Организация работы с данными на жестком диске

ОБОУ  СПО «Курский государственный политехнический  колледж» 

 

 

 

 

Реферативное  сообщение

по дисциплине

«Архитектура  в КС»

на тему

«Организация работы с данными на жестком диске» 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Студент группы  ПКС-21

Погожих П. А.

 

 

 Проверил: Преподаватель

Павлова Т.И.

 

 

 

Курск

2013

Содержание

1. CHS.

2. Основные составные части накопителей информации на жестких магнитных дисках.

3. Основные характеристики жестких дисков.

4. Основные интерфейсы подключения жестких дисков, их преимущества и недостатки.

5. Описание технологии, параллельной записи информации.

6. Описание технологии, перпендикулярной записи информации.

7. Сущность явления суперпарамагнетизма, и его влияние на плотность записи информации на жестком магнитном диске

8. HARM-технология

9. Основные причины возникновения шума жестких дисков.

10. Основные методы, применяемые для подавления

шума жестких дисков.

11. Понятие концепции ILM.

12. Определение технологии S.M.A.R.T.

13. Файловые системы, которые используются для форматирования жестких дисков при работе операционных систем семейства Windows

 

1. CHS

CHS используется для обозначения способа адресации дисковых устройств с помощью номеров цилиндра, головки и сектора на дорожке.  
Существуют два варианта адресации CHS: логическая (L-CHS), используемая в интерфейсе прерывания Int 13 и физическая (P-CHS), используемая при обращении к устройству на аппаратном уровне.  
Логическая адресация L-CHS, используемая в программном интерфейсе INT 13 позволяет адресовать до 256 головок, 1024 цилиндров и 63 секторов (размер диска может достигать 8.4 Гб). Такая схема адресации использовалась при работе со старыми дисками ESDI или SCSI.  
Физическая адресация P-CHS, используемая для доступа к устройству на аппаратном уровне, позволяет адресовать до 16 головок, 65535 цилиндров и 63 секторов, что дает возможность адресовать винчестеры емкостью до 136 Гб.  
Совместное использование адресации P-CHS и INT 13H однако ограничивает размер дисков IDE/ATA 528 Мб (1024 цилиндра, 16 головок и 63 сектора).  
Современные винчестеры ATA могут поддерживать адресацию LBA (см. ниже), позволяющую использовать диски размером до 136 Гб.

 

2. Основные составные части накопителей информации на жестких магнитных дисках

 

1. Подложки магнитных дисков
2. Оксидный рабочий слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа.
3. Рабочий слой на основе тонких пленок имеет меньшую толщину и более прочен; качество его поверхности гораздо выше
4. Головки чтения/записи предусмотрены для каждой стороны диска. Когда накопитель выключен, головки касаются диска. При раскручивании дисков возрастает аэродинамическое давление воздуха на головки, что приводит к их отрыву от рабочих поверхностей дисков. Чем ближе располагается головка к поверхности диска, тем выше амплитуда воспроизводимого сигнала.
5. Механизм привода головок обеспечивает перемещение головок от центра дисков к краям и фактически определяет надежность накопителя, его температурную стабильность и вибрационную устойчивость. Все существующие механизмы привода головок делятся на два основных типа: с шаговым двигателем и подвижной катушкой.
6. Двигатель привода дисков приводит пакет дисков во вращение, скорость которого в зависимости от модели находится в пределах 3600 — 7200 об/мин (т.е. головки движутся с относительной скоростью 60 — 80 км/ч). Скорость вращения дисков некоторых винчестеров достигает 15 000 об/мин. Жесткий диск вращается непрерывно даже тогда, когда не происходит обращения к нему, поэтому винчестер должен быть установлен только вертикально или горизонтально.
7. Печатная плата с электронной схемой управления и прочие узлы накопителя (лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными. На печатной плате монтируются электронные схемы управления двигателем и приводом головок, схема для обмена данными с контроллером. Иногда контроллер устанавливается непосредственно на этой плате.

 

3. Основные характеристики жестких дисков

• Интерфейс (interface) - совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Серийно выпускаемые жесткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE), SATA, SCSI, SAS, FireWire, USB, SDIO и Fibre Channel.

• Ёмкость (capacity) - количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 2000 ГБ (2 ТБ). В отличие от принятой в информатике системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ, составляет 186,2 ГиБ.
• Физический размер (форм-фактор) (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 (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[5]), самым большим из актуальных - диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 - 12,5[6]).
• 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 (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 (G-shock rating) - сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.
• Скорость передачи данных (Transfer Rate) при последовательном доступе:
• Объём буфера - буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных HDD он обычно варьируется от 8 до 32 МБ.

 

 

4. Основные интерфейсы подключения жестких дисков, их преимущества и недостатки.

IDE

Для начала немного истории. После того, как компания IBM выпустила  компьютер АТ (Advanced Technology) на базе 286-го процессора, в 1984 году у компаний Compaq и Western Digital возникла идея встроить AT-совместимый контроллер, использующий 16-разрядную шину ISA, непосредственно в электронику жесткого диска. Сказано - сделано. Получилось удачно: цена жесткого диска увеличилась несущественно, зато стоимость всей дисковой подсистемы заметно снизилась. Так и родился на свет интерфейс ATA (AT Attachment - в дословном переводе - "прикрепление к АТ"), который стал широко известен под названием IDE. Так как шина ISA в модели АТ была 16-битной, интерфейс, естественно, получился тоже 16-битным, причем эта разрядность сохранилась до настоящего времени, невзирая на последующие улучшения и добавления. В скором времени, однако, выяснилось, что разные производители умудрялись делать несовместимые между собой диски с интерфейсом ATA. Если такие диски устанавливались в паре master/slave на один канал IDE, то дисковая подсистема просто не работала. Для устранения этих неприятных явлений был принят стандарт ANSI спецификации АТА.  

 

"Оригинальный" интерфейс  АТА предназначен только для  подключения жестких дисков и  не поддерживает такие возможности,  как ATAPI - интерфейс для подключения IDE-устройств, отличных от жестких дисков (например, приводов для чтения компакт-дисков), режим передачи block mode и LBA (logical block addressing).

В скором времени стандарт АТА перестал удовлетворять возросшим  потребностям, поскольку вновь выпускаемые  жесткие диски требовали большей  скорости передачи данных и наличия  новых возможностей. Так родился  на свет интерфейс АТА-2, который  вскоре был также стандартизирован ANSI

И все было бы хорошо, но фирмы-производители  в стремлении заполучить еще кусочек  рынка начали придумывать красивые названия и обзывать ими интерфейсы своих жестких дисков.

На самом деле интерфейсы Fast ATA, Fast ATA-2 и Enhanced IDE базируются на стандарте АТА-2 и являются не более, чем маркетинговыми терминами. Все различие между ними состоит в том, какую часть стандарта и как они поддерживают.

Наибольшую путаницу вызывают названия Fast ATA и Fast ATA-2, принадлежащие перу соответственно Seagate и Quantum.

На самом деле Fast ATA-2 есть просто другое название стандарта АТА-2, а Fast ATA отличается от него лишь тем, что не поддерживает самые быстрые режимы - PIO mode 4 и DMA mode 2.

Попыткой дальнейшего  развития интерфейса АТА был проект стандарта АТА-3, в котором основное внимание уделялось повышению надежности:

* AТА-3 содержит средства, повышающие надежность передачи  данных с использованием высокоскоростных  режимов, что действительно является  проблемой, поскольку кабель IDE/ATA остался тем же, что и при  рождении стандарта; 

• АТА-3 включает Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.). Сделаем небольшое лирическое отступление и вкратце объясним, что скрывается за этой аббревиатурой.

S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology — технология самотестирования, анализа и отчетности) — это новый промышленный стандарт, описывающий методы предсказания появления ошибок жесткого диска. При активизации системы S.M.A.R.T. жесткий диск начинает отслеживать определенные параметры, чувствительные к неисправностям накопителя или указывающие на них. В результате такого отслеживания можно предсказать сбои в работе накопителя. Если на основе отслеживаемых параметров вероятность появления ошибки возрастает, S.M.A.R.T. генерирует для BIOS или драйвера ОС отчет о возникшей неполадке, который указывает пользователю на необходимость немедленного резервного копирования данных до того момента, когда произойдет сбой в накопителе.

На основе отслеживаемых  параметров S.M.A.R.T. пытается определить тип ошибки. По данным компании Seagate, 60% ошибок — механические. Именно этот тип ошибок и предсказывается S.M.A.R.T. Естественно, не все причины возникновения ошибок можно предсказать, например, повреждение статическим электричеством, внезапную встряску или удар, термические перегрузки и т.д.

Для функционирования S.M.A.R.T. необходима поддержка на уровне BIOS или драйвера жесткого диска ОС. S.M.A.R.T. поддерживается некоторыми программами, например, Norton Smart Doctor, EZ или Data Advisor. Традиционные программы диагностики диска, например, Scandisk или Norton Disk Doctor, работают с секторами данных на поверхности диска и не отслеживают всех функций накопителя в целом. В некоторых современных накопителях на жестких дисках резервируются сектора, которые будут использоваться вместо дефектных. Когда начинает использоваться один из резервных секторов, S.M.A.R.T. информирует об этом пользователя, в то время как программы диагностики диска не сообщают о каких-либо неполадках.

Однако, вернемся к интерфейсу АТА-3. АТА-3 не был утвержден в качестве стандарта ANSI в основном потому, что не вводил новых режимов передачи данных, хотя технология SMART в настоящее время широко используется производителями жестких дисков.

В то время, когда разрабатывался интерфейс IDE/ATA, единственным устройством, которое нуждалось в этом интерфейсе, был жесткий диск, поскольку стриммеры и зарождающиеся приводы CD-ROM имели собственный интерфейс (многие помнят времена, когда CD-ROM подключался через интерфейс на звуковой карте). Однако вскоре стало ясно, что использование для подключения всех устройств быстрого и относительно простого интерфейса IDE/ATA сулит значительные выгоды, в том числе и за счет своей универсальности. Однако система команд интерфейса IDE/ATA была рассчитана только на жесткие диски, поэтому просто подключить, например, CD-ROM к IDE-каналу нельзя - работать не будет.

Пришлось разработать  новый протокол - ATA Packet Interface или ATAPI. Этот протокол позволяет другим устройствам подключаться с помощью стандартного шлейфа IDE и "вести себя" как IDE/ATA жесткий диск. На самом деле протокол ATAPI намного сложнее, чем ATA, поскольку передача данных идет с использованием стандартных режимов PIO и DMA, а реализация поддержки этих режимов существенно зависит от типа подключенного устройства. Название packet (пакетный) этот протокол получил по той причине, что команды устройству действительно приходится передавать группами или пакетами. Тем не менее, с точки зрения пользователя, что, согласитесь, важнее всего, нет разницы между IDE/ATA жестким диском, ATAPI CD-ROMом или ZIP-драйвом. Современные BIOSы даже поддерживают загрузку с ATAPI-устройств. Практически все современные контроллеры работают с режимами ATAPI и ATA.

Что же касается ATA части  в ATA-4, то и здесь произошло достаточно много серьезных изменений. Во-первых, как уже говорилось, появились  протоколы ATAPI. Во вторых, произошла  серьезная чистка ATA от старых и уже  не нужных команд и возможностей, а  взамен появились много других, небольших, но существенных. И в третьих, появился новый протокол передачи данных, multiword DMA mode 3, названный UltraDMA - позволяющий добиться куда более высокой пропускной способности ATA (до 33 Мбайт/с), а также позволить обеспечить целостность передаваемых на такой скорости через стандартный 40-жильный кабель данных (путем использования CRC).

При появлении ATA-4 в чем-то повторилась история с ATA-2. Опять вмешались отделы маркетинга, и винчестеры, удовлетворяющие этому стандарту, вышли на рынок под флагом UltraATA/33. Можно только радоваться тому факту, что на этот раз компании хотя бы смогли договориться о единой маркетинговой политике.

Существует также и  стандарт ATA-5, подобно ATA-3 являющийся промежуточным - между ATA-4 и ATA-6. Никаких серьезных изменений внесено не было, были лишь удалены некоторые устаревшие команды и возможности, добавлены некоторые новые. Появилось еще два новых режима передачи данных - UltraDMA с пропускной способностью 44 Мбайт/с и UltraDMA с пропускной способностью 66 Мбайт/с.

Такое увеличение скорости передачи данных превысило возможности  старого доброго 40-жильного кабеля, создававшегося в свое время под  скорости порядка 5 Мбайт/с, и разработчики были вынуждены армировать шлейф  еще 40 жилами, не имеющими, впрочем, никакой  информационной нагрузки - все они  заземлены и исполняют роль экрана между все теми же 40 несущими жилами.

Параллельно с работой  над ATA-5, велась работа по созданию ATA-6. В эту спецификацию войшли многие предложения, не включенные в предыдущий стандарт. Это, в частности, увеличение LBA с 28 до 64 битов, введение новых, более быстрых режимов UltraDMA, с пропускной способностью до 100 Мбайт/с, введение в ATA новых команд, рассчитанных на передачу аудио/видео потоков, предложенных Quantum, Western Digital и Philips, методы снижения уровня шума винчестеров.