Принцип роботи жорсткого диска
1.Принцип роботи жорсткого диска
Накопичувач на жорсткому диску відноситься до найбільш досконалих і складних пристроїв сучасного персонального комп'ютера. Його диски здатні вміщувати багато мегабайтів інформації, передаваної з величезною швидкістю. В той час, як майже всі елементи комп'ютера працюють безшумно, жорсткий диск бурчить і поскрипує, що дозволяє віднести його до тих небагатьох комп'ютерних пристроїв, які містять як механічні, так і електронні компоненти.
Основні принципи роботи жорсткого диска мало змінилися з дня його створення. Будова вінчестера дуже схожа на звичайний програвач грамплатівок. Тільки під корпусом може бути декілька пластин, насаджених на загальну вісь, і головки можуть прочитувати інформацію відразу з обох боків кожної пластини. Швидкість обертання пластин (у деяких моделей вона доходить до 15000 оборотів в хвилину) постійна і є однією з основних характеристик. Головка переміщається уздовж пластини на деякій фіксованій відстані від поверхні. Чим менше це відстань, тим більше точність прочитування інформації, і тим більше може бути щільність запису інформації. Поглянувши на накопичувач на жорсткому диску, ви побачите тільки міцний металевий корпус. Він повністю герметичний і захищає дисковод від частинок пилу, який при попаданні у вузький зазор між головкою і поверхнею диска можуть пошкодити чутливий магнітний шар і вивести диск з ладу. Крім того, корпус екранує накопичувач від електромагнітних перешкод. Усередині корпусу знаходяться всі механізми і деякі електронні вузли. Механізми - це самі диски, на яких зберігається інформація, головки, які записують і прочитують інформацію з дисків, а також двигуни, що приводять все це в рух. Диск є круглою пластиною з дуже рівною поверхнею частіше з алюмінію, рідше - з кераміки або скла, покриту тонким феромагнітним шаром. У багатьох накопичувачах використовується шар оксиду заліза (яким покривається звичайна магнітна стрічка), але новітні моделі жорстких дисків працюють з шаром кобальту завтовшки близько десяти мікрон. Таке покриття міцніше і, крім того, дозволяє значно збільшити щільність запису. Технологія його нанесення близька до тієї, яка використовується при виробництві інтегральних мікросхем.
Кількість дисків може бути різною - від одного до п'яти, кількість робочих поверхонь, відповідно, удвічі більше (по дві на кожному диску). Остання (як і матеріал, використаний для магнітного покриття) визначає ємкість жорсткого диска. Іноді зовнішні поверхні крайніх дисків (або одного з них) не використовуються, що дозволяє зменшити висоту накопичувача, але при цьому кількість робочих поверхонь зменшується і може виявитися непарним.
Магнітні головки прочитують і записують інформацію на диски. Принцип запису загалом схожий з тим, який використовується в звичайному магнітофоні. Цифрова інформація перетвориться в змінний електричний струм, що поступає на магнітну головку, а потім передається на магнітний диск, але вже у вигляді магнітного поля, яке диск може сприйняти і "запам'ятати". Магнітним покриттям диска є безліч найдрібніших областей мимовільної (спонтанної) намагніченості. Для наочності уявіть собі, що диск покритий шаром дуже маленьких стрілок від компаса, направлених в різні боки. Такі частинки-стрілки називаються доменами. Під впливом зовнішнього магнітного поля власні магнітні поля доменів орієнтуються відповідно до його напряму. Після припинення дії зовнішнього поля на поверхні диска утворюються зони залишкової намагніченості. Таким чином зберігається записана на диск інформація. Ділянки залишкової намагніченості, опинившись при обертанні диска напроти зазору магнітної головки, наводять в ній електрорушійну силу, що змінюється залежно від величини намагніченості. Пакет дисків, змонтований на осі-шпінделі, приводиться в рух спеціальним двигуном, компактно розташованим під ним. Швидкість обертання дисків, як правило, складає 7200 об/хв. Для того, щоб скоротити час виходу накопичувача в робочий стан, двигун при включенні якийсь час працює у форсованому режимі. Тому джерело живлення комп'ютера повинне мати запас по піковій потужності. Тепер про роботу головок. Вони переміщаються за допомогою прецизійного крокового двигуна і як би "пливуть" на відстані в долі мікрона від поверхні диска, не торкаючись його. На поверхні дисків в результаті запису інформації утворюються намагнічені ділянки, у формі концентричних кіл. Вони називаються магнітними доріжками. Переміщаючись, головки зупиняються над кожною наступною доріжкою. Сукупність доріжок, розташованих один під одним на всіх поверхнях, називають циліндром. Всі головки накопичувача переміщаються одночасно, здійснюючи доступ до однойменних циліндрів з однаковими номерами.
2.Будова диска
Типовий
вінчестер складається з
Під дисками розташований двигун - плоский, як в floppy-дисководах, або вбудований в шпіндель дискового пакету. При обертанні дисків створюється сильний потік повітря, яке циркулює по периметру гермоблока і постійно очищається фільтром, встановленим на одній з його сторін.
Ближче до роз'ємів, з лівого або правого боку від шпінделя, знаходиться поворотний позиционер, що нагадує по вигляду декілька баштових кранів: з одного боку осі, знаходяться звернені до дисків тонкі, довгі і такі, що легко несуть магнітні головки, а з іншої - короткий і масивніший хвостовик з обмоткою електромагнітного приводу. При поворотах коромисла позиционера головки здійснюють рух по дузі між центром і периферією дисків. Кут між осями позиционера і шпінделя підібраний разом з відстанню від осі позиционера до головок так, щоб вісь головки при поворотах якомога менше відхилялася від дотичної доріжки.
У раніших моделях коромисло було закріплене на осі крокового двигуна, і відстань між доріжками визначалася величиною кроку. У сучасних моделях використовується так званий лінійний двигун, який не має якої-небудь дискретності, а установка на доріжку проводиться по сигналах, записаних на дисках, що дає значне збільшення точності приводу і щільності запису на дисках.
Обмотку позиционера оточує статор, що є постійним магнітом. При подачі в обмотку струму певної величини і полярності коромисло починає повертатися у відповідну сторону з відповідним прискоренням; динамічно змінюючи струм в обмотці, можна встановлювати позиционер в будь-яке положення. Така система приводу отримала назву Voice Coil (звукова котушка) - по аналогії з дифузором гучномовця.
На хвостовику зазвичай розташована так звана магнітна клямка - маленький постійний магніт, який при крайньому внутрішньому положенні головок (landing zone - посадочна зона) притягується до поверхні статора і фіксує коромисло в цьому положенні. Це так зване парковочное положення головок, які при цьому лежать на поверхні диска, стикаючись з нею. У ряді дорогих моделей (зазвичай SCSI) для фіксації позиционера передбачений спеціальний електромагніт, якір якого у вільному положенні блокує рух коромисла. У посадочній зоні дисків інформація не записується.
У вільному просторі, що залишився, розміщений передпідсилювач сигналу, знятого з головок, і їх комутатор. Позіционер сполучений з платою передпідсилювача гнучким стрічковим кабелем, проте в окремих вінчестерах (зокрема - деякі моделі Maxtor AV) живлення обмотки підведене окремими одножильними проводами, які мають тенденцію ламатися при активній роботі. Гермоблок заповнений звичайним знепиленим повітрям під атмосферним тиском. У кришках гермоблоков деяких вінчестерів спеціально робляться невеликі вікна, заклеєні тонкою плівкою, які служать для вирівнювання тиску усередині і зовні. У ряді моделей вікно закривається повітропроникним фільтром. У одних моделей вінчестерів осі шпінделя і позиционера закріплені тільки в одному місці - на корпусі вінчестера, у інших вони додатково кріпляться гвинтами до кришки гермоблока. Другі моделі чутливіші до мікродеформації при кріпленні - достатньо сильного затягування кріпильних гвинтів, щоб виник неприпустимий перекіс осей. У ряді випадків такий перекіс може стати необоротним. Плата електроніки - знімна, підключається до гермоблоку через один - два роз'єми різної конструкції. На платі розташовані основний процесор вінчестера, ПЗП з програмою, робоче ОЗУ, яке зазвичай використовується і як дисковий буфер, цифровий сигнальний процесор (DSP) для підготовки записуваних і обробки лічених сигналів, і інтерфейсна логіка. На одних вінчестерах програма процесора повністю зберігається в ПЗП, на інших певна її частина записана в службовій області диска. На диску також можуть бути записані параметри накопичувача (модель, серійний номер і тому подібне). Деякі вінчестери зберігають цю інформацію в електрично репрограмованому ПЗП (EEPROM).
Багато
вінчестерів мають на платі електроніки
спеціальний технологічний
Оскільки сервоінформація є опорною розміткою диска, контроллер вінчестера не в змозі самостійно відновити її у разі псування. При програмному форматуванні такого вінчестера можливий тільки перезапис заголовків і контрольних сум секторів даних.
При початковій розмітці і тестуванні сучасного вінчестера на заводі майже завжди виявляються дефектні сектори, які заносяться в спеціальну таблицю перепризначення. При звичайній роботі контроллер вінчестера підміняє ці сектори резервними, які спеціально залишаються для цієї мети на кожній доріжці, групі доріжок або виділеній зоні диска. Завдяки цьому новий вінчестер створює видимість повної відсутності дефектів поверхні, хоча насправді вони є майже завжди.
При включенні живлення процесор вінчестера виконує тестування електроніки, після чого видає команду включення двигуна шпінделя. Досягши деякої критичної швидкості обертання щільність захоплюваного поверхнями дисків повітря стає достатньої для подолання сили притиску головок до поверхні і підняття їх на висоту від доль до одиниць мікрон над поверхнями дисків - головки "спливають". З цієї миті і до зниження швидкості нижче за критичну головку "висять" на повітряній подушці і абсолютно не торкаються поверхонь дисків.
Після досягнення дисками швидкості обертання, близької до номінальної (зазвичай - 3600, 4500, 5400 або 7200 об/мин) головки виводяться із зони парковки і починається пошук сервоміток для точної стабілізації швидкості обертання. Потім виконується прочитування інформації із службової зони - зокрема, таблиці перепризначення дефектних ділянок.
На завершення ініціалізації виконується тестування позиціонера шляхом перебору заданої послідовності доріжок - якщо воно проходить успішно, процесор виставляє на інтерфейс ознаку готовності і переходить в режим роботи по інтерфейсу.
Під час роботи постійно працює система стеження за положенням головки на диску: з безперервно прочитуваного сигналу виділяється сигнал розузгодження, який подається в схему зворотного зв'язку, що управляє струмом обмотки позиционера. В результаті відхилення головки від центру доріжки в обмотці виникає сигнал, прагнучий повернути її на місце.
Для узгодження швидкостей потоків даних - на рівні прочитування/запису і зовнішнього інтерфейсу - вінчестери мають проміжний буфер, часто помилково званий кешем, об'ємом зазвичай в декілька десятків або сотень кілобайт. У ряді моделей (наприклад, Quantum) буфер розміщується в загальному робочому ОЗУ, куди спочатку завантажується оверлейна частина мікропрограми управління, чому дійсний об'єм буфера виходить меншим, ніж повний об'єм ОЗУ (80-90 кб при ОЗУ 128 кб у Quantum). У інших моделей (Conner, Caviar) ОЗУ буфера і процесора зроблені роздільними.
При відключенні живлення процесор, використовуючи енергію, що залишилася в конденсаторах плати або витягуючи її з обмоток двигуна, який при цьому працює як генератор, видає команду на установку позиционера в парковочное положення, яка встигає виконатися до зниження швидкості обертання нижче критичною. У деяких вінчестерах (Quantum) цьому сприяє поміщене між дисками підпружинене коромисло, постійно випробовуюче тиск повітря. При ослабленні повітряного потоку коромисло додатково штовхає позиционер в парковочное положення, де той фіксується клямкою. Руху головок у бік шпінделя сприяє також доцентрова сила, що виникає із-за обертання дисків.
3. Робота жорсткого диска
Тепер - власне про процес роботи вінчестера. Після початкового налаштування електроніки і механіки мікрокомп'ютер вінчестера переходить в режим очікування команд від контроллера, розташованого на системній платі або інтерфейсній карті. Отримавши команду, він включає потрібну головку, по сервоімпульсам відшукує потрібну доріжку, чекає, поки до головки "доїде" потрібний сектор, і виконує прочитування або запис інформації. Якщо контроллер запитав читання/запис не одного сектора, а декілька - вінчестер може працювати в так званому блоковому режимі, використовуючи ОЗУ як буфери і суміщаючи читання/запис з передачею інформації до контроллера або від нього.
Для оптимального використання поверхні дисків застосовується так званий зоновий запис (Zoned Bit Recording - ZBR), принцип якого полягає в тому, що на зовнішніх доріжках, що мають велику довжину (а отже - і інформаційну ємкість), інформація записується з більшою щільністю, чим на внутрішніх. Таких зон з постійною щільністю запису в межах всієї поверхні утворюється до десятка і більш; відповідно, швидкість читання і запису на зовнішніх зонах вища, ніж на внутрішніх. Завдяки цьому файли, розташовані ближче на "початок" вінчестера, в цілому оброблятимуться швидше за файли, розташовані ближче до його "кінця".
Тепер про те, звідки беруться неправдоподібно великі кількості головок, вказані в параметрах вінчестерів. Колись ці числа - число циліндрів, головок і секторів на доріжці - дійсно позначали реальні фізичні параметри (геометрію) вінчестера. Проте при використанні ZBR кількість секторів міняється від доріжки до доріжки, і для кожного вінчестера ці числа різні - тому почала використовуватися так звана логічна геометрія, коли вінчестер повідомляє контроллеру якісь умовні параметри, а при отриманні команд сам перетворить логічні адреси у фізичні. При цьому у вінчестері з логічною геометрією, наприклад, в 520 циліндрів, 128 головок і 63 сектори (загальний об'єм - 2 Гб) знаходиться, швидше за все, два диски - і чотири головки читання/запису.
У вінчестерах останнього покоління використовуються технології PRML (Partial Response, Maximum Likelihood - максимальна правдоподібність при неповному відгуку) і S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology - технологія самостійного стежачого аналізу і звітності). Перша розроблена унаслідок того, що при існуючій щільності запису вже неможливо чітко і однозначно прочитувати сигнал з поверхні диска - рівень перешкод і спотворень дуже великий. Замість прямого перетворення сигналу використовується його порівняння з набором зразків, і на підставі максимальної схожості робиться висновок про прийом того або іншого кодового слова - приблизно так само ми читаємо слова, в яких пропущені або спотворені букви.
Вінчестер, в якому реалізована технологія S.M.A.R.T., веде статистику своїх робочих параметрів (кількість старт/стопів і напрацьованого годинника, час розгону шпінделя, знайдені/виправлені помилки і тому подібне), яка регулярно зберігається в перепрограмованому ПЗП або в службових зонах диска. Ця інформація накопичується протягом всього життя вінчестера і може у будь-який момент зажадатися програмами аналізу; по ній можна судити про стан механіків, умовах експлуатації або зразкової вірогідності виходу з ладу.
4. Об'єм, швидкість і час доступу
Основними завданнями виробників завжди було збільшення об'єму інформації, що зберігається на дисках, і швидкості роботи з цією інформацією. Як збільшити об'єм диска? Найбільш очевидним рішенням є збільшення кількості пластин в корпусі жорсткого диска. Так само зазвичай розрізняються моделі в межах одного модельного ряду. Цей спосіб є найбільш простим і дозволяє на одній і тій же елементній базі отримувати диски різної ємкості. Але у цього способу існують природні обмеження: кількість дисків не може бути нескінченною. Збільшується навантаження на мотор, погіршуються температурні і шумові характеристики диска, вірогідність браку росте пропорційно кількості пластин, а значить, важче забезпечити надійність. Серед промислово вироблюваних дисків найбільшою кількістю пластин володіє SCSI диск Seagate Barracuda 180 - у цього вінчестера аж 12 пластин! Є і рекордсмени в області спрощення пристрою дисків - це, наприклад, розглянутий нами далі Maxtor 513DX і 541DX, у якого один диск, використовуваний тільки з одного боку.
Технологічно складніший (і перспективніший) метод збільшення об'єму - збільшення щільності запису інформації. Тут виникає цілий ряд технологічних проблем. Сучасні пластини виготовляються з алюмінію або навіть з скла (деякі моделі IBM). Магнітне покриття має складну багатошарову структуру і покрито зверху спеціальним захисним шаром. Розміри частинок магнітного покриття зменшуються, а чутливість їх зростає. Окрім поліпшення параметрів самих пластин, істотним удосконаленням повинна піддатися система прочитування інформації. Необхідно зменшити зазор між головкою і поверхнею пластини, підвищити чутливість головки. Але і тут закони фізики накладають свої природні обмеження на межу застосування подібних технологій. Адже розміри магнітних частинок не можуть зменшуватися нескінченно.
Найпростіший
спосіб збільшити швидкість
Оскільки головка при пошуку інформації переміщається тільки упоперек диска, вона вимушена "чекати", поки диск обернеться і сектор із запрошуваними даними виявиться доступним для читання. Цей час залежить тільки від швидкості обертання диска і називається часом очікування інформації (latency) . Але необхідно розуміти, що загальний час доступу до інформації визначається часом пошуку потрібної доріжки на диску і часом позиціонування усередині цієї доріжки. Збільшення швидкості обертання диска зменшує лише останнє значення. Для зменшення часу пошуку потрібної доріжки удосконалюють привід прочитуючої головки і зменшують діаметр пластин диска. Майже всі сучасні вінчестери випускаються з пластинами діаметром 2,5 дюйма.
Позиціонування головки взагалі є окремою вельми нетривіальною проблемою. Досить сказати, що при сучасній щільності запису доводиться враховувати навіть теплове розширення! Таким чином, збільшення швидкості обертання диска істотно утрудняє точне позиціонування головки. І в спробах збільшити швидкодію диска іноді доводиться жертвувати об'ємом, використовуючи пластини з меншою щільністю запису. Недивно, що найбільш дорогі і швидкі вінчестери, що відрізняються вищою швидкістю обертання, не використовують максимальної технологічно доступної на даний момент щільності запису. За швидкість доводиться платити.
Так якому диску віддати перевагу? При однаковому об'ємі більшого на увагу заслуговують моделі з більшою щільністю запису, в порівнянні з моделями з великою кількістю дисків, хоч би тому, що у них вище лінійна швидкість читання/запису (великі файли читаються швидше). Швидкість доступу до інформації безпосередньо залежить від швидкості обертання пластин (швидше робота з великою кількістю дрібних файлів). Але збільшення швидкості приводить до дорожчання виробів, а іноді доводиться жертвувати і щільністю запису.
5. Інтерфейси жорстких дисків
Розвиток інтерфейсів вінчестерів йшов двома паралельними шляхами: дешевим і дорогим. Дороге рішення полягало в створенні на платі самого вінчестера окремого інтелектуального контроллера, який би брав на себе значну частину роботи по взаємодії з вінчестером. Результатом цього підходу з'явився інтерфейс SCSI, який швидко завоював популярність на ринку серверів. Однією з переваг цього підходу була можливість підключення до комп'ютера значної для того часу кількості пристроїв, що вимагають для своєї роботи широкого каналу передачі даних.
Просте і дешеве рішення - перекласти значну частину операцій по введенню-виводу на центральний процесор. У цього рішення цілком очевидний недолік: зниження загальної обчислювальної потужності системи, особливо помітне при багатозадачній роботі. А в ті часи, коли процесори не були такими могутніми, це сильно обмежувало можливості, зокрема, файлових серверів. Результатом втілення в життя цього підходу з'явився широко поширений інтерфейс IDE.
Цей
інтерфейс був порівняно
Тим самим на сьогодні ми маємо два типи вінчестерів: високопродуктивні SCSI і "ширвжиток" - IDE. Принципових відмінностей в будові самих вінчестерів SCSI і IDE немає, але історично склалося, що SCSI розрахований на сегмент дорогих серверних рішень, тому в середньому вони швидше і, як наслідок, істотно дорожче.
Пропускна швидкість SCSI значно вище IDE, цілих 160 Мб/с. А IDE працює із швидкістю 33,66 і 100 Мб/с. Відповідні стандарти називаються ATA/33, ATA/66 і ATA/100.
6. Зовнішні жорсткі диски
Кажучи про інтерфейси для підключення вінчестерів, варто пригадати і про переносні вінчестери. В даний час існує декілька рішень для підключення зовнішніх пристроїв. По-перше, є вінчестери, що підключаються до USB-порту. Вони використовуються в основному для обміну даними з цифровими камерами і іншими мобільними пристроями. Через невисоку пропускну спроможність цієї шини подібні диски, звичайно, не зможуть порівнятися в продуктивності з внутрішніми устроями.
Всього більшого поширення набуває новий інтерфейс IEEE1394, який може використовуватися не тільки для підключення жорстких дисків, але і інших пристроїв, що працюють з великими масивами даних, наприклад, відеокамер. Контроллери цього інтерфейсу іноді навіть вбудовуються в материнські плати. Його продуктивності вистачає, наприклад, для програвання відео високої якості - заявлена пропускна спроможність інтерфейсу досягає 50 Мб/с. Нагадаємо, що ще пару років назад такою швидкістю не міг похвалитися інтерфейс IDE.
Купуючи
зовнішні вінчестери, слід особливо звернути
увагу на удароміцність.
Список використаної літератури
1. CompUnity N1(2) 1995
2. Hard и Soft N5, Май 1995
3. PC
Magazine Russian Edition N6 1994
