21

Лабораторная работа 5 Исследование накопителя на жестких дисках (нжд)

1. Цель работы

Цель работы состоит:

- в определении конфигурации НЖД;

- в изучении и исследовании основных характеристик НЖД;

- в ознакомлении с программами диагностики и тестирования НЖД.

2. Основные сведения

Накопители на жестких дисках обычно называют винчестерами. Этот термин появился в 1960-х годах, когда IBM выпустила высокоскоростной накопитель с одним несъемным и одним сменным дисками емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из пластин, которые вращались с высокой скоростью, и "парящих" над ними головок, а номер его разработки — 30-30. Такое цифровое обозначение (30-30) совпало с обозначением популярного нарезного оружия Winchester, поэтому термин винчестер вскоре стал применяться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска. Это типичный профессиональный жаргон, на самом деле подобные устройства не имеют с обычными винчестерами(то есть с оружием) ничего общего.

Ни один жесткий диск не сравнится по скорости передачи данных с оператив­ной памятью. И все же дисковую систему приходится использовать весьма активно. Работа с диском необходима при запуске программ, при работе с вир­туальной памятью, при воспроизведении мультимедийных данных. Современ­ные программы, в том числе компьютерные игры, содержат массу различных данных, которые должны быть загружены в память. В связи с этим фактор быстродействия жесткого диска играет весьма важную роль в обеспечении общей эффективности компьютера.

2.1. Принцип цифровой магнитной записи.

Принцип работы ЗУ на НЖД, то есть на подвижном магнитном носителе основан на особенности магнитных материалов изменять свое состояние под действием магнитного поля Н в соответствии с петлей гистерезиса:

Н_к - коэрцитивная сила

В_r - остаточная магнитная индукция

Рис.1

После снятия магнитного поля носитель остается в одном из состояний В_r, на чем и основан принцип запоминания. Чтение записанной информации (также как и запись) производится с помощью магнитной головки чтения, в которой при изменении намагниченности носителя под головкой наводится ЭДС: . Магнитная запись и чтение двоичных сигналов на магнитных носителях производится с помощью двух состояний (состояние размагниченности обычно не используется).

Магнитный носитель - это немагнитный материал покрытый тонким ферромагнитным материалом в виде МЛ или МД. Магнитные домены или битовые ячейки представляют собой чередующиеся участки с различным направлением намагниченности. Плотность магнитной пластины определяется размерами ячеек: чем они меньше, тем выше плотность записи информации.

2.2. Конструкция нжд

Конструктивно НЖД содержит пакет магнитных дисков-пластин, установленных на общей оси. (рис.2.) Частота вращения дисков в первых моделей составляла 3 600 об/мин. Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла до 6 400, 7 200, 10000 об/мин и даже 15 000 об/мин.

Ри2.1.

Рис.2.

Отдельная пластина имеет одну или две рабочие поверхности. Возле каждой поверхности установлена собственная магнитная головка для записи и считывания информации. Головки объединены в пакет и перемещаются син­хронно — в любой момент расстояние от каждой из головок до оси вращения пластин одинаково.

Движение головок осуществляется при помощи специального двигателя. У ранних жестких дисков использовался шаговый двигатель, аналогичный тому, который применяется в дисководах гибких дисков, — позиционирование головок на дорожке определялось числом шагов. В современных жестких дис­ках используется более быстрый линейный двигатель, не имеющий фиксиро­ванных положений. Позиционирование головки (то есть, выдача команд на включение и выключение двигателя) производится с использованием серво-меток, расположенных между дорожками с данными.

Пакет головок помещен в герметичный блок, пространство которого изоли­ровано от атмосферы и содержит воздух, очищенный от пыли и влаги. Специ­альная мембрана служит для выравнивания давления внутри гермоблока. При вращении дисков возле их поверхности образуется тонкая воздушная подушка, на которой и «плавает» магнитная головка. Таким образом, в ходе работы прямого контакта между головкой и поверхностью диска нет, что положительно сказывается на сроке службы прибора. При выключении компьютера контрол­лер автоматически выполняет парковку головок диска — они уводятся на край­нюю дорожку и ложатся на диск в том месте, где какие-либо данные отсут­ствуют.

Вместимость жесткого диска зависит от количества пластин и объема дан­ных, помещающихся на одну пластину. У ранних дисков плотность записи была невелика — объем наращивался путем увеличения числа пластин. Нередко встречались «монстры» с 8-12 головками. Современная технология позволила значительно поднять плотность записи — число головок диска обычно не пре­восходит четырех. Благодаря этому современные диски намного компактнее.

Если положение головок диска фиксировано, то благодаря вращению под головками; оказываются точки, образующие на поверхности диска окружность. Такие окружности называют дорожками — они содержат данные. Благодаря вертикальному расположению головок друг над другом, все дорожки с одинако­вым расстоянием от оси вращения, могут быть прочитаны одновременно. Такая совокупность дорожек образует цилиндр. Цилиндр диска однозначно определя­ется положением пакета головок, а чтобы выбрать конкретную дорожку, необхо­димо также указать номер рабочей поверхности.

Каждая дорожка состоит из секторов, содержащих конкретные данные. Объем сектора стандартен для всех жестких дисков и составляет 512 байт (рис. 3.)

Рис. 3.Схема физического устройства жесткого диска

У ранних моделей жестких дисков сектора имели фиксированный угловой: раз­мер —ближе к центру диска площадь сектора меньше, чем на периферии. Совре­менные диски используют механизм ZBR (Zone Bit Recording — запись по зонам). Радиальная часть диска разделена на несколько зон (иногда более десятка), внутри которых число секторов на дорожке фиксировано. Однако чем дальше от оси вращения располагается зона, тем больше секторов содержат дорожки (рис.4.).

Рис. 4. Диск с постоянным угловым размером сектора и диск с механизмом ZBR

При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочая служебная информация, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается, и с этим приходится мириться, поскольку для обеспечения нормальной работы накопителя некоторое пространство на диске должно быть зарезервировано для служебной информации.

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс — suffix portion), в котором находится контрольная сумма (checksum), необходимая для проверки целостности данных. Помимо указанных областей служебной информации, каждый сектор содержит область данных емкостью 512 байт.

Утверждать, что размер любого сектора равен 512 байт, не вполне корректно. На самом деле в каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных — это только часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные отводится только 512 байт. В различных накопителях пространство, отводимое под заголовки (header) и заключения (trailer), может быть разным, но, как правило, сектор имеет размер 571 байт.

Чтобы очистить секторы, в них зачастую записываются специальные последовательности байтов. Заметим, что, кроме промежутков внутри секторов, существуют промежутки между секторами на каждой дорожке и между самими дорожками. При этом ни в один из указанных промежутков нельзя записать "полезные" данные. Префиксы, суффиксы и промежутки — это как раз то пространство, которое представляет собой разницу между неформатированной и форматированной емкостями диска и "теряется" после его форматирования.

Для наглядности представьте, что секторы — это страницы в книге. На каждой странице содержится текст, но им заполняется не все пространство страницы, так как у нее есть поля (верхнее, нижнее, правое и левое). На полях помещается служебная информация, например названия глав (в нашей аналогии это будет соответствовать номерам дорожек и цилиндров) и номера страниц (что соответствует номерам секторов). Области на диске, аналогичные полям на странице, создаются во время форматирования диска; тогда же в них записывается и служебная информация. Кроме того, во время форматирования диска области данных каждого сектора заполняются фиктивными значениями. Отформатировав диск, можно записывать информацию в области данных обычным образом. Информация, которая содержится в заголовках и заключениях сектора, не меняется во время обычных операций записи данных. Изменить ее можно, только переформатировав диск.