Накопители на жестких магнитных дисках

Накопители на жестких магнитных дисках(НЖМД, жесткие диски, Hard Disk Drive — HDD) представляют собой устройства, предназначенные для длительного хранения информации. В качестве накопителей на жестких магнитных дисках широкое распространение в ПК получили накопители типавинчестер. Термин «винчестер» является жаргонным названием первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 год), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30/30 известного охотничьего ружья винчестер. В этих накопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и покрытых ферролаком, вместе с блоком магнитных головок считывания-записи помещены в герметически закрытый корпус. Под дисками расположен двигатель, обеспечивающий вращение дисков, а слева и справа поворотный позиционер с коромыслом, управляющим движением магнитных головок по спиральной дуге для их установки на нужный цилиндр. Емкость винчестеров благодаря чрезвычайно плотной записи, выполняемой магниторезистивными головками в таких герметических конструкциях, достигает нескольких десятков Гбайт; быстродействие их также весьма высокое: время доступа от 5 мс, трансфер до 6 Гбайт/с. Магниторезистивные технологии обеспечивают чрезвычайно высокую плотность записи, позволяющую размещать 2–3 Гбайт данных на одну пластину (диск). Появление же головок с гигантским магниторезистивным эффектом (GMR — Giant Magnetic Resistance) еще более увеличило плотность записи — возможная емкость одной пластины возросла до 6,4 Гбайт.

НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5 дюйма (89 мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода: 25 мм — у настольных ПК, 41 мм — у машин-серверов, 12 мм — у портативных ПК, существуют и другие. Внешние дорожки диска длиннее внутренних. Поэтому в современных жестких дисках используется метод зонной записи. В этом случае все пространство диска делится на несколько зон, причем во внешних зонах секторов размещается больше данных, чем во внутренних. Это, в частности, позволило увеличить емкость жестких дисков примерно на 30%.

Внешний вид НМЖД со снятой крышкой показан на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Жесткий диск со снятой крышкой

Есть два основных режима обмена данными между HDD и ОП:

q Programmed Input/Output (PIO — программируемый ввод/вывод);

q Direct Memory Access (DMA — прямой доступ к памяти).

PIO — это режим, при котором перемещение данных между периферийным устройством (жестким диском) и оперативной памятью происходит с участием центрального процессора. Существуют следующие режимы передачи: PIO0, PIO1, PIO2, PIO3, PIO4. Причем PIO0 самый «медленный», а PIO4 — самый «быстрый» (16,6 Мбайт/с). Режимы PIO в современных ПК используются редко, поскольку сильно загружают процессор.

DMA — это режим, в котором винчестер напрямую общается с оперативной памятью без участия центрального процессора, перехватывая управление шиной. Режимы DMA при интерфейсах IDEподдерживают протоколы SW (SingleWord — однословный) и MW (MultiWord — «многословный»), обеспечивающие трансфер до 66 Мбайт/с (при протоколе MW3 DMA). При интерфейсах SCSI скорость передачи может быть достигнута более высокая. Так, наиболее популярный сейчас интерфейс Ultra2Wide SCSI (Ultra2 означает работу на тактовой частоте 40 МГц; Wide — ширину шины 16 битов) обеспечивает пропускную способность 80 Мбайт/с, при этом можно подключать до 15 накопителей к одному контроллеру интерфейса. А технология FC-AL (Fibre Channel-Arbitrated Loop), использующая оптоволоконные каналы связи для жестких дисков SCSI, обеспечивает трансфер 200 Мбайт/с и возможность подключения до 256 устройств (используется, естественно, не в ПК, а в больших системах и в дисковых массивах — RAID).

Время доступа к информации на диске напрямую связано со скоростью вращения дисков. Стандартные скорости вращения для интерфейса IDE — 3600, 4500, 5400 и 7200 оборотов/мин; при интерфейсе SCSI используются скорости до 10 000 и даже до 12 000 оборотов/мин. При скорости 10 000 оборотов/мин среднее время доступа составляет 5,5 мс. Для повышения скорости обмена данными процессора с дисками НЖМД следует кэшировать. Кэш-память для дисков имеет то же функциональное назначение, что и кэш для основной памяти, то есть служит быстродействующим буфером для кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем (например, драйвером Microsoft Smartdrive) в оперативной памяти. Емкость кэш-памяти диска обычно составляет 2 Мбайт, а скорость обмена данными процессора с кэш-памятью достигает 100 Мбайт/с.

Для того чтобы получить на магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и секторы, над ним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или низкоуровневым, форматированием (physical, или low-level formatting). В ходе выполнения этой процедуры контроллерзаписывает на носитель служебную информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на секторы и нумерует их. Форматирование низкого уровня предусматривает и маркировку дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска.

Существует и технология SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) — технология самотестирования и анализа, осуществляющая автоматическую проверку целостности данных, состояния поверхности дисков, перенос информации с критических участков на нормальные и другие операции без участия пользователя. Кроме того, при появлении и нарастании серьезных ошибок, SMART своевременно выдает сообщение о необходимости принятия мер по спасению данных.

В ПК имеется обычно один, реже несколько, накопителей на жестких магнитных дисках. Однако в MS DOS программными средствами один физический диск может быть разделен на несколько «логических» дисков; тем самым имитируется несколько НМД на одном накопителе.

Большинство современных накопителей имеют собственную кэш-память емкостью от 2 до 8 Мбайт.