3.3. Жесткие диски

Накопители на гибких магнитных дисках (дискеты) имеют несколько важных недостатков - это малая информационная емкость и низкое быстродействие. Созданные позже жесткие диски (винчестеры, Hard Disk Drive, HDD) должны были преодолеть эти недостатки.

Винчестеры предназначены для хранения больших объемов информации. Современные винчестеры имеют емкость до сотен гигабайт. Недостатком винчестеров является то, что они предназначены для стационарной устновки в корпус компьютера, следовательно, ими обычно не пользуются для переноса информации с одного компьютера на другой.

3.3.1. Конструкция и принципы действия жестких дисков

В принципе жесткие диски подобны дискетам. Информация в них также записывается на магнитный слой диска. Однако, этот диск, в отличие от дискет, сделан из жесткого материала, чаще всего алюминия (отсюда и название Hard Disk). В корпусе винчестера из прессованного алюминия находятся конструктивные элементы винчестера: рабочий двигатель, носитель информации (диски), головки чтения/записи и электроника (рис.23).

Рис.23. Основные узлы винчестера

Если дискета физически состоит из одного диска, то винчестер - из нескольких одинаковых дисков, расположенных друг над другом (рис.24). От количества дисков в этой "стопке" зависит общий объем памяти HDD.

Рис.24. Блок магнитных дисков винчестера

Головки чтения/записи соответствуют рабочим головка дисковода. Для каждого диска в "стопке" имеется пара таких головок, которые приводятся в движение и позиционируются шаговым двигателем. Все головки расположены "гребнем". Позиционирование одной головки обязательно вызывает перемещение всего блока головок.

Рабочий двигатель приводит пакет дисков во вращение, скорость которого в зависимости от модели находится в пределах 3000-3600 об/мин, а у самых современных до 7200 об/мин. Жесткий диск вращается непрерывно даже тогда, когда к нему не происходит обращение, поэтому винчестер должен быть установлен только вертикально или горизрнтально. В отличие от дисководов, где головки имеют непосредственный контакт с магнитным диском, у винчестеров головки чтения/записи "парят" на воздушной подушке. Расстояние между диском и головкой составляет > 0,00005-0,00001 мм. Мнение, что внутри корпуса дисковода создается вакуум, является ошибочным, так как там, где есть вакуум, естественно, не может быть воздушных подушек. Вследствие большой скорости вращения диска и малого расстояния, на котором расположена от диска головка, столкновение рабочей головки с частичной грязи, попавшей в винчестер, подобно сильному удару, что может привести к поломке винчестера. К таким же последствиям может привести вибрация или перемещение винчестера во время процесса чтения/записи.

Внутри корпуса винчестера находится воздушная щель, которая снабжена микрофильтром для того, чтобы защитить материал дисков от пыли. Через эту воздушную щель выравнивается давление воздуха между дисководом и окружающей средой. Другой фильтр удаляет частицы, образующиеся в результате работы механических частей диска (рис.25).

Рис.25. Циркуляция воздуха в накопителе

3.3.2. Парковка

При частом включении и выключении компьютера происходит сокращение срока службы винчестера. Современные винчестеры имеют функцию автоматической парковки. При парковке головки автоматически блокируются, и их дальнейшая работа невозможна. При включении компьютера головки снова разблокируются. При выключении компьютера головки устанавливаются по определенный, чаще всего последний цилиндр. Эта парковочная позиция обозначается Landing Zone или L-Zone.

В более ранних винчестерах нужно устанавливать головки в парковочную позицию при помощи специальных утилит. При этом в качестве парковочной позиции автоматически определяется последний цилиндр.

3.3.3. Форм-фактор

Физические размеры винчестеров стандартизированы параметром, называемым форм-фактором. Наиболее распространены винчестеры с форм-фактором 3,5? Slimline с размером корпуса 25,4? 101? 146, которые пришли на смену винчестерам с форм-фактором 5,25? . Основной причиной этого перехода стало то, что винчестеры 3,5? позволяют при меньших размерах и затратах добится большей скорости вращения диска, меньшего времени доступа и, соответственно, более высокого быстродействия. Винчестеры 5,25? в настоящее время используются довольно редко, поскольку такой винчестер занимает место двух дисководов FDD 5,25? , поставленных друг на друга.

Таблица 4. Характеристики винчестеров

3.3.4. Физическая организация жестких дисков

Физическая организация винчестеров очень похожа на физическую организация дискет, которую мы рассматривали ранее. Однако, внутри винчестера находится не один магнитный диск, а целый пакет дисков. Разбиение каждого диска идентично. Любой диск из пакета имеет две стороны, каждая из которых разделена на дорожки. Дорожки всех дисков, находящиеся на одном расстоянии от края диска, объединяются в цилиндр. Цилиндры и дорожки нумеруются от края диска внутрь, начиная с 0 (рис.26). Так же, как и в дискетах, дорожки делятся на сектора по 512 байт. Для каждой стороны диска имеется своя головка чтения/записи.

a)
б)
в)

Рис.26. Физическая организация винчестера

Число дисков, головок и дорожек винчестера устанавливается изготовителем, исходя из свойств и качества дисков. Изменить эти характеристики нельзя. Количество секторов на дорожке зависит от метода записи, а плотность - от носителя: чем лучше материал диска, тем плотнее на нем могут быть записаны данные. Физический объем памяти можно вычислить по следующей формуле:

Общий объем (байт) = C * H * S * 512 (байт),

где

С - количество цилиндров

Н - количество головок

S - количество на дорожке

Однако, не вся эта память доступна пользователю, некоторая ее часть используется для управление размещением данных.

Описанное выше разбиение диска называется низкоуровневым форматирование (Low Level). Оно выполняется изготовителем. По описанным ниже причинам винчестеры работают не с физическими параметрами, а с виртуальными. Если выполнить низкоуровневое форматирование такого винчестера, то виртуальные параметры будут потеряны, и диск станет не пригоден для эксплуатации.

3.3.5. Основные типы винчестеров

Винчестер обязательно подключается через контроллер, который может располагаться как на специальной карте расширения, так и на самой системной плате. Именно этот контроллер выполняет прием, передачу и обработку сигналов от винчестера.

На практике наиболее распространенными сейчас являются винчестеры типа IDE, реже SCSI. Рассмотрим подробнее данные типы жестких дисков.

IDE

В винчестерах типа IDE (Integrated Drive Electronics) управляющая электроника расположена не в контроллере, а в винчестере. Преимущество жестких дисков такого типа проявляется, прежде всего, при приеме и передаче информации, то есть в таких винчестерах оптимально согласованы прием и передача сигналов. Такие винчестеры связываются с контроллером 40-жильным плоским кабелем. Винчестеры типа IDE нет необходимости форматировать на низком уровне. После его установки в корпус компьютера и подключения остается только:

• Записать в CMOS Setup его параметры
• Разбить винчестер на разделы и
• Отформатировать его средствами операционной системы

В основу работы IDE-винчестеров положен метод зонно-секционной записи Zone Bit Recording. Обратите внимание, что дорожка, расположеная ближе к центру, короче дорожки, расположенной ближе к краю диска. Вследствие этого плотность записи на внутренних дорожках выше, чем на внешних, и полезная емкость винчестера используется неэффективно. Для компенсации различной плотности записи и используется метод зонно-секционной записи. 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. В результате чего, поскольку диск вращается с постоянной скоростью, от внешних зон поступает значительно больший объем информации, чем от внутренних. Неравномерность поступления данных компенсируется путем увеличения скорости работы канала считывания/преобразования данных и использования специальных перестраиваемых фильтров для частотной коррекции по зонам, а также путем применения производительных однокристалльных микроконтроллеров.

Винчестеры, работающие таким образом, нельзя объявлять в CMOS Setup с их фактическими параметрами. Для этих дисков существует опция, называемая Translation Mode (режим трансляции). При ее установке значение, указанное в CMOS Setup, пересчитывается контроллером в соответствии с расположением цилиндров и секторов.

SCSI

SCSI-винчестеры имеют самую высокую скорость обмена данными. При установке таких винчестеров необходимо обязательно подключать специальную плату расширения - SCSI-адаптер - которая будет управлять винчестером. SCSI-адаптер имеет свою систему BIOS, поэтому обращения к системе BIOS, установленной на системной плате, не происходит. В связи с этим винчестеры такого типа конфигурируются в CMOS Setup компьютера как Not Installed. SCSI-винчестеры подключаются к материнской плате 50-жильным информационным кабелем (шлейфом).