Жесткий диск

Для ускорения процесса чтения/записи используется буферизация данных, когда контроллер винчестера читает не один, нужный в данный момент сектор, а целую дорожку. Прочитанные данные сохраняются в буфере объемов в 2 Мбайт, а в некоторых типах винчестеров до 8 Мбайт. Таким образом, при новом запросе на чтение следующего сектора контроллер винчестера сначала проверит наличие нужных данных в буфере, не проводя реального чтения данных с поверхности магнитных дисков. Наиболее интеллектуальные контроллеры винчестера могут заранее загружать в буфер данные, используя механизм предсказания.

Принудительного охлаждения винчестер в большинстве случаев (для скоростей вращения дисков 5 и 7 тыс. об/мин) не требует, но для повышения надежности работы современных скоростных винчестеров желательно использовать дополнительный вентилятор, который должен обдувать плату контроллера и гермоблок. Для этого ряд фирм выпускает вентиляторы с экраном специальной формы (рис. 4), который может крепиться на корпусе винчестера, а также салазки с вентиляторами, предназначенные для установки в 5 1/2-дюймовый отсек.

Необходимость использования принудительного охлаждения диктуется тем, что нормальная работа винчестера гарантируется при температуре его корпуса не выше 50° (и не ниже 0°!). А в винчестере греются не только вращающиеся диски и двигатель, но и микросхемы управления, которые при непрерывном обращении к винчестеру нагреваются до температуры выше 80°. Кроме того, частая причина выхода из строя винчестера заключается в том, что силовая микросхема управления двигателем перегревается и выходит из строя (иногда в таких случаях лопается даже пластмассовый корпус микросхемы). Когда же перегреваются вращающиеся диски, с них слетают микроскопические кусочки магнитного слоя, что приводит к появлению большого количества "плохих"секторов.

 

Рис. 4. Устройство для охлаждения винчестера.

 

4. Интерфейс IDE

 

Для подключения винчестеров в компьютерах используются несколько типов интерфейсов, но в персональных компьютерах очень часто применяется 16-разрядный параллельный интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), он же — AT-BUS, ATA и его модернизации Ultra ATA с различными тактовыми частотами. Последовательный интерфейс SCSI применяется, в основном, только в серверах, т. к. стоимость винчестеров с SCSI-интерфейсом почти в два раза выше, чем у винчестеров с IDE-интерфейсом. Наибольшего эффекта от применения интерфейса SCSI можно достигнуть только в многозадачных операционных системах, когда надо одновременно выполнять несколько "тяжелых" приложений или при массовых запросах к данным на устройствах хранения. Спецификация IDE определяет, что на системной плате устанавливается контроллер IDE-интерфейса с двумя одинаковыми каналами, к каждому из которых можно подключить до 2 равноправных устройств. То есть в персональном компьютере может одновременно работать до 4 винчестеров (или любых других устройств с IDE-интерфейсом, а также с интерфейсом ATAPI, являющимся еще одной модернизацией интерфейса IDE). Заметим, что для увеличения количества подключаемых IDE-устройств можно использовать дополнительные платы IDE-контроллеров, устанавливаемые в слот PCI.

До скорости передачи данных в 33 Мбайт/с включительно для IDE-интерфейса применяется 40-жильный плоский кабель. При желании использовать стандарты UltraATA/66, UltraATA/100 и UltraATA/133 надо заменить 40-жильный кабель на 80-жильный.

Для интерфейса IDE используется кабель с 40-контактными разъемами и длиной не более 46 см (18 дюймов). Практически всегда на нем установлено 3 разъема — один для подключения к системной плате и два для IDE-устройств.

Каких-либо перекруток проводов не используется!

 

Следует обратить внимание, что на 80-жильном кабеле также устанавливаются 40-контактные разъемы, а дополнительные 40 проводников заземляются внутри разъема.

 

5. Интерфейс Serial ATA

 

Интерфейс IDE за почти двадцатилетнюю историю практически не изменился, оставаясь укороченной версией системной шины IBM PC AT, и лишь периодически подвергался модернизации для увеличения скорости обмена между винчестером и системной платой. В настоящее время становится популярным новый тип интерфейса — последовательный Serial ATA (уровни логических сигналов всего 0,5 В). Переход на последовательный интерфейс вызван, в первую очередь, проблемами синхронизации параллельных сигналов интерфейса, т. к. простейший протокол обмена через интерфейс не обеспечивает надежную передачу данных на высоких тактовых частотах.

Последовательный интерфейс Serial ATA положил конец всем тем проблемам, которые свойственны интерфейсу IDE. В первую очередь — это согласование производительности и разрядности шины PCI и накопителей на жестких магнитных дисках. Кроме того, внутреннее пространство в корпусе персонального компьютера кардинально освобождается от двух IDE-шлейфов, которые создают массу хлопот — их сложно подключать, т. к. приходится работать наощупь, а большие их габариты мешают нормальному охлаждению процессора и микросхем, установленных на системной плате и т. п.

На рис. 5 показано, как подключаются устройства с последовательным интерфейсом Serial ATA. Вместо громоздкого плоского кабеля с 80-ю проводниками используется тонкий коаксиальный провод длиною до 1 м, по которому данные передаются в виде отдельных битов с разницей в уровнях напряжения всего 0,5 В. Интересно, что, наконец, подвергся модификации разъем питания, в котором предложено использовать 5 линий (дополнительное напряжение 3,3 В предназначено для будущих устройств, которые, возможно, скоро появятся).

Рис. 5. Устройство с интерфейсом Serial ATA

 

Рис. 6. Сравнение стандартов IDE и Serial ATA

 

Рис. 7. Винчестеры корпорации Hitachi интерфейс

а – IDE , б – Serial ATA

Рис. 8. Информационный разъем SATA на системной плате 

 

Немаловажным достоинством интерфейса Serial ATA является и то, что уменьшаются габариты разъемов. В совокупности со всем остальным это позволяет начать действительно реальный процесс сокращения габаритов системных блоков персональных компьютеров. Сравнение двух стандартов показано на рис. 6, а на рис. 7 приведены фотографии винчестеров со стороны интерфейсных разъемов.

Так как стандарт Serial ATA еще не слишком распространен, то выпускаются винчестеры, у которых на корпусе дополнительно установлен традиционный разъем питания. В остальных случаях используют переходники. Назначение контактов информационного разъема SATA показано на рис. 8.

 

6. Скорость винчестера и его энергопотребление

 

Первые жесткие диски, использовавшиеся в ПК, имели скорость вращения шпиндельного двигателя 3600 оборотов в минуту. И последующие десять лет она оставалась неизменной. Одной из причин выбора именно этой скорости была то, что при разработке накопителей для ПК производители пытались использовать старые наработки, и одной из них было использование двигателя переменного тока с частотой 60 Гц (США в качестве стандартной частоты переменного тока в розетке использует 60 Гц). Если мы умножим 60 Гц на 60 секунд, мы получим искомое число 3600. В начале девяностых годов прошлого столетия производители жестких дисков начали экспериментировать с увеличением скорости вращения шпиндельного двигателя, доведя ее до 4500 оборотов в минуту. Затем был преодолен порог 5400 оборотов, и надолго именно эта цифра стала стандартом де-факто для скорости вращения шпиндельного двигателя. Первыми порог 7200 оборотов в минуту взяли жесткие диски с интерфейсом SCSI. Это позволило отточить технологию, и несколькими годами позже появились накопители с 7200 оборотов в минуту с стандартным интерфейсом IDE/ATA. В настоящее время некоторые производители выпускают жесткие диски с скоростью вращения шпиндельного двигателя 10000 оборотов в минуту и интерфейсом IDE/ATA. Кроме того, жесткие диски с интерфейсом SCSI уже несколько лет, как преодолели рубеж в 15000 оборотов в минуту.

Увеличение скорости шпинделя жесткого диска подразумевает собой много изменений, касающихся, в основном, вопросов корректного чтения и записи, уровня вибрации и тепла. Высокоуровневые SCSI винчестеры, имеющие скорость вращения порядка 15000 оборотов в минуту, имеют большие проблемы с нагревом и звуком при своей работе. Они требуют специального крепления и охлаждения для корректной работы.

Потребление электроэнергии

Большая часть потребляемой электрической энергии расходуется на вращение пластин. Современные модели, как правило, расходуют меньше энергии, чем жесткие диски предыдущих поколений. Если даже сравнить современный высокоуровневый SCSI-винчестер со скоростью вращения 15000 оборотов в минуту и винчестер Seagate начала эпохи накопителей для ПК, имеющий скорость вращения шпинделя 3600 оборотов в минуту, то меньше энергии расходует именно современный жесткий диск. В течение своей раскрутки, в момент появления питания шпиндельный двигатель расходует примерно в два раза больше тока, чем при стабильной работе. Питание шпиндельного двигателя, как правило, образуется из +12 вольт. Таким образом, если у вас стоит более трех жестких дисков, то надо учитывать большую нагрузку на +12 вольт при включении компьютера, — далеко не каждый современный дешевый блок питания способен справится с такими нагрузками. В случае винчестеров с интерфейсом SCSI производители нашли выход: с помощью соответственных настроек можно выставить задержку раскрутки двигателя, стартующего по команде от хост-SCSI контроллера. Таким образом, жесткие диски SCSI способны раскручиваться последовательно: сначала раскручивается винчестер с ID=0, затем с ID=1 и т.д. Механизм работает следующим образом. При появлении питания происходит самодиагностика управляющей платы жесткого диска. Затем управляющий контроллер жесткого диска анализирует состояние переключателей, задающих конфигурацию SCSI - винчестера, и, в случае, если установлен переключатель, отвечающий за задержку старта шпинделя жесткого диска, старта шпиндельного двигателя не происходит, а плата находится в режиме ожидания команды со стороны интерфейса SCSI. В свою очередь, если рассмотреть это со стороны компьютера, то при начале работы сначала происходит механизм POST-тестирования, затем инициализация всех периферийных устройств. Одним из них, как раз и является SCSI-хост контроллер. При своей инициализации он производит сначала опрос SCSI-шины на предмет выяснения сколько и какой тип устройств подключены, а также их тип. При этом, в случае, если на винчестере установлен переключатель, отвечающий за задержку раскрутки, то выдается команда на раскрутку шпиндельного двигателя и контроллер ожидает, пока эта она не произойдет, потом он опрашивает винчестер на предмет успешной инициализации, и в случае успеха, хост-контроллер переходит к следующему устройству с большим значением ID. Таким образом, происходит последовательная раскрутка жестких дисков от винчестера с меньшим ID к винчестеру с большим ID.  
На рисунке показана зависимость потребляемого тока от времени для типичного IDE/ATA жесткого диска при появлении питания. Как можно увидеть, пиковый уровень потребляемого тока при раскрутке пакета с магнитными пластинами примерно в четыре раза больше, чем устоявшийся уровень тока при кручении пакета с одинаковой скоростью.

 

7. Электроника жесткого диска

 

Светодиод

Жесткие диски используют светодиод, чтобы показывать свою активность. Этот очень полезный индикатор показывает пользователю персонального компьютера, есть ли обращение к винчестеру или, говоря по-другому, происходит ли в данный момент активная работа накопителя. Первые жесткие диски для ПК производились с лицевой панелью и встраивались на специальные места, предназначенные в настоящее время для дисководов и CD-приводов. На этой лицевой панели был вынесен светодиод и пользователь без труда, только взглянув на лицевую панель, мог узнать, есть ли обращение к жесткому диску или нет.  
Производители жестких дисков со временем пришли к выводу, что иметь жесткие диски, встраиваемые внутри системного блока более разумно, чем винчестеры у которых лицевая панель торчит наружу ПК. Для того чтобы пользователь и в этом случае мог увидеть работу накопителя, на управляющей плате винчестера был сделан разъем для подключения светодиода, который уже монтировался на лицевой панели компьютера и соединялся с жестким диском с помощью двух проводов. Такая система работала хорошо до тех моментов, когда пользователю вставала необходимость использования более, чем одного накопителя. Нашелся выход и в этой ситуации: светодиода подключили к контроллеру жестких дисков, таким образом можно было увидеть работу всех винчестеров. Современные ПК имеют интегрированные на материнскую плату PATA или SATA контроллеры. Светодиод теперь подключается к специальному разъему на материнской плате. В системах, которые используют вставляемые контроллеры, светодиод подключается к разъему на контроллере. С течением времени, производители IDE/ATA винчестеров перестали делать разъем для светодиода на управляющей плате, так как интегрированные в материнскую плату контроллеры стали стандартом де-факто. Тем не менее, многие самые современные SCSI-винчестеры до сих пор имеют выход на светодиод. Это сделано в силу того, что существует очень малое количество материнских плат, в которых интегрированы SCSI-контроллеры.

Управляющая плата жесткого диска

Все современные жесткие диски изготавливаются с достаточно сложной платой управления, прикрученной к гермоблоку. Первые жесткие диски для ПК были достаточно неинтеллектуальны. Все управляющая логика была размещена на контроллере, вставляемом в компьютер, и контроллер выдавал точные и простые команды жесткому диску, описывающие как произвести то или иное действие. Данный вариант стыковки винчестера с ПК имел один очень жирный минус: такой контроллер должен был выдавать команды, общие для разных накопителей разных производителей. То есть не было никакой привязки контроллера к данному накопителю. Таким образом, не было «точной» настройки контроллера под жесткий диск. С течением времени, электронные микросхемы стали уменьшаться в размерах, что дало возможность переноса большей части управляющей электроники на накопитель. Наиболее часто встречаемый тип интерфейса жестких дисков для ПК это IDE – Integrated Drive Electronics, что означает накопитель с интегрированной электроникой. В настоящие дни такое название выглядит смешным, но в свое время это был большой шаг вперед. Более правильное имя для этого интерфейса IDE это ATA – AT attachment или подключение к АТ. Термином IBM АТ назывались компьютеры конца 80-х годов, отсюда пошло и название. Современные накопители имеют платы управления даже более сложные, чем сами первые ПК! Даже более того, большинство из них имеют более большое количество памяти и более быстрые управляющие микропроцессоры, чем персональные компьютеры начала девяностых! Современные управляющие платы выполняют множество прямых и вспомогательных функций, включающих в себя мониторинг состояния накопителя, буферизацию процессов чтения-записи, управление шпиндельным двигателем, управление головками, контроль правильности считываемой информации, поддержка современных высокоскоростных интерфейсов и многое, многое другое.