поляризации отраженного от поверхности луча лазера.

Съемные жесткие диски – устройства позволяющие, по мимо стандартных операций с стационарными винчестерами, обмениваться информацией между компьютерами, совершать резервное копирование. Существуют следующие типы съемных пакетов дисков и дисководов: Jazz 1Gb, Jazz 2Gb, EZFlyer, SparQ и т.д. Иногда НЖМД со сменными пакетами дисков или НГМД типа ZIP называют накопителями Бернулли из-за используется закон Бернулли для регулирования зазора между магнитной головкой и магнитным диском так как давление на поверхность тела, создаваемое потоком движущегося вдоль него газа, зависит от скорости потока и уменьшается с увеличением этой скорости. Магнитные головки располагаются над поверхностью эластичных дисков: когда диски неподвижны, они под действием своего веса несколько провисают и отходят от головок, при быстром вращении под действием создающегося разрежения воздуха они притягиваются к головкам почти вплотную, но без их касания. Это обеспечивает минимальное рассеивание магнитного потока головки и позволяет увеличить плотность записи информации на диске.