Накопители информации на гибких и жестких магнитных дисках, принцип действия, классификация и технические характеристики

Среднее время установки или  поиска(5) (average seek time) - усредненный результат большого числа операций позиционирования на разные цилиндры, часто называют средним временем позиционирования. Среднее время поиска имеет тенденцию уменьшаться с увеличением емкости накопителя, т.к повышается плотность записи и увеличивается число поверхностей. Например, для 540-мегабайтных дисков наиболее типичны величины от 10 до 13, а для дисков свыше гигабайта - от 7 до 10 миллисекунд. Среднее время поиска является одним из важнейших показателей оценки производительности накопителей, используемых при их сравнении.

Время ожидания (latency) - время, необходимое для прохода нужного сектора к головке, усредненный показатель – среднее время ожидания (average latency), получаемое как среднее от многочисленных тестовых проходов. После успокоения головок на требуемом цилиндре контроллер ищет нужный сектор. При этом, последовательно считываются адресные идентификаторы каждого проходящего под головкой сектора на дорожке.

В идеальном, с точки зрения производительности случае, под головкой сразу окажется нужный сектор, в плохом - окажется, что этот сектор только что "прошел" под головкой, и, до окончания процесса успокоения необходимо будет ждать  полный оборот диска для завершения операции чтения/записи. Это время  у накопителей объемом от 540 мегабайт до 1 гигабайта составляет примерно 5.6, а у дисков свыше гигабайта - 4.2 миллисекунды и менее.

Время доступа (access time) - суммарное время, затрачиваемое на установку головок и ожидание сектора. Причем, наиболее долгим является промежуток времени установки головок.

Среднее время доступа к данным (average access time) - время, проходящее с момента получения запроса на операцию чтения/записи от контроллера до физического осуществления операции - результат сложения среднего время поиска и среднего времени ожидания. Среднее время доступа зависит от того, как организовано хранение данных и насколько быстро позиционируются головки чтения записи на требуемую дорожку. Среднее время доступа – усредненный показатель от многочисленных тестовых проходов, и обычно, оно составляет от 10 до 18 миллисекунд и используется как базовый показатель при сравнительной оценке скорости накопителей различных производителей.

Скорость передачи данных (data transfer rate), называемая также пропускной способностью (throughput), определяет скорость, с которой данные считываются или записываются на диск после того, как головки займут необходимое положение. Измеряется в мегабайтах в секунду (MBps) или мегабитах в секунду (Mbps) и является характеристикой контроллера и интерфейса. Различают две разновидности скорости передачи - внешняя и внутренняя. Скорость передачи данных, также является одним из основных показателей производительности накопителя и используется для ее оценки и сравнения накопителей различных моделей и производителей.

Внешняя скорость передачи данных (external data transfer rate или burst data transfer rate) показывает, с какой скоростью данные считываются из буфера, расположенного на накопителе в оперативную память компьютера. В настоящее время, накопители с интерфейсами EIDE или Fast ATA, обычно, имеют внешнюю скорость передачи данных от 11.1 до 16.6 мегабайта в секунду, а для накопителей с интерфейсами SCSI-2 - этот параметр находится в пределах от 10 до 40 мегабайт в секунду.

Внутренняя скорость передачи данных (internal transfer rate или sustained transfer rate) отражает скорость передачи данных между головками и контроллером накопителя и определяет общую скорость передачи данных в тех случаях, когда буфер не используется или не влияет (например, когда загружается большой графический или видеофайл). Внутренняя скорость передачи данных очень сильно зависит от частоты вращения шпинделя.

Размер кеш-буфера контроллера (internal cash size). Встроенный в накопитель буфер выполняет функцию упреждающего кэширования и призван сгладить громадную разницу в быстродействии между дисковой и оперативной памятью компьютера. Выпускаются накопители с 128, 256 и 512 килобайтным буфером. Чем больше объем буфера, тем потенциально выше производительность при произвольном "длинном" чтении/записи. Также, более емкий буфер обеспечивает рост производительности дисковой подсистемы, во-первых, при работе с объемными упорядоченными (записанными на диски последовательно) данными, а во-вторых - при одновременном обращении к диску множества приложений или пользователей, как это происходит в многозадачных сетевых ОС.

Средняя потребляемая мощность (capacity). При сборке мощных настольных компьютеров учитывается мощность, потребляемая всеми его устройствами. Современные накопители на ЖД потребляют от 5 до 15 Ватт, что является достаточно приемлемым, хотя, при всех остальных равных условиях, накопители с меньшей потребляемой мощностью выглядат более привлекательно. Это относится не только к экономии электроэнергии, но и надежности, т.к. более мощные накопители рассеивают избыток энергии в виде тепла и сильно нагреваются.

А как известно, проблемы, связанные с изменением свойств магнитных носителей  напрямую зависят от их температуры  и коэффициента расширения/сжатия материала.

Физический и логический объем  накопителей. Носители жестких дисков, в отличие от гибких, имеют постоянное число дорожек и секторов, изменить которое невозможно. Эти числа определяются типом модели и производителем устройства. Поэтому, физический объем жестких дисков определен изначально и состоит из объема, занятого служебной информацией (разметка диска на дорожки и сектора) и объема, доступного пользовательским данным. Физический объем жесткого диска, также, зависит от типа интерфейса, метода кодирования данных, используемого физического формата и др. Производители накопителей указывают объемы дисков в миллионах байт, предполагая исходя из десятичной системы исчисления, что в одном мегабайте 1000000 байт. Однако, ПО оперирует не десятичной, а двоичной системами, полагая, что в одном килобайте не 1000 байт, а 1024. Такие несложные разногласия в системах исчисления приводят к несоответствиям при оценке объема накопителей, данном в описании и - выдаваемом различными программными тестами.(7)

Одним из возможных, но не желательных способов повышения  физической емкости, для производителей, является увеличение емкости сектора. В настоящее время, стандартной  емкостью сектора для IBM-совместимых  компьютеров является 512 байт.

Многие адаптеры позволяют, в процессе физического  форматирования, программным путем, изменять емкость сектора, например, до 1024 байт. При этом, соотношение  пользовательских данных и служебной  информации для сектора улучшается, но снижается надежность хранения данных, т.к. тот же полином ECC будет использоваться для коррекции большего объема данных.

Однако, выигрыш  на физическом уровне еще не означает тот же результат на логическом, т.к. логическая структура диска  может оказаться не эффективной, например, при использовании для  работы с файлами малой длинны (менее 1 К). Логический же объем зависит  от того, как операционная система  или программа записывает информацию в сектора. В случае использования  программ и операционных систем с  программной компрессией данных, можно повысить объем носителя на величину, зависящую от степени сжатия данных.

Для оптимального использования поверхности дисков применяется так называемая зонная запись (Zoned Bit Recording - ZBR), принцип которой  состоит в том, что на внешних  дорожках, имеющих большую длину (а следовательно - и потенциальную  информационную емкость на единицу  площади), информация записывается с большей плотностью, чем на внутренних.

Таких зон  с постоянной плотностью записи в  пределах всей поверхности образуется до десятка и более; соответственно, скорость чтения и записи на внешних  зонах выше, чем на внутренних. Благодаря  этому файлы, расположенные на дорожках с большим диаметром, в целом  будут обрабатываться быстрее файлов, расположенных на дорожках с меньшим  диаметром, т.к. для них будет производится меньшее число позиционирований с дорожки на дорожку.

В ЖД последнего поколения используются технологии PRML (Partial Response, Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике) и S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology - технология самостоятельного слежения анализа  и отчетности). Первая разработана  по причине того, что при существующих плотностях записи уже невозможно четко  и однозначно считывать сигнал с  поверхности диска - уровень помех  и искажений очень велик. Вместо прямого преобразования сигнала  используется его сравнение с  набором образцов, и на основании  максимальной похожести (правдоподобия) делается заключение о приеме того или иного машинного слова.

Накопитель, в котором реализована технология S.M.A.R.T., ведет статистику своих рабочих  параметров (количество стартов/остановок  и наработанных часов, время разгона  шпинделя, обнаруженные/исправленные физические ошибки и т.п.), которая  регулярно сохраняется в перепрограммируемом  ПЗУ или служебных зонах диска. Эта информация накапливается в  течение всего периода эксплуатации и может быть в любой момент затребована программами анализа. По ней можно судить о состоянии  механики, условиях эксплуатации или  примерной вероятности выхода из строя.

Частотная модуляция (Frequency Modulation - FM) - метод, используемый в накопителях на сменных магнитных дисках. Иначе, кодирование методом FM можно назвать кодированием с единичной плотностью. Метод предполагает запись на носитель в начале каждого битового элемента данных бита синхронизации. Битовый элемент определяется как минимальный интервал времени между битами данных, получаемый при постоянной скорости вращения диска носителя. Метод гарантирует, по меньшей мере, одну перемену направления магнитного потока за единицу времени вращения. Такой временной интервал соответствует максимальной продольной плотности магнитного потока 2330 перемен на 1 см и скорости передачи данных – 125 Кбит/сек. Простота кодирования и декодирования по методу FM определяется постоянной частотой следования синхроимпульсов.

Однако, наличие  этих бит синхронизации и является одним из недостатков данного  метода, т.к. результирующий код малоэффективен с точки зрения компактности данных (половина пространства носителя занимается битами синхронизации). Это один из первых методов, не используемый в настоящее время в накопителях на ЖД.

Модифицированная частотная модуляция (Modified Frequency Modulation - MFM) - улучшенный метод FM. Модификация заключается в сокращении вдвое длительности битового элемента - до 4 мкс и использовании бит синхронизации не после каждого бита данных, а лишь в случаях, когда в предшествующем и текущем битовых элементах нет ни одного бита данных. Такой способ кодирования позволяет удвоить емкость носителя и скорость передачи данных, по сравнению с методом FM, т.к. в одном и том же битовом элементе никогда не размещаются бит синхронизации и данных, а на один битовый элемент приходится только одна перемена направления магнитного потока. Также, в настоящее время не используется.(5)

Интерфейсы  жестких дисков

Интерфейсом накопителей называется набор электроники, обеспечивающий обмен информацией  между контроллером устройства (кеш-буфером) и компьютером. В настоящее время  в настольных ПК IBM-PC, чаще других, используются две разновидности интерфейсов ATAPI - AT Attachment Packet Interface (Integrated Drive Electronics - IDE, Enhanced Integrated Drive Electronics - EIDE) и SCSI (Small Computers System Interface).

Работа накопителя.

Теперь рассмотрим процесс работы накопителя от запуска  до остановки. При подаче питающих напряжений начинает работать микропроцессор контроллера. Вначале он, как и компьютер, выполняет  самотестирование и в случае его  успеха запускает схему управления двигателем вращения шпинделя.

Диски начинают раскручиваться, увлекая за собой  прилегающие к поверхностям слои воздуха, и при достижении некоторой  скорости давление набегающего на головки  потока воздуха преодолевает силу пружин, прижимающих их к дискам, и головки "всплывают", поднимаясь над дисками  на доли микрона. С этого момента, вплоть до остановки дисков, головки  не касаются дисков и "парят" над  поверхностями, поэтому ни диски, ни сами головки практически не изнашиваются. Тем временем, двигатель шпинделя продолжает раскручивать поверхности. Его скорость постепенно приближается к номинальной (тысячи оборотов в минуту).

В это время  накопитель потребляет максимум питающего  напряжения и создает предельную нагрузку на блок питания компьютера по напряжению 12 Вольт. Поскольку в  любой зоне дисков присутствует серворазметка, то сервоимпульсы начинают поступать  с головок сразу же после начала вращения, и по их частоте контроллер судит о скорости вращения дисков. Система стабилизации вращения следит за потоком сервоимпульсов, и при  достижении номинальной скорости происходит так называемый "захват", при  котором любое отклонение скорости вращения сразу же корректируется изменением тока в обмотках двигателя. После  достижения шпинделем номинальной  скорости вращения освобождается фиксатор позиционера головок чтения/записи, и система его управления проверяет  способность поворачиваться и удерживаться на выбранной дорожке путем выборочного  произвольного позиционирования. При  этом делается серия быстрых поворотов  в разные стороны, что на слух выглядит как характерное "тарахтение", слышимое через несколько секунд после старта. Во время перемещения  позиционера головок происходит слежение за поступающими с головок  серво-импульсами, и система управления всегда "знает", над сколькими  дорожками прошли головки. Аналогично происходит и удержание головок  над выбранной дорожкой - при отклонении от центра дорожки изменяется во времени  величина и форма серво-импульсов. Система управления может ликвидировать  отклонение, изменяя ток в обмотках двигателя позиционера головок. Во время тестирования привода головок  заодно делается и его калибровка - подбор параметров управляющих сигналов для наиболее быстрого и точного  перемещения позиционера при  минимальном количестве "промахов". Здесь нужно сказать, что микрокомпьютер ЖД, как и компьютер, имеет ПЗУ, в котором записана BIOS накопителя - набор программ для начального запуска и управления во время  работы, и ОЗУ, в которое после  раскрутки механической системы  загружаются остальные части  управляющих программ. Кроме всего  прочего, в ОЗУ загружается так  называемая карта переназначения дефектных  секторов, в которой отмечены дефектные  секторы, выявленные при заводской  разметке дисков.

Эти секторы  исключаются из работы и иногда подменяются  резервными, которые имеются на каждой дорожке и в специальных резервных  зонах каждого диска. Таким образом, даже если диски и имеют дефекты (а при современной плотности  записи и массовом производстве поверхностей носителей они имеют их всегда), для пользователя создается впечатление "чистого" диска, свободного от сбойных секторов.