17. Фізична будова та параметри жорстких дисків.

Накопичувач на твердих магнітних дисках, вінчестер (англ. HardDiskDrive) - енергонезалежний перезаписуваний комп'ютерний запам'ятовувальний пристрій.

Жорсткий диск - один з найважливіших компонентів комп'ютера, оскільки на ньому зберігаються всі призначені для користувача програми і дані.

О сновним компонентом жорсткого диска є одна або декілька круглих пластин (їх ще називають платтери). Їх виробляють з алюмінію, рідше - з кераміки або скла, покриту тонким феромагнітним шаром. Зазвичай це шар оксиду заліза (яким покривається звичайна магнітна стрічка), але новітні моделі жорстких дисків працюють з шаром кобальту завтовшки порядку десять мікрон. Таке покриття міцніше і, крім того, дозволяє значно збільшити щільність запису. Технологія його нанесення близька до тієї, яка використовується при виробництві інтегральних мікросхем. Диски закріплені на загальній осі і обертаються з великою швидкістю. Крім того, в корпусі жорсткого диска є блок магнітних голівок, які здійснюють читання і запис з поверхонь дисків. Всі голівки сполучені разом і не можуть рухатися окремо, тому запис і читання відбувається відразу зі всіх поверхонь всіх дисків одночасно.

Диски і голівки знаходяться на металевому шасі, що забезпечує жорсткість всієї конструкції, і закриті кришкою, що оберігає поверхні дисків і голівки від попадання пилу. Ще одним завданням корпусу є екранування жорсткого диска від електромагнітних завад.

Корпус не містить жодної електроніки, вона підключається до спеціальної плати, на якій знаходиться необхідна диску електроніка, що управляє, і така сукупність блоку дисків-голівок і називається "Жорсткий диск". Диск розбивають на сектори. Області пересічення секторів і доріжок називають блоками (block), в блоці зберігається 512 байт корисної інформації. Параметри: Інтерфейс — набір, що складається з ліній зв'язку, сигналів, що посилають по цих лініях, технічних засобів, що підтримують ці лінії, і правил обміну. Сучасні накопичувачі можуть використати інтерфейси ATA (AT Attachment, він же IDE — IntegratedDriveElectronic, він же Parallel ATA), (EIDE), Serial ATA, SCSI (SmallComputerSystemInterface), SAS, FireWire, USB, SDIO і FibreChannel. Ємність) — кількість даних, які можуть зберігатися накопичувачем. Фізичний розмір (форм-фактор) — майже всі сучасні накопичувачі для персональних комп'ютерів і серверів мають розмір або 3,5, або 2,5 дюйма. Надійність — визначається як середній час наробітку на відмову (MeanTimeBetweenFailures, MTBF). Кількість операцій вводу-виводу за секунду — у сучасних дисків це близько 50 оп./сек при довільному доступі до накопичувача й біля 100 оп./сек при послідовному доступі. Рівень шуму — шум, що відтворює механіка накопичувача при його роботі 26 дб і нижче. Опірність ударам — опірність накопичувача різким перепадам тиску або ударам. Швидкість передачі даних: Внутрішня зона диска: від 44,2 до 74,5 Мб/с Зовнішня зона диска: від 74,0 до 111,4 Мб/с. Час доступу - час, протягом якого можна отримати доступ до необхідної ділянки диска від 8,2 до 9,3 мс. Швидкість послідовного читання — кількість обертів шпинделя за хвилину. Щільність запису на диску. Цей параметр визначається як відношення лінійної щільності запису уздовж доріжки, що виражається в бітах на дюйм (BitsPerInch — BPI), і кількості доріжок на дюйм (TracksPerInch — TPI) Мбіт/кв.дюйм або в Гбіт/кв.дюйм. Сьогодні існують три основні інтерфейси для підключення жорстких дисків: IDE (ATA) іSerial ATA (SATA), а також інтерфейс SCSI.

18. Жорсткі диски (Hard Drive) є основним видом компютерних накопичувачів. На жєорсткий диск встановлюється операційна система і додатки. Там же зберігаються документи різноманітного типу – від текстових до відеокліпів. Жорский диск вважається внутрішнім компонентом компютера.

Споживацькі якості жорстких дисків:

ємкість (обєм);

використовуємий інтерфейс;

швидкість обміну даними;

надійність;

гучність;

тіпловиділення.

В даний час жорсткі диски виробляють сім компаній: Fugitsu, hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba, Western Digital. Практично всі сучасні жорсткі диски випускаються по технології, що використовує магніторезистивний ефект. Завдяки чому ємкість дисків росла швидкими темпами за рахунок підвищення щільності інформації. Р ис. 8.1 Будова жорсткого диску Магніто-резистівня головки Рис. 8.2 Схема зберігання даних на ж орсткомі диску Принцип роботи магніто-резистивної головки (MR) при зчитуванні даних заключається у помітному змінені опору протікаючому електричному струму при зміні напруженності магнітного поля. Елемент зчитування головки представляє собою надтонку плівку зі спеціального матеріалу, який змінює опір в залежності від орієнтації магнітних доменів на поверхні обнртаючого диску. Орієнтація доменів визначається тим, який біт (0 або 1) записаний в даний момент. Канал зчитування даних безперервно пропускає струм через головку, і тому зміна опору плвки миттєво регеструється. Дані надходять в спеціальний компаратор, який кінцево визначає, який біт був зчитаний, і далі направляє сформований сигнал ніля або одиниці. Опір плівки, який знаходиться в магніто-резистивній головці, має певну залежність від температури нагрівання. В нормальних умовах, при оберненому до робочих обертів диску, повітряний потік припіднімає головку над диском і вона парить на відстані в декілька мікрометрів над гладкою поверхнею. Якщо ж всередину диска потраплять частки розміром, що дорівнюють розміри зазору між головкою і поверхнею, то вони, проносячись з великою швидкістю, торкаються голоки і миттєво розігрюють її за рахунок тертя. Такий нагрів різко підвищує опір плівки. Канал зчитування не може вірно інтерпретувати зміну опору, і відбувається збій. При записі головки здатні намагнічувати маленьку ділянку поверхні диску – таким чином інформація записується (кодується) шляхом зміни поляризації. Постійний вплив температури завчасно виводить головку з ладу, а частки діють як образив. Здатність головки реагувати на зміну иагнітного поля погіршеється з часом. Розрізнити, які технології застосовані в конуретній моделі жорсткого диску, можна по відношенню ємкості і числа пластин. Рекомендуються придбати жорсткіі диски з найвищою питомою щільнісью – менша кількість пластин спрощує механіку і підвищує надійніть роботи, а ткож знижує вартість.

Швидкодію дорсткого диску визначають чотири основні фактори:

час пошуку; запізнення; розмір буфера; швидкість передачі даних.

19. Запропонований наприкінці 80-х років інтерфейс ATA (AT Attachment), відомий також за назвою IDE (Integrated Drive Electronics) дуже швидко завоював широку популярність серед виробників і користувачів персональних комп'ютерів. Основними причинами швидкого і широкого поширення нового інтерфейсу послужили невисока ціна пристроїв, простота їхньої установки й експлуатації, а також високий рівень сумісності пристроїв IDE. Специфікація АТА уступає по швидкості обміну з дисками і ряду інших параметрів інтерфейсу SCSI, однак для більшості користувачів продуктивність відіграє меншу роль, у порівнянні із сумісністю, простотою і вартістю пристроїв.

Обмеженість АТА

Первісна версія стандарту IDE забезпечувала можливість підключення до комп'ютера чотирьох вінчестерів і дозволяла обмінюватися даними з диском на швидкості до 10Мбайт/сек, однак реальна швидкість обмежувалася насамперед можливостями самого вінчестера. Підключення чотирьох пристроїв, передбачене специфікацією IDE, у комп'ютерах сімейства IBM PC AT, у специфікації ATA/IDE реалізовано не було. Крім того, спільне використання стандарту ATA і програмного інтерфейсу Int 13 BIOS обмежувало розмір дискових пристроїв 528Мб. Природу цього обмеження, зв'язану з форматами чисел, використовуваних для адресації голівок, секторів і циліндрів вінчестера (CHS-адреса) у стандарті IDE і BIOS, можна зрозуміти з приведеної нижче таблиці і малюнка 3, що ілюструє взаємодію операційної системи з диском IDE.

Іншим істотним обмеженням стандарту IDE/ATA є неможливість підключення до контролера IDE яких-небудь пристроїв, за винятком вінчестерів.

Властивому інтерфейсу IDE/ATA обмеження гальмували розвиток недорогих комп'ютерних систем, розрахованих на масового користувача, у зв'язку з чим цілий ряд фірм почав спроби розширення можливостей класичного IDE. Найбільших успіхів на цьому шляху домоглася компанія Western Digital, що розробила специфікацію Enhanced IDE (EIDE), що дозволяє використовувати диски, розмір яких перевищує 528 Мб, і реальну можливість підключення, що забезпечила, до комп'ютера до чотирьох пристроїв IDE (не тільки вінчестерів, але і приводів CD-ROM чи стриммерів).

Іншим цікавим варіантом розвитку інтерфейсу IDE є технологія Fast ATA, розроблена компанією Seagate Technology за підтримкою фірми Quantum. Ця технологія спрямована в першу чергу на підвищення швидкості обміну даними з дисковими пристроями і не підтримує можливість підключення CD-ROM чи стриммерів, але забезпечує більш високий рівень сумісності за рахунок відповідності широко розповсюдженим промисловим стандартам.

IDE підтримує тільки два вінчестери, а SCSI забезпечує можливість підключення великої кількості блокових пристроїв різних типів (принтери, CD-ROM, стриммери й ін.);

IDE забезпечує швидкість обміну з диском 2-3 Мб/сек, а SCSI - 10 чи 20Мб/сек (Fast/Wide).

Технологія Enhanced IDE дозволяє позбутися від основних обмежень стандарту IDE/ATA:

граничний розмір диска 528Мб; мала швидкість обміну з диском; підтримка тільки двох пристроїв;

неможливість підключення приводів CD-ROM і стриммеров.

20. Параметри різних режимів передачі приведені в таблиці.

Режим передачі	Мінімальний час циклу, нс	Швидкість передачі Мбайт/с	Інтерфейс
PIO mode 0	600	3,3	ATA
PIO mode 1	383	5,2	ATA
PIO mode 2	240	8,3	ATA
PIO mode 3	180	11,1	E-IDE, ATA-2 (IORDY)
PIO mode 4	120	16,6	E-IDE, Fast ATA-2 (IORDY)
Singleword DMA Mode 0	960	2,08	ATA
Singleword DMA Mode 1	480	4,16	ATA
Singleword DMA Mode 2	240	8,33	ATA
Multiword DMA Mode 0	480	4,12	ATA
Multiword DMA Mode 1	150	13,3	ATA-2
Multiword DMA Mode 2	120	16,6	Fast ATA-2
Ultra DMA Mode 0	1201	16,6	ATA/ATAPI-4
Ultra DMA Mode 1	801	25	ATA/ATAPI-4
Ultra DMA Mode 2	601	33	ATA/ATAPI-4
Ultra DMA Mode 3	451	44,4	ATA/ATAPI-5
Ultra DMA Mode 4	301	66,6	ATA/ATAPI-5
Ultra DMA Mode 5	201	100	ATA/ATAPI-6
Ultra DMA Mode 6	151	133	ATA/ATAPI-7
1У пакеті даних режиму Ultra DMA за кожен такт передаються два слова даних, одне по фронту синхронізуючого сигналу, другу по спаду. Період дотримання синхросигналів дорівнює подвоєному часу циклу.

Обмін в режимі РІО (Programmed Input/output — програмне введення-виведення) виконується у вигляді наступних один за одним операцій читання або запису в просторі вводу-виводу за адресою регістра даних. Готовність пристрою перевіряється перед початком передачі блоку, після чого хост виробляє серію операцій в темпі, який визначається вибраним режимом РІО Mode 0-4.

Обмін в режимі DMA займає виключно шини вводу-виводу і пам'яті. Цей режим в більшості операційних систем і BІOS не передбачений, проте стандартом АТА-2 він підтримується. Передача через канал прямого доступу до пам'яті (DMA) означає, що, на відміну від режиму РІО, дані передаються безпосередньо з жорсткого диска в системну (основну) пам'ять, минувши центральний процесор. Існує два різні типи прямого до ступа до пам'яті: однослівний (8-розрядний) і багатослівний (16-розрядний).

Режим Ultra DMA, що з'явився в специфікації AТА/АТАРІ-4, дозволяє переступити бар'єр в 16,6 Мбайт/с, властивий традиційним режимам і використовуваному кабелю.

Спецификація режимів Ultra-DMA
Режим Ultra-DMA	Час циклу, нс	Коеф. передачі даних, Мбайт/с	Специфікація
0	240	16,67	АТА-4, Ultra-АТА/33
1	160	25,00	АТА-4, Ultra-АТА/33
2	120	33,33	АТА-4, Ultra-АТА/33
3	90	44,44	АТА-5, Ultra-АТА/66
4	60	66,67	АТА-5, Ultra-АТА/66
5	40	100	АТА-6, Ultra-АТА/100
6	30	133	АТА-7, Ultra-АТА/133

Кожне передане слово бере участь в підрахунку CRC-коду, який передається хост-контроллером в кінці пакету. Підрахунок ведеться і джерелом даних, і приймачем. При неспівпаданні прийнятої пристроєм коду з очікуваним кодом фіксується помилка передачі, про яку пристрій повідомляє в кінці виконання команди. Спосіб повідомлення про помилку передачі залежить від типа команди, що виконувалася.

Однослойні (8-розрядні) режими DMA і швидкості передачі
8-розрядний режим DMA	Розрядність шини, байт	Тривалість циклу, нс	Частота шини, МГц	N циклів за 1 такт	Швидкість передачі байт/с	Специфікація АТА
0	16	960	1,04	1	2,08	АТА-1
1	16	480	2,08	1	4,17	АТА-1
2	16	240	4,17	1	8,33	АТА-1
Миттєві (16-розрядні) режими DMA і швидкості передачі
8-розрядний режим DMA	Розрядність шини, байт	Тривалість циклу, нс	Частота шини, МГц	N циклів за 1 такт	Швидкість передачі байт/с	Специфікація АТА
0	16	480	2,08	1	4,17	АТА-1
1	16	150	6,67	1	13,33	АТА-2
2	16	120	8,33	1	16,67	АТА-2