Глава 3.4 - Пам'ять комп'ютера. Жорсткий диск

1. Назва «Вінчестер»
2. Характеристики
3. Виробники
4. Пристрій
5. блок електроніки
6. низькорівневе форматування
7. Геометрія магнітного диска
8. Особливості геометрії жорстких дисків з вбудованими контролерами
9. резервні сектори
10. логічна геометрія
11. Технології запису даних
12. Метод паралельного запису
13. Метод перпендикулярного запису
14. Метод теплової магнітного запису
15. Історія прогресу накопичувачів

Наша взаимовыгодная связь https://banwar.org/

3.4. ПАМ'ЯТЬ КОМП'ЮТЕРА

НАКОПИЧУВАЧ НА ЖОРСТКИХ МАГНІТНИХ ДИСКАХ

Розібраний жорсткий диск Samsung HD753LJ

(Модель ємністю 750 ГБ, проведений в березні 2008 року)

Накопичувач на жорстких магнітних дисках або НЖМД (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD), жорсткий диск, вінчестер - пристрій зберігання інформації, засноване на принципі магнітного запису. Є основним накопичувачем даних в більшості комп'ютерів.

На відміну від «гнучкого» диска (дискети), інформація в НЖМД записується на жорсткі (алюмінієві, керамічні або скляні) пластини, покриті шаром феромагнітного матеріалу, найчастіше двоокису хрому. У НЖМД використовується від однієї до кількох пластин на одній осі. Зчитувальні головки в робочому режимі не торкаються поверхні пластин завдяки прошарку набігаючого потоку повітря, що утворюється у поверхні при швидкому обертанні. Відстань між головкою і диском складає декілька нанометрів (у сучасних дисках близько 10 нм), а відсутність механічного контакту забезпечує довгий термін служби пристрою. При відсутності обертання дисків головки знаходяться у шпінделя або за межами диска в безпечній зоні, де виключений їх нештатний контакт з поверхнею дисків.

Назва «Вінчестер»

За однією з версій, назва "вінчестер" накопичувач одержав завдяки фірмі IBM, яка в 1973 році випустила жорсткий диск моделі 3340, що вперше об'єднав в одному нероз'ємному корпусі пластини диска і читаючі головки. При його розробці інженери використовували коротку внутрішню назву "30-30", що означало два модулі (у максимальній компоновці) по 30 МБ кожен. Кеннет Хотон, керівник проекту, по співзвучності з позначенням популярного мисливської рушниці "Winchester 30-30" запропонував назвати цей диск "вінчестером". У Європі та США назву «вінчестер» вийшло з ужитку в 1990-х роках, в російській же мові збереглося і отримало напівофіційний статус, а в комп'ютерному сленгу скоротилося до слів «гвинт» (найбільш вживаний варіант).

Характеристики

Інтерфейс (англ. Interface) - сукупність ліній зв'язку, сигналів, що посилаються по цих лініях, технічних засобів, що підтримують ці лінії, і правил (протоколу) обміну. Серійно випускаються жорсткі диски можуть використовувати інтерфейси ATA (він же IDE і PATA), SATA, SCSI, SAS, FireWire, USB, SDIO і Fibre Channel.

Ємність (англ. Capacity) - кількість даних, які можуть зберігатися накопичувачем. Ємність сучасних пристроїв сягає 2000 Гб (2 Тб). На відміну від прийнятої в інформатиці системи приставок, що позначають кратну тисячі двадцять-чотири величину, виробниками при позначенні ємності жорстких дисків використовуються величини, кратні 1000. Так, місткість жорсткого диска, маркованого як «200 ГБ», становить 186,2 ГБ.

Фізичний розмір (форм-фактор). Майже всі сучасні (2001-2008 роки) накопичувачі для персональних комп'ютерів і серверів мають ширину або 3,5, або 2,5 дюйма - під розмір стандартних кріплень для них відповідно в настільних комп'ютерах і ноутбуках. Також набули поширення формати 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм і 0,85 дюйма. Припинено виробництво накопичувачів в форм-факторах 8 і 5,25 дюймів.

Час довільного доступу (англ. Random access time) - час, за яке вінчестер гарантовано виконає операцію читання або запису на будь-якій ділянці магнітного диска. Діапазон цього параметра невеликий - від 2,5 до 16 мс. Як правило, мінімальним часом володіють серверні диски (наприклад, у Hitachi Ultrastar 15K147 - 3,7 мс), найбільшим з актуальних - диски для портативних пристроїв (Seagate Momentus 5400.3 - 12,5).

Швидкість обертання шпинделя (англ. Spindle speed) - кількість оборотів шпинделя в хвилину. Від цього параметра в значній мірі залежать час доступу і середня швидкість передачі даних. В даний час випускаються вінчестери з наступними стандартними швидкостями обертання: 4200 5400 і 7200 (ноутбуки), 5400 7200 і 10 000 (персональні комп'ютери), 10 000 і 15 000 об / хв (сервери і високопродуктивні робочі станції).

Надійність (англ. Reliability) - визначається як середній час напрацювання на відмову (MTBF). Також переважна більшість сучасних дисків підтримують технологію SMART

Кількість операцій вводу-виводу в секунду - у сучасних дисків це близько 50 оп / с при довільному доступі до накопичувача і близько 100 оп ./ з ек при послідовному доступі.

Споживання енергії - важливий фактор для мобільних пристроїв.

Рівень шуму - шум, який виробляє механіка накопичувача при його роботі. Вказується в децибелах. Тихими накопичувачами вважаються пристрої з рівнем шуму близько 26 дБ і нижче. Шум складається з шуму обертання шпинделя (в тому числі аеродинамічного) і шуму позиціонування.

Опірність ударам (англ. G - shock rating) - опірність накопичувача різким стрибкам тиску або ударам, вимірюється в одиницях допустимого перевантаження у включеному і вимкненому стані.

Швидкість передачі даних (англ. Transfer Rate) при послідовному доступі:

· Внутрішня зона диска: від 44,2 до 74,5 Мб / с;

· Зовнішня зона диска: від 60,0 до 111,4 Мб / с.

Обсяг буфера - буфером називається проміжна пам'ять, призначена для згладжування відмінностей швидкості читання / запису і передачі по інтерфейсу. У дисках 2009 року він зазвичай варіюється від 8 до 64 Мб.

Виробники

Спочатку на ринку була велика різноманітність жорстких дисків, які проводилися безліччю компаній. У зв'язку з посиленням конкуренції і зниженням норм прибутку більшість виробників було або куплено конкурентами, або перейшло на інші види продукції. На сьогоднішній день більша частина всіх вінчестерів проводиться лише кількома компаніями: Seagate, Western Digital, Samsung, а також раніше належали IBM підрозділом по виробництву дисків фірми Hitachi. Fujitsu продовжує випускати жорсткі диски для ноутбуків і SCSI-диски, але покинула масовий ринок в 2001 році (в 2009 році виробництво жорстких дисків було повністю передано нею компанії Toshiba). Toshiba є основним виробником 2,5- і 1,8-дюймових ЖД для ноутбуків. Досить яскравий слід в історії жорстких дисків залишила компанія Quantum. Одним з лідерів у виробництві дисків була компанія Maxtor. У 2001 році Maxtor викупив підрозділ жорстких дисків компанії Quantum. У 2006 році відбулося злиття Seagate і Maxtor. В середині 1990-х років існувала компанія Conner, яку купила Seagate. У першій половині 1990-х існувала ще фірма Micropolice, яка виробляла дуже дорогі диски premium-класу. Але при випуску перших в галузі вінчестерів на 7200 об / хв нею були використані неякісні підшипники головного валу, поставлені фірмою Nidec, і Micropolice зазнала фатальні збитки на повернення, розорилася і була на корені куплена вищезгаданої Seagate.

Пристрій

Схема пристрою накопичувача на жорстких магнітних дисках.

Жорсткий диск складається з гермозони і блоку електроніки.

Гермрзона

Гермозони включає в себе корпус з міцного сплаву, власне диски (пластини) з магнітним покриттям, блок головок з пристроєм позиціонування, електропривод шпинделя.

Блок головок - пакет важелів з пружною стали (по парі на кожен диск). Одним кінцем вони закріплені на осі поруч з краєм диска. На інших кінцях (над дисками) закріплені головки.

Диски (пластини), як правило, виготовлені з металевого сплаву. Хоча були спроби робити їх з пластику і навіть скла, але такі пластини виявилися крихкими і недовговічними. Обидві площини пластин, подібно магнітофонного стрічці, покриті найтоншої пилом феромагнетика - оксидів заліза, марганцю та інших металів. Точний склад і технологія нанесення тримаються в секреті. Більшість бюджетних пристроїв містить 1 або 2 пластини, але існують моделі з великим числом пластин.

Диски жорстко закріплені на шпинделі. Під час роботи шпиндель обертається зі швидкістю кілька тисяч обертів на хвилину (3600 4200 5400 7200, 10 000, 15 000). При такій швидкості поблизу поверхні пластини створюється потужний повітряний потік, який піднімає голівки і змушує їх парити над поверхнею пластини. Форма головок розраховується так, щоб при роботі забезпечити оптимальну відстань від пластини. Поки диски не розігналися до швидкості, необхідної для «зльоту» головок, паркувальне пристрій утримує головки в зоні парковки. Це запобігає пошкодженню головок і робочої поверхні пластин. Шпиндельний двигун жорсткого диска трифазний, що забезпечує стабільність обертання магнітних дисків, змонтованих на осі (шпинделі) двигуна. Статор двигуна містить три обмотки, включені зіркою з відведенням посередині, а ротор - постійний секційний магніт. Для забезпечення малого биття на високих оборотах в двигуні використовуються гідродинамічні підшипники.

Пристрій позиціонування головок складається з нерухомої пари сильних неодімових постійних магнітів або електромагнітів, а також котушки на рухомому блоці головок.

Всупереч розхожій думці, всередині гермозони немає вакууму. Одні виробники роблять її герметичною (звідси і назва) і заповнюють очищеним і висушеним повітрям або нейтральними газами, зокрема, азотом; а для вирівнювання тиску встановлюють тонку металеву або пластикову мембрану. (В такому випадку всередині корпусу жорсткого диска передбачається маленький кишеню для пакетика силикагеля, який абсорбує водяні пари, що залишилися всередині корпусу після його герметизації). Інші виробники вирівнюють тиск через невеликий отвір з фільтром, здатним затримувати дуже дрібні (кілька мікрометрів) частки. Однак в цьому випадку вирівнюється і вологість, а також можуть проникнути шкідливі гази. Вирівнювання тиску необхідно, щоб запобігти деформації корпусу гермозони при перепадах атмосферного тиску і температури, а також при прогріванні пристрою під час роботи.

Порошинки, які опинилися при складанні в гермозоні і потрапили на поверхню диска, при обертанні зносяться на ще один фільтр - пиловловлювач.

блок електроніки

У ранніх жорстких дисках керуюча логіка була винесена на MFM або RLL контролер комп'ютера, а плата електроніки містила тільки модулі аналогової обробки і управління двигуном шпінделя, позиционером і комутатором головок. Збільшення швидкостей передачі даних змусило розробників зменшити до межі довжину аналогового тракту, і в сучасних жорстких дисках блок електроніки зазвичай містить: керуючий блок, постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ), буферну пам'ять, інтерфейсний блок і блок цифрової обробки сигналу.

Інтерфейсний блок забезпечує сполучення електроніки жорсткого диска з рештою системи.

Блок управління являє собою систему управління, що приймає електричні сигнали позиціонування головок, і виробляє керуючі впливи приводом типу «звукова котушка», комутації інформаційних потоків з різних головок, управління роботою всіх інших вузлів (наприклад, управління швидкістю обертання шпинделя), прийому і обробки сигналів з датчиків пристрою (система датчиків може включати в себе одноосний акселерометр, який використовується в якості датчика удару, тривісний акселерометр, який використовується в качест ве датчика вільного падіння, датчик тиску, датчик кутових прискорень, датчик температури).

Блок ПЗУ зберігає керуючі програми для блоків управління і цифрової обробки сигналу, а також службову інформацію вінчестера.

буферна пам'ять згладжує різницю швидкостей інтерфейсної частини і накопичувача (використовується швидкодіюча статична пам'ять). Збільшення розміру буферної пам'яті в деяких випадках дозволяє збільшити швидкість роботи накопичувача.

Блок цифрової обробки сигналу здійснює очищення ліченого аналогового сигналу і його декодування (витяг цифрової інформації). Для цифрової обробки застосовуються різні методи, наприклад, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood - максимальне правдоподібність при неповному відгуку). Здійснюється порівняння прийнятого сигналу із зразками. При цьому вибирається зразок, найбільш схожий за формою і тимчасовим характеристикам з декодіруемой сигналом.

низькорівневе форматування

На заключному етапі складання пристрою поверхні пластин форматируются - на них формуються доріжки і сектори. Конкретний спосіб визначається виробником та / або стандартом, але, як мінімум, на кожну доріжку наноситься магнітна мітка, що позначає її початок.

Існують утиліти, здатні тестувати фізичні сектори диска, і обмежено переглядати і правити його службові дані. Конкретні можливості подібних утиліт сильно залежать від моделі диска і технічних відомостей, відомих автору за відповідним сімейства моделей.

Геометрія магнітного диска

З метою адресації простору поверхні пластин диска діляться на доріжки - концентричні кільцеві області. Кожна доріжка ділиться на рівні відрізки - сектори. Адресація CHS передбачає, що всі доріжки в заданій зоні диска мають однакове число секторів.

Циліндр - сукупність доріжок, рівновіддалених від центру, на всіх робочих поверхнях пластин жорсткого диска. Номер головки задає використовувану робочу поверхню (тобто конкретну доріжку з циліндра), а номер сектора - конкретний сектор на доріжці.

Щоб використовувати адресацію CHS, необхідно знати геометрію використовуваного диска: загальна кількість циліндрів, головок і секторів в ньому. Спочатку цю інформацію потрібно задавати вручну; в стандарті ATA-1 була введена функція автовизначення геометрії (команда Identify Drive).

Особливості геометрії жорстких дисків з вбудованими контролерами

зонування

На пластинах сучасних «вінчестерів» доріжки згруповані в кілька зон (англ. Zoned Recording). Всі доріжки однієї зони мають однакову кількість секторів. Однак, на доріжках зовнішніх зон секторів більше, ніж на доріжках внутрішніх. Це дозволяє, використовуючи велику довжину зовнішніх доріжок, домогтися більш рівномірної щільності запису, збільшуючи ємність пластини при тій же технології виробництва.

резервні сектори

Для збільшення терміну служби диска на кожній доріжці можуть бути присутніми додаткові резервні сектори. Якщо в будь-якому секторі виникає невиправна помилка, то цей сектор може бути підмінений резервним (англ. Remapping). Дані, які зберігалися в ньому, при цьому можуть бути втрачені або відновлені за допомогою ECC, а ємність диска залишиться колишньою. Існує дві таблиці перепризначення: одна заповнюється на заводі, інша - в процесі експлуатації. Межі зон, кількість секторів на доріжку для кожної зони і таблиці перепризначення секторів зберігаються в ЗУ блоку електроніки.

логічна геометрія

У міру зростання ємності випускаються жорстких дисків їх фізична геометрія перестала вписуватися в обмеження, що накладаються програмними і апаратними інтерфейсами. Крім того, доріжки з різною кількістю секторів несумісні зі способом адресації CHS. В результаті контролери дисків стали повідомляти не реальну, а фіктивну, логічну геометрію, що вписується в обмеження інтерфейсів, але не відповідає реальності. Так, максимальні номера секторів і головок для більшості моделей беруться 63 і 255 (максимально можливі значення у функціях переривання BIOS INT 13h), а число циліндрів підбирається відповідно ємності диска. Сама ж фізична геометрія диска не може бути отримана в штатному режимі роботи і іншим частинам системи невідома.

Технології запису даних

Принцип роботи жорстких дисків схожий на роботу магнітофонів. Робоча поверхня диска рухається щодо голівки, що зчитує (наприклад, у вигляді котушки індуктивності з зазором в магнітопроводі). При подачі змінного електричного струму (при записі) на котушку головки, що виникає змінне магнітне поле з зазору головки впливає на феромагнетик поверхні диска і змінює напрямок вектора намагніченості доменів в залежності від величини сигналу. При зчитуванні переміщення доменів у зазору головки приводить до зміни магнітного потоку в муздрамтеатрі головки, що призводить до виникнення змінного електричного сигналу в котушці через ефект електромагнітної індукції.

Останнім часом для зчитування застосовують магніторезистивний ефект і використовують в дисках магніторезистивні головки. У них зміна магнітного поля призводить до зміни опору, в залежності від зміни напруженості магнітного поля. Подібні головки дозволяють збільшити вірогідність достовірності зчитування інформації (особливо при великій щільності запису інформації).

Метод паралельного запису

На даний момент це все ще найпоширеніша технологія запису інформації на НЖМД. Біти інформації записуються за допомогою маленької головки, яка, проходячи над поверхнею диска, що обертається, намагнічує мільярди горизонтальних дискретних областей - доменів. Кожна з цих областей є логічним нулем або одиницею, в залежності від намагніченості.

Максимально досяжна при використанні даного методу щільність запису становить близько 23 Гбіт / см². В даний час відбувається поступове витіснення даного методу методом перпендикулярного запису.

Метод перпендикулярного запису

Метод перпендикулярного запису - це технологія, при якій біти інформації зберігаються в вертикальних доменах. Це дозволяє використовувати більш сильні магнітні поля і знизити площа матеріалу, необхідну для запису 1 біта. Щільність запису у сучасних зразків - 60 Гбіт / см².

Жорсткі диски з перпендикулярним записом доступні на ринку з 2005 року.

Метод теплової магнітного запису

Метод теплової магнітного запису (англ. Heat - assisted magnetic recording, HAMR) на Сейчас найперспектівнішій з існуючіх, зараз ВІН активно розробляється. При використанні цього методу використовується точковий підігрів диска, який дозволяє голівці намагнічувати дуже дрібні області його поверхні. Після того, як диск охолоджується, намагніченість «закріплюється». На ринку ЖД даного типу поки не представлені (на 2009 рік), є лише експериментальні зразки, щільність запису яких 150 Гбіт / см². Розробка HAMR-технологій ведеться вже досить давно, проте експерти досі розходяться в оцінках максимальної щільності запису. Так, компанія Hitachi називає межа в 2,3-3,1 Тбит / см², а представники Seagate Technology припускають, що вони зможуть довести щільність запису HAMR-носії до 7,75 Тбіт / см². Широкого поширення даної технології слід очікувати в 2011-2012 роках.

Історія прогресу накопичувачів

· 1956 рік - жорсткий диск IBM 350 в складі першого серійного комп'ютера IBM 305 RAMAC. Накопичувач займав ящик розміром з великий холодильник і мав вагу 971 кг, а загальний обсяг пам'яті 50 оберталися в ньому покритих чистим залізом тонких дисків діаметром 610 мм становив близько 5 мільйонів 6-бітних байт (3,5 Мб в перерахунку на 8-бітові байти) .

· 1980 рік - перший 5, 25-дюймовий Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб.

· До 1981 року - 5,25-дюймовий Shugart ST-412, 10 Мб.

· 1986 рік - стандарти SCSI, ATA (IDE).

· 1991 рік - максимальна ємність 100 Мб.

· 1995 рік - максимальна ємність 2 Гб.

· 1997 рік - максимальна ємність 10 Гб.

· 1998 рік - стандарти UDMA / 33 і ATAPI.

· 1999 рік - IBM випускає Microdrive ємністю 170 і 340 Мб.

· 2002 рік - стандарт ATA / ATAPI-6 і накопичувачі місткістю понад 137 Гб.

· 2003 рік - поява SATA.

· 2005 рік - максимальна ємність 500 Гб.

· 2005 рік - стандарт Serial ATA 3G (або SATA II).

· 2005 рік - поява SAS (Serial Attached SCSI).

· 2006 рік - застосування перпендикулярного методу запису в комерційних накопичувачах.

· 2006 рік - поява перших «гібридних» жорстких дисків, що містять блок флеш-пам'яті.

· 2007 рік - Hitachi представляє перший комерційний накопичувач ємністю 1 Тб.

· 2009 рік - на основі 500-гігабайтних пластин Western Digital, потім Seagate Technology LLC випустили моделі ємністю 2 Тб.

· 2009 рік - Western Digital оголосила про створення 2,5-дюймових HDD об'ємом 1 Тб (щільність запису - 333 Гб на одній пластині)