Жесткий диск. Жесткий диск (Hard Disk Drive, HDD), или винчестер, устройство, используемое для постоянного хранения информации, необходимой для работы. - презентация

1 Жесткий диск

2 Жесткий диск (Hard Disk Drive, HDD), или винчестер, устройство, используемое для постоянного хранения информации, необходимой для работы на компьютере, и доступа к ней. Данная информация может носить различный характер. Это могут быть документы, базы данных, видео, аудио и многое другое. Внешне жесткий диск выглядит как прямоугольная металлическая коробка высотой 2–4 см, которая устанавливается в 3,5- или 5,25-дюймовый отсек компьютера. Внутри винчестера находится одна или несколько пластин (так называемых блинов), на которые и записывается информация. Запись и считывание данных осуществляется блоком магнитных головок, которые скользят над пластинами в непосредственной близости от них. Передвигает этот блок высокоточный шаговый двигатель, который, в свою очередь, управляется интегрированным контроллером.

3

4 В рабочем состоянии пластины постоянно вращаются и скорость их вращения очень высокая. Чем выше скорость вращения, тем выше скорость считывания и записи информации. На сегодняшний день наиболее распространенными являются винчестеры со скоростью вращения дисков 7200 об/мин для IDE- и SATA-дисков и – об/мин для SCSI-дисков. Вместе с тем существуют жесткие диски и с более низкой скоростью вращения, которые находят свое применение, в основном, в переносных компьютерах. Основные различия жестких дисков интерфейс подключения к материнской плате, скорость вращения пластин, объем хранимых данных, кэш-буфер, время позиционирования головок, время поиска информации и др. Кроме того, жесткие диски могут быть внутренними и внешними.

5 Интерфейс винчестера также играет важную роль, поскольку от него зависит скорость передачи данных от жесткого диска к материнской плате.

6

7 В большой степени максимальная плотность записи зависит от конструкции и характеристик головок записи/чтения. Раньше в винчестерах использовались магнитные головки, представляющие собой миниатюрные катушки индуктивности, намотанные на магнитный сердечник. Головки жесткого диска

8 Позднее стали использовать тонкопленочные магнитные головки, а в современных винчестерах используются высокочувствительные магниторезистивные головки чтения (принцип их работы основан на эффекте анизотропии некоторых полупроводниковых материалов в магнитном поле), конструктивно объединенные с тонкопленочными головками записи. Головки собираются в блок. В современных винчестерах используется система позиционирования блока головок с поворотной подвижной катушкой, помещенной в зазоре мощного постоянного магнита, которая и является исполнительным элементом системы позиционирования.

9 Пакет дисков с двигателем и блок головок размещаются в специальном герметичном металлическом корпусе со съемной крышкой, который называется гермоблоком или камерой. Ее внутренний объем не изолирован от внешней среды – обязательно предусматривается возможность перетока воздуха снаружи в камеру и наоборот. Это необходимо для выравнивания давления внутри камеры с внешним давлением для предотвращения деформаций корпуса. Гермоблок Барометрический и рециркуляционный фильтры

10 Достигается это с помощью так называемого барометрического фильтра, размещаемого внутри камеры. Фильтр способен задерживать частицы, размер которых превышает величину рабочего зазора между головкой и поверхностью диска. Так что под герметичностью камеры подразумевается только невозможность проникновения внутрь посторонних частиц, способных при попадании в рабочий зазор повредить рабочую поверхность и головку. Кроме того, в камере винчестера обязательно размещается фильтр рециркуляции, предназначенный для улавливания частиц, которые могут возникать внутри самой камеры, например за счет осыпания поверхности дисков при «взлетах» и «посадках» головок в зоне парковки, или проникать внутрь камеры через барометрический фильтр. Место расположения фильтра рециркуляции выбирается с учетом движения воздушного потока и возможных траекторий движения частиц таким образом, чтобы обеспечить максимальную степень очистки воздушного потока внутри камеры.

11 Так как попадание посторонних частиц внутрь камеры абсолютно недопустимо, сборка винчестеров производится только в специальных «чистых помещениях», оборудованных дорогостоящими фильтровентиляционными установками тонкой очистки воздуха – в кубическом футе воздуха может быть не более 100 частиц (пылинок) размером более 0,5 мкм.

12 Часть электроники привода находится в блоке механики. Сигнал, снимаемый с магнитных головок очень слабый, и если проводники будут слишком длинными, он будет серьезно искажен. Прочитанный сигнал необходимо сразу же усилить - тогда проблема транспортировки исчезнет. С этой функцией успешно справляется предусилитель, расположенный в гермоблоке. От предусилителя к позиционеру идет ленточный кабель или набор обычных одножильных проводов, а они довольно часто рвутся. Устранение подобной неисправности, увы, обходится в копеечку. Электроника HDD

13 Остальная электроника винчестера менее уязвима и находится на отдельной плате за пределами гермоблока. По своей структурой она очень напоминает... отдельный компьютер! Действительно, среди основных компонент значатся: центральный процессор, ОЗУ (буфер диска), ПЗУ с программой управления (иногда часть ее записывают в служебную область самого диска), а также DSP (Digital Signal Processor), служащий для обработки считанных сигналов и подготовки записываемых. На печатных платах многих жестких дисков встречается технологический интерфейсный разъем, с помощью которого их подключают к тестовому оборудованию. В ПЗУ находится специальная программа, позволяющая вести диалог, переназначать дефектные участки, производить ту же первичную разметку и пр. В современных моделях, изготавливаемых в рамках программы Energy Star, обязательно есть устройство для отключения винчестера при отсутствии запросов к нему и других функций энергосбережения.

14 Жесткий диск, как и всякое другое блочное устройство, хранит информацию фиксированными порциями, которые называются блоками. Блок является наименьшей порцией данных, имеющей уникальный адрес на жестком диске. Для того чтобы прочесть или записать нужную информацию в нужное место, необходимо представить адрес блока в качестве параметра команды, выдаваемой контроллеру жесткого диска. Размер блока уже довольно с давних пор является стандартным для всех жестких дисков байт. К сожалению, достаточно часто происходит путаница между такими понятиями как "сектор", "кластер" и "блок". Фактически, между "блоком" и "сектором" разницы нет. Правда, одно понятие логическое, а второе топологическое. "Кластер" - это несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как одно целое. Структура данных в HDD

15 Переход к кластерам произошел потому, что размер таблицы FAT был ограничен, а размер диска увеличивался. Для того чтобы однозначно адресовать блок данных, необходимо указать все три числа (номер цилиндра, номер сектора на дорожке, номер головки). Такой способ адресации диска был широко распространен и получил впоследствии обозначение аббревиатурой CHS (cylinder, head, sector). Именно этот способ был первоначально реализован в BIOS, поэтому впоследствии возникли ограничения, связанные с ним. Дело в том, что BIOS определил разрядную сетку адресов на 63 сектора, 1024 цилиндра и 255 головок. Однако развитие жестких дисков в то время ограничилось использованием лишь 16 головок в связи со сложностью изготовления. Отсюда появилось первое ограничение на максимально допустимую для адресации емкость жесткого диска: 1024*16*63*512 = 504Mb.

16 Со временем, производители стали делать HDD большего размера. Соответственно число цилиндров на них превысило 1024, максимально допустимое число цилиндров (с точки зрения старых BIOS). Однако, адресуемая часть диска продолжала равняться 504 Мбайтам, при условии, что обращение к диску велось средствами BIOS. Это ограничение со временем было снято введением так называемого механизма трансляции адресов.

17 Диаметр дисков (disk diameter) Параметр довольно свободный от каких-либо стандартов, ограничиваемый лишь форм-факторами корпусов системных блоков. Наиболее распространены накопители с диаметром дисков 2.2, 2.3, 3.14 и 5.25 дюймов. Диаметр дисков определяет плотность записи на дюйм магнитного покрытия. Накопители большего диаметра содержат большее число дорожек, и в них, как правило используются более простые технологии изготовления носителей, предназначенных для меньшей плотности записи. Они, как правило, медленнее своих меньших собратьев и имеют меньшее число дисков, но более надежны. Накопители с меньшим диаметром больших объемов имеют более высокотехнологичные поверхности и высокие плотности записи информации, а также, как правило, и большее число дисков. Параметры HDD

18 Число поверхностей (sides number) Определяет количество физических дисков нанизанных на шпиндель. Выпускаются накопители с числом поверхностей от 1 до 8 и более. Однако, наиболее распространены устройства с числом поверхностей от 2 до 5. Принципиально, число поверхностей прямо определяет физический объем накопителя и скорость обработки операций на одном цилиндре. Число цилиндров (cylinders number) Определяет сколько дорожек (треков) будет располагаться на одной поверхности. В настоящее время все накопители емкостью более 1 Гигабайта имеют число цилиндров более 1024, вследствие чего, для распространенных ОС применяются унифицированные режимы доступа с пересчетом и эмуляцией и виртуализацией числа головок, цилиндров и секторов (LBA и Large).

19 Число секторов (sectors count) Общее число секторов на всех дорожках всех поверхностей накопителя. Определяет физический неформатированный объем устройства. Число секторов на дорожке (sectors per track) Общее число секторов на одной дорожке. Часто, для современных накопителей показатель условный, т.к. они имеют неравное число секторов на внешних и внутренних дорожках, скрытое от системы и пользователя интерфейсом устройства.

20 Частота вращения шпинделя (rotational speed или spindle speed) Определяет, сколько времени будет затрачено на последовательное считывание одной дорожки или цилиндра. Частота вращения измеряется в оборотах в минуту (rpm). Для дисков емкостью до 1 гигабайта она обычно равна 5,400 оборотов в минуту, а у более вместительных достигает 7,200, rpm и более.

21 Время перехода от одной дорожки к другой (track-to-track seek time) Обычно составляет от 3.5 до 5 миллисекунд, а у самых быстрых моделей может быть от 0.6 до 1 миллисекунды. Этот показатель является одним из определяющих быстродействие накопителя, т.к. именно переход с дорожки на дорожку является самым длительным процессом в серии процессов произвольного чтения/записи на дисковом устройстве. Показатель используется для условной оценки производительности при сравнении накопителей разных моделей и производителей.

22 Время успокоения головок (head latency time) Время, проходящее с момента окончания позиционирования головок на требуемую дорожку до момента начала операции чтения/записи. Является внутренним техническим показателем, входящим в показатель - время перехода с дорожки на дорожку. Время установки или время поиска (seek time) Время, затрачиваемое устройством на перемещение головок чтения/записи к нужному цилиндру из произвольного положения.

23 Среднее время установки или поиска (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. Среднее время установки или поиска (average seek time)

24 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.

25 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

26 Скорость передачи данных (data transfer rate) 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.

27 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.

28 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 выглядят более привлекательно.

29 Уровень шума (noise level) Разумеется, является эргономическим показателем. Однако, он также, является и некоторым показателем сбалансированности механической конструкции, т.к. шум в виде треска - есть не что иное как звук ударов позиционера шагового или линейного механизма, а, даже микро- удары и вибрация так не желательны для накопителей и приводят к более быстрому их износу.

30 Среднее время наработки на отказ (MTBF) Определяет сколько времени способен проработать накопитель без сбоев. Сопротивляемость ударам (G-shock rating) Определяет степень сопротивляемости накопителя ударам и резким изменениям давления, измеряется в единицах допустимой перегрузки g во включенном и выключенном состоянии. Является важным показателем для настольных и мобильных систем.

31 Схема строения жесткого диска Зонная запись (ZBR)

32 Если вообразить себе поверхность пластины, учитывая то, что каждая дорожка разбита на одинаковое число секторов и то, что длина сектора растет с ростом радиуса дорожки, нетрудно заметить, что внешние сектора длиннее внутренних. Это означает, что внешние дорожки сильно недоиспользованы, потому как в теории они могут содержать значительно больше секторов с той же линейной плотностью записи. В целях увеличения емкости и уменьшения неиспользуемого пространства на современных моделях жестких дисков применяется технология зонной записи (ZBR). По этой технологии дорожки группируются в зоны в зависимости от их расстояния от центра диска. В каждой зоне свое количество секторов на дорожку. Если двигаться от внутренней части диска к его внешнему краю, то каждая следующая зона содержит больше секторов на дорожку, чем предыдущая. Это позволяет более эффективно использовать внешние дорожки диска. В настоящее время в дисках применяется много сложных внутренних структур, так что не существует простого пути выяснения реальной геометрии диска. На самом деле, число секторов на дорожках варьируется, благодаря зоной записи, так что не существует какого либо определенного числа секторов на дорожку.