3.5. Внешние запоминающие устройства на магнитных дисках

Во внешних запоминающих устройствах на магнитных дисках, называемых также накопителями информации на магнитных дисках, носителем информации является диск (один или несколько). Двигатель накопителя обеспечивает требуемую постоянную частоту вращения диска (или пакета дисков) в рабочем режиме. Хранимая на диске информация располагается на концентрических дорожках (треках). Каждый трек разбит на секторы фиксированного размера. Сектор является минимальным блоком информации, который может быть записан на диск или считан с него. Каждый сектор имеет служебную область, содержащую адресную информацию, контрольные коды и некоторую другую информацию, и область данных. Если в накопителе установлено несколько дисков, собранных в пакет, и у каждого диска могут использоваться обе поверхности, то совокупность треков (с одинаковыми номерами) на разных рабочих поверхностях составляет цилиндр. Для каждой рабочей поверхности в накопителе имеется своя головка, обеспечивающая запись и считывание информации. Для того, чтобы произвести элементарную операцию обмена – запись или чтение сектора, диск или пакет дисков должен вращаться с заданной скоростью, блок головок должен быть подведен к требуемому цилиндру, и только когда нужный сектор подойдет к выбранной головке, начнется физическая операция обмена данными между головкой и блоком электроники накопителя. Кроме того, головки считывают служебную информацию (адресную и сервисную), позволяющую определить и установить их текущее местоположение. Контроллер накопителя выполняет сборку и разборку блоков информации (секторов или целых треков), включая формирование и проверку контрольных кодов, осуществляет модуляцию и демодуляцию сигналов головок и управляет всеми механизмами накопителя.

Исторически первыми устройствами хранения информации на магнитных дисках были накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) или дискетах. В первых моделях ПК они были единственным устройством внешней памяти и единственным средством хранения и переноса информации. С тех пор эти устройства претерпели относительно небольшие изменения – их размер уменьшился примерно в два раза, а емкость выросла всего на порядок. Этот прогресс весьма невелик по сравнению с прогрессом других компонентов компьютеров.

Носителем информации в НГМД (FDD – Floppy Disk Driver) является гибкий пластиковый диск, на который нанесен ферромагнитный слой. Долгое время стандартный диаметр такого диска для ПК равнялся 5,25 дюйма. Затем на компьютерах типа AТ впервые появились накопители для дискет формата 3,5 дюйма, которые применяются и в настоящее время. Гибкий диск в этих дискетах заключен в жесткий пластиковый конверт (корпус), что лучше защищает диск от пыли и деформации. Все накопители формата 3,5 дюйма имеют 80 треков, а по продольной плотности существуют три градации: 9, 18 или 36 секторов на треке (соответственно, емкость дискеты 720 Кб; 1,44 Мб и 2,88 Мб). Емкость 1,44 Мб (стандарт HD) является наиболее распространенной. Дискеты с емкостью 2,88 Мб (стандарт ED) широкого распространения не получили ввиду необходимости специальных дисководов для работы с такими дискетами.

Для подключения НГМД используется 34-проводной (34-жильный) шлейф (ленточный кабель) с перевернутым фрагментом из 7 проводов с номерами 10 – 16. Этот поворот позволяет подключать к контроллеру одним шлейфом до двух НГМД, причем адрес накопителя определяется его положением на шлейфе: для привода «А:» фрагмент перевернут, для «В:» – нет. При установке параметров в CMOS Setup «А:» и «В:» можно менять местами без переключения кабеля.

Скорость вращения диска в НГМД – 300 об/мин, скорость обмена данными около 500 Кбайт/сек, среднее время доступа – около 100 мс.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД или HDD – Hard Disk Drive) являются главными устройствами дисковой памяти большинства ВМ. Закрепившимся неофициальным названием НЖМД является термин «винчестер», возникший из-за случайного совпадения обозначения первых НЖМД с обозначением знаменитой американской винтовки типа «Винчестер». К НЖМД предъявляются следующие основные требования: большой объем хранения, малое время доступа, большие скорости передачи данных, высокая надежность. НЖМД состоит из следующих четырех главных элементов, каждый из которых вносит свой вклад в его общие характеристики: носителя (пакета дисковых пластин, вращающихся на одной оси), магнитных головок чтения-записи, позиционера (устройства, «наводящего» головки на нужную дорожку) и контроллера, обеспечивающего согласованное управление всеми элементами диска и передачу данных между ним и компьютером.

Пластины представляют собой диски из алюминиевого сплава или стеклообразного материала (стеклообразные пластины получили в последнее время более широкое распространение), поверхность которых покрыта несколькими слоями магнитных и немагнитных материалов, защищенных сверху тонким слоем алмазоподобного графита. Пластины укреплены на шпинделе двигателя, который вращает их с весьма высокими угловыми скоростями (до 15 тыс. об/мин). Головка «парит» над поверхностью вращающейся пластины на расстояниях порядка 10–15 нм. Расстояние от головки до магнитного слоя при этом заметно больше – до 30 нм. Защитный слой, наносимый на головку и пластины, обладает чрезвычайно высокой прочностью, так что «падение» головки на поверхность пластины в случае, например, непредвиденной остановки двигателя не приводит в современных накопителях к выходу их из строя, как это было в НЖМД первых поколений.

Размеры и ориентация частиц магнитного слоя определяют вместе с размерами зазора магнитной головки возможную плотность записи. Поверхностная плотность записи имеет две составляющие – продольную (определяется размерами магнитных доменов, представляющих каждый бит одной дорожки) и поперечную (определяется расстоянием между соседними дорожками).

От скорости и точности работы позиционера – «средства доставки» головок к нужному цилиндру диска – зависит как время доступа к данным, так и допустимое расстояние между дорожками, то есть в конечном итоге плотность записи. В современных НЖМД к приводу позиционера предъявляются весьма жесткие требования по скорости и точности позиционирования головок, что приводит к построению достаточно сложных технических устройств, обеспечивающих точный и быстрый вывод головок в нужную позицию.

Контроллер управляет всеми электронными и электромеханическими компонентами накопителя и содержит все аналоговые и цифровые схемы, необходимые для чтения и записи данных. Он строится, как правило, на базе специализированного процессора, оснащенного буферной памятью для промежуточного хранения данных записи-чтения и ПЗУ со встроенным программным обеспечением. Контроллер обеспечивает перевод диска в режим экономии энергии при отсутствии обращений к нему в течение некоторого времени (это особенно важно для накопителей, устанавливаемых в ноутбуки, так как может заметно увеличить время их автономной работы). Современные адаптивные алгоритмы экономии энергии основываются на собираемой контроллером статистике использования диска, т. е. как бы «подстраиваются» под стиль работы конкретного пользователя. Одна из важнейших функций контроллера – реализация протоколов интерфейса связи с компьютером.

Диски выпускаемых в настоящее время НЖМД имеют диаметр, равный 3,5 дюйма для стационарных «настольных» компьютеров и 2,5; 1,8; 1,0; 0,8 дюйма для ноут­буков и других сверхпортативных компьютеров.Скорости вращения для 3,5-дюймовых дисков составляют 15000, 10000, 7200 и 5400 об/мин, для 2,5-дюймовых и более миниатюрных дисков – 7200, 5400, 4200 и 3600 об/мин.

Емкость предлагаемых к продаже НЖМД к настоящему времени составляет до 250–300 Гбайт, а плотность записи – до 60–70 Гбит на квадратный дюйм. Характерна явная тенденция к увеличению значений этих параметров.

Производительность НЖМД определяется рядом параметров, среди которых важнейшим является поверхностная плотность записи. Увеличение плотности записи позволяет автоматически увеличивать емкость и скорость передачи данных между носителем и контроллером при одной и той же скорости вращения диска.

Сложнее обстоит дело со временем доступа к данным, хотя и на него влияет увеличение поперечной плотности записи, т. к. позволяет при той же емкости уменьшить диаметр пластины, а, следовательно, путь, проходимый головкой в поисках нужной дорожки. К сожалению, кроме времени поиска, то есть времени перемещения головки на нужную дорожку, которое зависит от быстродействия позиционера, существует еще так называемое «скрытое» время задержки, или латентность (latency), то есть время от выхода головки на заданную дорожку до появления под ней нужного сектора с данными. Естественно, что в лучшем случае оно может равняться нулю, а в худшем – времени полного оборота диска. Принято считать, что в среднем латентность равна времени полуоборота, что для скоростей вращения современных дисков, равных 5400, 7200, 10 000 и 15 000 об/мин, составляет 5,6; 4,2; 3 и 2 мс соответственно.

Еще один параметр, влияющий на производительность (хотя и не столь существенно), – объем кэш-памяти (или буферной памяти) контроллера диска. Объем кэш-памяти, который в накопителях предыдущих поколений не превышал 512 Кбайт, к настоящему времени в большинстве недорогих моделей широкого применения уже составляет до 2 Мбайт, а в профессиональных моделях достигает 8 и даже 16 Мбайт.

Важной характеристикой дисковых накопителей информации является скорость передачи данных (Transfer Speed или Transfer Rate), которая определяется как производительность обмена данными, измеряемая после выполнения поиска данных. Однако в способе измерения этого параметра возможны разночтения, поскольку современные устройства имеют в своем составе буферную память существенных размеров. Скорости обмена буферной памяти с собственно носителем (внутренняя скорость) и с внешним интерфейсом могут существенно различаться. Если скорость работы внешнего интерфейса ограничивается быстродействием электронных схем и достижимой частотой передаваемых сигналов, то внутренняя скорость более жестко ограничивается возможностями электромеханических устройств (скоростью движения носителя и плотностью записи). При измерениях скорости передачи на небольших объемах пересылок проявится ограничение внешнего интерфейса буферной памяти, при средних объемах – ограничение внутренней скорости, а при больших объемах проявится еще и время поиска последующих блоков информации. Иногда в качестве скорости передачи данных указывают лишь максимальную скорость интерфейса, а о внутренней скорости можно судить по частоте вращения дисковых носителей и числу секторов на треке.

И последний (по порядку, но не по значению) фактор, определяющий производительность – интерфейс накопителя. Его скорость передачи должна быть, по крайней мере, не ниже, чем скорость передачи между носителем и контроллером диска, иначе интерфейс накопителя станет узким местом, снижающим общую производительность накопителя (информация об интерфейсах НЖМД представлена в разделе 5).

В последнее время наблюдается все более широкое внедрение в массовые компьютеры технологии объединения нескольких накопителей в единый дисковый массив, ранее применяемой лишь в высокопроизводительных системах. Эта технология носит наименование RAID (Redundant Array of Independed Disks – избыточный массив независимых дисков). Создание RAID-массива преследует три основные цели: увеличить объем устройства хранения информации, повысить скорость передачи данных и надежность хранения. По достижении первой цели при надлежащей организации размещения данных легко «вытекает» и вторая: достаточно размещать последовательные блоки данных с чередованием на разных дисках при наличии буферизации, чтобы во время чтения/записи скорость передачи информации между дисковым массивом и компьютером стала равной сумме скоростей, с которыми происходит обмен между отдельными накопителями. Третья цель противоречит первым двум: надежность хранения данных может быть увеличена только при обеспечении избыточности, т. е. при увеличении доли служебной информации, что приводит к уменьшению доли полезной. Следовательно, технология RAID позволяет решать самые разные задачи, начиная от простого пропорционального расширения дискового пространства и, следовательно, роста скорости обмена данными, до обеспечения их сохранности при полном выходе из строя одного или даже нескольких накопителей.

Со време­ни своего появления в конце 1960-х годов НЖМД пережили не одну технологическую революцию. Принцип их действия за это время, однако, не изменился – внутри по-прежнему за­ключены быстро вращающиеся дисковые пластины с магнитным покрытием и, как следствие, изнашивающиеся и легко повреждаемые меха­нические части. Поэтому НЖМД до сих пор остаются одними из самых уязвимых компьютерных компонентов, требующих аккуратно­го обращения и регулярного резервного копирования их содержимо­го.

Перспективы развития индустрии НЖМД на ближайшее время представля­ются в основном эволюционными: дальнейшее повышение поверхностной плот­ности записи за счет улучшения технологии покрытий пластин и го­ловок чтения/записи, совершенствование интерфейсов для обеспече­ния соответственного увеличения скоростей передачи данных.