Триколор 

Как происходит запись на жесткий диск. Устройство и принцип работы жесткого диска

Жёсткий диск («винчестер», hdd, hard disc drive — eng.) — накопитель информации основанный на магнитных пластинах и эффекте магнетизма.

Применяется повсеместно в персональных компьютерах, ноутбуках, серверах и так далее.

Устройство жёсткого диска. Как жёсткий диск работает.



В полу герметичном блоке находятся двусторонние пластины, с нанесённым на них магнитным слоем , посаженные на вал двигателя и вращающиеся со скоростью от 5400 оборотов в минуту.Блок не совсем герметичен, но самое главное он не пропускает мелкие частицы и не допускает перепадов влажности . Всё это пагубно сказывается на сроке службы и качестве работы жёсткого диска.

В современных жёстких дисках, для вала используются . Это даёт меньший шум при работе, значительно увеличивает долговечность и уменьшает шанс заклинивания вала из-за разрушившегося .

Считывание и запись производится с помощью блока головок .

В рабочем состоянии, головки парят над поверхностью диска на расстоянии ~10нм . Они имеют аэродинамическую форму и поднимаются над поверхностью диска за счёт восходящего потока от крутящейся пластины. Магнитные головки могут находится с двух сторон пластины, если с каждой стороны магнитного диска нанесены магнитные слои.

Соединённый блок головок имеет фиксированное положение , то есть головки перемещаются все вместе.

Всеми головками, управляет специальный привод основанный на электромагнетизме .

Неодимовый магнит создаёт магнитное поле , в котором с высокой скоростью реакции под воздействием тока, может перемещаться блок головок. Это лучший и самый быстрый вариант перемещения блока головок, а ведь когда то блок головок перемещался механически, с помощью шестерёнок.

Когда диск выключается, чтобы головки не опустились на диск и не повредили его, они убираются в зону парковки головок (парковочная зона, parking zone).

Это также, позволяет без особых ограничений транспортировать выключенные жёсткие диски. В выключенном состоянии, диск может выдержать большие нагрузки и не повредиться. Во включенном состоянии, даже небольшой толчёк под определённым углом может разрушить магнитный слой пластины или повредить головки при касании о диск.

Помимо герметичной части, у современных жёстких дисков есть наружная плата управления . Когда то, все платы управления были вставлены в материнскую плату компьютера в слоты расширения. Это было не удобно в плане универсальности и возможностей. Сейчас у жёстких дисков, вся управляющая диском электроника, и интерфейса расположены на небольшой плате в нижней части жёсткого диска. Благодаря этому, можно настроить каждый диск под определённые, выгодные с точки зрения его строения параметры, давая ему выигрыш в скорости, либо более тихую работу к примеру.

Для подключения интерфейса и питания используются стандартные общепринятые разъёмы / и Molex /Power SATA .

Особенности.

Жёсткие диски являются самыми ёмкими хранителями информации и относительно надёжными . Объёмы дисков постоянно растут, но в последнее время это связано с некоторыми сложностями и для дальнейшего расширения объёма, требуются новые технологии. Можно сказать, что жёсткие диски практически вышли на прямую в достижении максимальных возможностей. Распространению жёстких дисков в основном поспособствовало соотношение ценаобъём . В большинстве случаев, гигабайт объёма диска стоит меньше чем 2.5 рубля .

Плюсы и минусы жёстких дисков в сравнении с .

До появления твёрдотельных SSD (solid state drive ) — накопителей, у жёстких дисков не было конкурентов. Теперь у жёстких дисков есть направление куда нужно стремиться.

Минусы жёстких дисков (hard drive)(ssd) накопителями:

  • низкая скорость последовательного чтения
  • низкая скорость доступа
  • низкая скорость чтения
  • немного более низкая скорость записи
  • вибрации и небольшой шум при работе

Хотя с другой стороны, у жёстких дисков есть другие, более весомые преимущества, к которым SSD накопителям стремиться и стремиться.

Плюсы жёстких дисков (hard drive) в сравнении с твёрдотельными (ssd) накопителями:

  • значительно лучший показатель объёмцена
  • лучший показатель надёжности
  • больший максимальный объём
  • при выходе из строя, в разы больший шанс восстановить данные
  • лучший вариант для использования в медиа центрах, благодаря компактности и большому объёму 2.5 накопителей

О том, на что стоит обращать внимание при выборе жёсткого диска, можно посмотреть в нашей статье ««. Если вам необходим ремонт жесткого диска или восстановление информации, можно обратиться к .

Многих пользователей интересует устройство жесткого диска. И неспроста, ведь на сегодняшний день самым распространенным накопителем информации на компьютере является HDD. Далее будут разобраны принципы его работы и структура.


Винчестер по своей сути напоминает проигрыватель на пластинках. В нем также содержатся пластинки и считывающие головки. Однако устройство HDD сложнее. Если мы разберем жесткий диск, то увидим, что в основном пластины металлические и покрыты магнитным слоем. Именно на него производится запись данных. В зависимости от объема винчестера пластин от 4 до 9. Они крепятся на валу, который называется «шпиндель» и имеет высокую скорость вращения от 3600 до 10000 оборотов/мин для изделий массового потребления.

Рядом с блоком пластин находится блок считывающих головок. Количество головок определяется количеством магнитных дисков, а именно по одной на каждую поверхность диска. В отличие от проигрывателя на жестких дисках головка не касается поверхности пластин, а зависает над ней. Это позволяет исключить механический износ. Поскольку пластины имеют высокую скорость вращения, а головки должны находиться на крайне малом постоянном расстоянии над ними, очень важно, чтобы во внутрь корпуса ничего не смогло попасть. Ведь малейшая пылинка может нанести физические повреждения. Именно поэтому механическую часть герметично закрывают кожухом, а электронную выносят на наружу.

Некоторые пользователи интересуются тем, как разобрать жесткий диск. Нужно понимать, что разбор рабочего накопителя предусматривает нарушение его герметичности. А это, в свою очередь, приведет его в негодность. Поэтому не стоит этого делать, если вы не готовы потерять все данные на носителе информации. Если у вас нет острой необходимости открывать накопитель, а всего лишь мучает любопытство, из чего состоит жесткий диск, вы можете посмотреть фото разобранного HDD.

Именно поэтому жесткие диски на магнитных дисках при ремонте разбирают и собирают в специальном ламинарном боксе. В нем при помощи системы подачи воздуха высокой очистки и герметичности поддерживается необходимая для проведения таких работ окружающая среда. Разобрав свой диск в домашних условиях Вы однозначно его приведете в неработоспособное состояние.

Считывающие головки в нерабочем состоянии находятся рядом с блоком пластин. Еще это называется «парковочное положение». Специальное устройство выносит головки в рабочую зону только тогда, когда диск разогнался до необходимой скорости. Все они перемещаются вместе, а не каждая отдельно. Это позволяет иметь быстрый доступ ко всем данным.

Электронная плата, или контроллер, как правило, крепится снизу винчестера. Ее ничего не защищает, и от этого она достаточно уязвима для механических и термических повреждений. Именно она осуществляет управление механикой. Винчестер от ноутбука отличается от стандартного 3,5-дюймового только размером. Принцип работы жесткого диска точно такой же. Отличаться они могут только количеством магнитных блинов и емкостью накопителя.

Как можно проследить, устройство жесткого диска подвержено ударам, встряскам, царапинам, значительным изменениям температур и скачкам напряжения. А это делает его не совсем надежным носителем информации. Именно из-за этого жесткий диск на ноутбуке выходит из строя чаще, чем на стационарном ПК. Ведь портативные устройства постоянно подвергают встряскам, порой падениям, выносят на холод или ставят на солнце. А это, в свою очередь, негативно сказывается на винчестере.

Чтобы продлить срок работы HDD, не подвергайте его падениям и ударам, следите за тем, чтобы была достаточная вентиляция корпуса, любые манипуляции с диском производите только при отключенном питании. Эти недостатки привели к появлению нового типа винчестеров SSD. Постепенно они теснят HDD, когда-то выглядевших великолепными носителями.

Логическое устройство


Мы узнали, как выглядит жесткий диск внутри. Теперь будем разбирать его логическое структурирование. Данные пишутся на жесткий диск компьютера на дорожки, которые делятся на определенные сектора. Объем каждого сектора составляет 512 байт. Последовательные сектора объединяются в кластер.

При установке нового HDD нужно произвести форматирование, иначе компьютер попросту не увидит свободное место на накопителе. Форматирование бывает физическое и логическое. Первое подразумевает разбивку диска на сектора. Некоторые из них могут определиться как «плохие», то есть непригодные к записи данных. В большинстве случаев накопитель уже имеет такое форматирование перед продажей.

Логическое форматирование подразумевает создание логического раздела жесткого диска. Это позволяет значительно упростить и оптимизировать работу с информацией. Под логический раздел (или, как еще называют, «логический диск») отводится определенная область накопителя. С ней можно работать как с отдельным винчестером. Чтобы понять, как работает жесткий диск со своими разделами, достаточно визуально разделить винчестер на 2-4 части в зависимости от количества логических томов. К каждому тому можно применить свою систему форматирования: FAT32, NTFS или exFAT.

Технические данные


Друг от друга HDD отличаются по таким данным:

  • объемом;
  • скоростью вращения шпинделя;
  • интерфейсом.

На сегодняшний день средний объем винчестера 500-1000 Гб. Он определяет количество информации, которое вы можете записать на носитель. От скорости вращения шпинделя будет зависеть, как быстро вы сможете иметь доступ к данным, то есть чтение и запись информации. Самым распространенным интерфейсом является SATA, который пришел на смену уже морально устаревшему и медленному IDE. Друг от друга они отличаются пропускной способностью и типом разъема подключения к материнской плате. Отметим, что диск современного ноутбука может иметь только интерфейс SATA или SATA2.

В данной статье было рассмотрено, как устроен жесткий диск, его принципы работы, техданные и логическая структура.

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.

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

Жесткий диск, как и всякое другое блочное устройство, хранит информацию фиксированными порциями, которые называются блоками. Блок является наименьшей порцией данных, имеющей уникальный адрес на жестком диске. Для того чтобы прочесть или записать нужную информацию в нужное место, необходимо представить адрес блока в качестве параметра команды, выдаваемой контроллеру жесткого диска. Размер блока уже довольно с давних пор является стандартным для всех жестких дисков — 512 байт.

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

Обратимся теперь к размещению операционных систем на жестких дисках. Для организации систем дисковое адресное пространство блоков разделяется на части, называемые разделами (partitions). Разделы полностью подобны целому диску в том, что они состоят из смежных блоков. Благодаря такой организации для описания раздела достаточно указания начала раздела и его длины в блоках. Жесткий диск может содержать четыре первичных раздела.

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.

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:


* 0001h-0003h начало раздела
** 0005h-0007h конец раздела

С точки зрения разделов диска наиболее популярной до недавнего времени была и остается MS-DOS. Она забирает в свое пользование два из четырех разделов: Primary DOS partition, Extended DOS partition. Первый из них, (primary) это обычный досовый диск C:. Второй — это контейнер логических дисков. Они все болтаются там в виде цепочки подразделов, которые так и именуются: D:, E:, ... Логические диски могут иметь и инородные файловые системы, отличные от файловой системы DOS. Однако, как правило, инородность файловой системы связана присутствием еще одной операционной системы, которую, вообще говоря, следовало бы поместить в свой собственный раздел (не extended DOS), но для таких выходок часто оказывается слишком маленькой таблица разделов.

Отметим еще одно важное обстоятельство. Когда на чистый жесткий диск устанавливается DOS, то при загрузке нет никаких альтернатив в выборе операционных систем. Поэтому загрузчик выглядит весьма примитивно, ему не надо спрашивать у пользователя, какую систему тот хочет загрузить. С желанием иметь сразу несколько систем возникает необходимость заводить программу, позволяющую выбирать систему для загрузки.

6. Заключение

Я надеюсь, что смог достаточно понятно и подробно представить для Вас базовую информацию об устройстве жесткого диска, MBR и PT. На мой взгляд, такого набора знаний вполне достаточно для мелкого «ремонта» хранилища информации. В следующей статье я расскажу Вам о программах, зовущихся Boot Manager, и принципах их работы.

Большое спасибо за помощь Владимиру Дашевскому

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.