4.2. 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 установки в корпус компьютера, следовательно, ими обычно не пользуются для переноса информации с одного компьютера на другой.

4.2.1. 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.4.10. Основные узлы винчестера

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

Рис.4.11. 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 горизонтально. 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.4.12. Циркуляция воздуха в накопителе

4.2.2. 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.

4.2.3. 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 добиться 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.

4.2.4. Основные характеристики винчестеров

Основными характеристиками винчестеров, на которые следует обратить внимание при выборе устройства, являются:

• емкость
• быстродействие
• время безотказной работы

4.2.4.1. Емкость

Основным критерием для пользователя является емкость винчестера, т. е. максимальный объем данных, который можно записать на носитель.

При покупке винчестера определитесь, какими программами будет оснащаться PC, а также какие задачи вы собираетесь решать на PC. Если, например, вы занимаетесь записью и обработкой видеофильмов, то вам естественно необходим винчестер емкостью несколько десятков, а то и сотни Гбайт. Если же вы используете компьютер дома для работы в Интернете, просмотра видеофильмов, для компьютерных игр или работе с приложениями MS Office, то может лучше ограничиться емкостью в 20 40 Гбайт, а "вырученные средства" вложить в более совершенный модем, видеокарту, память или пишущий CD-ROM. Учтите, что через полгода цена винчестера существенно упадет, а для хранения видеофильмов и другой важной информации имеются более надежные носители, чем винчестер.

При оценке необходимой емкости винчестера помните также о том, что имена файлов и каталогов занимают объем памяти, который может достигать нескольких мега байт. Кроме того - каждая последующая версия программного продукта занимает на винчестере существенно больше места, чем предыдущая.

В настоящее время на рынке появились диски емкостью более 100 Гбайт. При покупке такого "монстра" необходимо выяснить, поддерживает ли ваш BIOS такие винчестеры? Это прежде всего относится к владельцам старых материнских плат. Если при установке винчестера емкостью в несколько десятков гигабайт ваш PC его "не увидит", то необходимо либо "перепрошить" BIOS, либо заменить материнскую плату на новую (но в последнем случае наверняка возникнут проблемы с другими комплектующими).

Примечание

Некоторые фирмы-производители обозначают емкость своих винчестеров не в мегабайтах, а в миллионах байтов. При этом в качестве единиц измерения указывается "MB", что можно трактовать по разному. Помните, что 1 Мбайт равен не 1 000 000 байт, а 1024 х 1024= 1 048576 байт, 1 Гбайт равен не 1 000 000 000 байт, а 1024х 1024х х 1024 = 1 073 741 824 байт. Кроме того, может быть указана как форматированная, так и неформатированная емкость (последняя конечно же больше).

4.2.4.2. Быстродействие

Среднее время доступа

Одним из основных показателей быстродействия является среднее время доступа. Это время, которое требуется накопителю для того, чтобы начать обмен данными после получения запроса от контроллера. Любая прикладная программа, которая часто обращается к данным на диске (например, база данных), будет работать гораздо эффективнее, если винчестер имеет малое время доступа.

Среднее время доступа определяется тем, как организовано хранение данных на Диске и насколько быстро перемещаются головки чтения/записи. Среднее время Доступа современных винчестеров составляет около 10 мс.

Среднее время доступа складывается из среднего времени поиска и среднего времени ожидания.

Максимальное время доступа (Maximum Seek Time) измеряется как интервал времени, который Необходим гребенке с головками, чтобы однократно переместиться по j всей поверхности диска (с первой дорожки на последнюю).

Среднее время ожидания

После того как контроллер инициирует перемещение головок, они начинают перемещаться к соответствующему цилиндру. В идеальном случае под головкой сразу окажется нужный сектор, в наихудшем случае будет необходимо сделать целый обо рот диска. Время, необходимое для подхода нужного сектора к головке, называете временем ожидания, а усредненное ее значение - - средним временем ожиданш (Average Latency Time). Среднее время ожидания современных винчестеров составляет 3 мс и менее. Существует довольно много программ, предназначенных для аттестации жестких дисков (Benchmarks). В отечественной литературе регулярно приводятся методики тестирования накопителей на жестких дисках и результаты тестирования.

Скорость передачи данных

Скорость передачи данных предлагается в качестве второго параметра для оценки производительности винчестера. Время доступа характеризует только скорость позиционирования головки, а то, как быстро эта информация считывается, зависит я таких характеристик винчестера, как количество байт в секторе, количество секторов на дорожке и, наконец, от скорости вращения дисков.

Зная перечисленные параметры, можно определить максимальную скорость передачи данных (Maximum Data Transfer Rate, MDTR) по следующей формуле:

MDTR = SRTX512XRPM/60 (байт/с),

где SRT - количество секторов на дорожке; RPM - скорость вращения дисков, об./мин.

Для современных винчестеров этот параметр составляет 50 Мбайт/с (для EIDE) и 60 Мбайт/с (для SCSI). Обратите внимание, что данные параметры ниже полоса пропускания интерфейсов АТА-100 (100 Мбайт/с) и Ultra SCSI 160 (160 Мбайт/с).

Время безотказной работы

В описаниях накопителей указывается такой параметр, как среднестатистическое время между сбоями (Mean Time Between Failures, MTBF), характеризующее надежность устройства, которое обычно составляет 20000-500000 часов, но может равняться и 1 млн часов. Эти значения являются расчетными (ожидаемыми) с известной вероятностью, а для получения достоверных данных о надежности устройства необходимо протестировать группу одинаковых накопителей и подсчитать количество отказов за время, превышающее, как минимум, в два раза ожидаемое значение MTBF. Нетрудно вычислить, что при круглосуточной работе компьютера в течение года его наработка составит 8760 часов. Таким образом, для подтверждения заяатенных 500 тыс. часов безотказной работы понадобится примерно 57 лет. Из вышесказанного можно сделать вывод: показатель MTBF далеко не всегда соответствует реальной надежности устройства.

Как показывает опыт, если накопитель на жестких дисках безотказно работает на протяжении первого гарантийного месяца, то он будет также безотказно работать до полного своего морального устаревания. Однако известны случаи, когда безотказно работавший в течение полугода накопитель вдруг начинал сбоить, а его производительность - ухудшаться. Причина этого была выявлена: оказалось, что многие фирмы-производители выпускают накопители на жестких дисках для использования их в качестве резервных устройств архивирования данных (т. е. накопителей Slave). Гарантийное время безотказной работы таких накопителей значительно меньше, т. к. они рассчитаны на меньшее число операций чтения/записи (стоимость их также ниже).

В большинстве современных накопителей на жестких дисках гермоблоки комплектуются противоударной подвеской. Между корпусом накопителя и монтажным каркасом устанавливаются специальные прокладки из эластичной резины (или полимерного материала), компенсирующие (частично или полностью) удары и вибрацию. Однако нужно помнить, что залогом безотказной работы накопителя является бережное к нему отношение и соблюдение правил эксплуатации.

Одной из причин сокращения срока службы дисков является высокая температура среды. Как уже говорилось в других главах, для электроники, а также для отдельных механических частей высокие температуры чрезвычайно вредны. Никогда не устанавливайте PC вблизи источников тепла. Следует заботиться о том, чтобы с целью охлаждения к компьютеру всегда был открыт доступ воздуха. Для компьютера, который установлен в стеллаже и для которого не гарантирован оптимальный режим воздушного охлаждения естественным путем, необходимо обеспечить такой режим за счет периодического выключения компьютера.

Так как теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный, то воздушная подушка под головками уменьшается. При разгоне или торможении диска воздушная подушка будет образовываться не так быстро, чтобы обеспечить защиту головок и поверхности дисков. Изготовители гарантируют безотказную работу винчестеров в диапазоне температур от 0° до +50 °С. Нормальной можно считать температуру около+20°С.

Если вы принесли винчестер с улицы, где температура была ниже +10°С, не торопитесь вскрывать заводскую упаковку, т. к. в этом случае из-за конденсата может быть повреждена поверхность диска и механические части.

4.2.4.3. Кэш-память винчестера

Под термином кэш-память в данном случае подразумевается не буфер оперативной памяти PC, организованный программным путем, а фактически имеющиеся ячейки памяти в контроллере винчестера. Эта кэш-память может существенно влиять на скорость работы винчестера, т. к. она в состоянии хранить прочитанные с упреждением данные, которые с высокой вероятностью понадобятся процессору. Мы уже знаем этот принцип по кэш-памяти, устанавливаемой на материнскую плату.

Вряд ли в настоящее время на рынке есть винчестеры без кэш-памяти. Обычно ее объем составляет от 2 до 8 Мбайт.

4.2.5. Логическая структура жесткого диска

Подобно дискетам жесткий диск делится на дорожки и секторы. Каждая дорожка однозначно определяется номером головки и порядковым номером на диске относительно внешнего края. Секторы идентифицируются своим порядковым номером относительно начала дорожки. Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, а головок и цилиндров - с нуля.

Количество секторов может быть различным (от 17 до 150) в зависимости от типа накопителя. Каждый сектор содержит некоторую служебную информацию и данные. Обычно объем сектора составляет 571 байт. В начале каждого сектора записывается заголовок (Prefix portion), по которому определяется начало сектора и его номер, а в конце сектора (Suffix portion - заключение сектора) содержится контрольная сумма, необходимая для проверки целостности данных. Между заголовком и заключением сектора находится область данных объемом 512 байт (для DOS). Запись информации на дорожках осуществляется не постоянным потоком, как в бытовых магнитофонах а блоками по 512 байт.

Число дисков, головок и дорожек винчестера устанавливается изготовителем, исходя из свойств и качества дисков. Изменить эти характеристики нельзя. Количество секторов на диске зависит от метода записи, а плотность - от носителя: чем лучше материал диска, тем плотнее могут быть записаны на нем данные. Современные винчестеры содержат до 150 секторов на дорожке.

Описанное выше форматирование диска называется низкоуровневым (Low Lewel).

Interleave

В современных винчестерах параметр Interleave, или как его еще называют Interleave-фактор, не играет заметной роли. Однако 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 все еще занят обменом данными с процессором. Поэтому для того, чтобы прочитать следующий сектор, головка должна ожидать полного оборота диска.

Диски более ранних выпусков организованы так, что секторы располагаются не последовательно, а в другом порядке, определяемом Interleave-фактором. При этом при позиционировании головки контроллер имеет достаточно времени для передачи информации без лишнего оборота диска.

Современные контроллеры работают по другому принципу: для организации непрерывного чтения секторов данные считываются из нескольких секторов (так сказать, "с подозрением" на их необходимость) и запоминаются в буфере, откуда впоследствии они могут быть извлечены.

Преимущество такого способа заключается в том, что контроллер помещается в дисководе, т. е. механика и электроника работают оптимальным образом.

Изменение Interleave-фактора возможно только специальными программными средствами и, как следствие, приводит к полной потере данных, т. к. изменяется логическое разбиение диска.

4.2.6. 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.4.13. 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.

4.2.7. 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.

4.2.7.1. 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, расположенная 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.

Режимы передачи данных

Для передачи данных между винчестером и памятью PC используются два основных режима:

• режим программного ввода/вывода (Programmed Input/Output, PIO);
• режим прямого доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA).

Режим PIO

В режиме PIO каждый байт информации с жесткого диска сначала считывается центральным процессором и только потом записывается в оперативную память. В зависимости от длительности цикла считывания и количества секторов, передаваемых за одно обращение к диску, различают режимы PIO (PIO Mode 0), PIO1, PIO2, PIOЗ, PI04, PI05.

Например, в режиме PIO за одно обращение к диску обычно передается содержимое одного сектора (512 байт), а в режиме PIO4 - 16 (или больше), за счет чего Достигается высокая скорость передачи данных.

Если появились сбои в работе PC после установки нового винчестера, можно попробовать понизить скорость работы жесткого диска, принудительно установив в CMOS Setup более низкий режим PIO.

Режим DMA

Режимы PIO используются в однозадачных операционных системах, когда процессор компьютера производит считывание или запись данных в буферную память накопителя на жестких дисках стандартов IDE или EIDE, а затем эти данные передаются в оперативную память. В многозадачных операционных системах целесообразно использовать режимы прямого доступа к оперативной памяти (Direct Memory Access, DMA). Ввод/вывод данных в этом режиме осуществляется в оперативную память PC без участия CPU. Этот процесс происходит под управлением контроллера накопителя на жестких дисках в паузах между обращениями CPU к оперативной памяти, что несколько снижает скорость передачи данных, но экономит процессорное время. Для реализации режимов DMA, в отличие от РЮ, необходимы как специальные контроллеры, так и драйверы.

Режимы DMA подразделяются на однословные (Singleword) и многословные (Multiword) в зависимости от количества слов, передаваемых за один цикл работы с системной шиной.

Функция Bus Mastering

С появлением процессоров Pentium контроллеры EIDE обеспечивают функцию прямого управления шиной PCI (Bus Mastering). Дело в том, что в многозадачных операционных системах слишком расточительно использовать CPU для ввода/вывода данных, поэтому контроллеры внешних устройств (EIDE в частности) стали оборудоваться как бы собственными процессорами ввода/вывода. В этом случае CPU программирует контроллер EIDE, указывая ему, откуда он должен взять данные и в какую область памяти их поместить.

После получения этих указаний контроллер захватывает управление шиной PCI и выполняет операции по считыванию данных с накопителей информации (например, с винчестера, приводов CD-ROM, CD-R, CD-RW) непосредственно в RAM с помощью контроллера DMA.

Однако выигрыш в производительности PC при использовании функции Bus Mastering будет заметен лишь при одновременной работе нескольких приложений.

Функцию Bus Mastering поддерживают практически все современные Chipset. В Chipset корпорации Intel технология Bus Mastering IDE реализована в контроллере PIIXN.

Для реализации этой технологии необходимо выполнение следующих требований к аппаратному и программному обеспечению:

• Chipset должен поддерживать функцию Bus Mastering;
• винчестер и привод CD-ROM должны поддерживать режимы DMA;

Информацию об этом можно найти в документации на соответствующее устройство. Подавляющее большинство современных винчестеров и приводов CD-ROM поддерживают этот режим.

• компьютер должен работать под управлением многозадачной операционной системы типа Microsoft Windows 95/98 и Windows NT 4.0;
• необходимо наличие соответствующего драйвера и соответствующей системы BIOS.

Если вы обнаружили неприятные эффекты, например "зависание" компьютера при попытке сохранить файл, невозможность проигрывания аудиодисков, в этом случае следует удалить драйвер Bus Master.

4.2.7.2. Serial ATA (SATA)

Дальнейшее увеличение скорости передачи данных через параллельный интерфейс АТА вызывало технические сложности. Кроме того, производителей PC не устраивал широкий 40-жильный (или 80 жильный) кабель, который препятствует циркуляции воздуха внутри корпуса и ограничен длиной в 46 см.

Поэтому в 1999 г. была создана рабочая группа Serial ATA Working Group, целью которой было создание последовательного интерфейса ATA - Serial ATA (SATA). Интерфейс был представлен в 2001 г. и продемонстрировал скорость передачи данных - 150 Мбайт/с.

Широкий кабель данных заменен на два узких, длина которых может быть больше одного метра.

Рис.4.14. "Стандартный" кабель данных HDD (слева) и кабель данных Serial ATA (справа)

Кроме того, для подключения нескольких устройств (HDD, приводы CD-ROM, DVD-ROM и др.) будет использована не топология типа "звезда" (когда каждое устройство необходимо идентифицировать как Master или Slave), а топология point-to-point, когда каждое устройство будет напрямую подключено к хост-адаптеру (наподобие SCSI-устройств).

Ожидается увеличение скорости передачи через интерфейс SATA 300 Мбит/с в 2004г. и. 600 Мбит/с в 2007 г.

4.2.7.3. SCSI

SCSl (Small Computer System Interface, системный интерфейс малых компьютеров) это более универсальный и эффективный интерфейс, чем IDE. Однако его аппаратная реализация значительно дороже, чем реализация интерфейса IDE. Интерфейс SCSI имеет явные преимущества при работе с видео, а также при использовании привода CD-ROM в многозадачной операционной среде или в качестве сетевого накопителя.

Связь между SCSI-устройством и шиной ввода/вывода (таких, как ISA, PCI, VLB) осуществляется через внешнюю шину с помощью Host-адаптера. Устройства, подключенные к SCSI-шине, взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через встроенные SCSI-контроллеры.