§ 1.2. Классификация, методы кодирования информации и интерфейсы современных жестких дисков

Жесткие диски, в первую очередь, подразделяются по виду и спо­собу расположения хранимой на них информации. На практике уста­новлена следующая классификация HDD: MFM, RLL, ESDI, IDE (EIDE, ATA), SATA, SCSI.

MFM-винчестеры в настоящее время не выпускаются. Самыми известными из них являются два винчестера фирмы Seagate: ST225 объемом 21,4 Мб и ST251 (42, 8 Мбайт). В обоих случаях речь идет о винчестерах 5,25" половинной высоты. В первых моделях накопителей для кодирования информации использовалась частотная модуляция FM (Frequency Modulation). При таком кодировании для каждого бита данных на треке отводится ячейка с окнами для представления бита и синхросигнала, что неэффективно. Более эффективна модифи­цированная частотная модуляция MFM (Modified Frequency Modula­tion), в которой синхросигнал вводится только для кодирования сле­дующих подряд нулевых бит, что позволяет удвоить плотность записи при той же плотности изменения магнитного потока. И FM и MFM яв­ляются схемами с побитным кодированием. Более эффективны схемы группового кодирования, в которых цепочка байт данных (сектор) предварительно разбивается на группы по несколько бит, кодируемых по определенным правилам. Данная схема получила название RLL (Run Length Limited). Вряд ли сейчас используются RLL-винчестеры, однако методы записи, обозначаемые как RLL, напротив, в настоящее время используются почти во всех типах HDD. Точнее говоря, в этом случае речь идет о PRML. Технология PRML состоит из двух частей: оцифровки аналогового сигнала с головки и запись последовательно­сти этих выборок в буфер, следующий этап считывания предполагает цифровую фильтрацию записанного сигнала. Современная техника цифровой обработки позволяет полностью выполнять декодирование PRML со скоростъю считывания более высокой, чем при аналоговом декодировании RLL.

Теперь несколько слов о, плотности записи и количестве секторов на треке. Допустимое количество секторов определяется допустимой плотностью изменения магнитного потока, длиной трека и схемой ко­дирования данных. Длина трека определяется его диаметром и, естест­венно, внешние треки дисков длиннее внутренних. В накопителях с внешним контроллером (MFM, RLL) количество секторов на всех треках принимается постоянным. Поскольку приходится ограничивать число секторов по допустимой плотности изменения магнитного по­тока на самых коротких внутренних треках, внешние треки оказыва­ются "недогруженными". В старых для схемы кодирования MFM на каждом треке помещали 17 секторов по 512 байт данных, а для схемы RLL — 26 секторов. ESDI-винчестеры сложно идентифицировать по способу подключения, так как они, как и MFM и RLL винчестеры, подключаются 34-жильными управляющими и 20-жильными инфор­мационными кабелями. Однако когда речь идет о ESDI-винчестерах, можно сказать, что обычно они бывают полной высоты и находятся в корпусе 5,25". В накопителях с интерфейсом ESDI (Enhanced Small Device Interface — улучшенный интерфейс малых устройств), у кото­рого удалось увеличить число секторов до 32-80 на трек. Обычно ESDI-винчестеры работают с числом секторов на дорожку до 53 и принадлежат к первым винчестерам, которые достигли емкости 100 Мбайт. Поэтому они применялись, в первую очередь, на сетевых сер­верах и высокоскоростных (на тот период) устройствах.

В рассмотренных типах жестких дисков в качестве важного сред­ства повышения скорости считывания данных использовался параметр Interleave (чередование), или Interleave-фактор. Подробное рассмот­рение этого параметра позволяет весьма точно описать принцип дей­ствия винчестера. При вращении диска головка полностью считывает 512-байтный сектор и посылает данные в контроллер, откуда они пе­редаются процессору. Тем временем диск продолжает вращаться, предлагая головке следующий сектор, а контроллер еще занят обме­ном данных с процессором. Для чтения следующего сектора необхо­димо ждать следующего оборота диска. Диски более ранних выпусков организованы так, что сектора располагаются не последовательно, а в другом порядке, определяемом Interleave-фактором (рис. 1.2.1).

Рис.1.2.1. Примеры Interleave-факторов

В этом случае , при позиционировании головки контроллер имеет достаточно времени для передачи информации без лишнего оборота диска. Изменение Interleave-фактора возможно только программными средствами (Disk Manager, HardPrep) и приводит к полной потере дан­ных, так как меняет логическое разбиение диска.

Ясно, что в идеале лучше использовать чередование 1:1. Однако на практике обычно, как оптимальное, применялось чередование 1:3, так как в противном случае винчестер мог работать вхолостую, то есть при считывании данных возникали постоянные сбои.

В последующих разработках контроллер поместили на плату электроники жестких дисков, что привело к появлению устройств но­вого стандарта IDE (Integrated Device Electronic — устройства ин­тегрированной электроники). Позже появились модификации данного стандарта, получившие название EIDE (Enhanced IDE — расширенный IDE), или ATA (Advanced Technology Attachment, дословно прикреп­ленный к AT). Первые модели дисков ATA подключались 40-жильным кабелем. Подключаемые к кабелю диски должны быть образом сконфигурированы с помощью имеющихся на них переключателей — джамперов (Master или Slave). На диск, сконфигурированный как Master можно устанавливать операционную систему.

Для подключения последующих высокоскоростных модификаций используется 80-жильный шлейф, причем дополнительные 40 проводников практически выполняют роль экрана. В этом случае разъемы могут(должны) иметь разный цвет: разъем синего цвета подключается к ЭВМ (системной плате), разъем черного цвета — к основному диску (устройство 0, или ведущий — Master. Если поменять местами разъемы подключения к плате и ведущему диску, то можно получить либо полностью неработоспособную, либо работающую нестабильно систему.У 40-проводного кабеля все разъемы одного цвета.

Большинство применяемых в наши дни HDD относятся именно к данному типу, хотя, конечно, нельзя не упомянуть высокоскоростные винчестеры SCSI, используемые, в основном, в серверах.

В последнее время начат массовый выпуск устройств с последовательным интерфейсом SATA (Serial ATA), которые должны заменить жесткие диски с параллельным интерфейсом ATA, и являются реальной альтернативой винчестерам SCSI. В интерфейсе SerialATA к каждому кабелю подключается только одно устройство, а разделения дисков на Master и Slave, как в параллельном варианте, нет, хотя при необходимости контроллер интерфейса может эмулировать поведение двух независимых дисков как пары Master/Slave. Отметим так же, что с появлением устройств с интерфейсом SATA, устройства EIDE стали именовать PATA (Parallel ATA — параллельный ATA).

Контроллеры всех современных HDD (EID, SATA, SCSI) работают по другому принципу: для организации непрерывного чтения секторов данные считываются из несколь­ких идущих подряд секторов (так сказать, "с подозрением" на их необ­ходимость) и запоминаются в буфере, откуда впоследствии они могут быть извлечены, то есть применяется упреждающее чтение (Read Look Ahead). Преимущество такого способа заключается в том, что кон­троллер помешается в дисковод, то есть механика и электроника рабо­тают оптимальным образам. Кроме того, для повышения производи­тельности винчестеров, используемых в настоящее время, использу­ются следующие методы:

• Кэширование операций записи. Предположим, компьютеру необходимо что-либо записать на винчестер. Для этого он сначала пе­редает запрос на запись, а затем и сами данные, которые необходимо записать. Жесткий диск без кэширования операций записи принимает эти данные в память, ищет нужный сектор и записывает в него данные. Винчестер с кэшированием операций записи считает данные в кэш и немедленно сообщит компьютеру о завершении операции записи, по­зволяя ему заниматься другими задачами, и лишь после этого проведет фактическую запись данных на диск.

• Адаптивная сегментация кэш-памяти. В приведенных выше примерах говорилось о том, что принимаемые или передаваемые дан­ные хранятся в кэш-памяти. При статической сегментации кэш-память разделяется на фиксированное число независимых частей — сегмен­тов. Предположим, что таких частей две. Теперь винчестеру необхо­димо прочитать данные из сектора 1, затем записать другие данные в сектор 155. При чтении будет применен метод 1, то есть в первый сег­мент попадет сектор 1 и следующий за ним сектор 2. После этого вин­честеру будет необходимо записать данные в сектор 155. Эти данные займут второй сегмент кэш-памяти, и теперь любая операция чтения или записи вызовет вытеснение из сегмента хранящихся там данных. Чтобы этого не происходило, в большинстве современных винчестеров реализован алгоритм адаптивной сегментации, то есть число сегментов и их размер под управлением микропрограммы становятся динамиче­ски изменяемыми, позволяя эффективнее использовать кэш-память.

Следует отметить, что пр интенсивном использовании жестких дисков, записанная на них информация часто оказывается фрагменти­рованной, что уменьшает скорость чтения/записи при обращении к HDD. В этом случае для повышения быстродействия нужно использо­вать специальные прогаммы дефрагментации.

Все современные HDD используют для компенсации различной плотности записи метод зонно-секционной записи (Zone Bit Recording), о котором упоминалось в первом параграфе данной главы. Суть ме­тода заключается в том, что все рабочее пространство магнитного диска делится на зоны: 8 и более. В самой младшей зоне, то есть на дорожке, которая расположена дальше всех от центра диска, содер­жится большее количество секторов (обычно 120-96) К центру диска количество секторов уменьшается, достигая в самой старшей зоне 64-56. Так как диск вращается с постоянной скоростью, от внешних зон поступает значительно больший объем информации нежели от внут­ренних. Неравномерность поступления данных компенсируется путем увеличения скорости работы канала считывания и преобразования данных, и использования специальных перестраиваемых фильтров для частотной коррекции по зонам, а также путем применения производи­тельных однокристальных микроконтроллеров. Контроллер управляет всеми электронными и электромеханическими компонентами накопи­теля и содержит все необходимые для чтения и записи данных анало­говые и цифровые схемы. Он строится, как правило, на базе специали­зированного процессора, оснащенного буферной памятью для проме­жуточного хранения данных записи/чтения и ПЗУ с встроенным ПО. Контроллер вместе с позиционером обеспечивают безопасность диска в случае пропадания питания или остановки двигателя, выводя го­ловки из зоны возможного соприкосновения. Это достигается благо­даря постоянному контролю напряжений питания и скорости враще­ния двигателя. Кроме того, контроллер обеспечивает перевод диска в режим экономии энергии при отсутствии обращений к нему в течение некоторого времени, что особенно важно для накопителей, устанавли­ваемых в ноутбуки.