Программист увидел НЛО:
- У кого-то диск полетел...
Давным-давно, когда компьютеры были
еще очень большими, а программисты,
работавшие на них, ходили в белых
халатах, данные хранились на
перфокартах и на магнитных бобинах. Те
времена, к счастью, прошли, и теперь
даже в домашних компьютерах
установлены многогигабайтные жесткие
диски. Но одно дело знать размер "винта",
а совсем другое - понимать, как он
работает. Об этом мы и поговорим в этой
статье.
Времена идут, и все меняется.
Немало изменений претерпели в течение
своей эволюции и дисковые накопители.
Одно из первых устройств, которых с
натяжкой можно назвать гордым словом
"винчестер", было выпущено
компанией IBM - оно состояло из
нескольких отдельных блоков, а по
размерам превосходило современный
настольный ПК!
К счастью, прогресс не стоит на месте -
сегодня жесткие диски легко умещаются
на ладони. А вот внутреннее устройство
приводов со времен "программистов в
белых халатах" стало гораздо сложнее
- и механическая, и электронная части
теперь представляют собой маленькое
чудо техники. И все же, давайте
попробуем разобраться, выяснив для
начала, где хранится сама информация.
Крутится, вертится... диск магнитный
Итак, информация, записанная на
винчестер, хранится на специальном
магнитном диске. Почему именно на диске,
а не, скажем, на ленте, как в магнитофоне?
Во-первых, магнитный диск обеспечивает
несоизмеримо большую плотность записи,
благодаря особенностям его покрытия.
Он представляет собой пластину из
алюминия, керамики или стекла, на
которую нанесен слоем
высококачественного ферромагнетика. В
первых моделях использовали покрытия
на основе окислов железа и бариевых
ферритов - теперь предпочтение все чаще
отдают окиси хрома или металлическим
пленочным покрытиям. Они позволяют
достичь более высокую плотности записи
и увеличить прочность поверхности.
Последний параметр особенно важен для
винчестеров переносных компьютеров,
где велика вероятность ударов.
Вторая причина, по которой отдают
предпочтение дискам, а не ленте,
связана с простотой поиска информации.
Ведь чтобы добраться от начала до конца
дорожки в кассете, необходимо ее всю
перемотать, тогда как на диске
достаточно перейти от его края к центру.
Надежность хранения данных - тоже
немаловажный параметр: жесткий диск
легче защитить от повреждений, нежели
ленту.
Наконец, самый главный аргумент в
пользу дисков - это скорость обмена
данными - "раскрутить" ленту до тех
скоростей, с которыми работают
винчестеры, едва ли представляется
возможным. Заметим, что, в зависимости
от модели привода, скорость вращения
двигателя может составлять 3600, 4500, 5400,
7200 и более об/мин (у токарного станка и
то меньше! ).
Наращивание числа оборотов (спирт
здесь ни при чем) разработчикам дается
нелегко, особенно если учесть, что
количество дисков в некоторых моделях
достигает 10 и более! Приходится
предъявлять особые требования к
механической прочности системы,
соответствующей обработке
поверхностей ее движущихся частей, их
юстировке, самим дискам и магнитным
головкам, а также электронике.
Особое место занимает борьба с трением
- от этого напрямую зависят
долговечность и надежность всей
системы в целом. Кроме того, трение
ведет к нежелательному разогреву: во-первых,
при изменении температуры меняются
размеры деталей, что может нарушить их
точную подгонку, во-вторых, колебания
температурного режима негативно
влияют на работу электронных компонент.
А чтобы окончательно убедить Вас
хранить информацию на винчестере, а не
на кассетах (если кто-то еще
сомневается), приведем некоторые цифры.
Как известно, толщина магнитофонной
ленты составляет несколько
миллиметров, плотность записи -
примерно одна дорожка на миллиметр.
Сравните: компания Seagate (http://www.seagate.com/),
известный производитель жестких
дисков, полгода назад
продемонстрировала плотность в 4000
дорожек на мм! Скорости записи/считывания
отличаются не меньше: Килобайты и
Мегабайты в секунду.
Магнитные головки
Данные с поверхности диска считываются
непосредственно магнитной головкой. На
первый взгляд, принцип действия
магнитных головок винчестера мало чем
отличается от тех, что в обычном
магнитофоне. Действительно, при записи
головка создает магнитное поле,
намагничивая тем самым участок диска -
при считывании же, наоборот, поле диска
возбуждает сигнал в головке.
Однако магнитным головкам винчестера
приходится работать с гораздо большей
скоростью, нежели магнитофонным.
Поэтому их разработчики столкнулись с
необходимостью создания очень тесного
контакта между ними и поверхностью
носителя. Выход нашли довольно
оригинальный - головки "посадили"
на воздушную подушку! Все гениальное
просто - при вращении дисков внутри
корпуса возникает воздушный поток,
который, собственно, и приподнимает
головки над поверхностью. Однако, такая
конструкция требует парковки головок -
перемещения их за пределы рабочей
области диска (landing zone) во время
выключения компьютера. Ведь когда
винчестер выключается, диски
останавливаются, соответственно
исчезает магнитный поток и головки "падают"
на поверхность. Поэтому головки нужно
отвести в нерабочую область.
Пользователи "со стажем", наверное,
еще помнят времена, когда перед
выключением компьютера приходилось
запускать специальную парковочную
программу. Теперешним юзерам повезло
куда больше - в современных моделях все
происходит автоматически.
Однако научить "летать" головки
мало, надо еще позаботиться об их
устройстве - ведь они должны
обеспечивать качественную запись и
считывание сигнала. Раньше чаще всего
применяли индуктивные головки,
обладавшие крупным недостатком -
сигнал, снимаемый с них, сильно зависел
от скорости вращения диска.
Сегодня в арсенале разработчиков
появились уникальные
полупроводниковые материалы с так
называемым гигантским
магниторезистивным эффектом - при
небольших изменениях магнитного поля
резко изменяется электрическое
сопротивление материала. ВMRH (Magneto-Resistive
Heads) отсутствуют недостатки, присущие
индуктивным головкам, поэтому их
начали широко применять для чтения
данных. Для записи, к сожалению, они
непригодны.
Заметьте, что современные приводы
содержат несколько магнитных головок -
как правило, по одной на каждую сторону
каждого диска. Управлять и следить за
всем этим "хозяйством" совсем
непросто - для подобных целей в
винчестере есть отдельное устройство,
которое называется...
Позиционер (head positioner)
От того, насколько оперативно
позиционер справяется со своими
функциями, в немалой степени зависит
общая скорость работы привода.
Важнейший параметр - время
позиционирования головок (seek time) -
во многом зависит именно от этого
модуля.
Позиционер состоит из длинных тонких
несущих и управляющего
электромагнитного привода. Такую
систему называют коромыслом. Обмотку
привода окружает статор - неподвижный
магнит. Когда по обмотке проходит ток -
необходимой величины и полярности -
коромысло совершает поворот в ту или
иную сторону. Подобного рода
устройства называют поворотными -
головки в них перемещаются по дуге от
центра диска к периферии.
Встречаются и линейные позиционеры,
позволяющие перемещать головки не по
дуге, а по радиусу диска. Несмотря на
некоторые преимущества этой
конструкции, из-за большой
инерционности, низкой устойчивости к
ударам и вибрациям линейные
позиционеры не получили широкого
распространения.
Информация к размышлению
Всю информацию, хранящуюся на диске,
условно делят на служебную и
пользовательскую. Первая обеспечивает
нормальную работу привода и изначально
присутствует в любом современном
жестком диске - ее записывает завод-изготовитель.
Служебная информация действительно
имеет очень важное значение: сейчас и
представить себе сложно, что когда-то
диски не содержали первоначальной
разметки! Ее используют, прежде всего,
для позиционирования магнитной
головки на дорожку. В нынешних моделях
винчестеров на диски записывают
специальные сигналы - сервометки (раньше
делали иначе: коромысло укрепляли на
оси двигателя, который отрабатывал
заданный шаг между дорожками).
Сервометки служат также для
стабилизации скорости вращения
шпинделя, кроме того, в каждом HD
существует таблица перераспределения
запорченных секторов (участок дорожки).
На ней и остановимся подробнее.
Хотите Вы того или нет, но ЛЮБОЙ жесткий
диск не лишен столь устрашающих
каждого юзера bad-секторов - технология
производства винчестеров пока не
позволяет избавиться от них на все 100%.
Здесь и приходит на выручку таблица
перераспределения: при каждом
включении винт считывает ее и просто
"не замечает" битых секторов!
А вот новые bad-секторы, - те, которые не
помечены в заводской таблице - таят в
себе скрытую опасность. Обращаясь к
такому сектору, магнитная головка
многократно повторяет попытку чтения
или записи, при этом возможно
разрушение "здоровой" поверхности
диска. Это влечет за собой дальнейшее
"размножение" запорченных
секторов. Таким образом винт
постепенно приходит в негодность.
Проблему можно решить, обратившись
вовремя в ремонтную мастерскую, где Вам
соответствующим образом "перепрошьют"
таблицу.
Наконец, на диске или в его ПЗУ могут
находится параметры накопителя: его
серийный номер, модель, производитель и
т. п.
Теперь обратим Ваше внимание на
некоторые нюансы, связанные с
пользовательской информацией. "Добрые"
разработчики первого ПК оказали всем
нам сомнительную услугу, строго
определив количество разрядов, с
помощью которых адресовались данные.
Когда же появились жесткие диски
емкостью более 528 Мб (более чем с 1024
цилиндрами, или более чем с 16 головками,
или более чем с 63 секторами на дорожку),
компьютеры перестали "видеть"
дисковое пространство полностью!
Производители BIOS (Basic Input-Output System)
схватились за головы и организовали в
последующих версиях поддержку режима LBA
(Large Block Adressing). Системы
последовательно модернизировали для
работы с дисками максимальной емкостью
2.1, 4.2, а затем 8.4 Гб. В результате сегодня
в большинстве случаев используют 24-разрядную
схему адресации, ограничивающую
видимость дискового пространства
печально известными 8.4 Гб.
Для работы с накопителями большей
емкости в BIOS необходимо использовать
уже 28-разрядную схему адресации и
поддерживать так называемые
расширения INT 13h. Как свидетельствует
статистика, лишь 5% произведенных до 1998
года компьютеров удовлетворяют этим
требованиям.
Естественно, производители жестких
дисков не захотели терять
потенциальных покупателей самых емких
моделей и создали специальные
резидентные утилиты, перехватывающие
все обращения к диску и
пересчитывающие физические координаты
данных. Распространяют их бесплатно, но
- нет в мире совершенства! - они работают
только с винчестерами родного
изготовителя. Есть и универсальная
программа, но небесплатная. Приобрести
ее можно у самих создателей - компании Ontrack
(http://www.ontrack.com/).
Управляющая электроника
Вся механическая часть жесткого диска
"запечатана" в с гермоблоке.
Кстати, многие почему-то думают, что
механические детали накопителя
находятся в... вакууме, т. е. в
безвоздушном пространстве! Это не так,
однако к чистоте воздуха внутри
гермоблока предъявляют особые
требования. Он проходит очистку с
помощью специальных фильтров, ведь
даже маленькая пылинка, попавшая в
корпус блока дисков и головок, может
вызвать серьезные повреждения. Поэтому
настоятельно не рекомендуем открывать
винт или срывать с него защитные
наклейки.
Часть электроники привода находится в
блоке механики. Почему? Без этого никак
нельзя: 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.
Но здесь мы сталкиваемся с еще одним
довольно уязвимым местом винчестера:
от предусилителя к позиционеру идет
ленточный кабель или набор обычных
одножильных проводов, а они довольно
часто рвутся. Устранение подобной
неисправности, увы, обходится в
копеечку.
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.
Вся эта сложная электроника
обеспечивает управление приводами
головок и дисков. В современных моделях,
изготавливаемых в рамках программы Energy
Star, обязательно есть устройство для
отключения винчестера при отсутствии
запросов к нему и других функций
энергосбережения.
В завершение упомянем о наиболее часто
встречающихся размерах современных
винчестеров. Самый распространенный
формфактор ширины диска, конечно же, 3.5
дюйма, но можно встретить 1.8 или 5.25
дюймовые модели. Есть несколько
категорий накопителей, различающихся
по высоте: низкопрофильные (менее
одного дюйма), половинной высоты (1.63
дюйма) и полной (3.25 дюйма).
Хочется обратить Ваше внимание и на
чрезвычайную чувствительность жестких
дисков к различного рода встряскам,
толчкам и ударам. Поскольку оси
позиционера и шпинделя укрепляют на
корпусе самого винчестера, а иногда -
дополнительно - и на гермоблоке, надо
быть очень осторожным и не делать
лишних усилий при завинчивании
крепежных винтов. Это может привести к
перекосу осей и, как следствие,
неправильному позиционированию
магнитных головок. А уж такую поломку
устранить или очень сложно или вообще
невозможно! Не стоит также нагревать
приводы (некоторые пользователи,
надеясь самостоятельно починить диск,
часами нагревали его на солнце) -
высокая температуры пагубно влияет на
магнитную поверхность. Стоит ли
напоминать о недопустимости ударов
приводов - вряд ли паление со стола
приведет к увеличению емкости винта :-).
Источник: http://www.mycomp.com.ua/