Организация работы с данными на жестком диске

Постепенно фирмой Maxtor был введен новый стандарт - UltraDMA 133, как Вы понимаете пропускная способность такого интерфейса 133 Мб/с.

Изначально общеупотребительным  способом передачи данных через интерфейс IDE/ATA был протокол, называемый Programmed I/O или PIO. Существует пять режимов PIO, различающихся максимальными скоростями пакетной передачи данных (burst transfer rates). Общеупотребительное английское название - PIO modes.

Главным недостатком режимов PIO является то, что передачей данных управляет процессор, что существенно  увеличивает его загрузку. Зато эти  режимы не требуют специальных драйверов  и идеально подходят для однозадачных операционных систем.

Direct Memory Access (DMA) - прямой доступ к памяти - собирательное название протоколов, позволяющих периферийному устройству передавать информацию непосредственно в системную память без участия центрального процессора. Современные жесткие диски используют эту возможность в сочетании с возможностью перехватывать управление шиной и самостоятельно управлять передачей информации (bus mastering подробно обсуждался в серии статей по шинам

Serial ATA

И, опять-таки, это не все  разработки в мире АТА интерфейсов - фирмой Intel введен стандарт Serial ATA, и уже есть первые жесткие диски с таким интерфейсом. Поддержка этого интерфейса есть не только в выпускаемых сейчас чипсетах (i865, i875), но будет и в чипсетах, которые еще появятся.

Характеристики SATA:

* скорость —  1,2 Гбита/с, или 150 Мбайт/с (в перспективе — 2,4 Гбита/с (300 Мбайт/с) и, возможно, 4,8 Гбита/с (600 Мбайт/с)),

* уменьшение количества  проводов в интерфейсном шлейфе,

* обратная совместимость  (при помощи специальных адаптеров,  разумеется) с жесткими дисками  с предыдущими интерфейсами,

* отказ от концепции  Master/Slave (т.е. один разъем — одно устройство),

* поддержка дисков  большого объема (само собой, только  при условии поддержки этих  самых дисков и в BIOS’e)?

* Hot Swap и Hot Plug («горячая» смена дисков и «горячее» подключение, т.е. без отключения питания компьютера).

Как видите, у этого интерфейса много преимуществ, и среди них, в первую очередь, отсутствие препятствующих вентиляции внутри корпуса широких  шлейфов. Во-вторых, это пониженное напряжение - 3,3 В вместо 5. Вследствие снижения напряжения, а также уменьшения числа проводников всего до двух (плюс пять на питание и заземление), возможно удлинение сигнального кабеля до 1 метра, что больше стандарта для параллельного интерфейса в два раза. Также канет в лету и последовательный способ подключения устройств, при котором каждое устройство определяется либо как Master, либо как Slave. Программное обеспечение посчитает оба устройства главными, "сидящими" на разных портах.

SCSI

SCSI (иногда произносится  как "скази") давно стал стандартным интерфейсом для рабочих станций и серверов. И хотя по деньгам SCSI обходится существенно дороже IDE, за эти деньги мы получаем гораздо большую пропускную способность, поддержку большего количества устройств на одном канале, гораздо большую длину кабелей (до 12 метров), поддержку внешних устройств и многозадачность.

Обычная (иногда говорят "узкая") шина SCSI может нести на себе до 8 устройств, а широкая (wide) до 16. Сам SCSI контроллер занимает один адрес, а остальные 15 оставляет для подключаемых устройств (соответственно на узкой шине для устройств остается 7 адресов). Старшие адреса SCSI имеют больший приоритет. Это делает установку SCSI немного запутанной. Обычно лучше дать больший приоритет медленным устройствам, типа CD-ROM, а не жестким дискам.

Существует множество  различных вариантов SCSI. Из устройств  доступных сейчас на рынке можно  назвать Ultra, Ultra2 и Ultra160 SCSI. Ultra SCSI обеспечивает передачу со скоростью 20 Мбайт/с и имеет 8 адресов. Широкая (wide) версия Ultra SCSI поднимает пропускную способность вдвое, то есть до 40 Мбайт/с. Ultra2 SCSI, известный так же как LVD (Low Voltage Differential) SCSI, имеет пропускную способность 40 Мбайт/с, и, соответственно, wide версия его дает нам 80 Мбайт/сек. Ultra160 SCSI продолжает традицию удвоения пропускной способности, но бывает только в варианте wide, что дает нам 16 устройств на канале и 160 Мбайт/сек.

SCSI устройства, как правило,  обладают совместимостью, что называется, сверху вниз. Правда, при этом  бывает, что при наличии на  одной шине быстрого и медленного устройств оба начинают работать с максимальной скоростью медленного. Ну а способность поддерживать до 15 устройств на одном канале говорит об отличной масштабируемости, что для определенных целей тоже крайне важно.

Уже появляются первые устройства Ultra320, и следующим шагом будет Ultra640. Сам стандарт SCSI изначально предполагал масштабируемость, и стал масштабируем настолько, что вряд ли что-то может с ним сравниться в этом.

Преимущества SCSI перед IDE:

* Большая производительность  и объемы (потому что они предназначены  для серверов, хотя механика аналогична  механике IDE дисков)

* Возможность подключения,  как внутренних устройств, так  и внешних

 

 

5. Описание технологии, параллельной записи информации.

Параллельная запись. Одна ячейка памяти, называемая доменом, состоит из множества атомов ферромагнетика, которым покрыты несущие пластины. Чтобы исключить влияние одного домена на другой, расположенный рядом с ним, они разделены между собой специальными буферными зонами. Это обеспечивает наиболее надежное хранение записанной информации, но делает невозможным бесконечное уменьшение размеров домена. При параллельной технологии записи магнитные частицы размещены так, что вектор магнитной направленности расположен параллельно поверхности диска. Отсюда и название метода. С технологической точки зрения – это наиболее простое из всех возможных решений, а поэтому технология является относительно самой дешевой и одной из самых надежных. Но существует и ограничение, являющееся недостатком метода – максимальная плотность составляет около 23 Гбит/см² Данные записываются на диск, покрытый магнитным записывающим слоем. Любой магнитный материал (например, оксид железа) состоит из доменов - областей, внутри которых магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону. Каждый домен имеет большой суммарный момент, который в исходном состоянии может быть направлен произвольно. Под действием внешнего магнитного поля домены могут менять направление магнитного момента.

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

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

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

 

 

6. Описание технологии, перпендикулярной записи информации.

 

Впервые метод перпендикулярной записи на магнитный носитель был применен еще в конце 19 века датским ученым Вольдемаром Поульсеном для магнитной записи звука. Однако в дальнейшем исследования на эту тему носили больше теоретический характер из-за недостаточного развития технологий, не позволявших использовать разработки. Отцом технологии перпендикулярной записи считается доктор Shun-ichi Iwasaki – президент и директор престижного японского Tohoku Institute of Technology. Именно этот ученый в 1976 году теоретически обосновал преимущества нового типа записи, подтолкнув тем самым исследователей всего мира к углубленным разработкам.

При перпендикулярной записи на диск магнитные частицы располагаются  под углом 90° к плоскости магнитного диска. Благодаря этому домены, хранящие разные значения, не отталкиваются  друг от друга, потому что намагниченные  частицы повернуты друг к другу  разными полюсами. Увеличение плотности, означающее уменьшение размера частиц, при этом не будет требовать уменьшения толщины слоя, что обеспечит стабильность магнитного материала.

Для перпендикулярной записи на магнитный  слой используется головка новой  конструкции. Если при продольной записи магнитное поле генерируется в металлическом  кольце с помощью индукции, то при  перпендикулярной используется поле, генерируемое между срезом полюса головки  записи и магнитомягким подслоем на диске. Поэтому частицы записывающего слоя намагничиваются вертикально, а частицы магнитного подслоя – горизонтально. Это обеспечивает дополнительную стабильность частиц относительно друг друга.

Важное отличие перпендикулярной записи от продольной заключается в  характере и расположении сигнала  чтения. Продольный магнитный слой без подслоя испускает магнитный сигнал только с границы перехода бит (с границы между одной магнитной частицы и другой) под прямым углом к плоскости диска. Перпендикулярный магнитный слой испускает сигнал по всей площади частицы, а благодаря подслою вектор этого сигнала направлен параллельно плоскости диска. Для считывания требуются принципиально новые головки чтения, которые позволяют значительно увеличить соотношение сигнал/шум и мощность самого сигнала. Поэтому некоторые компании уже начинают применять новое поколение головок, использующее туннельный магниторезистивный эффект (TMR Heads).

При перпендикулярной записи используется намного более сложный состав магнитного слоя. Под тонким защитным слоем расположен записывающий слой состоящий из окисленного сплава кобальта, платины и хрома. Подложка состоит из двух слоев сложного химического состава, называемых антиферромагнитносвязанными слоями. Именно они позволяют снять внутренние напряженности магнитного поля.

Технология перпендикулярной записи на магнитные диски начала проникать  на рынок уже в прошлом году. 4 ноября 2004 года Hitachi анонсировала накопители формфактора 2,5” емкостью 100 Гбайт, основанные на 2 пластинах плотностью 230 Гбит/дюйм². Toshiba поставляет свои накопители формфактора 1,8” емкостью 40 Гбайт (133 Гбит/дюйм²). Кроме того, компания обещает применить перпендикулярную запись в своей линейке 0,85” дисков, доведя их емкость до показателя 6-8 Гбайт на пластину. Seagate, похоже, превзошла в своих разработках всех, достигнув в лабораториях плотности записи в 245 Гбит/дюйм² и скорости передачи данных в 480 Мбит/сек.

Первый коммерческий продукт от Seagate, построенный по технологии перпендикулярной записи, появится в начале 2006 года. Это будет 2,5” жесткий диск Momentus 5400.3 емкостью 160 Гбайт. Плотность записи составит 130 Гбит на дюйм².

К 2010 году Seagate предсказывает появление дисков с плотностью записи до 500 Гбит на дюйм². При этом емкость 3,5” накопителя составит 2 Тбайт, 2,5” – до 640 Гбайт, 1” – 50 Гбайт.

Именно 500 Гбит на кв. дюйм – теоретический  предел для существующей на сегодня  технологии перпендикулярной записи. Но вспомним, еще 15 лет назад исследователи IBM называли пределом плотности записи при параллельной записи 30 Гбит/дюйм², однако сегодня мы наблюдаем показатели до 120 Гбит/дюйм². Вполне возможно, что реальное пороговое значение – это 1 Тбит/дюйм² или даже больше. Кто знает, каковы будут реальные показатели лет через 5-7?

 

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

Переход к использованию в качестве носителя информации ансамблей однодоменных анизотропных наночастиц, в которых ориентация магнитного момента каждой гранулы будет нести полезную информацию, позволит значительно увеличить плотность записи информации по сравнению с современными носителями.

В то же время, свойственное однодоменным частицам явление суперпарамагнетизма является в данном технологическом направлении паразитным фактором, который может существенно сокращать длительность хранения информации (так называемый суперпарамагнитный предел) при значительном уменьшении объема частиц. Кроме того, когда расстояние между соседними частицами достаточно мало, на магнитных свойствах отдельной СВ-частицы начинают сказываться эффекты межчастичного взаимодействия. Это приводит к тому, что величина энергетического барьера частицы становится зависящей от ориентаций магнитных моментов соседних частиц. Последнее значительно усложняет понимание процессов перемагничивания в таком взаимодействующем ансамбле.