Что такое жесткий диск
Основными элементами
накопителя являются несколько алюминиевых или стеклянных пластин. Принципы
работы накопителей на жестких дисках
По сути накопители
на жестких дисках работают так же, как идисководы гибких дисков: данные, разбитые
на дорожки и секторы, записываются и считываются универсальными головками с поверхностей
вращающихся магнитных дисков. Многиепользователи считают накопители на жестких
дисках самыми хрупкими и ненадежными узлами компьютера.
Магнитная
регистрация данных Имея представление о том, как записываются и хранятся данные
на магнитных носителях, вы быстрее сможете разобраться в работе дисковых накопителей
и более осознанно будете с ними обращаться. При записи каждого
бита (или группы из нескольких бит) на диске формируется последовательность
участков с различной намагниченностью, и, соответственно, определенным расположением
зон смены знака. Чтобы оптимальным образом расположить импульсы в сигнале записи,
используются специальные устройства — шифраторы, которые
преобразуют последовательность двоичных данных в электрические сигналы, оптимизированные
с точки зрения размещения зон смены знака на дорожке записи.
Модифицированная
частотная модуляция (MFM) Основной целью разработчиков метода MFM было сокращение
количества зон смены знака для записи того же объема данных по сравнению с FM-кодированием
и, соответственно, увеличение потенциальной емкости носителя.
Метод
RLL Этот наиболее распространенный сейчас метод позволяет разместить на диске
в полтора раза больше данных, чем при записи по методу MFM, и в три раза больше
— чем при FM-кодировании.
Сравнение способов кодирования
На рис. 14.2 показаны временные диаграммы сигналов, формируемых при записи на
жесткий диск ASCII-кода символа "X" при различных способах кодирования.
Секторы
Дорожка записи слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения
информации. При операциях записи содержимое области данных перезаписывается, а
информация, содержащаяся в заголовках и заключениях —
нет. Послеиндексный интервал нужен для того, чтобы при перемещении головки на
новую дорожку переходные процессы (установление) закончились
до того, как она окажется перед ее первым сектором. Более того, существует и третий
этап форматирования, проводимый между двумя вышеуказанными — разбиение
диска на разделы.
Организация разделов (Partitions)
При выполнении этой операции диск разбивается на области, называемые разделами,
в каждом из которых может быть сформирована своя файловая система, соответствующая
определенной ОС.
Основные узлы накопителей на
жестких дисках Сейчас выпускается много типов накопителей на жестких дисках, но
практически все они состоят из одних и тех же основных узлов. Стеклянные
диски отличаются прочностью и жесткостью, поэтому их можно сделать гораздо
более тонкими, чем алюминиевые (в 2 раза, а иногда и больше). Процесс гальванического
наращивания известен давно (хромирование и никелирование
самых разнообразных металлических деталей).
Головки
записи/воспроизведения В накопителях на жестких дисках для каждой стороны
каждого диска предусмотрена своя головка записи/воспроизведения.
Ферритовые
головки Классические ферритовые головки впервые были использованы в накопителе
Winchester фирмы IBM. Тонкопленочные головки (TF — Thin
Film) производятся почти по той же самой технологии, что и интегральные микросхемы,
т.е. с помощью фотолитографии.
Ползунок Ползунком
(slider) называется деталь конструкции, благодаря которой головка поддерживается
в подвешенном положении на нужном расстоянии от поверхности диска.
Механизмы
привода головок При всей важности головок как таковых, пожалуй, более важной
деталью накопителя является тот механизм, который передвигает их в нужное положение
и называется иногда просто приводом головок.
Шаговый
двигатель — это электродвигатель, ротор которого может поворачиваться только
ступенчато, каждый раз строго на определенный угол. Переформатирование
жесткого диска, перед началом которого надо сначала снять его резервную копию,
а затем вернуть данные обратно — процедура достаточно трудоемкая. Механизмы привода
головок с подвижной катушкой бывают двух типов: линейный
и поворотный. Поворотный привод работает по тому же принципу,
что и линейный, но в нем к подвижной катушке крепятся концы рычагов головок.Однако,
по мере распространения программ мультимедиа подобные
перерывы в работе накопителей становятся помехой в работе. Встроенные коды. Такой
метод реализации обратной связи представляет из себя улучшенный вариант системы
со вспомогательным "клином" .
Автоматическая
парковка головок При выключении питания рычаги с головками под воздействием
пружин опускаются на поверхности дисков. Фильтр рециркуляции в блоке HDA
предназначен только для очистки внутренней "атмосферы" от небольших
частиц рабочего слоя носителя, которые, несмотря на все предпринимаемые меры,
все же осыпаются с дисков при "взлетах" и "посадках" головок
(а также от любых других частиц, которые могут проникнуть внутрь HDA).
Температурная
акклиматизация жестких дисков Как уже говорилось, блок HDA плотно закрыт,
но не герметизирован; для выравнивания давления в нем предусмотрено закрытое фильтром
отверстие, через которое при необходимости воздух проходит внутрь или наружу.
Заземляющая
пластина Во многих накопителях устанавливается специальная пластина, соединенная
с общим проводом устройства и прижимающаяся к оси вращения шпиндельного двигателя.
Очень часто она оказывается источником повышенного шума.
Плата
управления В каждом накопителе, в том числе и на жестких дисках, есть, как
минимум, одна плата. Наибольшее значение имеют интерфейсные
разъемы, потому что через них передаются данные и команды в накопитель и обратно.
Лицевая панель В комплекты многих накопителей на жестких
дисках в качестве необязательных элементов Могут входить лицевые панели.
Тип
привода Накопитель с высоким быстродействием и надежностью должен удовлетворять
(помимо прочих) двум основным требованиям: В накопителях, где автоматическая парковка
не предусмотрена, ее можно произвести (перед выключением компьютера) с помощью
специальной программы. Для того чтобы получить статистически
достоверные сведения о надежности устройства, надо отобрать группу одинаковых
накопителей {выборку) и подсчитать
количество их отказов за время, как минимум,
в два раза превышающее ожидаемое
значение MTBF.
Существует еще один параметр, по которому можно оценить быстродействие — среднее
время доступа, отличие которого от времени поиска заключается в том, что при его
измерении учитывается запаздывание (latency).
Программы
кэширования и встроенный кэш Быстродействие дискового
накопителя можно существенно повысить, если воспользоваться специальными программами
кэширования, например, SMARTDRV (DOS) или VCACHE (Windows 95).
Выбор коэффициента
чередования Говоря о быстродействии накопителей, нельзя обойти молчанием
вопрос о чередовании секторов. Расположение секторов на диске, подобное тому,
что показано на рис. 4.12, называется чередованием {interleave)
и обычно описывается коэффициентом (соотношением). В табл. 14.8 приведены скорости
передачи данных, рассчитанные для различных комбинаций параметров накопителей
и разных коэффициентов чередования.
Смещение секторов
(skewing) Большинство из имеющихся на сегодняшний день контроллеров могут работать
с коэффициентом чередования 1:1 (в первую очередь это относится к IDE и SCSI-устройствам).
Благодаря этому создается запас времени, в течение которого осуществляется
переключение головок и выполняются вспомогательные операции в контроллере.
Вычисление коэффициентов смещения. Оптимальное значение коэффициента послойного
смещения HSF (Head-Skew Factor) можно вычислить по следующей
формуле
Противоударная подвеска В большинстве
современных накопителей на жестких дисках используются блоки HDA с противоударной
подвеской, в которых между корпусом накопителя и каркасом, на котором монтируются
остальные узлы, устанавливается резиновая прокладка. Поэтому, в зависимости от
обстоятельств, одна и та же аббревиатура MB может обозначать разные
единицы измерения.
Рекомендации по выбору накопителя
Если вы собираетесь установить в свой компьютер новый жесткий диск, я бы посоветовал
вам исходить из следующих требований. Далее будут рассмотрены стандартные контроллеры
и принципы работы с ними; будет рассказано также о возможностях
их замены на более быстродействующие устройства.
Интерфейс ST-506/412
был разработан фирмой Seagate Technologies в 1980 г.Выходной
сигнал шифратора/дешифратора в режиме записи, равно как и входной в режиме воспроизведения,
является аналоговым. Линии 25-29 в кабеле управления
на участке между разъемами для накопителей С и D обычно
переставляются в обратном порядке (перекручиваются). Конфигурирование накопителей
ST-506/412.В каждом накопителе ESDI и ST-506/412 должны быть соответствующим образом
сконфигурированы два элемента: перемычка выбора накопителя
DS и нагрузочные резисторы.Нагрузочные резисторы. Накопители
ST-506/412 всегда выпускаются с установленными при сборке нагрузочными резисторами.Первые
8-разрядные контроллеры. Первым контроллером, выполненным в стандарте ST-506/412,
стал контроллер жесткого диска емкостью 10 М, устанавливавшийся в компьютерах
IBM XT.
Интерфейс ESDI представляет из себя
специализированный интерфейс жестких дисков, разработанный фирмой Maxtor; он был
признан в качестве стандартного в 1983 г.
Конфигурирование ESDI-накопителей
Интерфейс ESDI был во многом скопирован с ST-506/412, поэтому
почти все элементы и способы конфигурирования у них одинаковые.Объединение
контроллера и накопителя освободило разработчиков от необходимости строго
следовать жестким стандартам, что было неизбежно при использовании прежних
интерфейсов.
Интерфейсы IDE для различных системных шин Существуют три
основные разновидности интерфейса IDE, рассчитанные на взаимодействие
с тремястандартными шинами :
AT Attachment (ATA) IDE (16-разрядная
шина ISA);
XT IDE (8-разрядная шина ISA);
MCA IDE (16-разрядная
шина МСА).АТА IDE-накопители
То, что можно сейчас назвать прототипом АТА
IDE-накопителя, а также 40-контактный IDE-разъем, были разработаны совместными
усилиями фирм CDC, Western Digital и Compaq.
Управляющие
сигналы интерфейса АТА. Сейчас мы подробнее рассмотрим назначение некоторых
наиболее важных сигналов управления, подводимых к выводам разъема.Команды интерфейса
АТА. Одним из преимуществ интерфейса АТА IDE является его расширенная система
команд.
Простейшие IDE-накопители. Напомним,
что, согласно требованиям АТА, любой встроенный контроллер должен реагировать
на любую из восьми команд стандартного для контроллера WD1003 набора точно так
же, как и прототип. Интеллектуальные IDE-накопители. Появившиеся
позднее IDE-накопители стали называть интеллектуальными. Увеличение емкости накопителей.
По сравнению с исходным стандартом ATA/IDE, максимальная
емкость EIDE-накопителей существенно увеличена.Адресация логического блока (LBA).
В этом режиме все секторы нумеруются подряд, без разделения по трем "координатам"
(цилиндр, головка, сектор).
Интерфейс AT API.
Этот интерфейс был разработан для того, чтобы накопители на CD-ROM, магнитной
ленте и подобные устройства можно было подключать к обычному ГОЕ-разъему. Если
вам попался компьютер с Y-соединением, внимательно проверьте обе
ветви кабеля. Перемычка C/D определяет, является ли накопитель ведущим (обозначен
буквой С) или ведомым (D). Имейте в виду, что в компьютерах
PS/2 моделей 25 и 30 используется другая разновидность
интерфейса IDE. Хотя в большинстве этих компьютеров сейчас устанавливаются SCSI-устройства,
некоторое время назад IBM выпускала компьютеры с МСА
IDE-накопителями.Шина SCSI внесла большую сумятицу в мир IBM-совместимых компьютеров
именно из-за отсутствия стандартов на основные адаптеры, программные интерфейсы
и способы BIOS-поддержки подключенных к шине SCSI накопителей
на жестких дисках.
Стандарты SCSI Института ANSI
Стандартом SCSI определяются физические и электрические параметры параллельной
шины ввода/вывода, соединяющей компьютер с периферийными устройствами (геометрически
они выстраиваются в последовательную цепочку — "гирлянду").
Конструкции
SCSI-накопителей Напомним, что SCSI — это не дисковый интерфейс, а шина, к
которой могут подключаться интерфейсные адаптеры, соединенные в свою очередь с
контроллерами накопителей или других устройств.На рисунках 14.15 и 14.16 показаны
блок-схемы плат управления накопителей WD-АР4200 (АТА
IDE-накопитель емкостью 200 М) и WD-SP4200 (SCSI-накопитель с такой же емкостью)."WD42C22
представляет из себя набор быстродействующих основных функциональных узлов, необходимых
для построения контроллера жесткого диска.
Однопроводныс
и дифференциальные шины SCSI Обычная шина SCSI является однопроводной, т.е. для
передачи каждого сигнала используется одиночный провод.
Fast SCSI. Между устройствами этого типа осуществляется синхронная
передача данных с удвоенной скоростью.
Кабели
и разъемы SCSI Требования к кабелям и разъемам в стандарте SCSI довольно жесткие.
Кабели и разъемы однопроводной шиныSCSI. Однопроводная шина интерфейса SCSI получила
наибольшее распространение. Назначение выводов внешнего
60-контактного экранированного разъема интерфейса SCSI в
компьютерах PS/2. Кабель типа Q (для однопроводной шины)
используется для организации 32-разрядной шины SCSI, причем только совместно с
кабелем типа Р. Дифференциальная шина SCSI. Эта шина SCSI почти не используется
в персональных компьютерах, но очень широко распространена в мини-системах,
поскольку позволяет организовывать связь между устройствами, разделенными большими
расстояниями. 32-разрядные SCSI-устройства встречаются крайне
редко. Согласование линий связи. Все линии любой шины должны быть согласованы
на обоих концах, и шина SCSI не является исключением.
Конфигурировать
SCSI-накопители несложно, особенно по сравнению с IDE-устройствами,
и эта процедура оговорена стандартом SCSI.Согласование. Правило
для шины SCSI очень простое — она всегда должна быть согласована с обоих концов.Дополнительная
настройка режимов работы. В SCSI-накопителе могут быть установлены
дополнительные перемычки для выбора следующих рабочих режимов
Соглашение
о режиме синхронизации. Шина SCSI может работать в двух режимах: асинхронном
(принимается по умолчанию) и синхронном.
Драйверы SCSI Для работы
любого периферийного устройства (кроме дисковых накопителей), которое подключается
к шине SCSI, нужна специальная программа-драйвер.
Быстродействие
Сейчас в большинстве персональных компьютеров устанавливаются АТА IDE-накопители,
что объясняется их дешевизной и высокой производительностью.Архитектура SCSI-накопителей
значительно сложнее, чем у IDE-устройств, что дает им некоторые дополнительные
преимущества.
Программа полного конфигурирования,
записанная в ПЗУ адаптера. Программная настройка прерывания, адресов ПЗУ, канала
ПДП, адресов ввода/вывода, контроля четности, идентификатора SCSI ID и других
параметров адаптера. На плате нового адаптера, ближе к одному из ее краев, может
быть установлен согласующий модуль (нагрузочные резисторы) оранжевого
цвета, аналогичный тем, что устанавливаются на 16-разрядных платах.
Интерфейсы
ST-506/413, ESDI и IDE Чтобы определить пределы емкости накопителей с интерфейсами
ST-506/412, ESDI и IDE надо сначала выяснить, сколько в них может быть цилиндров,
головок и секторов на дорожке.
Ограничения
емкости в операционных системах IBM и Microsoft утверждают, что при использовании
DOS 5 и последующих версий в системе может быть установлено до восьми накопителей
на жестких дисках. Конфигурирование накопителей подробно обсуждалось в
разделе, посвященном интерфейсам жестких дисков.
Адреса BIOS На платах
многих контроллеров дисков и основных адаптеров SCSI устанавливаются ПЗУ
встроенной BIOS. Прерывания Для привлечения внимания
системы к контроллерам накопителей и основным адаптерам SCSI используются линии
запроса прерывания (ЗПр).
Каналы прямого доступа к памяти Прямой
доступ к памяти (ПДП) — это способ передачи массивов данных непосредственно
в системную память без участия центрального процессора.
Адреса
ввода/вывода Адреса В/В напоминают почтовые индексы, по которым направляются
и откуда принимаются данные и команды. Настройка АТ-систсм под конкретные типы
накопителей Если вы имеете дело с компьютером типа AT, в котором "обслуживанием"
жесткого диска занимается системная BIOS, вам нужно для начала выяснить, какие
накопители включены в таблицу автоматически поддерживаемых устройств. В инструкции,
прилагаемой к накопителю XT-1140 сказано, что среднее время
поиска возрастает в том случае, если период следования импульсов перемещения
головок превышает 13 мкс. Таблицы типов накопителей в IBM AT. Чтобы избавиться
от необходимости всякий раз устанавливать на платах
контроллеров жестких дисков свои ПЗУ BIOS, IBM стала вводить соответствующие программы
и параметры в ПЗУ системной BIOS. В табл. 14.37 приведены типы
и параметры накопителей, записанные в системных BIOS компьютеров AT и PS/2
с контроллерами ST-506/412 (стандартными или IDE). Количество
доступных типов накопителей в различных версиях IBM BIOS.
Модификация
таблицы типов накопителей. В большинстве IBM-совместимых компьютеров в таблицах
заполнены 47 строк, но в компьютере IBM AT выбор значительно меньше. Выбор типа
накопителя в компьютерах типа XT. За прошедшие годы в контроллерах жесткого диска
IBM XT устанавливались ПЗУ двух разных типов, но и в том, и в другом случае таблица
состояла всего из четырех строк, т.е. во встроенной
BIOS были предусмотрены только четыре стандартных типа накопителей. Поля зоны
парковки и количества секторов на. дорожке ("Сект./дор.") в контроллере
диска емкостью 10 М не определяются, и в каждой строке
записано значение 00h. Далее мы рассмотрим процесс установки подобного контроллера
OMTI 5502A-10 фирмы Scientific Micro Systems (SMS),
который позволяет получить в компьютерах IBM PC и XT коэффициент чередования,
равный 2:1. Чтобы запустить программу автоматического конфигурирования, надо выполнить
следующие действия.
Предварительные соображения При низкоуровневом
("истинном") форматировании на диске формируются
дорожки и секторы. Температура. Информация, содержащаяся в заголовке и заключении
сектора, записывается заново или полностью изменяется только при низкоуровневом
форматировании. Рабочее положение накопителя. Еще одно существенное
соображение, относящееся к рассматриваемой сейчас теме: накопитель всегда
должен форматироваться в том положении, в каком он будет смонтирован в компьютере.
Поиск и маркировка дефектов — одна из важнейших операций
при низкоуровневом форматировании. Список заводских дефектов. Поверхности
новых жестких дисков проверяются с помощью сложной аналоговой измерительной
аппаратуры. Программы анализа поверхности являются разрушающими, поскольку в
каждый сектор (кроме тех, что уже отмечены как дефектные) записываются новые
контрольные данные. Бездефектные накопители. Несмотря на то, что некоторые фирмы
рекламируют свои накопители как бездефектные, это чистой воды блеф
Интерпретация результатов проверки накопителя по команде CHKDSK
не всегда бывает столь очевидна. Программы расширенной диагностики для предыдущих
моделей можно приобрести отдельно. Существует несколько подходов к программному
низкоуровневому форматированию накопителей Программа
HDtest. Это хорошая программа, работающая на уровне
BIOS. Нестандартность интерфейса АТА стала причиной появления
некоторых мифов об IDE-накопителях. Программы неразрушающего форматирования. В
большинстве случаев, когда нужно провести настоящее низкоуровневое форматирование,
универсальные неразрушающие программы, работающие на уровне BIOS (например, Calibrate
и SpinRite), использовать не следует. Программа
FDISK. Эта программа принята в качестве стандартного "инструмента"
для разбиения накопителей на жестких дисках.Ключ /MBR словно специально предназначен
для уничтожения вирусов, заражающих главный загрузочный сектор диска (цилиндр
0, головка 0, сектор 1).
Другие программы разбиения
дисков. После появления DOS 4.0 интерес к вспомогательным
программам разбиения дисков практически пропал, и теперь они могут понадобится
только в исключительных случаях.Для управления накопителем с нестандартным разбиением
используются специальные резидентные программы-драйверы, обычно загружаемые из
файла CON FIG.SYS. Если программа вызывалась с ключом
/S, то на диск копируются системные файлы (IBMBI0.COM
и IBMD0S.COM или I0.SYS и MSDOS.SYS — в зависимости от типа используемой DOS)
и файл СОМ-MAND.COM. Поиск неисправностей и ремонт накопителей на жестких дисках
Если
неисправность возникает в закрытом блоке HDA, отремонтировать
накопитель почти невозможно. Ошибки с кодами 17хх свидетельствуют о неисправностях
накопителей и контроллеров с интерфейсом ST-506/412, с кодами
104хх — о неисправностях тех же устройств с интерфейсом ESDI, a с кодами 210хххх
— о неисправностях накопителей и основных адаптеров SCSI. "Залипание"
дисков
После нарушений контактов в кабелях питания и неисправностей блоков
питания наиболее часто встречающейся причиной, по которой перестают вращаться
диски накопителей является трение покоя или, попросту говоря, "залипание".При
выходе электромагнита (или схем управления) из строя тормозной рычаг остается
прижатым к маховику шпиндельного двигателя, препятствуя
его вращению. На этих платах монтируются электронные схемы, необходимые для управления
пиндельным двигателем и приводом головок, а также передачи
данных в контроллер.