Организация данных на жестком диске

Физический уровень

Информация на жёстких дисках закодирована на магнитном материале в виде магнитных доменов (микроскопических участков с направленным магнитным моментом) с различным направлением вектора намагниченности. Два направления вектора намагниченности представляют биты «0» и «1».

Традиционно, в жёстких дисках используется технология параллельной записи, когда намагниченность доменов лежит в плоскости поверхности диска. В 2005 году фирма Hitachi разработала технологию перпендикулярной записи — в этом случае домены намагничены перпендикулярно плоскости. Это позволило преодолеть ограничение, связанное с суперпарамагнитным эффектом — взаимодействием магнитных доменов. Первой моделью винчестера с перпендикулярной записью стала TravelStar 5K160, выпущенная с ёмкостями 40, 60, 80, 120 и 160 ГБ.

Рисунок 12 – Параллельный метод магнитной записи

Технология тепловой магнитной записи, разработанная компанией Seagate и представленная в 2006 году должна повысить плотность по сравнению с обычной технологией в 100 раз и обеспечить достижения отметки 7,75 Тбит/см². Ключевым моментом технологии является локальное нагревание записываемого участка лазером, что должно уменьшить его коэрцитивную силу и обеспечить перемагничивание. Этот метод даёт возможность использовать менее подверженные суперпарамагнитному эффекту материалы.

Рисунок 13 - Пример серворазметки

На заводе-изготовителе на диск записываются сервометки, обеспечивающие синхронизацию вращения дисков, позиционирование головок на нужные треки. Сервометки на поверхности образуют области в виде радиальных лучей из центра диска, расположенные на равных угловых промежутках. Сервометки содержат синхронизационную последовательность, номер трека и дифференциальные метки. Синхронизационная последовательность обеспечивает стабильность вращения диска и точное определение моментов прохождения головкой различных областей на диске. По номеру трека обеспечивается позиционирование головок на нужный трек.

Дифференциальные метки, представляющие области противоположной намагниченности, смещённые на 1/2 трека, предназначены для точного позиционирования головок на трек. Принцип их действия заключается в том, что головка расположенная точно над треком, проходя между двумя дифференциальными метками считывает, нулевую намагниченность, при отклонении же головки от середины, она окажется ближе к одной из меток, в результате намагниченность, считанная головкой будет определяться отклонением её от середины трека.

Сервометки могут быть записаны только на прецизионном технологическом оборудовании. Для записи сервометок используется актюатор, вводящийся в гермоблок через отверстие и управляющий головками при записи. Повреждение сервометки автоматически означает последующую недоступность трека.

На отдельных моделях под сервометки отводилась отдельная поверхность, однако от такого решения впоследствии отказались, так как это весьма расточительно с одной стороны, с другой стороны механической жёсткости БМГ недостаточно для точного позиционирования головок на других поверхностях при высокой плотности записи.

Рисунок 14 – Логическая структура и разметка поферхности магнитного диска

При записи на диск используется самосинхронизирующее кодирование, обычно код с ограничением длинны серий (RLL) или код с максимумом измений (MTR), обеспечивающее малую избыточность при отсутствии необходмости в дополнительных синхрометках. Например в дисках серии MH от Fujitsu применяется MTR-кодирование 16 в 17 бит с условием не более 3 единиц в серии и не более 2 единиц около границы кода. Для обеспечения надёжности также применяется помехоустойчивое кодирование — в данные добавляется избыточная информация, обеспечивающая восстановление при потерях части информации или ошибках чтения. Может использоваться код Рида — Соломона, турбо-код и др. Получила распространение технология считывания и декодирования «максимальная правдоподобность при неполном отклике».

Данные на диски записываются секторами. Сектор — это непрерывный фрагмент трека фиксированной информационной ёмкости. Стандартные сектора содержат по 512 байт (или 256 16-битных слов) информации. Каждый сектор может быть записан независимо от других, но только целиком. Прерванная запись, например, в случае пропадания питания, разрушает информацию в секторе.

Вместе с каждым сектором вычисляется и записывается контрольная сумма, обеспечивающая проверку сохранности данных. При считывании посчитанная контрольная сумма сравнивается с записанной, и несовпадение означает, что данный сектор сбойный, он называется — бэд. Возможно несовпадение суммы и в том случае, когда поверхность сектора нормальная. При подобном сбое информация в секторе оказывается потерянной, но при записи на него сектор восстанавливается. Такие сектора называются софт-бэдами. Тем не менее часто компьютерное программное обеспечение для работы с дисками нередко помечает такие сектора сбойными и выводят их из использования.