Запись информации на жесткий диск - IT Справочник
Llscompany.ru

IT Справочник
28 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Запись информации на жесткий диск

Устройство жесткого диска

Устройство жесткого диска компьютера кратко

  1. Интегральная схема — плата, которая управляет работой жесткого диска. Здесь расположены микроконтроллер (процессор), чип памяти, контроллер управления двигателем и блоком головок, флеш-память.
  2. Электромотор, который вращает диск.
  3. Головки (коромысло) — записывают и считывают информацию.
  4. Металлические диски (пластины) — на которых хранятся данные.
  5. Корпус.

Структура жесткого диска частично напоминает слоёный пирог. Несколько дисков собраны на одной оси и расположены точно друг над другом. Эта система дисков вращается на немалой скорости вокруг своей оси. Головки четко определяют нужное место на дисках, где считывают или же записывают информацию.

Как происходит запись информации на диск

Информация хранится на дисках, изготовленных из полированного алюминия или стекла, и покрытых несколькими слоями специального состава, который образует на поверхности ферромагнитную пленку.
Запись информации на диски происходит с помощью системы магнитных головок, перемещающихся в пространстве между дисками.
Головки не касаются поверхности дисков. Расстояние между ними и дисками в 5 тыс. раз меньше толщины человеческого волоса.
Когда головки позиционируются в нужном месте, подается токовый импульс для создания магнитного момента той или иной направленности — в результате на диск будет записан либо логический «0», либо логическая «1». Каждый такой «0» или «1» называется Бит. Значение бита соответствует ориентации магнитного поля — плюсу или минусу.
Каждый квадратный сантиметр поверхности содержит в себе 31 миллиард битов.

Как происходит считывание информации с диска

Для считывания информации с диска служат те же магниторезистивные головки. Диски вращаются, а головки перемещаются по концентрическим окружностям-дорожкам информации, Обеспечивается доступ головок к данным на дисках.
В головке протекает ток такой силы, которая пропорциональна изменению магнитного поля. Информация, считанная магнитной головкой, — это аналоговый сигнал, для обработки процессором он перекодируется. Так, в результате получается «цифра» (необходимый любому микропроцессорному устройству бинарный код).

Какие могут быть повреждения жесткого диска

Необходимо исключить возможность порчи магнитного слоя дисков головками. Слишком велика вероятность их падения при отключении электропитания. По-этому, при остановке жесткого диска, головки перемещаются в определенную точку, над неиспользуемыми частями диска, и там фиксируются. Этот процесс называется — Парковка.

Объём винчестера

Скажем несколько слов и о разбивке всего объёма хранимой информации на определённые разделы. Блок головок перемещается вдоль поверхности дисков. Следовательно, в одно и то же время головки размещены над своими дисками, но дорожка будет одна. Так получается цилиндр, если посмотреть на описанную систему со стороны. Каждая дорожка разбита на несколько секторов по 512 байт хранимой информации. Зная, сколько в жёстком диске головок, секторов и цилиндров, можно перемножить эти значения. Полученный результат — предполагаемый объём винчестера.

Представление информации и процесс преобразования

Чтобы облегчить процесс производства дисков, дорожки располагают как можно ближе друг к другу, таким образом уменьшается число дисков в блоке. Всё сказанное выше о разбивке винчестера относится к физическому размещению. Компьютер же использует логическое размещение. Данные разбивки, необходимые программе Setup, можно обнаружить на самом корпусе устройства. Допуск головок в требуемое место диска обеспечивается блоком трансляции, который расположен непосредственно на винчестере. Так осуществляется процесс преобразования логического представления информации в физическое представление.

Производителем в процессе изготовления, изначально допускается некоторое число бракованных секторов, однако винт в целом должен обеспечивать необходимый объём. Такие бракованные сектора помечаются при процедуре низкоуровневого форматирования, а во время дальнейшей работы устройства эти участки просто-напросто не учитываются.

Вот, кратко, вся информация об устройстве жёсткого диска.

Как устроен жесткий диск компьютера (HDD)

Приветствую всех читателей блога pc-information-guide.ru. 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 (оперативной памяти) — 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).

Устройство жесткого диска компьютера

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 загружается ОС, 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.

Читать еще:  Восстановление файлов с жесткого

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 интерфейсы жесткого диска — 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!

Хранение информации на жестких дисках

Часть 1

1. Введение

Большинство пользователей, отвечая на вопрос, что находится в их системном блоке, помимо прочего упоминают винчестер. Винчестер — это устройство, на котором чаще всего хранятся Ваши данные. Бытует легенда, объясняющая, почему за жесткими дисками повелось такое причудливое название. Первый жесткий диск, выпущенный в Америке в начале 70-х годов, имел емкость по 30 МБ информации на каждой рабочей поверхности. В то же время, широко известная в той же Америке магазинная винтовка О. Ф. Винчестера имела калибр — 0,30; может грохотал при своей работе первый винчестер как автомат или порохом от него пахло — не знаю, но с той поры стали называть жесткие диски винчестерами.

В процессе работы компьютера случаются сбои. Вирусы, перебои энергоснабжения, программные ошибки — все это может послужить причиной повреждения информации, хранящейся на Вашем жестком диске. Повреждение информации далеко не всегда означает ее потерю, так что полезно знать о том, как она хранится на жестком диске, ибо тогда ее можно восстановить. Тогда, например, в случае повреждения вирусом загрузочной области, вовсе не обязательно форматировать весь диск (!), а, восстановив поврежденное место, продолжить нормальную работу с сохранением всех своих бесценных данных.

С одной стороны, в процессе написания этой статьи я ставил для себя задачей рассказать Вам:

  1. о принципах записи информации на жесткий диск;
  2. о размещении и загрузке операционной системы;
  3. о том как грамотно разделить Ваш новый винчестер на разделы с целью использовать несколько операционных систем.

С другой стороны, я хочу подготовить читателя ко второй статье, в которой я расскажу о программах, называемых boot manager-ами. Для того чтобы понимать, как работают эти программы, нужно обладать базовыми знаниями о таких вещах как MBR, Partitions и т. д.

Довольно общих слов — приступим.

2. Устройство жесткого диска

Жесткий диск (НDD — Hard Disk Drive) устроен следующим образом: на шпинделе, соединенным с электромотором, расположен блок из нескольких дисков (блинов), над поверхностью которых находятся головки для чтения/записи информации. Форма головкам придается в виде крыла и крепятся они на серпообразный поводок. При работе они «летят» над поверхностью дисков в воздушном потоке, который создается при вращении этих же дисков. Очевидно, что подъемная сила зависит от давления воздуха на головки. Оно же, в свою очередь, зависит от внешнего атмосферного давления. Поэтому некоторые производители указывают в спецификации на свои устройства предельный потолок эксплуатации (например, 3000 м). Ну чем не самолет? Диск разбит на дорожки (или треки), которые в свою очередь поделены на сектора. Две дорожки, равноудаленные от центра, но расположенные по разные стороны диска, называются цилиндрами.

3. Хранение информации

К сожалению, достаточно часто происходит путаница между такими понятиями как «сектор», «кластер» и «блок». Фактически, между «блоком» и «сектором» разницы нет. Правда, одно понятие логическое, а второе топологическое. «Кластер» — это несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как одно целое. Почему не отказались от простой работы с секторами? Отвечу. Переход к кластерам произошел потому, что размер таблицы FAT был ограничен, а размер диска увеличивался. В случае FAT16 для диска объемом 512 МБ кластер будет составлять 8 КБ, до 1 ГБ — 16 КБ, до 2 ГБ — 32 КБ и так далее.

Для того чтобы однозначно адресовать блок данных, необходимо указать все три числа (номер цилиндра, номер сектора на дорожке, номер головки). Такой способ адресации диска был широко распространен и получил впоследствии обозначение аббревиатурой CHS (cylinder, head, sector). Именно этот способ был первоначально реализован в BIOS, поэтому впоследствии возникли ограничения, связанные с ним. Дело в том, что BIOS определил разрядную сетку адресов на 63 сектора, 1024 цилиндра и 255 головок. Однако развитие жестких дисков в то время ограничилось использованием лишь 16 головок в связи со сложностью изготовления. Отсюда появилось первое ограничение на максимально допустимую для адресации емкость жесткого диска: 1024×16×63×512 = 504 МБ.

Со временем, производители стали делать HDD большего размера. Соответственно число цилиндров на них превысило 1024, максимально допустимое число цилиндров (с точки зрения старых BIOS). Однако, адресуемая часть диска продолжала равняться 504 Мбайтам, при условии, что обращение к диску велось средствами BIOS. Это ограничение со временем было снято введением так называемого механизма трансляции адресов, о котором чуть ниже.

Проблемы, возникшие с ограниченностью BIOS по части физической геометрии дисков, привели в конце концов к появлению нового способа адресации блоков на диске. Этот способ довольно прост. Блоки на диске описываются одним параметром — линейным адресом блока. Адресация диска линейно получила аббревиатуру LBA (logical block addressing). Линейный адрес блока однозначно связан с его CHS адресом:

lba = (cyl*HEADS + head)*SECTORS + (sector-1);

Введение поддержки линейной адресации в контроллеры жестких дисков дало возможность BIOS’aм заняться трансляцией адресов. Суть этого метода состоит в том, что если в приведенной выше формуле увеличить параметр HEADS, то потребуется меньше цилиндров, чтобы адресовать то же самое количество блоков диска. Но зато потребуется больше головок. Однако головок-то как раз использовалось всего 16 из 255. Поэтому BIOS’ы стали переводить избыточные цилиндры в головки, уменьшая число одних и увеличивая число других. Это позволило им использовать разрядную сетку головок целиком. Это отодвинуло границу адресуемого BIOS’ом дискового пространства до 8 ГБ.

Нельзя не сказать несколько слов и о Large Mode. Этот режим работы предназначен для работы жестких дисков объемом до 1 ГБ. В Large Mode количество логических головок увеличивается до 32, а количество логических цилиндров уменьшается вдвое. При этом обращения к логическим головкам 0..F транслируются в четные физические цилиндры, а обращения к головкам 10..1F — в нечетные. Винчестер, размеченный в режиме LBA, несовместим с режимом Large, и наоборот.

Дальнейшее увеличение адресуемых объемов диска с использованием прежних сервисов BIOS стало принципиально невозможным. Действительно, все параметры задействованы по максимальной «планке» (63 сектора, 1024 цилиндра и 255 головок). Тогда был разработан новый расширенный интерфейс BIOS, учитывающий возможность очень больших адресов блоков. Однако этот интерфейс уже не совместим с прежним, вследствие чего старые операционные системы, такие как DOS, которые пользуются старыми интерфейсами BIOS, не смогли и не смогут переступить границы в 8GB. Практически все современные системы уже не пользуются BIOS’ом, а используют собственные драйвера для работы с дисками. Поэтому данное ограничение на них не распространяется. Но следует понимать, что прежде чем система сможет использовать собственный драйвер, она должна как минимум его загрузить. Поэтому на этапе начальной загрузки любая система вынуждена пользоваться BIOS’ом. Это и вызывает ограничения на размещение многих систем за пределами 8GB, они не могут оттуда загружаться, но могут читать и писать информацию (например, DOS который работает с диском через BIOS).

4. Разделы, или Partitions

Во время загрузки компьютера, BIOS загружает первый сектор головного раздела (загрузочный сектор) по адресу 0000h:7C00h и передает ему управление. В начале этого сектора расположен загрузчик (загрузочный код), который прочитывает таблицу разделов и определяет загружаемый раздел (активный). А дальше все повторяется. То есть он загружает загрузочный сектор этого раздела на этот же адрес и снова передает ему управление.

Разделы являются контейнерами всего своего содержимого. Этим содержимым является, как правило, файловая система. Под файловой системой с точки зрения диска понимается система разметки блоков для хранения файлов. После того, как на разделе создана файловая система и в ней размещены файлы операционной системы, раздел может стать загружаемым. Загружаемый раздел имеет в своем первом блоке небольшую программу, которая производит загрузку операционной системы. Однако для загрузки определенной системы нужно явно запустить ее загрузочную программу из первого блока. О том, как это происходит, будет рассказано чуть ниже.

Читать еще:  Как подключить жесткий диск через юсб

Разделы с файловыми системами не должны пересекаться. Это связано с тем, что две разные файловые системы имеют каждая свое представление о размещении файлов, но когда это размещение приходится на одно и то же физическое место на диске, между файловыми системами возникает конфликт. Этот конфликт возникает не сразу, а лишь по мере того, как файлы начинают размещаться в том месте диска, где разделы пересекаются. Поэтому следует внимательно относиться к разделению диска на разделы.

Само по себе пересечение разделов не опасно. Опасно именно размещение нескольких файловых систем на пересекающихся разделах. Разметка диска на разделы еще не означает создания файловых систем. Однако, уже сама попытка создания пустой файловой системы (то есть форматирование), на одном из пересекающихся разделов может привести к возникновению ошибок в файловой системе другого раздела. Все сказанное относится в одинаковой степени ко всем операционным системам, а не только самым популярным.

Диск разбивается на разделы программным путем. То есть, Вы можете создать произвольную конфигурацию разделов. Информация о разбиении диска хранится в самом первом блоке жесткого диска, называемым главной загрузочной записью (Master Boot Record (MBR)).

5. MBR

MBR является основным средством загрузки с жесткого диска, поддерживаемым BIOS. Для наглядности представим содержимое загрузочной области в виде схемы:

Все то что находится по смещению 01BEh-01FDh называется таблицей разделов. Вы видите, что в ней четыре раздела. Только один из четырех разделов имеет право быть помеченным как активный, что будет означать, что программа загрузки должна загрузить в память первый сектор именно этого раздела и передать туда управление. Последние два байта MBR должны содержать число 0xAA55. По наличию этой сигнатуры BIOS проверяет, что первый блок был загружен успешно. Сигнатура эта выбрана не случайно. Ее успешная проверка позволяет установить, что все линии данных могут передавать и нули, и единицы.

Программа загрузки просматривает таблицу разделов, выбирает из них активный, загружает первый блок этого раздела и передает туда управление.

Давайте посмотрим как устроен дескриптор раздела:

HDD будущего: перпендикулярная запись и не только

Что делать? Информационный бум продолжается, терабайт данных уже ни у кого не вызывает трепета. А привычная технология создания жестких дисков достигла физических пределов увеличения плотности записи. Неужели 500 Гбайт – это максимум, что можно поместить на стандартный 3,5-дюймовый жесткий диск ближайшего будущего?

К счастью, нет. Наука не стоит на месте, разрабатываются и находят коммерческое применение совершенно фантастические проекты. С некоторыми из них мы вас сегодня познакомим. Но основной упор будет сделан на фактически готовую к выходу на рынок технологию – перпендикулярную запись. Пора узнать, какими станут жесткие диски в ближайшие 5-10 лет.

Экскурс в прошлое

История накопителей на базе жестких дисков началась в 1952 году, когда корпорация IBM предложила одному из своих ведущих инженеров, Рейнольду Джонсону, возглавить новую исследовательскую лабораторию. В те годы приоритетной задачей был поиск альтернативы чрезвычайно медленным перфокартам и магнитным лентам, требовались высокоемкие накопители информации с произвольным доступом.

Результатом пятилетнего труда команды Рейнольда стало создание в 1955 году накопителя на жестких дисках IBM 350 Disk File, в 1956 году вошедшего в состав IBM RAMAC. Накопитель состоял из 50 дисков диаметром 24 дюйма, вращавшихся со скоростью 1200 об/мин. Среднее время доступа к произвольной ячейке составляло 1 с, плотность – 2 кбит на квадратный дюйм, емкость – 5 Мбайт. Размер накопителя был сравним с двумя современными двухкамерными холодильниками.

Первый HDD емкостью 5 Мбайт

С тех пор плотность записи на пластины возросла более чем в 60 миллионов раз (!), достигнув отметки в 120 Гбит/дюйм 2 .

На протяжении 50 лет технология записи не менялась, а только уменьшались размеры жестких дисков, повышалась скорость вращения шпинделя и емкость пластин. Царствовала параллельная запись.

Технология параллельной записи на магнитные диски

Схема технологии параллельной записи

Данные записываются на диск, покрытый магнитным записывающим слоем. Любой магнитный материал (например, оксид железа) состоит из доменов — областей, внутри которых магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону. Каждый домен имеет большой суммарный момент, который в исходном состоянии может быть направлен произвольно. Под действием внешнего магнитного поля домены могут менять направление магнитного момента.

Именно этот эффект используется при записи. Информация хранится не на одном домене, а на областях (частицах), состоящих минимум из 70-100 «зерен». Если магнитный момент такой частицы совпадает с направлением движения считывающей головки – получаем «0», если противоположен – «1». Так как две соседние области имеют противоположное направление моментов, на границе между ними часть доменов может потерять стабильность и произвольно менять направление магнитного момента. Но об этом позже.

Конструкция считывающей головки

Главной характеристикой магнитной пластины является плотность записи. Она состоит из нескольких показателей: линейная плотность — плотность на один дюйм дорожки (Bits per Inch, BPI), количество дорожек на дюйм диаметра (Tracks per Inch, TPI), и плотность на квадратный дюйм поверхности (areal density, произведение первых двух).

Чтобы увеличить емкость накопителя, можно пойти двумя путями: увеличить количество пластин или увеличить плотность записи на пластину. Первый путь означает значительное усложнение механического устройства накопителя, что зачастую просто невозможно, да и экономически не выгодно. Поэтому основным показателем, определявшим рост емкости жестких дисков за последние 50 лет, являлась плотность записи на пластину.

Уроки масштабирования

Основы масштабирования в магнитной записи точно такие же, как и в теории трехмерного магнитного поля. Если магнитные свойства материалов постоянны, то конфигурация поля остается неизменной при изменении всех токов и размеров во всех плоскостях в s раз. При этом плотность записи также увеличивается в s раз. Однако следует учитывать еще два важных для практического использования фактора: скорость вращения дисков и скорость передачи данных. На практике скорость вращения остается неизменной, скорость передачи данных растет, а токи постепенно уменьшаются, поэтому приходится изобретать новые методы чтения.

В теории, если необходимо увеличить TPI в 2 раза, BPI в 2 раза и areal density в 4 раза, достаточно уменьшить все размеры в 2 раза, сохранить скорость вращения той же и удвоить скорость передачи данных. Если материалы и пропорции сохраняются, то устоявшийся принцип соблюдается.

На практике такой способ масштабирования сталкивается с 3 сложностями:

  • Сохранение или увеличение скорости считывания при увеличении плотности записи может быть невозможно для существующей электроники;
  • Для увеличения производительности приводов приходится увеличивать скорость вращения дисков, что также сказывается на скорости считывания;
  • Уменьшение масштабов уменьшает уровень сигналов чтения, что резко увеличивает шумы в магнитных полях. Уменьшение соотношения сигнал/шум требует создания более чувствительных считывающих головок. Поэтому индустрия перешла от индуктивных головок к магниторезистивным (MR), затем к GMR-головкам, использующим эффект «гигантской магниторезистивности», и даже к TMR-головкам, построенным на туннельном эффекте.

Тем не менее, до последнего времени производители накопителей шли именно таким путем, пока не подошли вплотную к так называемому суперпарамагнитному пределу , который сделал невозможным дальнейшее наращивание плотности традиционными методами.

Суперпарамагнетизм

Как известно из курса физики, свойством любого магнетика является анизотропия. Домен с большим трудом намагничивается в одном направлении, и легко – в противоположном (по «легкой оси»). Его энергия пропорциональна sin 2 θ , где θ — угол между углом намагниченности домена и осью предпочтительного намагничивания. В условиях абсолютного нуля в изолированной системе намагниченный домен занимает положение в одном из состояний с наименьшей энергией (т.е. под углом 0 или 180 градусов). Для представления информации эти положения принимаются за логический ноль или единицу. При изменении направления намагниченности и повышении температуры домен может поменять направленность магнитного момента. Уменьшение размеров частицы в 2 раза означает уменьшение энергетического барьера, который необходимо преодолеть для смены направления, поэтому она становится значительно менее стабильной. Период стабильности может измениться со 100 лет (стабильная частица) до 100 нс (при таком периоде частицу вообще сложно назвать постоянным магнитом). В последнем случае мы получим на пластине огромное количество хаотически расположенных намагниченных частиц, произвольно меняющих свою направленность. Это явление называется суперпарамагнетизмом, потому что макроскопические свойства такой среды похожи на свойства парамагнетиков.

В реальной среде ситуация оказывается еще более сложной. При традиционном методе параллельной записи на диск магнитные частицы располагаются магнитными моментами параллельно плоскости диска. А, как известно, два постоянных магнита, расположенных одинаковыми полюсами друг к другу, отталкиваются, а разными – притягиваются. Значит, между ними тоже происходит энергетическое взаимодействие. У границ намагниченных частиц возникает поле рассеяния, которое забирает энергию у магнитных полей обеих частиц. В результате крайние домены частицы теряют часть заряда и становятся менее стабильными.

Читать еще:  Как запустить биос на 10

Чтобы это преодолеть, ученые предлагают несколько методов, но все они лишь слегка отодвигают парамагнитный предел. Необходимо принципиально новое решение.

Размещение информации на диске

Всю информацию, хранящуюся на диске, условно делят на служебную и пользовательскую. Первая обеспечивает нормальную работу и изначально присутствует в любом HDD — ее записывает завод-изготовитель.

Поверхность диска никогда не используется для записи произвольным образом. Данные всегда записываются в виде концентрических окружностей, называемых дорожками, состоящих из нескольких меньших отрезков — секторов. Каждой дорожке и каждому сектору на каждой из сторон диска присваивается свой порядковый номер. Расположенные одна над другой несколько дорожек с одинаковыми номерами называются цилиндрами.

Такое деление дискового пространства на участки называется форматом нижнего уровня и выполняется на заводе — изготовителе винчестера.

В процессе низкоуровневого форматирования дисков может выясниться, что на поверхности пластин имеется один или несколько маленьких участков, чтение или запись в которые сопровождается ошибками (так называемые сбойные секторы, или бэд-блоки).

Однако из-за этого диск не выбрасывают и не считают его испорченным, а всего лишь помечают эти секторы особым образом, и они в дальнейшем игнорируются. Чтобы пользователь не видел этого безобразия, винчестер содержит некоторое количество запасных дорожек, которыми электроника накопителя «на лету» подменяет дефектные участки поверхности, делая их абсолютно прозрачными для операционной системы и таких программ, как, например, дисковые редакторы, ScanDisk и Norton Disk Doctor.

Но не вся область диска отведена для записи данных. Часть информационной поверхности используется накопителем для собственных нужд. Это область служебной, как ее еще иногда называют, инженерной информации. Она скрыта от пользователей и становится доступной при переводе винчестера в специальный технологический режим, осуществляемый при помощи стендового оборудования и особых утилит

Служебную информацию можно разделить на несколько типов:

сервометки, предназначенные для стабилизации скорости вращения дисков, поиска секторов и точной установки головок на дорожки;

информация, служащая для адресации секторов с данными пользователя и контроля целостности этих данных;

рабочие программы (микрокод), предназначенные для управления работой всех систем накопителя;

паспорт винчестера, в котором записана информация о количестве дисков, головок, название фирмы-производителя и модели накопителя, дата его изготовления, страна изготовитель, номер конвейера, номер рабочей смены и многое другое; здесь же хранится и уникальный серийный номер винчестера;

таблица дефектных секторов, служащая для аппаратной подмены сбойных участков поверхности из резерва. Эта информация используется электроникой винчестера в процессе работы и является важнейшей его частью, без которой физически полностью исправный накопитель был бы бесполезным куском железа.

Каждый HDD разделен на зоны (notches), в каждую из которых входит обычно от 20 до 30 цилиндров с одинаковым количеством секторов. Секторов может умещаться от 17 до 150 (как правило) на одной дорожке. Их нумерация начинается с 1, тогда как нумерация головок и цилиндров начинается с 0. Количество секторов на дорожке не равное. Чем дальше дорожка от центра, тем больше число секторов на диске.

Области размещения информации на диске c FATxx:

PT состоит из четырёх элементов описывающих разделы диска. DOS и Windows используют только первые два элемента. Описание раздела диска содержит информацию о первых и последних головках, дорожках, секторах раздела, общем количестве секторов в разделе, типе файловой системы и признак того, что раздел является загрузочным.

MBR находится в том же секторе что и PT. Данные в MBR представляют собой код процессора, необходимый для дальнейшей загрузки операционной системы. В последних двух байтах MBR находится сигнатура 55AAh указывающая на то, что данные в MBR необходимо использовать для загрузки. Если эта сигнатура отсутствует, данные MBR не будут использованы. PT и MBR расположены на самом первом секторе HDD.

BR содержит массу данных и служит для описания параметров файловой системы. В отличие от диска, минимальным адресуемым блоком данных для операционной системы служит кластер, состоящий из одного или нескольких секторов. Нужны данные: размер кластера, размер и количество копий FAT.

FAT состоит из 12, 16 или 32 битных элементов, количество которых равно количеству кластеров на диске. Нужны эти элементы для связи кластеров в цепочки соответствующие файлам.

ROOT — это корневой каталог диска. Содержит записи описывающие файлы (дескрипторы файлов) в корневом каталоге. Запись описывает имя, тип, дату создания, размер, атрибуты файла, а также содержит указатель на первый кластер файла. Каталоги представляют собой файлы, идентичные по структуре корневому каталогу. Каталог, кроме записей описывающих файлы, содержит 2 записи, первая из которых содержит указатель на первый кластер самого каталога, вторая — на первый кластер родительского каталога.

Методы записи инфоpмации на магнитные диски:

Метод MFM (Modified Frequency Modulation — модифициpованная частотная модуляция) используется для записи на гибкие диски, а также — в pанних винчестеpах для PC XT. Пpи использовании этого метода на одну доpожку винчестеpа записывается 17 сектоpов по 512 байт каждый.

Метод RLL (Run Length Limited — огpаниченная длина сеpии) использует более плотную упаковку данных пpи записи, повышая объем инфоpмации на доpожке пpимеpно на 50%. Кодиpование пpоизводится таким обpазом, чтобы длина сеpии нулей не выходила за пpеделы заданных паpаметpов; обычно минимум pавен двум, а максимум — семи. Соответственно, метод часто обозначается как RLL (2,7). На дорожку записывается до 27 секторов.

Метод ARLL (Advanced RLL — улучшенный RLL) — дальнейшее развитие RLL в сторону повышения плотности упаковки. Обычно применяется с параметрами (1,7) и (3,9). На дорожку записывается 34 и более сектора. Большинство современных винчестеров использует методы RLL или ARLL.

ZBR (Zoned Bit Recording — зоновая запись битов) — метод упаковки данных на дорожках диска. В отличие от перечисленных выше методов физической записи, ZBR является более высокоуровневым методом и используется в комбинации с одним из них. Благодаря тому, что линейная скорость поверхности относительно головки на внешних цилиндрах выше, чем на внутренних, биты на внешних цилиндрах записываются с большей частотой (следовательно — плотностью), нежели внутри. Обычно на поверхности организуется до десятка и более зон, внутри которых плотность записи одинакова. При использовании ZBR геометрия диска становится неоднородной — внешние цилиндры содержат больше секторов, чем внутренние; поэтому на таких дисках используется так называемая условная, или логическая геометрия, когда адреса логических секторов преобразуются в физические внутренним контроллером диска при помощи специальных таблиц.

Т.к. технология производства винчестеров пока не позволяет избавиться от битых секторов на 100%, в каждом винчестере существует таблица перераспределения запорченных секторов (участок дорожки). При каждом включении HDD считывает таблицу и просто «не замечает» битых частей. Но в процессе эксплуатации появляются новые bad-секторы — те, которые не помечены в заводской таблице. Обращаясь к такому сектору, магнитная головка многократно повторяет попытку чтения или записи, при этом возможно разрушение «здоровой» поверхности диска. Это влечет за собой дальнейшее «размножение» запорченных секторов. Таким образом винт постепенно приходит в негодность. Во многих винчестерах есть функция autoremap. Она предназначена для замены сбойных секторов на нормальные из резервной области на аппаратном уровне. Однако она не всегда срабатывает. Но можно прогнать дисковую утилиту (напр. HDDSpeed в режиме теста записи) — после этого bad-блоки пропадают (срабатывает autoremap).

Все диски на заводе проходят первичную разметку (низкоуровневую, Low Level Formatting) на специальном высокоточном технологическом стенде. При разметке на диски записываются служебные метки (сервометки), а также формируются дорожки и секторы. Записываются их префиксы и суффиксы. Высокоуровневое форматирование делает пользователь при помощи утилиты FORMAT. В каждый раздел диска записывается VBS (volume boot sector — загрузочный сектор тома), FAT, корневой каталог (root directory), проверяется диск на наличие ошибок.

Есть система звукоподавления (Sound Barrier Technology), которая обеспечивает низкий уровень шума во время работы диска (напр. разработанная Seagate SBT-технология).

Режимы обмена информацией с HDD

Режимы п p ог p аммного ввода/вывода ( PIO — Programmed Input / Output ) и п p ямого доступа к памяти ( DMA — Direct Memory Access ) на винчесте p ах станда p та IDE / EIDE . П p ог p аммный ввод/вывод — обычный метод обмена с IDE -винчесте p ом, когда п p оцессо p п p и помощи команд ввода/ вывода считывает или записывет данные в буфе p винчесте p а, что отнимает какую-то часть п p оцессо p ного в p емени. Ввод/вывод путем п p ямого доступа к памяти идет под уп p авлением самого винчесте p а или его конт p олле p а в паузах между об p ащениями п p оцессо p а к памяти, что экономит п p оцессо p ное в p емя, но несколько снижает максимальную ско p ость обмена.

В однозадачных системах более п p едпочтителен p ежим PIO , в многозадачных — p ежим DMA . Однако для p еализации p ежима DMA необходимы специальные конт p олле p ы и д p айве p ы, тогда как p ежим PIO подде p живается всеми без исключения системами.

Каждый из p ежимов PIO и DMA имеет несколько p азновидностей, ха p акте p изующих способ обмена и длительность цикла пе p едачи одного слова, от кото p ых зависит ско p ость пе p едачи:

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты 220 Вольт
Adblock
detector