Накопители на жестких магнитных дисках

Основными элементами конструкции типового накопителя на жестких дисках являются:

- магнитные диски;

- головки чтения/записи;

- механизм привода головок;

- двигатель привода дисков;

- печатная плата с электронной схемой управления;

- разъемы, элементы конфигурирования и монтажа.

Типовой накопитель состоит из гермоблока и электронной платы управления. В гермоблоке находятся все механические компоненты жесткого диска и предусилитель. Одной из главных частей гермоблока является шпиндель с одним или несколькими дисками, покрытыми специальным магнитным слоем, которые расположены друг над другом. Дорожки разных дисков, равноудаленные от оси вращения, образуют так называемый цилиндр. На каждую рабочую сторону диска приходится по одной головке. Ниже дисков установлен двигатель. При работе винчестера внутри гермоблока за счет вращения дисков создается поток воздуха, очищаемый специальным фильтром. Рядом со шпинделем находится позиционер. При его поворотах коромысла головки, закрепленные на длинных и легких несущих, осуществляют движение по некой дуге от центра к краю пластины. Обмотка позиционера окружена статором, являющимся постоянным магнитом. Рядом с позиционером размещается предусилитель сигнала, снятого с головок, и коммутатор. Как правило, позиционер и плата предусилителя соединены между собой гибким ленточным кабелем. Плата управляющей электроники находится на внешней стороне гермоблока и прикреплена к нему при помощи специальных разъемов. На самой плате обычно имеется процессор жесткого диска, ПЗУ с программой и рабочее ПЗУ, а также цифровой сигнальный процессор и интерфейсная логика.

Наиболее распространены на сегодняшний день накопители, содержащие диски следующих размеров: 3,5^”, 2,5^”, 1,8^”. В большинстве накопителей устанавливается не менее двух дисков. Количество дисков ограничивается высотой корпуса.

До 80-х годов основа дисков изготавливалась из алюминиевого сплава (с небольшим добавлением магния). По мере возрастания требований к емкости и размерам накопителей в качестве основного материала для дисковых пластин стал использоваться композиционный материал из стекла и керамики. Такие диски менее восприимчивы к колебаниям температуры, то есть их размеры при нагревании и охлаждении изменяются весьма незначительно.

Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается тонким слоем магнитного вещества (рабочим слоем), способным сохранять намагниченность после прекращения воздействия внешнего магнитного поля. Рабочий слой может быть двух типов: оксидный и на основе тонких пленок. Рабочий слой на основе тонких пленок имеет меньшую толщину и более прочен, а качество его поверхности гораздо выше. Эта технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось значительно уменьшить зазор между голоками и поверхностями дисков, и, следовательно, повысить плотность записи данных.

В накопителях на жестких дисках для каждой стороны диска предусмотрена своя головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно. Когда накопитель выключен, головки касаются дисков. При раскручивании дисков возрастает аэродинамическое давление на головки, что приводит к их отрыву от рабочих поверхностей.

По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения /записи. Сердечники первых головок были выполнены из ферромагнитного сплава – пермаллоя. Затем были разработаны четыре типа головок: ферритовые, с металлом в зазоре, тонкопленочные, магниторезистивные.

Винчестеры, поддерживающие интерфейс Ultra ATA/66 способны осуществлять передачу данных в режиме Ultra DMA со скоростью 66 Мбайт/с. Цифра эта характеризует теоретический предел скорости обмена данных между кэш-буфером диска и системной шиной.

Одним способов, увеличивающих быстродействие жесткого диска, является наращивание числа его оборотов. Увеличенная скорость вращения приводит к увеличению скорости считывания данных и уменьшает время, необходимое на позиционирование головок. Повышение скорости оборотов вызывает ряд трудностей конструктивного и технологического характера. Одной из проблем является значительный разогрев винчестеров. Устранить этот недостаток можно при использовании в винчестерах жидких подшипников.

Одним из параметров жесткого диска, оказывающих влияние на его производительность, является размер кэш-буфера.

Кэширование диска.

Принцип кэширования, используемый для оперативной динамической памяти, во многом похож на принцип кэширования жесткого диска. Если время доступа к любой из ячеек оперативной памяти имеет одинаковое значение, то время доступа к различным блокам информации на винчестере в общем случае будет различным. Во-первых, нужно затратить некоторое время, чтобы магнитная головка записи-чтения подошла к искомой дорожке. Во-вторых, поскольку при движении головка вибрирует, то необходимо некоторое время, чтобы она успокоилась. В-третьих, искомый сектор может оказаться под головкой также спустя лишь некоторое время.

При обращении к оперативной памяти могут читаться или записываться только несколько отдельных байт, в то время как доступ к диску всегда происходит секторами. Если размер сектора в случае использования любой версии MS-DOS составляет 512 байт, то наименьший размер кэш-памяти также должен быть 512 байт.

Методы кэширования, используемые для оперативной памяти, — Write Through и Write Back — применяются и для кэширования информации, хранимой на жестких дисках. Поскольку винчестер является блочно-ориентированным устройством ввода-вывода, то данные передаются блоками определенной длины, причем MS-DOS использует при этом специальные буфера для файлов (команда BUFFERS). Таким образом, центральный процессор работает с диском не напрямую, а через эти буфера.

Кэш-память диска заполняется не только требуемым сектором, но и секторами, непосредственно следующими за ним, так как в большинстве случаев взаимосвязанные данные хранятся в соседних секторах. Этот метод известен также как Read Ahead - "чтение вперед". Выполнение процесса оптимизации жесткого диска оказывает влияние на эффективность его кэширования, поскольку при выполнении полной оптимизации различные части файлов как раз могут находиться в соседних секторах.

Если кэш-память полностью заполнена данными, то, как и в случае кэширования оперативной памяти, алгоритм сможет позаботиться о том, чтобы заменить именно ту информацию, к которой производился минимум обращений. Если в кэше хранить таблицу FAT и дерево каталогов, то поиск файлов может происходить достаточно эффективно даже для винчестеров большой емкости.

Архитектура кэш-памяти современных винчестеров использует полностью ассоциативное отображение и кэш может быть использован для работы с любым количеством страниц. Такая организация кэша возможна, так как оперативная память и микропроцессор работают существенно быстрее, чем жесткий диск.

На плате кэш-контроллера для жестких дисков находятся собственная кэш-память, выполненная обычно на 30-контактных SIMM-модулях, и собственный процессор (i80286 или Motorola 68000). Размер установленной памяти может достигать 16 Мбайт.

В процессе кэширования осуществляется непрерывное считывание данных с поверхности диска до момента заполнения буфера, а оно происходит и после того, как найдены требуемые данные. Такая работа с опережением создает избыточный запас данных, которые могут быть востребованы позднее. Скорость считывания данных из кэш-буфера выше, чем с поверхности диска. При кэшировании записи происходит обратная процедура: в буфере накапливаются данные, предназначенные для размещения на диске, что обеспечивает непрерывность процесса с максимальной скоростью.

При работе с многозадачными системами выгодно иметь винчестер с мультисегменгной кэш-памятью, которая для каждой из задач отводит свою часть кэша (сегмент). В адаптивной мультисегментной кэш-памяти для повышения производительности число и параметры сегментов могут изменяться.

Особое место в увеличении надежности жестких дисков занимает технология SMART. Ее смысл заключается в осуществлении винчестером самодиагностики технического состояния с выдачей пользователю соответствующей информации. В общем случае состояние накопителя оценивается по его нескольким параметрам, критичным для его нормальной эксплуатации, которые называются атрибутами надежности. Каждому атрибуту соответствует определенный параметр, способный характеризовать его естественный износ и предаварийное состояние. Все SMART-параметры хранятся в энергозависимой памяти жесткого диска.

Открытие эффекта гигантской магниторезистивности и использование его в технологии изготовления головок жестких дисков позволило резко увеличить плотность записи, а следовательно, и объем жестких дисков. Преимущество таких головок чтения/записи заключается в их гораздо более высокой чувствительности по сравнению с обычными магниторезистивными головками. Они способны обнаруживать гораздо более слабые магнитные поля, что позволяет уменьшить размер магнитных микрообластей, хранящих информацию, и значительно увеличить скорость считывания информации. Производство GMR-головок основано на самых высоких технологиях. Каждая такая головка состоит из двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитным проводником. В головках используется многослойная структура, в которой эффект GMR достигается в напыленной пленке при плотности тока несколько сотен ампер на метр.

Основными характеристиками винчестеров являются:

- емкость;

- быстродействие;

- время безотказной работы.

Емкость – максимальный объем данных, которые можно записать на носитель. Это основной критерий для пользователя. Ежегодно плотность записи (и соответственно емкость) винчестеров увеличивается примерно на 60% при ежеквартальном снижении стоимости хранения 1Мб информации на 12%.

Быстродействие винчестеров характеризуется средним временем доступа, средним временем поиска и скоростью передачи данных.

При обращении к большим массивам данных головки должны позиционироваться на диске гораздо чаще, чем при обращении к небольшим массивам или данным, которые последовательно расположены на диске. Так что фактическая производительность определяется среднем временем доступа к различным объектам на диске. Время необходимое HDD для поиска любой информации на диске, измеряется миллисекундами (10-15 мс).

Важнейшим показателем, характеризующим механизм перемещения головок, является время, которое необходимо винчестеру, чтобы переместить всю гребенку с головками от одного цилиндра к следующему. Эту величину называют временем позиционирования головки на дорожке (3 мс).

Максимальное время доступа измеряется как интервал времени, который необходим гребенке с головками, чтобы однократно переместится по всей поверхности диска.

Под термином «среднее время поиска» понимается время, в течение которого магнитные головки перемещаются от одного цилиндра к другому. Этот параметр можно измерить, выполнив серию операций поиска случайно выбранных дорожек, а затем разделив общее время поиска на количество операций.

Максимальную скорость передачи данных можно определить по следующей формуле:

V=количество секторов на дорожке*512*скорость вращения дисков, об/мин/60байт/c

Залогом безотказной работы накопителя является бережное к нему отношение и соблюдение правил эксплуатации. В большинстве современных накопителей на жестких дисках гермоблоки комплектуются противоударной подвеской. Между корпусом накопителя и монтажным каркасом устанавливаются специальные прокладки из эластичной резины, компенсирующие удары и вибрацию.

Логическая структура диска

В отличие от дискет у большинства жестких дисков больше двух поверхностей для записи, поскольку обычно они имеют несколько пластин, установленных на одном цилиндре, и все пластины имеют по две поверхности для записи. Эти поверхности, как и головки чтения /записи, нумеруются сверху вниз, начиная с нуля. Все дорожки, находящиеся на одном и том же расстоянии от шпинделя на всех поверхностях для записи, образуют цилиндр. Цилиндры нумеруются от периферии к центру, начиная с нуля.

С точки зрения BIOS материнской платы, самым главным различием между дискетой и жестким диском является то, что каждая дискета содержит один логический том, или раздел, в то время как все жесткие диски делятся на несколько частей, которые могут быть первичными или основнымилогическими томами, скрытыми или расширенными разделами с многими логическими томами. Определяются разделы при помощи главного блока загрузки (MBR), который находится в первом секторе на любом жестком диске и состоит из программы и информационного файла.

Принцип работы накопителя

При передаче питающих напряжений начинает работать микропроцессор контроллера. Вначале он, как и компьютер, выполняет самотестирование и в случае его успеха запускает схему управления двигателем вращения шпинделя.

Электроника жесткого диска, спрятанная снизу винчестера, расшифровывает команды контроллера жесткого диска и передает их в виде изменяющегося напряжения на шаговый двигатель. Также она управляет приводом шпинделя, стабилизируя скорость вращения пакета дисков, генерирует сигналы при чтении и управляет работой других электронных узлов накопителя.

Когда в систему поступает команда сохранить файл или считать его с диска, она передает ее в контроллер жесткого диска. Получив команду, контроллер перемещает магнитные головки к таблице расположения файлов FAT соответствующего логического диска. Информация FAT поступает из электронной схемы накопителя в контроллер жесткого диска и возвращается операционной системе. После чего операционная система генерирует команду установки магнитных головок над соответствующей дорожкой диска для записи или считывания нужного сектора.

Операционная система обращается к диску на уровне логического устройства. Она генерирует команды управления контроллером дисков. Контроллер дисков управляется операционной системой с использованием наиболее общих понятий: физическое имя накопителя, номер головки и цилиндра, операция записи или чтения и тому подобное.