Магнитные диски

Магнитный диск состоит из одной или нескольких алюминиевых поверхностей, покрытых магнитным слоем. Изначально их диаметр составлял 50 см, сейчас — от 3 до 12 см, у портативных компьютеров — меньше 3 см, причем это значение продолжает уменьшаться. Головка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку. Отметим, что у дискет головка касается поверхности. Когда через головку проходит положительный или отрицательный ток, он намагничивает поверхность под головкой. При этом магнитные частицы намагничиваются направо или налево в зависимости от полярности тока. Когда головка проходит над намагниченной областью, в ней (в головке) возникает положительный или отрицательный ток, что дает возможность считывать записанные ранее биты. Конфигурация дорожки диска показана на рис. 3.

Рис. 3. Фрагмент дорожки диска (два сектора)

Дорожкой диска называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины. Каждый сектор обычно содержит 512 байт данных. Перед данными располагается преамбула (preamble), которая позволяет головке синхронизироваться перед чтением или записью. После данных идет код исправления ошибок (Error-Correcting Code, ECC), в качестве которого используется код Хэмминга или чаще код Рида-Соломона, позволяющий исправлять множественные ошибки, а не только одиночные. Между соседними секторами находится межсекторный интервал.

Многие производители указывают размер неформатированного диска (как будто каждая дорожка содержит только данные), хотя честнее было бы указывать вместимость форматированного диска, на котором не учитываются преамбулы, ECC-коды и межсекторные интервалы. Емкость форматированного диска обычно на 15% меньше емкости неформатированного.

У всех дисков есть кронштейны, они могут перемещаться туда и обратно по радиусу на разные расстояния от шпинделя, вокруг которого вращается диск. На разных расстояниях от оси записываются разные дорожки. Таким образом, дорожки представляют собой ряд концентрических кругов, расположенных вокруг шпинделя. Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее перемещения. На сегодняшний момент диски имеют от 5000 до 10 000 дорожек на см, то есть ширина каждой дорожки составляет от 1 до 2 микрон (1 микрон = 1/1000 мм). Следует отметить, что дорожка — это не углубление на поверхности диска, а просто кольцо намагниченного материала, которое отделяется от других дорожек небольшими пограничными областями.

Плотность записи битов на концентрических дорожках различается в зависимости от расстояния от центра диска и зависит главным образом от качества поверхности диска и чистоты воздуха. Плотность записи современных дисков разнится от 50 000 до 100 000 бит/см.

Чтобы достичь высокого качества поверхности и достаточной чистоты воздуха, диски герметично закрываются. Такие диски называются винчестерами. Впервые они были выпущены фирмой IBM. У них было 30 Мбайт фиксированной памяти и 30 Мбайт сменной памяти.

Большинство магнитных дисков состоит из нескольких пластин, расположенных друг под другом, как показано на рис. 4. Каждая поверхность снабжена кронштейном и головкой. Кронштейны скреплены таким образом, что одновременно могут перемещаться на разные расстояния от оси. Совокупность дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром. В современных моделях дисков для ПК устанавливается от 6 до 12 пластин, содержащих соответственно от 12 до 24 рабочих поверхностей.

Рис. 4. Винчестер с четырьмя дисками

Производительность диска зависит от многих факторов. Чтобы считать или записать сектор, головка должна переместиться на нужное расстояние от оси. Этот процесс называется поиском. Среднее время поиска между дорожками, взятыми наугад, составляет от 5 до 10 мс, а поиск между смежными дорожками — менее 1 мс. Когда головка помещается на нужное расстояние от центра, выжидается некоторое время (оно называется временем ожидания сектора), пока нужный сектор не окажется под головкой. Большинство дисков вращаются со скоростью 5400, 7200 или 10 800 оборотов в минуту. Таким образом, среднее время ожидания сектора (половина оборота) составляет от 3 до 6 мс. Время передачи информации зависит от плотности записи и скорости вращения. При скорости передачи от 20 до 40 Мбайт в секунду время передачи одного сектора (512 байт) составляет от 13 до 26 мкс. Следовательно, время поиска и время ожидания сектора определяет время передачи информации. Ясно, что считывание секторов из разных частей диска неэффективно.

Следует упомянуть, что из-за наличия преамбул, ECC-кодов, промежутков между секторами, а также из-за того, что определенное время затрачивается на поиск дорожки и ожидание сектора, существует огромная разница между скоростью передачи данных для случаев, когда необходимые данные разбросаны в разных частях диска и когда они находятся в одном месте и считываются последовательно. Максимальная скорость передачи данных в первом случае достигается в тот момент, когда головка располагается над первым битом данных. Однако такая скорость работы может сохраняться только на одном секторе. Для некоторых приложений, например мультимедиа, имеет значение именно средняя скорость передачи за некоторый период с учетом необходимого времени поиска и времени ожидания сектора.

Очевидно, что длина внешних дорожек больше, чем длина внутренних. Поскольку все магнитные диски вращаются с постоянной угловой скоростью независимо от того, где находятся головки, возникает проблема. Раньше при производстве дисков изготовители создавали максимально возможную плотность записи на внутренней дорожке, и при продвижении от центра диска плотность записи постепенно снижалась. Если дорожка содержит, например, 18 секторов, то каждый из них занимает дугу в 20°, и не важно, на каком цилиндре находится эта дорожка.

В настоящее время используется другая стратегия. Цилиндры делятся на зоны (на диске их обычно от 10 до 30). При продвижении от центра диска число секторов на дорожке в каждой зоне возрастает. Это усложняет процедуру хранения информации на дорожке, но зато повышает емкость диска, что считается более важным. Все секторы имеют одинаковый размер по количеству записанных бит. Схема диска с пятью зонами изображена на рис. 5..

Рис. 5. Диск с пятью зонами. Каждая зона содержит несколько дорожек.

С диском связан так называемый контроллер диска — микросхема, которая управляет диском. Некоторые контроллеры содержат целый процессор. В задачи контроллера входит получение от программного обеспечения таких команд, как READ, WRITE и FORMAT (то есть запись всех преамбул), управление перемещением кронштейна, обнаружение и исправление ошибок, преобразование байтов, считываемых из памяти, в непрерывный поток битов и наоборот. Некоторые контроллеры производят буферизацию и кэширование нескольких секторов на случай их дальнейшего использования, а также пропускают поврежденные секторы.

Дискеты

С изобретением персонального компьютера появилась необходимость каким-то образом распространять программное обеспечение. Решением проблемы стала дискета или гибкий диск (floppy disk), — небольшой сменный носитель информации. Дискеты были придуманы фирмой IBM. Изначально на дискетах записывалась информация по обслуживанию мэйнфреймов (для сотрудников фирмы-покупателя). Но производители компьютеров вскоре переняли эту идею и стали использовать дискеты в качестве удобного средства записи программного обеспечения и его продажи.

Дискеты обладают теми же общими характеристиками, что и диски, которые мы только что рассматривали, с тем лишь различием, что головки жестких дисков перемещаются над поверхностью диска на воздушной подушке, а у дискет головки касаются поверхности. В результате и сами дискеты, и головки очень быстро изнашиваются. Поэтому, когда не происходит считывания и записи информации, головки убираются с поверхности, а компьютер останавливает вращение диска. Это позволяет продлить срок службы дискет. Но при этом, если поступает команда считывания или записи, происходит небольшая задержка (примерно полсекунды) перед тем, как начнет работать мотор.

RAID

За последнее десятилетие скорость процессоров существенно возросла и продолжает удваиваться каждые 18 месяцев. Скорость полупроводниковой памяти увеличивается не так быстро. И очень сильно отстают от них по данному показателю жесткие диски, время доступа которых по-прежнему измеряется миллисекундами.

В 1988 году специалистами из Калифорнийского университета Беркли была предложена система хранения на основе нескольких дисков. Ее назвали RAID(RedundantArrayofInexpensiveDisk– избыточный массив недорогих дисков). Одновременное использование нескольких дисков позволяет не только увеличить объем и быстродействие запоминающей системы, но и повысить ее надежность. ДляRAID-массивов было разработано шесть различных конфигураций, отвечающих различным задачам. Они названы уровнямиRAID, хотя никакой иерархии не представляют.

RAID 0– это базовая конфигурация дискового массива, предназначенная для повышения производительности системы. Один большой файл разбивается на несколько частей, которые записываются на разные диски. Это называетсяраспределением данных. При обращении к такому файлу для чтения диски могут передавать данные параллельно, так что общее время его пересылки по сравнению со временем хранения на одном диске уменьшается во столько раз, сколько дисков вRAID-массиве. Однако время доступа к конкретному диску, то есть задержки на поиск и позиционирование, не уменьшаются. А поскольку все диски работают независимо друг от друга, они имеют разное время доступа. Следовательно, необходимо произвести буферизацию получаемых от дисков фрагментов файлов, в ходе которой файл собирается из частей и отправляется процессору как единое целое. Это простейший способ функционирования дискового массива, при котором уменьшается только время пересылки данных.

Архитектура RAID 1позволяет повысить надежность хранения данных путем записи их идентичных копий не на одном, а на двух дисках. Такие диски называютсязеркальными. Если один из них выходит из строя, операция чтения и записи продолжается с зеркальным диском. Это довольно дорогой способ повышения надежности хранения, поскольку он требует дублирования всех дисков системы.

Уровни RAID 2, RAID 3 и RAID 4предназначены для повышения надежности системы с помощью различных схем контроля четности, не требующих полного дублирования дисков. Вся информация, предназначенная для контроля четности, хранится на диске.

В RAID 5также используется схема выявления ошибок, основанная на контроле четности. Однако информация, предназначенная для контроля четности, распределяется между всеми дисками.

Разработано и несколько гибридных схем. Так RAID 10представляет собой дисковый массив, одновременно выполняющий функции RAID 1 и RAID 0.

Концепция RAID получила коммерческое признание. В частности, компания Dell ComhuterCorparationпредлагает свои продукты на основе RAID 0, RAID 1, RAID 5 и RAID 10. Цены на магнитные носители за последние несколько лет значительно снизились. Поэтому терминRAIDпереопределен как массив «независимых (independent) дисков».