Как работает жёсткий диск. Устройство и принцип работы жесткого диска

Приветствую всех читателей блога . Многих интересует вопрос - как устроен жесткий диск компьютера. Поэтому я решил посвятить этому сегодняшнюю статью.

Жесткий диск компьютера (HDD или винчестер) нужен для хранения информации после выключения компьютера, в отличие от ОЗУ () - которая хранит информацию до момента прекращения подачи питания (до выключения компьютера).

Жесткий диск, по-праву, можно назвать настоящим произведением искусства, только инженерным. Да-да, именно так. Настолько сложно там внутри все устроено. На данный момент во всем мире жесткий диск - это самое популярное устройство для хранения информации, он стоит в одном ряду с такими устройствами, как: флеш-память (флешки), SSD. Многие наслышаны о сложности устройства жесткого диска и недоумевают, как в нем помещается так много информации, а поэтому хотели бы узнать, как устроен или из чего состоит жесткий диск компьютера. Сегодня будет такая возможность).

Жесткий диск состоит из пяти основных частей. И первая из них - интегральная схема , которая синхронизирует работу диска с компьютером и управляет всеми процессами.

Вторая часть - электромотор (шпиндель), заставляет вращаться диск со скоростью примерно 7200 об/мин, а интегральная схема поддерживает скорость вращения постоянной.

А теперь третья, наверное самая важная часть - коромысло , которое может как записывать, так и считывать информацию. Конец коромысла обычно разделен, для того чтобы можно было работать сразу с несколькими дисками. Однако головка коромысла никогда не соприкасается с дисками. Существует зазор между поверхностью диска и головкой, размер этого зазора примерно в пять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса!

Но давайте все же посмотрим, что случится, если зазор исчезнет и головка коромысла соприкоснется с поверхностью вращающегося диска. Мы все еще со школы помним, что F=m*a (второй закон Ньютона, по-моему), из которого следует, что предмет с небольшой массой и огромным ускорением - становится невероятно тяжелым. Учитывая огромную скорость вращения самого диска, вес головки коромысла становится весьма и весьма ощутимым. Естественно, что повреждение диска в таком случае неизбежно. Кстати, вот что случилось с диском, у которого этот зазор по каким то причинам исчез:

Так же важна роль силы трения, т.е. ее практически полного отсутствия, когда коромысло начинает считывать информацию, при этом смещаясь до 60 раз за секунду. Но постойте, где же здесь находится двигатель, что приводит в движение коромысло, да еще с такой скоростью? На самом деле его не видно, потому что это электромагнитная система, работающая на взаимодействии 2 сил природы: электричества и магнетизма. Такое взаимодействия позволяет разгонять коромысло до скоростей света, в прямом смысле.

Четвертая часть - сам жесткий диск, это то, куда записывается и откуда считывается информация, кстати их может быть несколько.

Ну и пятая, завершающая часть конструкции жесткого диска - это конечно же корпус, в который устанавливаются все остальные компоненты. Материалы применяются следующие: почти весь корпус выполнен из пластмассы, но верхняя крышка всегда металлическая. Корпус в собранном виде нередко называют "гермозоной". Бытует мнение, что внутри гермозоны нету воздуха, а точнее, что там - вакуум. Мнение это опирается на тот факт, что при таких высоких скоростях вращения диска, даже пылинка, попавшая внутрь, может натворить много нехорошего. И это почти верно, разве что вакуума там никакого нету - а есть очищенный, осушенный воздух или нейтральный газ - азот например. Хотя, возможно в более ранних версиях жестких дисков, вместо того, чтобы очищать воздух - его просто откачивали.

Это мы говорили про компоненты, т.е. из чего состоит жесткий диск . Теперь давайте поговорим про хранение данных.

Как и в каком виде хранятся данные на жестком диске компьютера

Данные хранятся в узких дорожках на поверхности диска. При производстве, на диск наносится более 200 тысяч таких дорожек. Каждая из дорожек разделена на секторы.

Карты дорожек и секторов позволяют определить, куда записать или где считать информацию. Опять же вся информация о секторах и дорожках находится в памяти интегральной микросхемы, которая, в отличие от других компонентов жесткого диска, размещена не внутри корпуса, а снаружи и обычно снизу.

Сама поверхность диска - гладкая и блестящая, но это только на первый взгляд. При более близком рассмотрении структура поверхности оказывается сложнее. Дело в том, что диск изготавливается из металлического сплава, покрытого ферромагнитным слоем. Этот слой как раз и делает всю работу. Ферромагнитный слой запоминает всю информацию, как? Очень просто. Головка коромысла намагничивает микроскопическую область на пленке (ферромагнитном слое), устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний: о или 1. Каждый такой ноль и единица называются битами. Таким образом, любая информация, записанная на жестком диске, по-факту представляет собой определенную последовательность и определенное количество нулей и единиц. Например, фотография хорошего качества занимает около 29 миллионов таких ячеек, и разбросана по 12 различным секторам. Да, звучит впечатляюще, однако в действительности - такое огромное количество битов занимает очень маленький участок на поверхности диска. Каждый квадратный сантиметр поверхности жесткого диска включает в себя несколько десятков миллиардов битов.

Принцип работы жесткого диска

Мы только что с вами рассмотрели устройство жесткого диска, каждый его компонент по отдельности. Теперь предлагаю связать все в некую систему, благодаря чему будет понятен сам принцип работы жесткого диска.

Итак, принцип, по которому работает жесткий диск следующий: когда жесткий диск включается в работу - это значит либо на него осуществляется запись, либо с него идет чтение информации, или с него , электромотор (шпиндель) начинает набирать обороты, а поскольку жесткие диски закреплены на самом шпинделе, соответственно они вместе с ним тоже начинают вращаться. И пока обороты диска(ов) не достигли того уровня, чтобы между головкой коромысла и диском образовалась воздушная подушка, коромысло во избежание повреждений находится в специальной "парковочной зоне". Вот как это выглядит.

Как только обороты достигают нужного уровня, сервопривод (электромагнитный двигатель) приводит в движение коромысло, которое уже позиционируется в то место, куда нужно записать или откуда считать информацию. Этому как раз способствует интегральная микросхема, которая управляет всеми движениями коромысла.

Распространено мнение, этакий миф, что в моменты времени, когда диск "простаивает", т.е. с ним временно не осуществляется никаких операций чтения/записи, жесткие диски внутри перестают вращаться. Это действительно миф, ибо на самом деле, жесткие диски внутри корпуса вращаются постоянно, даже тогда, когда винчестер находится в энергосберегающем режиме и на него ничего не записывается.

Ну вот мы и рассмотрели с вами устройство жесткого диска компьютера во всех подробностях. Конечно же, в рамках одной статьи, нельзя рассказать обо всем, что касается жестких дисков. Например в этой статье не было сказано про - это большая тема, я решил написать про это отдельную статью.

Нашел интересное видео, про то, как работает жесткий диск в разных режимах

Всем спасибо за внимание, если вы еще не подписаны на обновления этого сайта - очень рекомендую это сделать, дабы не пропустить интересные и полезные материалы. До встречи на страницах блога!

Инструкция

Примените в качестве инструмента обычный файл-менеджер вашей операционной системы, если оптический диск используется для резервного копирования или переноса файлов. В этом случае структура хранения и форматы файлов на нем не имеют никаких особенностей. В ОС Windows менеджер файлов (Проводник) запускается автоматически при установке DVD в привод. Выделите в его окне все нужные объекты исходного диска и нажмите сочетание клавиш Ctrl + C, чтобы операционная система запомнила список копируемого. Затем перейдите на тот диск и ту папку в вашем компьютере, куда нужно поместить информацию, и нажмите сочетание клавиш Ctrl + V (команда вставки). После этого стартует процесс дублирования DVD-диска.

Процедура копирования исходного диска не будет отличаться от описанной в первом шаге и в том случае, если данные на нем записаны в DVD-формате и без использования какой-либо системы защиты. Если же защита есть, то придется воспользоваться программами, больше приспособленными к работе с оптическими дисками, чем обычный файл-менеджер. Например, это может быть приложение Slysoft CloneDVD или Slysoft AnyDVD, DVD Mate, DVD Decrypter и др. Последовательность действий при их использовании различна, но общий принцип совпадает - в формах программы вам нужно указать исходный диск и место сохранения информации, а все остальное приложение сделает самостоятельно.

Применяйте программы для создания и монтирования образов дисков, если хотите использовать виртуальные копии исходного DVD, сохраненного в вашем компьютере. Такие программы кроме копирования информации записывают в специальном формате и все подробности ее размещения на оптическом диске, а затем могут проделать обратную процедуру - воспроизвести точную копию оригинала виртуально или записать ее на пустую DVD-болванку. Наиболее популярными приложениями такого типа сегодня являются Alcohol 120%, Daemon Tools, Nero Burning ROM. При использовании этих программ общий принцип действий тоже одинаков: укажите исходный диск и место сохранения его образа, а остальное сделает программа. Например, в приложении Daemon Tools следует щелкнуть по кнопке «Создать образ диска», в открывшемся диалоге проследить, чтобы значение в поле «Привод» указывало на нужный DVD-привод и, если необходимо, изменить адрес сохранения в поле «Выходной образ». Кроме того, здесь можно поставить отметку в чекбоксе «Сжимать данные образа», если есть желание сэкономить немного места на винчестере. После нажатия кнопки «Старт» начинается сам процесс, который может потребовать нескольких часов - длительность зависит от объема информации на диске и скорости ее считывания в вашем DVD-приводе.

Устройство жесткого диска

Артём Рубцов, R.LAB Уточнение связи между русскоязычной и англоязычной терминологией выполнено Леонидом Воржевым.

Цель этой статьи - описать устройство современного жёсткого диска, рассказать о его главных компонентах, показать, как они выглядят и называются. Кроме того, мы покажем связь между русскоязычной и англоязычной терминологиями, описывающими компоненты жестких дисков.

Для наглядности, разберём 3.5-дюймовый SATA диск. Это будет совершенно новый терабайтник Seagate ST31000333AS. Осмотрим нашего подопытного кролика.

Зелёный текстолит с медными дорожками, разъемами питания и SATA называется платой электроники или платой управления (Printed Circuit Board, PCB). Она служит для управления работой жесткого диска. Чёрный алюминиевый корпус и его содержимое называется гермоблоком (Head and Disk Assembly, HDA), специалисты также называют его «банкой». Сам корпус без содержимого также называют гермоблоком (base).

Теперь снимем печатную плату и изучим размещённые на ней компоненты.

Первым в глаза бросается большой чип, расположенный посередине – микроконтроллер, или процессор (Micro Controller Unit, MCU). На современных жёстких дисках микроконтроллер состоит из двух частей – собственно центрального процессора (Central Processor Unit, CPU), который производит все вычисления, и канала чтения/записи (read/write channel) - особого устройства, преобразующего поступающий с головок аналоговый сигнал в цифровые данные во время операции чтения и кодирующий цифровые данные в аналоговый сигнал при записи. Процессор имеет порты ввода-вывода (IO ports) для управления остальными компонентами, расположенными на печатной плате, и передачи данных через SATA-интерфейс.

Чип памяти (memory chip) представляет собой обычную DDR SDRAM память. Объем памяти определяет размер кэша жёсткого диска. На этой печатной плате установлена память Samsung DDR объемом 32 Мб, что в теории даёт диску кэш в 32 Мб (и именно такой объём приводится в технических характеристиках жёсткого диска), но это не совсем верно. Дело в том, что память логически разделена на буферную память (кэш) и память прошивки. Процессору требуется некоторый объём памяти для загрузки модулей прошивки. Насколько нам известно, только Hitachi/IBM указывают действительный объём кэша в описании технических характеристик; относительно остальных дисков, об объёме кэша остаётся только гадать.

Следующий чип – контроллер управления двигателем и блоком головок, или «крутилка» (Voice Coil Motor controller, VCM controller). Кроме того, этот чип управляет вторичными источниками питания, расположенными на плате, от которых питается процессор и микросхема предусилителя-коммутатора (preamplifier, preamp), расположенная в гермоблоке. Это главный потребитель энергии на печатной плате. Он управляет вращением шпинделя и движением головок. Ядро VCM-контроллера может работать даже при температуре в 100° C.

Часть прошивки диска хранится во флэш-памяти. При подаче питания на диск микроконтроллер загружает содержимое флэш-чипа в память и приступает к исполнению кода. Без корректно загруженного кода диск даже не пожелает раскручиваться. Если на плате отстутствует флэш-чип, значит, он встроен в микроконтроллер.

Датчик вибрации (shock sensor) реагирует на опасную для диска тряску и посылает сигнал об этом контроллеру VCM. Контроллер VCM немедленно паркует головки и может остановить вращение диска. Теоретически, такой механизм должен защищать диск от дополнительных повреждений, но на практике он не работает, так что не роняйте диски. На некоторых дисках датчик вибрации обладает повышенной чувствительностью, реагируя на малейшую вибрацию. Полученные с датчика данные позволяют контроллеру VCM корректировать движение головок. На таких дисках установлено как минимум два датчика вибрации.

На плате имеется ещё одно защитное устройство - ограничитель переходного напряжения (Transient Voltage Suppression, TVS). Он защищает плату от скачков напряжения. При скачке напряжения TVS перегорает, создавая короткое замыкание на землю. На этой плате установлено два TVS, на 5 и 12 вольт.

Теперь рассмотрим гермоблок.

Под платой находятся контакты мотора и головок. Кроме того, на корпусе диска имеется маленькое, почти незаметное отверстие (breath hole). Оно служит для выравнивания давления. Многие считают, что внутри жёсткого диска находится ваккум. На самом деле это не так. Это отверстие позволяет диску выровнять давление внутри и снаружи гермозоны. С внутренней стороны это отверстие прикрыто фильтром (breath filter), который задерживает частицы пыли и влаги.

Теперь заглянем внутрь гермозоны. Снимем крышку диска.

Сама крышка не представляет собой ничего интересного. Это просто кусок металла с резиновой прокладкой для защиты от пыли. Наконец, рассмотрим начинку гермозоны.

Драгоценная информация хранится на металлических дисках, называемых также блинами или пластинами (platters). На фотографии вы видите верхний блин. Пластины изготавливаются из полированного алюминия или стекла и покрываются несколькими слоями различного состава, в том числе ферромагнитным веществом, на котором, собственно, и хранятся данные. Между блинами, а также над верхним из них, мы видим специальные пластины, называемыми разделителями или сепараторами (dampers or separators). Они нужны для выравнивания потоков воздуха и снижения акустических шумов. Как правило, их изготавливают из алюминия или пластика. Алюминиевые разделители успешнее справляются с охлаждением воздуха внутри гермозоны.

Вид блинов и сепараторов сбоку.

Головки чтения-записи (heads), устанавливаются на концах кронштейнов блока магнитных головок, или БМГ (Head Stack Assembly, HSA). Парковочная зона - это область, в которой должны находиться головки исправного диска, если шпиндель остановлен. У этого диска, парковочная зона расположена ближе к шпинделю, что видно на фотографии.

На некоторых накопителях парковка производится на специальных пластиковых парковочных площадках, расположенных за пределами пластин.

Жёсткий диск - механизм точного позиционирования, и для его нормальной работы требуется очень чистый воздух. В процессе использования внутри жёсткого диска могут образовываться микроскопические частицы металла и смазки. Для немедленной очистки воздуха внутри диска имеется циркуляционный фильтр (recirculation filter). Это высокотехнологичное устройство, которое постоянно собирает и задерживает мельчайшие частицы. Фильтр находится на пути потоков воздуха, создаваемых вращением пластин.

Теперь снимем верхний магнит и посмотрим, что скрывается под ним.

В жёстких дисках используются очень мощные неодимовые магниты. Эти магниты настолько мощны, что могут поднимать вес в 1300 раз больший их собственного. Так что не стоит класть палец между магнитом и металлом или другим магнитом - удар получится очень чувствительным. На этой фотографии изображены ограничители БМГ. Их задача - ограничить движение головок, оставляя их на поверхности пластин. Ограничители БМГ разных моделей устроены по-разному, но их всегда два, они используются на всех современных жестких дисках. На нашем накопителе второй ограничитель расположен на нижнем магните.

Вот что можно там увидеть.

Ещё мы видим здесь катушку (voice coil), которая является частью блока магнитных головок. Катушка и магниты образуют привод БМГ (Voice Coil Motor, VCM). Привод и блок магнитных головок образуют позиционер (actuator) - устройство, которое перемещает головки. Чёрная пластиковая деталь сложной формы называется фиксатором (actuator latch). Это защитный механизм, освобождающий БМГ после того, как шпиндельный двигатель наберёт определённое число оборотов. Происходит это за счёт давления воздушного потока. Фиксатор защищает головки от нежелательных движений в парковочном положении.

Теперь снимем блок магнитных головок.

Точность и плавность движения БМГ поддерживается прецизионным подшипником. Самая крупная деталь БМГ, изготовленная из алюминиевого сплава, обычно называется кронштейном или коромыслом (arm). На конце коромысла находятся головки на пружинной подвеске (Heads Gimbal Assembly, HGA). Обычно сами головки и коромысла поставляют разные производители. Гибкий кабель (Flexible Printed Circuit, FPC) идёт к контактной площадке, стыкующейся с платой управления.

Рассмотрим составляющие БМГ подробнее.

Катушка, соединенная с кабелем.

Подшипник.

На следующей фотографии изображены контакты БМГ.

Прокладка (gasket) обеспечивает герметичность соединения. Таким образом, воздух может попасть внутрь блока с дисками и головками только через отверстие для выравнивания давления. У этого диска контакты покрыты тонким слоем золота для улучшения проводимости.

Это классическая конструкция коромысла.

Маленькие чёрные детали на концах пружинных подвесов называют слайдерами (sliders). Многие источники указывают, что слайдеры и головки - это одно и то же. На самом же деле слайдер помогает считывать и писать информацию, поднимая головку над поверхностью блинов. На современных жёстких дисках головки двигаются на расстоянии 5–10 нанометров от поверхности блинов. Для сравнения: человеческий волос имеет диаметр около 25000 нанометров. Если под слайдер попадёт какая-нибудь частица, это может привести к перегреву головок из-за трения и выходу их из строя, именно поэтому так важна чистота воздуха внутри гермозоны. Сами считывающие и записывающие элементы находятся на конце слайдера. Они так малы, что разглядеть их можно только в хороший микроскоп.

Как видите, поверхность слайдера не плоская, на ней имеются аэродинамические канавки. Они помогают стабилизировать высоту полёта слайдера. Воздух под слайдером образует воздушную подушку (Air Bearing Surface, ABS). Воздушная подушка поддерживает почти параллельный поверхности блина полёт слайдера.

Вот ещё одно изображение слайдера.

Здесь хорошо видны контакты головок.

Это ещё одна важная часть БМГ, которая пока не обсуждалась. Она называется предусилителем (preamplifier, preamp). Предусилитель - это чип, управляющий головками и усиливающий поступающий к ним или от них сигнал.

Предусилитель располагают прямо в БМГ по очень простой причине - сигнал, идущий с головок, очень слаб. На современных дисках он имеет частоту около 1 ГГц. Если вынести предусилитель за пределы гермозоны, такой слабый сигнал сильно затухнет по пути к плате управления.

От предусилителя к головкам (справа) ведёт больше дорожек, чем к гермозоне (слева). Дело в том, что жёсткий диск не может одновременно работать более чем с одной головкой (парой пишущих и считывающих элементов). Жёсткий диск посылает сигналы на предусилитель, и он выбирает головку, к которой в данный момент обращается жёсткий диск. У этого жёсткого диска к каждой головке ведёт шесть дорожек. Зачем так много? Одна дорожка - земля, ещё две - для элементов чтения и записи. Следующие две дорожки - для управления мини-приводами, особыми пьезоэлектрическими или магнитными устройствами, способными двигать или поворачивать слайдер. Это помогает точнее задать положение головок над треком. Последняя дорожка ведёт к нагревателю. Нагреватель служит для регулирования высоты полёта головок. Нагреватель передаёт тепло подвесу, соединяющему слайдер и коромысло. Подвес изготавливается из двух сплавов, имеющих разные характеристики теплового расширения. При нагреве подвес изгибается к поверхности блина, уменьшая, таким образом, высоту полёта головки. При охлаждении подвес выпрямляется.

Хватит о головках, давайте разбирать диск дальше. Снимем верхний сепаратор.

Вот как он выглядит.

На следующей фотографии вы видите гермозону со снятыми верхним разделителем и блоком головок.

Стал виден нижний магнит.

Теперь прижимное кольцо (platters clamp).

Это кольцо удерживает блок пластин вместе, не давая им двигаться друг относительно друга.

Блины нанизаны на шпиндель (spindle hub).

Теперь, когда блины ничто не удерживает, снимем верхний блин. Вот что находится под ним.

Теперь понятно, за счёт чего создается пространство для головок - между блинами находятся разделительные кольца (spacer rings). На фотографии виден второй блин и второй сепаратор.

Разделительное кольцо - высокоточная деталь, изготовленная из немагнитного сплава или полимеров. Снимем его.

Вытащим из диска все остальное, чтобы осмотреть дно гермоблока.

Так выглядит отверстие для выравнивания давления. Оно располагается прямо под воздушным фильтром. Рассмотрим фильтр внимательнее.

Так как поступающий снаружи воздух обязательно содержит пыль, фильтр имеет несколько слоёв. Он гораздо толще циркуляционного фильтра. Иногда он содержит частицы силикагеля для борьбы с влажностью воздуха.

Лекция №5: Накопители информации

План

1. Жесткие диски
2. Твердотельные накопители

1. Жесткие диски

Историческая справка

В ходе развития жёстких дисков сменилось шесть типоразмеров – форм-факторов.

Рисунок 1. Типоразмеры HDD

1956 год – жёсткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, а общий объём памяти 50 вращавшихся в нём покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм составлял около 5 миллионов 6-битных байт (3,5 Мб в пересчёте на 8-битные байты).
1980 год – первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб.
1981 год – 5,25-дюймовый Shugart ST-412, 10 Мб.
1986 год – стандарты SCSI, ATA(IDE).
1991 год – максимальная ёмкость 100 Мб.
1995 год – максимальная ёмкость 2 Гб.
1997 год – максимальная ёмкость 10 Гб.
1998 год – стандарты UDMA/33 и ATAPI.
1999 год – IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб.
2002 год – стандарт ATA/ATAPI-6 и накопители емкостью свыше 137 Гб.
2003 год – появление SATA.
2005 год – максимальная ёмкость 500 Гб.
– стандарт Serial ATA 3G (или SATA II), появление SAS (Serial Attached SCSI).
2006 год – применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях.
– появление первых «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок флэш-памяти.
2007 год – Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 Тб.
2009 год – на основе 500-гигабайтных пластин Western Digital, затем Seagate Technology LLC выпустили модели ёмкостью 2 Тб.
– Western Digital объявила о создании 2,5-дюймовых HDD объемом 1 Тб (плотность записи - 333 Гб на одной пластине)
– появление стандарта SATA 3.0 (SATA 6G).
2010 год – компания Seagate приступает к разработки HDD объемом 3ТБ.

Определение и устройство HDD
Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (англ. Hard Disk Drive, HDD ), жёсткий диск , винчестер , в компьютерном сленге «винт» , хард , хард диск – устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

Принципиально HDD состоит из следующих основных блоков:
Блок электроники включает в себя контакты и микросхему, на которой расположены: контроллер управления HDD, разъемы питания, блок перемычек, разъем для шлейфов (интерфейс подключения).
Механический блок состоит из магнитных пластин, шпинделя, коромысла, осей вращения коромысла, сервопривода коромысла, головок чтения и записи.
Корпус – это конструкция в которой расположены все элементы HDD.

Рисунок 2. Схема устройства HDD

Рисунок 3. Устройство HDD

Принципы хранения информации на HDD
Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые, керамические или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала (оксид железа), чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси.
Данные хранятся на пластинах в виде концентрических дорожек, каждая из которых разделена на секторы по 512 байт, состоящие из горизонтально ориентированных доменов. Ориентация доменов в магнитном слое служит для распознавания двоичной информации (0 или 1). Размер доменов определяет плотность записи данных с целью, адресации пространства поверхности пластин диска, которые делятся на дорожки – концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки – секторы .

Цилиндр – совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жёсткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора – конкретный сектор на дорожке.

Организация считывания/записи данных происходит благодаря головкам чтения/записи (ГЧЗ). В рабочем режиме ГЧЗ не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм ). Отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне (зона парковки), где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Рисунок 4. Организация пластин HDD.

Режимы адресации

Существует 2 основных способа адресации секторов на диске: цилиндр-головка-сектор (англ. cylinder — head — sector , CHS ) и линейная адресация блоков (англ. linear block addressing , LBA ).

CHS
При этом способе сектор адресуется по его физическому положению на диске 3 координатами - номером цилиндра , номером головки и номером сектора . В современных дисках со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами»
Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов. Чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нем. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную; в стандарте ATA – была введена функция авто определения геометрии (команда Identify Drive).

LBA
При этом способе адрес блоков данных на носителе задаётся с помощью логического линейного адреса. LBA-адресация начала внедряться и использоваться в 1994 году совместно со стандартом EIDE (Extended IDE). Стандарты ATA требуют однозначного соответствия между режимами CHS и LBA:
LBA = [ (Cylinder * no of heads + heads) * sectors/track ] + (Sector-1)
Метод LBA соответствует Sector Mapping для SCSI. BIOS SCSI-контроллера выполняет эти задачи автоматически, то есть для SCSI-интерфейса метод логической адресации был характерен изначально.
Характеристики HDD

В настоящее время выделяют следующие характеристики HDD:

Интерфейс (англ. interface ) – совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии правил (протокола) обмена.
Серийно выпускаемые жёсткие диски могут использовать интерфейсы:

Ёмкость (англ. capacity ) - количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жестких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная емкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жестких дисков (с форм-фактором 3.5 дюйма) на начало 2010г. достигает 2000 Гб (2 Терабайта). Однако компания Seagate подтвердила разработку HDD с объемом 3ТБ.

Примечание: в отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину (см.: двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГБ.

Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension ). Почти все современные (2001-2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3.5, либо 2.5 дюйма - под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1.8 дюйма, 1.3 дюйма, 1 дюйм и 0.85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5.25 дюймов.

Время произвольного доступа (англ. random access time ) - время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик - от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс), самым большим из актуальных - диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 - 12,5).

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed ) - количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Надёжность (англ. reliability ) - определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF ). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.

Количество операций ввода-вывода в секунду - у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии - важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума - шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Сопротивляемость ударам (англ. G — shock rating ) - сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate ) при последовательном доступе:

внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;
внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объём буфера - буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В дисках 2009 года он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Плотность записи на пластине (поверхностная плотность) зависит от расстояния между дорожками (поперечная плотность) и минимального размера магнитного домена (продольная плотность). Обобщающим критерием выступает плотность записи на единицу площади диска или емкость пластины. Чем выше плотность записи, тем больше скорость обмена данными между головками и буфером (внутренняя скорость передачи данных). Постепенно резервы роста, обусловленные отмеченным выше технологическим скачком, пошли на убыль. К 2003 г. типовая емкость пластин жестких дисков достигла 80 Гбайт. В 2004 г. появились диски с пластинами емкостью 100 Мбайт, в 2005 г. — 133 Мбайт, в 2009 – 333ГБ

Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является сектор . Размер сектора традиционно равен 512 байт. В 2006 году IDEMA объявила о переходе на размер сектора 4096 байт, который планируется завершить к 2010 году.

В окончательной версии Windows Vista, вышедшей в 2007 году, присутствует ограниченная поддержка дисков с таким размером сектора.

Технологии записи данных на жесткие диски

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Метод параллельной записи
Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей - доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи
Метод перпендикулярной записи - это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современныхобразцов - 60 Гбит/см². Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

Метод тепловой магнитной записи
Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat- assisted magnetic recording, HAMR ) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, плотность записи которых 150 Гбит/см². Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носители до 7,75 Тбит/см². Широкого распространения данной технологии следует ожидать в 2011-2012 годах.

Технология RAID

RAID (англ. redundant array of independent/inexpensive disks) избыточный массив независимых/недорогих жёстких дисков - матрица из нескольких дисков управляемых контроллером, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых как единое целое. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени отказоустойчивости и быстродействия. Служит для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи информации (RAID 0).

RAID 0

RAID 0 («Striping») представляет собой дисковый массив из 2 или более дисков, в котором информация разбита на блоки А n и последовательно записана на жесткие диски. Соответственно информация записывается и читается одновременно, что увеличивает скорость.

Рисунок 5. Схема RAID 0

К сожалению, при отказе одного из дисков информация необратимо теряется, поэтому применяется либо в домашних условиях, либо для хранения файла подкачки, своп файла.

RAID 1

RAID 1 (Mirroring — «зеркалирование»). В данном случае один диск полностью повторяет другой, что гарантирует работоспособность при поломке одного диска, но объем полезного пространства уменьшается вдвое. Поскольку диски покупаются одновременно, в случае бракованной партии возможен отказ обоих дисков. Скорость записи приблизительно равна скорости записи на один диск, возможно чтение сразу с двух дисков (если контроллер поддерживает данную функцию), что увеличивает скорость.

Рисунок 6. Схема RAID 1

Применяется чаще всего в малых офисах под базы данных, либо для хранения операционной системы.

RAID 10

RAID 10 (RAID 1+0). Сочетает в себе принципы RAID 0 и RAID 1. При его применении каждый жесткий диск имеет свою «зеркальную пару», при это используется половина полезного объема. Работоспособен пока существует один рабочий диск из каждой пары. Наиболее высокие показатели записи/перезаписи, сопоставимы с RAID 5 по скорости чтения. Применяется для хранения баз данных, при высокой нагрузке.

RAID 5

RAID 5. В данном случае все данные разбиваются на блоки и для каждого набора считается контрольная сумма, которая хранится на одном из дисков – циклически записывается на все диски массива (попеременно на каждый), и используется для восстановления данных. Устойчив к потере не более чем одного диска.

Рисунок 7. Схема RAID 5

RAID 5 имеет высокие показатели чтения – информация считывается почти со всех дисков, но уменьшенную производительность при записи – требуется вычислять контрольную сумму. Но самая критичная операция перезапись, так как она проходит в несколько этапов:
1) Чтение данных
2) Чтение контрольной суммы
3) Сравнение новых и старых данных
4) Запись новых данных
5) Запись новой контрольной суммы
6) Применяются при необходимости большого объема, и высокой скорости чтения.

RAID 6

RAID 6 (ADG). Логическое продолжение RAID 5. Отличие заключается в том что контрольная сумма высчитывается 2 раза, и, как следствие имеет большую надежность (устойчив при поломке более 2 дисков), и меньшую производительность.

Рисунок 8. Схема RAID 6

Организация работы RAID обеспечивается RAID-контроллерами, которые могут быть: встроенными в материнскую плату, внутренними (в виде платы) и внешними.

Рисунок 9. Внутренний RAID контроллер

Два или более дисков подключаются к контроллеру в сервере либо внешняя дисковая полка подключается к контроллеру, в зависимости от выбранного уровня отказоустойчивости, защищает от поломки одного или более дисков, сохраняя работоспособность.

При наличии энергонезависимого кэша и использовании SAS дисков, защищает от проблем, связанных с перебоями электропитания, за исключением тех случаев, когда происходит электрическое повреждение оборудование. Но при повреждении сервера возможна потеря данных.

Защищает данные от:
— аппаратных проблем — отказ, порча, поломка оборудования. Частично, только от отказа жестких дисков;
— сбои электропитания – частично, защищает данные, хранимые в буфере контроллера в очереди на запись, но ограниченное время и только при наличии аккумулятора на контроллере.

Не защищает от:
— программных сбоев;
— человеческого фактора;
— инфраструктурных проблем (хотя все соединения, как правило, находятся внутри сервера);
— аварий;
— катастроф.

Основная цель применения – защита данных от потери при отказе жесткого диска, так же, одна из причин внедрения — потребность в повышенной производительности дисковой подсистемы.

RAID контроллеры поставляют многие компании: IBM, DELL, SUN, HP, Adaptec, 3ware, LSI, и прочие.

Внешний RAID массив

Рисунок 10. Внешний RAID массив

Начальный уровень. Диски и контроллер вынесены в отдельную внешнюю систему. Один или несколько серверов могут быть подключены к внешнему массиву различными интерфейсами, к примеру SAS, iSCSI, FC. Почти все такие системы имеют дублирование вентиляторов и блоков питания, многие предусматривают возможность установки дублирующего контроллера. Сами по себе, внешние RAID массивы более производительны и надежны по сравнению с внутренними RAID контроллерами и могут расширяться до более чем сотни дисков (при помощи дисковых полок).

На данный момент во многих моделях есть продвинутые средства мониторинга и управления, как самим массивом, так и данными на нём. Средства контроля за состоянием дисков заранее оповещают о возможном отказе, большинство достойных производителей меняют диски только на основании данных сообщений, до факта неработоспособности. У некоторых моделей есть возможно делать мгновенные снимки – (snapshot), что позволяет защитить данные и упрощает резервное копирование.

Защищает данные от:
— аппаратных проблем – частично, при наличии дублирования всех систем.
— Программных сбоев – частично, некоторые массивы обладают функциями создания мгновенных копий, что поможет создавать множественные снимки;
— инфраструктурных проблем – защищают при условии дублирования всех массивов вне сервера;
— сбои электропитания – частично, защищает данные в буфере контроллера на запись при наличии аккумулятора. Наличие дублированных блоков питания гарантирует большую надежность.

Не защищают от:
— человеческого фактора;
— аварий;
— катастроф.

Причиной внедрения является либо потребность в консолидации ресурсов хранения, их более простом управлении, возможности одновременного доступа (например, при создании кластера), либо потребность в высокой производительности, либо потребность в большей надежности (дублирование путей к контроллеру).

Типичные представители класса: Xyratex 5xxx/6xxx, Dell MD3000, IBM 3XXX, HP MSA 2000.

2. Твердотельные накопители

Рисунок 11. Накопитель SSD

Твердотельный накопитель (англ. SSD, solid-state drive) – компьютерное запоминающее устройство на основе микросхем памяти, управляемые контроллером. SSD накопители не содержат движущихся механических частей.

Различают два вида твердотельных накопителей: SSD на основе памяти, подобной оперативной памяти компьютеров, и SSD на основе флэш-памяти.

В настоящее время твердотельные накопители используются в компактных устройствах: ноутбуках, нетбуках, коммуникаторах и смартфонах. Некоторые известные производители переключились на выпуск твердотельных накопителей уже полностью, например, копания Samsung в 2011 году продала бизнес по производству жёстких дисков компании Seagate.

Существуют гибридные жесткие диски, такие устройства сочетают в одном устройстве накопитель на жёстких магнитных дисках (HDD) и твердотельный накопитель относительно небольшого объёма, в качестве кэша (для увеличения производительности и срока службы устройства, снижения энергопотребления). Пока, такие диски используются, в основном, в переносных устройствах (ноутбуках, сотовых телефонах и т. п.).

Рисунок 12. Гибридный накопитель Seagate Momentus XT 500 GB

Рисунок 13. Гибридный накопитель Seagate Momentus XT 500 GB

Рисунок 14. Блок электроники гибридного накопителя Seagate Momentus XT 500 GB

История развития

1978 год – американская компания StorageTek разработала первый полупроводниковый накопитель современного типа (основанный на RAM-памяти).
1982 год – американская компания Cray представила полупроводниковый накопитель на RAM-памяти для своих суперкомпьютеров Cray-1 со скоростью 100 МБит/с и Cray X-MP со скоростью 320 МБит/с, объемом 8, 16 или 32 миллиона 64 разрядных слов.
1995 год – израильская компания M-Systems представила первый полупроводниковый накопитель на flash-памяти.
2008 год – Южнокорейской компании Mtron Storage Technology удалось создать SSD накопитель со скоростью записи 240 МБ/с и скоростью чтения 260 МБ/с, который она продемонстрировала на выставке в Сеуле. Объём данного накопителя - 128 ГБ. По заявлению компании, выпуск таких устройств начнётся уже в 2009 году.
2009 год – Super Talent Technology выпустила SSD объёмом 512 гигабайт., OCZ представляет SSD объёмом 1 терабайт.

В настоящее время наиболее заметными компаниями, которые интенсивно развивают SSD-направление в своей деятельности, можно назвать Intel, Kingston, Samsung Electronics, SanDisk, Corsair, Renice, OCZ Technology, Crucial и ADATA. Кроме того, свой интерес к этому рынку демонстрирует Toshiba.

Устройство и функционирование

SSD накопители бывают двух типов:

NAND SSD
NAND SSD – накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились относительно недавно с гораздо более низкой стоимостью (от 2 долларов США за гигабайт), и, начали уверенное завоевание рынка. До недавнего времени существенно уступали традиционным накопителям – жестким дискам – в скорости записи, но компенсировали это высокой скоростью поиска информации (начального позиционирования). Сейчас уже выпускаются твердотельные накопители Flash со скоростью чтения и записи, в разы превосходящие возможности жестких дисков. Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением.

RAM SSD
RAM SSD– это накопители, построенные на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ ПК) характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском информации. Основным их недостатком является чрезвычайно высокая стоимость (от 80 до 800 долларов США за Гигабайт). Используются, в основном, для ускорения работы крупных систем управления базами данных и мощных графических станций. Такие накопители, как правило, оснащены аккумуляторами для сохранения данных при потере питания, а более дорогие модели - системами резервного и/или оперативного копирования.

Преимущества и недостатки
Преимущества , по сравнению с жёсткими дисками (HDD):

отсутствие движущихся частей;
высокая скорость чтения/записи, нередко превосходящая пропускную способность интерфейса жесткого диска (SAS/SATA II 3 Gb/s, SAS/SATA III 6 Gb/s, SCSI, Fibre Channel и т. д.);
низкое энергопотребление;
полное отсутствие шума из-за отсутствия движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;
высокая механическая стойкость;
широкий диапазон рабочих температур;
стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
малые габариты и вес;
большой модернизационный потенциал как у самих накопителей так и у технологий их производства.
намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям.

Недостатки :

Главный недостаток SSD - ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная (MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 10 000 раз. Более дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) - более 100 000 раз Для борьбы с неравномерным износом применяются схемы балансирования нагрузки. Контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались и при необходимости «меняет их местами»;
Проблема совместимости SSD накопителей с устаревшими и даже многими актуальными версиями ОС семейства Microsoft Windows, которые не учитывают специфику SSD накопителей и дополнительно изнашивают их. Использование операционными системами механизма свопинга (подкачки) на SSD также, с большой вероятностью, уменьшает срок эксплуатации накопителя;
Цена гигабайта SSD-накопителей существенно выше цены гигабайта HDD. К тому же, стоимость SSD прямо пропорциональна их ёмкости, в то время как стоимость традиционных жёстких дисков зависит от количества пластин и медленнее растёт при увеличении объёма накопителя.

Microsoft Windows и компьютеры данной платформы с твердотельными накопителями.

В ОС Windows 7 введена специальная оптимизация для работы с твердотельными накопителями. При наличии SSD-накопителей, эта операционная система работает с ними иначе, чем с обычными HDD-дисками. Например, Windows 7 не применяет к SSD-диску дефрагментацию, технологии Superfetch и ReadyBoost и другие техники упреждающего чтения, ускоряющие загрузку приложений с обычных HDD-дисков.

Предыдущие версии Microsoft Windows такой специальной оптимизации не имеют и рассчитаны на работу только с обычными жесткими дисками. Поэтому, например, некоторые файловые операции Windows Vista, не будучи отключенными, могут уменьшить срок службы SSD-накопителя. Операция дефрагментации должна быть отключена, так как она практически никак не влияет на производительность SSD-носителя и лишь дополнительно изнашивает его.

Компания ASUS ещё в 2007 г. выпустила нетбук EEE PC 701 с SSD-накопителем объёмом 4Гб. Компания Dell 9 сентября 2011 года заявила о первой на рынке комплектации ноутбуков Dell Precision твердотельной памятью объемами 512Гб одним накопителем и 1Тб двумя накопителями для моделей компьютеров M4600 и M6600 соответственно. Производитель установил цену за один 512Гб SATA3 накопитель на момент объявления в $1120 долларов США.

На SSD-накопителе работают планшеты компании Acer - модели Iconia Tab W500 и W501, Fujitsu Stylistic Q550 под управлением Windows 7.

Mac OS X и компьютеры Макинтош с твердотельными накопителями

Операционная система Mac OS X начиная с версии 10.7 (Lion) полностью осуществляет TRIM-поддержку для установленной в системе твердотельной памяти.

С 2010 года компания Apple представила компьютеры линейки Air полностью комплектуемые только твердотельной памятью на основе Флеш-NAND памяти. До 2010 г. покупатель мог выбрать для данного компьютера обычный жесткий диск в комплектации, но дальнейшее развитие линейки в пользу максимального облегчения и уменьшения корпуса компьютеров данной серии потребовало полного отказа от обычных жестких дисков в пользу твердотельных накопителей. Объем комплектуемой памяти в компьютерах серии Air составляет от 64Гб до 512Гб. По данным J.P. Morgan с момента представления было продано 420 000 компьютеров этой серии полностью на твердотельной Флэш-NAND памяти.

3. Магнитные и оптические накопители

Самостоятельное изучение.

Используют два основных метода записи: метод частотной модуляции (ЧМ) и метод модифицированной ЧМ. В контроллере (адаптере) НГМД данные обрабатываются в двоичном коде и передаются в НГМД в последовательном коде.

Способ частотной модуляции является двухчастотным. При записи в начале тактового интервала производится переключение тока в МГ и направление намагниченности поверхности изменяется. Переключение тока записи отмечает начало тактов записи и используется при считывании для формирования сигналов синхронизации.

Способ обладает свойством самосинхонизации . При записи "1" в середине тактового интервала производится инвертирование тока, а при записи "0" - нет. При считывании в моменты середины тактового интервала определяют наличие сигнала произвольной полярности.

Наличие сигнала в этот момент соответствует "1", а отсутствие - "0".

Формат записи информации на гибком магнитном диске

Каждая дорожка на дискете разделена на секторы. Размер сектора является основной характеристикой формата и определяет наименьший объем данных, который может быть записан одной операцией ввода-вывода. Применяемые в НГМД форматы различаются числом секторов на дорожке и объемом одного сектора. Максимальное количество секторов на дорожке определяется операционной системой. Секторы отделяются друг от друга интервалами, в которых информация не записывается. Произведение числа дорожек на количество секторов и количество сторон дискеты определяет ее информационную емкость.

Каждый сектор включает поле служебной информации и поле данных. Адресный маркер - это специальный код, отличающийся от данных и указывающий на начало сектора или поля данных. Номер головки указывает одну из двух МГ, расположенных на соответствующих сторонах дискеты. Номер сектора - это логический код сектора, который может не совпасть с его физическим номером. Длина сектора указывает размер поля данных. Контрольные байты предназначены

Среднее время доступа к диску в миллисекундах оценивается по следующему выражению: где - число дорожек на рабочей поверхности ГМД; - время перемещения МГ с дорожки на дорожку; - время успокоения системы позиционирования.

Конструкция дискет

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД)

Жесткий магнитный диск -это круглая металлическая пластина толщиной 1,5..2мм, покрытая ферромагнитным слоем и специальным защитным слоем. Для записи и чтения используется обе поверхности диска.

Принцип работы

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый).

В большинстве накопителей есть два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр. Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.

Частота вращения НЖМД в первых моделей составляла 3 600 об/мин (т.е. в 10раз больше, чем в накопителе на гибких дисках), в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла до 5 400, 5 600, 6 400, 7 200, 10 000 и даже 15 000 об/мин.

При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка "столкнется" с диском. Последствия этого могут быть разными - от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные "взлеты" и "приземления" головок, а также более серьезные потрясения.

В некоторых наиболее современных накопителях вместо конструкции CSS (Contact Start Stop) используется механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам входить в контакт с жесткими дисками даже при отключении питания накопителя. В механизме загрузки/разгрузки используется наклонная панель, расположенная прямо над внешней поверхностью жесткого диска. Когда накопитель выключен или находится в режиме экономии потребляемой мощности, головки съезжают на эту панель. При подаче электроэнергии разблокировка головок происходит только тогда, когда скорость вращения жестких дисков достигнет нужной величины. Поток воздуха, создаваемый при вращении дисков (аэростатический подшипник), позволяет избежать возможного контакта между головкой и поверхностью жесткого диска.

Поскольку пакеты магнитных дисков содержатся в плотно закрытых корпусах и их ремонт не предусмотрен, плотность дорожек на них очень высока - до 96 000 и более на дюйм (Hitachi Travelstar 80GH). Блоки HDA (Head Disk Assembly - блок головок и дисков) собирают в специальных цехах, в условиях практически полной стерильности. Обслуживанием HDA занимаются считанные фирмы, поэтому ремонт или замена каких-либо деталей внутри герметичного блока HDA обходится очень дорого.

Метод записи данных на жесткий магнитный диск

Для записи на ЖМД используются методы ЧМ, модифицированной частотной модуляции (МЧМ) и RLL -метод, при котором каждый байт данных преобразуется в 16-битовый код.

При методе МЧМ плотность записи данных возрастает вдвое по сравнению с методом ЧМ. Если записываемый бит данных является единицей, то стоящий перед ним бит тактового импульса не записывается. Если записывается "0", а предыдущий бит был "1", то синхросигнал также не записывается, как и бит данных. Если перед "0" стоит бит "0", то синхросигнал записывается.

Дорожки и секторы

Дорожка - это одно "кольцо" данных на одной стороне диска. Дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.

Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка жесткого диска - от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт.

Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля.

При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочая служебная информация, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается.

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс - prefix portion ), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце - заключение (или суффикс - suffix portion ), в котором находится контрольная сумма ( checksum ), необходимая для проверки целостности данных.

Форматирование низкого уровня современных жестких дисков выполняется на заводе, изготовитель указывает только форматную емкость диска. В каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных - это только часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные отводится только 512 байт.

Чтобы очистить секторы, в них зачастую записываются специальные последовательности байтов. Префиксы, суффиксы и промежутки - пространство, которое представляет собой разницу между неформатированной и форматированной емкостями диска и "теряется" после его форматирования.

Процесс форматирования низкого уровня приводит к смещению нумерации секторов, в результате чего секторы на соседних дорожках, имеющие одинаковые номера, смещаются друг относительно друга. Например, сектор 9 одной дорожки находится рядом с сектором 8 следующей дорожки, который, в свою очередь, располагается бок о бок с сектором 7 следующей дорожки и т.д. Оптимальная величина смещения определяется соотношением частоты вращения диска и радиальной скорости головки.

Идентификатор (ID) сектора состоит из полей записи номеров цилиндра, головки и сектора, а также контрольного поля CRC для проверки точности считывания информации ID. В большинстве контроллеров седьмой бит поля номера головки используется для маркировки дефектных секторов в процессе форматирования низкого уровня или анализа поверхности.

Интервал включения записи следует сразу за байтами CRC ; он гарантирует, что информация в следующей области данных будет записана правильно. Кроме того, он служит для завершения анализа CRC (контрольной суммы) идентификатора сектора.

В поле данных можно записать 512 байт информации. За ним располагается еще одно поле CRC для проверки правильности записи данных. В большинстве накопителей размер этого поля составляет два байта, но некоторые контроллеры могут работать и с более длинными полями кодов коррекции ошибок ( Error Correction Code - ЕСС ). Записанные в этом поле байты кодов коррекции ошибок позволяют при считывании обнаруживать и исправлять некоторые ошибки. Эффективность этой операции зависит от выбранного метода коррекции и особенностей контроллера. Наличие интервала отключения записи позволяет полностью завершить анализ байтов ECC (CRC) .

Интервал между записями необходим для того, чтобы застраховать данные из следующего сектора от случайного стирания при записи в предыдущий сектор. Это может произойти, если при форматировании диск вращался с частотой, несколько меньшей, чем при последующих операциях записи.

Формат записи информации на жестком магнитном диске

В НЖМД обычно используются форматы данных с фиксированным числом секторов на дорожке (17, 34 или 52) и с объемом данных в одном секторе 512 или 1024 байта. Секторы маркируются магнитным маркером.

Начало каждого сектора обозначается адресным маркером. В начале идентификатора и поля данных записываются байты синхронизации, служащие для синхронизации схемы выделения данных адаптера НЖМД. Идентификатор сектора содержит адрес диска в пакете, представленный кодами номеров цилиндра, головки и сектора. В идентификатор дополнительно вводят байты сравнения и флага. Байт сравнения представляет одинаковое для каждого сектора число (осуществляется правильность считывания идентификатора). Байт флага содержит флаг - указатель состояния дорожки.

Контрольные байты записываются в поле идентификатора один раз при записи идентификатора сектора, а в поле данных - каждый раз при каждой новой записи данных. Контрольные байты предназначены для определения и коррекции ошибок считывания. Наиболее часто используются полиномные корректирующие коды (зависит от схемной реализации адаптера).

Среднее время доступа к информации на НЖМД составляет

где tn - среднее время позиционирования;

F - скорость вращения диска;

tобм - время обмена.

Время обмена зависит от технических средств контроллера и типа его интерфейса, наличия встроенное буферной кэш-памяти, алгоритма кодирования дисковых данных и коэффициента чередования.

Форматирование дисков

Различают два вида форматирования диска :

физическое, или форматирование низкого уровня;
логическое, или форматирование высокого уровня.

При форматировании гибких дисков с помощью программы Проводник (Windows Explorer ) или команды DOS FORMAT выполняются обе операции.

Однако для жестких дисков эти операции следует выполнять отдельно. Более того, для жесткого диска существует и третий этап, выполняемый между двумя указанными операциями форматирования, - разбивка диска на разделы. Создание разделов абсолютно необходимо в том случае, если вы предполагаете использовать на одном компьютере несколько операционных систем. Физическое форматирование всегда выполняется одинаково, независимо от свойств операционной системы и параметров форматирования высокого уровня Тому, или логическому диску, система присваивает буквенное обозначение.

Таким образом, форматирование жесткого диска выполняется в три этапа .

Форматирование низкого уровня.
Организация разделов на диске.
Форматирование высокого уровня.

Форматирование низкого уровня

В процессе форматирования низкого уровня дорожки диска разбиваются на секторы. При этом записываются заголовки и заключения секторов (префиксы и суффиксы), а также формируются интервалы между секторами и дорожками. Область данных каждого сектора заполняется фиктивными значениями или специальными тестовыми наборами данных.

В первых контроллерах ST-506 /412 при записи по методу MFM дорожки разбивались на 17 секторов, а в контроллерах этого же типа, но с RLL -кодированием количество секторов увеличилось до 26. В накопителях ESDI на дорожке содержится 32 и более секторов. В накопителях IDE контроллеры встроенные, и, в зависимости от их типа, количество секторов колеблется в пределах 17-700 и более. Накопители SCSI - это накопители IDE со встроенным адаптером шины SCSI (контроллер тоже встроенный), поэтому количество секторов на дорожке может быть совершенно произвольным и зависит только от типа установленного контроллера.

Практически во всех накопителях IDE и SCSI используется так называемая зонная запись с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные содержат большее число секторов, чем близкие к центру. Один из способов повышения емкости жесткого диска - разделение внешних цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами. Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую длину окружности.

В накопителях, не использующих метод зонной записи, в каждом цилиндре содержится одинаковое количество данных, несмотря на то что длина дорожки внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. Это приводит к нерациональному использованию емкости запоминающего устройства, так как носитель должен обеспечивать надежное хранение данных, записанных с той же плотностью, что и во внутренних цилиндрах. В том случае, если количество секторов, приходящихся на каждую дорожку, фиксировано, как это бывает при использовании контроллеров ранних версий, емкость накопителя определяется плотностью записи внутренней (наиболее короткой) дорожки.

При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, причем по мере продвижения к внешнему краю диска дорожки разбиваются на все большее число секторов. Во всех цилиндрах, относящихся к одной зоне, количество секторов на дорожках одинаковое. Возможное количество зон зависит от типа накопителя; в большинстве устройств их бывает 10 и более. Скорость обмена данными с накопителем может изменяться и зависит от зоны, в которой в конкретный момент располагаются головки. Происходит это потому, что секторов во внешних зонах больше, а угловая скорость вращения диска постоянна (т.е. линейная скорость перемещения секторов относительно головки при считывании и записи данных на внешних дорожках оказывается выше, чем на внутренних).

При использовании метода зонной записи каждая поверхность диска уже содержит 545,63 сектора на дорожку. Если не использовать метод зонной записи, то каждая дорожка будет ограничена 360 секторами. Выигрыш при использовании метода зонной записи составляет около 52%.

Обратите внимание на различия в скорости передачи данных для каждой зоны. Поскольку частота вращения шпинделя 7 200 об/мин, один оборот совершается за 1/120 секунды или же 8,33 миллисекунды. Дорожки во внешней зоне (нулевой) имеют скорость передачи данных 44,24 Мбайт/с, а во внутренней зоне (15) - всего 22,12 Мбайт/с. Средняя скорость передачи данных составляет 33,52 Мбайт/с.

Организация разделов на диске

Разделы, создаваемые на жестком диске, обеспечивают поддержку различных файловых систем, каждая из которых располагается на определенном разделе диска.

В каждой файловой системе используется определенный метод, позволяющий распределить пространство, занимаемое файлом, по логическим элементам, которые называются кластерами или единичными блоками памяти. На жестком диске может быть от одного до четырех разделов, каждый из которых поддерживает файловую систему какого-нибудь одного или нескольких типов. В настоящее время PC-совместимые операционные системы используют файловые системы трех типов.

FAT (File Allocation Table - таблица размещения файлов). Это стандартная файловая система для DOS, Windows 9х и Windows NT. В разделах FAT под DOS допустимая длина имен файлов - 11 символов (8 символов собственно имени и 3 символа расширения), а объем тома (логического диска) - до 2 Гбайт. Под Windows 9х/Windows NT 4.0 и выше допустимая длина имен файлов - 255 символов.

С помощью программы FDISK можно создать только два физических раздела FAT на жестком диске - основной и дополнительный, а в дополнительном разделе можно создать до 25 логических томов. Программа Partition Magic может создавать четыре основных раздела или три основных и один дополнительный.

FAT32 (File Allocation Table, 32-bit - 32-разрядная таблица размещения файлов) . Используется с Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 и Windows 2000. В таблицах FAT 32 ячейкам размещения соответствуют 32-разрядные числа. При такой файловой структуре объем тома (логического диска) может достигать 2 Тбайт (2 048 Гбайт).

NTFS (Windows NT File System - файловая система Windows NT) . Доступна тольков Windows NT/2000/XP/2003. Длина имен файлов может достигать 256 символов, размер раздела (теоретически) - 16 Эбайт (16^1018 байт). NTFS обеспечивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми системами, например средства безопасности.

После создания разделов необходимо выполнить форматирование высокого уровня с помощью средств операционной системы.

Форматирование высокого уровня

При форматировании высокого уровня операционная система создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносится загрузочный сектор тома (Volume Boot Sector - VBS ), две копии таблицы размещения файлов (FAT ) и корневой каталог ( Root Directory ). С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и даже "обходит", во избежание проблем, дефектные участки на диске. В сущности, форматирование высокого уровня - это не столько форматирование, сколько создание оглавления диска и таблицы размещения файлов.