3. Внешние запоминающие устройства: классификация, принципы работы, основные характеристики

1. Накопитель на жестком диске

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) или, как его чаще назы­ва­ют, Винчестер или Хард-диск (Hard Disk - Жесткий диск), является важнейшим устройством долговременного хранения данных на компьютере. Винчестеры ( возможно была аналогия с номером винтовки, популярной в США, либо это по имени города Винчестер в Англии, где в лаборатории IBM впервые бы­ла разработана технология изготовле­ния плавающей головки для жестких дис­ков) мо­гут также назы­ваться HDD - Hard Disk Drive (Дисковод жесткого диска).

Винчестер представляет собой один или несколько жестких (алюминиевых, ке­рамиче­ских или стеклянных) дисков, покрытых маг­нитным материалом, которые вместе с го­лов­ками чтения-записи, электроникой и приводом, осуществляющим враще­ние дисков и позиционирование головок, заключены в нераз­борный герметичный корпус. Укрепленные на шпинделе электродвига­теля диски вращаются с высокой скоро­стью, а информация читается/записывается магнитными головками, количество кото­рых соот­ветствует количеству поверхностей, используемых для хранения информации. Объем диска характеризуется па­раметром «количество цилинд­ров». Цилиндр образуют дорожки всех поверхностей диска, распо­ложенных одна под другой, т.е. на одинаковом расстоянии от центра диска.

Головки объединены в блок головок и могут перемещаться одновременно от края диска, т.е. от цилиндра с номером 0, к его центру до цилиндра с максимальным номе­ром. Дорожки разбиты на сектора, в каждом из ко­торых хранится 512 бай­тов данных. Адрес блока данных на жестком диске определяется номе­ром цилиндра, номером дорожки и номером сектора.

Для пользователя основной характеристикой жесткого диска является его ем­кость, которая измеряется в мегабайтах (1 Мбайт = 2²⁰ = J 048 576 байт) или гига­байтах (1 Гбайт = 1 073 741 824 байта). Каким бы боль­шим по объему ни казался винчестер, он переполняется на удивление бы­стро: современные про­граммы нередко требуют для установки нескольких сотен мегабайт сво­бодного места на винче­стере. Это операционные системы, интегрированные средства разработки программного обеспечения, мультимедийные системы и др. Винчестер подключается к контроллеру диска, который выполняет всю работу по обме­ну данными между компьютером и диском.

Протокол обмена данными между контроллером и диском называют еще интер­фейсом контроллера диска или просто интерфейсом диска. Чтобы диск и контроллер могли работать друг с другом, они должны поддерживать один и тот же протокол (тип интерфейса). В современ­ных дисках и контроллерах используются чаще всего интер­фейсы IDE (ATA) и SCSI. В по­следнее время стали появляться диски с интерфейсом Se­rial ATA (SATA).

Дня интерфейса IDE (Integrated Drive Electronics - Электроника, встроенная в при­вод) существует несколько модификаций: обычный IDE, EIDE, АТА-3, Ultra DMA-33, Ul­tra DMA-бб, Ultra DMA-100 и Ultra DMA-133. Интерфейс IDE называют еще ATA (AT Attach­ment - Под­ключаемый к AT), а интерфейс Ultra DMA - UltraATA, поскольку диск подклю­чается непосред­ственно к разъему, расположенному на материнской плате. В смысловом отношении АТА и IDE - синонимы.

В модификации АТА-3 увеличена надежность работы в скоростных режимах пе­редачи данных, и введена технология SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Tech­nology -Тех­нология самотестирования и анализа), позволяющая устройствам сообщать о своих неисправ­ностях. В стандарте Ultra DMA-33 скорость передачи данных составляет 33 Мбайт/с, а также обеспечивается контроль правильности передаваемых данных. В интерфейсе Ultra DMA-66 скорость передачи данных повышена уже до 66,6 Мбайт/с. Стандарты Ultra DMA-100 и Ultra DMA-133 обеспечивают скорость передачи данных 100 Мбайт/с и 133 Мбайт/с соответственно.

Скорость работы современных винчестеров зависит в основном от особенно­стей реали­зации интерфейса в системных чипсетах и от пропускной способности внешних шин.

Скорость же внутренней передачи данных у всех жестких дисков примерно оди­накова. Максимальная скорость передачи в режиме PI04 составляет 16,6 Мбайт в се­кунду, а в режиме MW3 DMA по протоколу Ultra DMA-100 -до 100 Мбайт в секунду.

Емкость современных винчестеров постоянно увеличивается за счет повышения плотно­сти записи на каждом диске и совершенствования конструкции винчестеров. В настоя­щее время плотность записи составляет около 75 гигабит на квадратный дюйм, т.е на одну пла­стину 3,5" жесткого диска помешается 100 Гбайт информации, на пла­стину 2,5" диска поме­щается 40 Гбайт и на пластину 1,8" диска помещается 20 Гбайт информации. Созданная по новой технологии CPP-GMR (Current Perpendicular to Plane - Giant Mag­neto-Resistive - Сверх­магниторезистивная головка с перпендикулярной запи­сью) магнит­ная головка для жестких дисков обеспечивает запись и считывание инфор­мации с плот­ностью до 300 гигабит на квад­ратный дюйм. Таким образом емкость 2,5-дюймового диска с одной пластиной может достигать 15O Гбайт. В жестких дисках с интерфейсом IDE обычно используют 1-5 пластин, с интер­фейсом SCSI - до 10.

Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени поиска. Стандартным значением частоты вращения для современных жестких дисков с ин­терфейсом IDE считается значение 5400 оборотов в минуту {среднее время поиска 9-10 мс), с интерфейсом SCSI - 7200 оборотов в минуту (среднее время поиска 7-8 мс). Изделия более высокого уровня имеют частоты вращения соответственно 7200 и 10000 оборотов в минуту (среднее время поиска 5-6 мс). Для интерфейса SCSI появи­лись диски с частотами вращения 12000 оборотов в минуту. Каждая «ступенька» при­роста скорости обеспечивает увеличение общей производительности примерно на 25%. Устройства с высокими частотами вращения (10000 об/мин и более) требуют специаль­ных мер по охлаждению, вплоть до установки от­дельных вентиляторов.

Во всех современных дисковых накопителях устанавливается буферная кэш-па­мять, ус­коряющая обмен данными; чем больше ее емкость, тем выше вероятность того, что в кэш-памяти будет необходимая информация, которую не надо считывать с диска (этот процесс в тысячи раз медленней). Емкость кэш-буфера в разных устройствах мо­жет изменяться в грани­цах от 64 Кбайт до 8 Мбайт.

Очень важной характеристикой жесткого диска является надежность. Обычным показа­телем для дисков с интерфейсом IDE считается наработка на отказ 300 000-500 000 часов, с интерфейсом SCSI - до 1 000 000 часов. Этот параметр чисто статистиче­ский. Для конкрет­ного экземпляра он означает, что за период в 1000 часов его работы вероят­ность выхода из строя составит 0,5% (при показателе наработки на отказ 500 000 часов).

Для повышения надежности большинство производителей применяют в жестких дисках различные вариации технологии SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technol­ogy - Технология самотестирования и анализа). Обычно предусматривается ав­томатиче­ская проверка целостности данных, состояния поверхности пластин, перенос информа­ции с критических участков на нормальные и другие операции без участия пользователя. В случае нарастания фатальных ошибок SMART своевременно выдаст со­общение о необходимости принятия срочных мер по спасению данных.

Па­раметр среднее время поиска, которое измеряется в миллисекундах - это величина, примерно равная времени, необходимому для перемещения головки чтения/записи от сред­ней дорожки на первую или последнюю дорожку.