Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) — таково полное название устройств хранения данных, без которых сегодня немыслим ни один компьютер. Вероятно, вам знакомо и неофициальное прозвище упомянутых устройств — винчестер. Что общего может быть у названия ружья и накопителя данных? Почему именно винчестер? Одна из версий происхождения этого названия такова: первый накопитель, изготовленный фирмой IBM, состоял из двух дисков по 30 Мбайт каждый, а запись «30-30» у кого-то из сотрудников фирмы вызвала ассоциацию с калибром ружья «винчестер». Так или иначе, но название «винчестер» прижилось, и теперь его можно часто услышать в фразах типа «винчестер ST51080 объемом 1 Гигабайт». В дальнейшем я тоже буду использовать слово «винчестер» в качестве синонима жесткого диска.

Как компонент персональных компьютеров IBM (PC), жесткие диски начали использоваться в начале 80­х годов. Первые винчестеры компоновались дисками диаметром 5.25 дюйма (в настоящее время большинство винчестеров для PC использует диски 3 дюйма) и имели объем 5 Мбайт. Сегодня такие цифры выглядят весьма странно, но в 1980 году первый винчестер от фирмы Seagate Technology был чудом техники: емкостью 5 Мбайт при скорости передачи данных 5 Мбит в секунду (с тех пор этот показатель увеличился более чем в 20 раз). Динамично развиваясь, технология производства жестких дисков позволила к 1983 году создать винчестеры емкостью 10 Мбайт, которыми комплектовались PC IBM PC/XT, затем в 1984 году были созданы модели емкостью 20 Мбайт. К настоящему времени емкость жестких дисков стандартных моделей для PC лежит в пределах от 1 до 8 Гбайт.

По ходу дальнейшего изложения я буду иногда ссылаться на программный комплекс HDD UTILity, поэтому немного расскажу о нем. Этот программный комплекс является бесплатно распространяемым самостоятельным программным продуктом, предназначенным для выполнения следующих задач:

• диагностика винчестера,
• определение скоростных характеристик винчестера,
• определение характеристик надежности и выработки ресурса винчестера,
• изменение параметров работы винчестера,
• получение максимально полной информации о винчестере,
• создание точных копий «образов» винчестера,
• а также для выполнения ряда других функций.

На сегодняшний день HDD UTILity версии 2.3 является одним из самых мощных комплексов своего класса, однако следует заметить, что комплекс разрабатывался в расчете на его применение специалистами в области обслуживания винчестеров, и неподготовленному пользователю может показаться сложным и запутанным. Если вас не пугают трудности, можете посетить Web­страницу, посвященную комплексу HDD UTILity, по адресу http://www.maket.ru/hddutil.

Что же представляет собой современный винчестер? Он состоит из двух компонентов: печатная плата и герметичный корпус (гермоблок), внутри которого и находятся магнитные диски. Вся электроника, за исключением предусилителей, располагается на печатной плате (Printed Circuit Board), а вся механика внутри гермоблока.

Магнитные диски и
корпус винчестера

Гермоблок служит для защиты и крепления магнитных дисков — носителей информации. Магнитные диски изготавливают, как правило, из легких металлов (алюминий), иногда из керамики. Диски с обеих сторон покрыты слоем окиси хрома (ранее использовались кобальт, оксид железа), толщина которого составляет менее 10 микрон. За рубежом диски, использующие напыление, носят название «thin film». Их магниточувствительный слой и является носителем информации, на нем информация представляет собой магнитные поля, создаваемые мельчайшими участками напыленного слоя. Считывающая головка, попадая в поле, создаваемое участком магнитного покрытия, формирует электрический сигнал, так как является проводником, находящимся в магнитном поле. Этот сигнал соответствующим образом обрабатывается и передается далее по интерфейсу.

Наиболее распространенным методом записи является так называемый метод «невозвращения к нулю» (Non Return Zero — NRZ). Запись по этому методу осуществляется с помощью изменения направления тока в обмотке записывающей головки, что позволяет менять магнитную полярность мельчайших участков напыленного слоя. Таким образом, была получена возможность представлять биты информации: если при считывании за определенный промежуток времени полярность проходящих под считывающей головкой участков менялась (меняя при этом направление тока, возникающего в считывающей головке), то это соответствовало логической единице, если смены полярности не происходило — логическому нулю. При всем этом смена полярности с положительной на отрицательную или наоборот не играет роли. Далее я буду принимать NRZ за основной метод записи данных.

Чтобы повысить плотность записи и увеличить надежность считывания, оказалось необходимым ввести «кодирование» — алгоритм преобразования данных в тот вид, в котором они будут записаны на поверхность. Наиболее распространенными на сегодняшний день являются модификации метода ARLL (Advanced Run Limited Length). Для приблизительного представления о принципе его работы кратко напомню о методе­предшественнике — RLL (Run Limited Length). Суть RLL состоит в следующем: каждый входящий байт, состоящий из 8 бит, разделяется на две 4­битные части, затем каждая из частей преобразуется в специальный 5-битный код. Особенность этого кода в том, что каждое число в нем содержит минимум одно изменение направления потока. Не вдаваясь в технические подробности, скажу, что использование RLL дает возможность отказаться от синхроимпульсов и тем самым повысить плотность записи и скорость считывания. Модификацией RLL является ARLL. В нем, помимо логического уплотнения, использовано физическое, а цифры, стоящие в названии метода (например RLL 3,9), указывают минимальное и максимальное количество идущих подряд логических нулей между двумя соседними единицами в блоке данных.

Как известно, записанные на магнитной поверхности данные группируются в последовательности, называемые секторами. Сектор является тем минимальным объемом данных, который винчестер может передать или принять от компьютера. Они физически расположены на диске на концентрических окружностях. Совокупность секторов, расположенных на окружности одного радиуса, называют дорожкой (track), а совокупность дорожек, расположенных на окружности одного радиуса, но на разных дисках или на разных сторонах одного диска, называют цилиндром (cylinder). Таким образом, любой сектор на диске можно однозначно адресовать, указав, на каком цилиндре и под какой головкой он находится.

Как видно из рис. 1, физическая длина дорожки на внешнем радиусе больше, чем на внутреннем. Соответственно на внешнем радиусе можно записать большее количество секторов, поэтому современные винчестеры применяют так называемый Zoned Bit Recroding метод. При его использовании на внешних радиусах количество секторов на дорожке максимальное, и, чем ближе дорожка располагается к центру, тем меньше секторов она содержит. Получить информацию о ZBR­геометрии на вашем винчестере можно с помощью HDD UTILity. По ряду технологических причин не вся магнитная поверхность дисков задействована под хранение данных, а только та часть, которая располагается на средних радиусах. Эта часть называется рабочей зоной.

Рис. 1

Механический аспект работы магнитных поверхностей очень прост: под пакетом магнитных дисков расположен запрессованный в корпус гермоблока двигатель шпинделя, служащий для обеспечения вращения дисков с постоянной скоростью. Типичные значения скорости вращения дисков — 3600, 4000, 4500, 5200, 5400, 7200 оборотов в минуту.

Головки чтения/записи

Как показано на рисунке 2, головки крепятся на металлическом коромысле, подвижном относительно магнитных дисков. Во время работы двигателя вращающиеся магнитные диски создают воздушный поток, который образует «воздушную подушку» между головкой и поверхностью. При остановке двигателя шпинделя коромысло автоматически (как правило, под давлением потока воздуха от еще вращающихся дисков) отводится в так называемое парковочное положение, в котором оно фиксируется специальным замком или магнитной защелкой. В этом положении головки выводятся из рабочей зоны, предотвращая возможный контакт между коромыслом и поверхностью диска, тем самым защищая уязвимую рабочую поверхность. «Парковочная» зона расположена, как правило, ближе к оси шпинделя.

Рис. 2

Позиционер (устройство, позиционирующее головки чтения/записи над диском) с коромыслом перемещается вдоль магнитных дисков в современных винчестерах с помощью электромагнита. В хвостовой части позиционера находится катушка, прикрытая сверху и снизу жестко закрепленными на гермоблоке магнитными пластинами, которые служат статором. При пропускании тока через обмотку катушки позиционер начинает отклоняться с определенным ускорением, а направление его отклонения можно менять изменением направления тока в обмотке позиционера. Такая схема управления носит название Voice Coil.

Обычные считывающие головки использовали принцип возникновения ЭДС при прохождении проводника (считывающей головки) через магнитное поле или при изменении напряженности этого поля. Такие головки называются индуктивными. В 1990 году фирмой IBM были впервые применены магниторезистивные головки (MR­head). Принцип их действия заключается в использовании материалов, изменяющих свое электрическое сопротивление при изменении напряженности окружающего магнитного поля. Такой подход позволил решить, как минимум, две проблемы: повышение надежности чтения и плотности записи информации.

Другим нововведением в технологию чтения данных с диска явился метод Partial Response Maximum Likelihood, метод максимального правдоподобия при неполном отклике. При традиционном способе записи на диск приходилось добавлять к полезной информации служебную, чтобы обеспечить надежность считывания. Типичным было соотношение 2 — 3, то есть для записи двух символов приходилось записывать три символа (2 полезных + 1 служебный). Применение PRML позволило уменьшить это соотношение до 16 — 17.

Такая технология использует улучшенную цифровую фильтрацию данных, позволяя определять, какая именно последовательность бит была наиболее вероятно записана на диске.

Принципы позиционирования головок

В реальной работе винчестеру приходится читать данные с поверхности. Для этого он должен знать, где в настоящий момент находятся головки и куда ему необходимо их переместить. С этой целью на поверхности дисков записана сервоинформация, уникальная для каждой дорожки и каждого сектора с данными, представляющая собой «адрес» сектора. В современных винчестерах сервоинформация хранится на той же поверхности, на которой хранятся данные (embedded servo). В качестве примера реализации современных методов позиционирования приведем систему, используемую компанией Quantum Corporation в моделях Fireball ST (Stratus).

Сервоинформация расположена на каждой дорожке каждой поверхности. В этом случае отпадает необходимость использования специальной головки для ее чтения, так как эту роль играют считывающие головки. Участки с записанной сервоинформацией (wedges — клин) расположены равномерно по всей поверхности, как спицы колеса. На каждую дорожку приходится по 84 участка с этой информацией. Таким образом, на несколько подряд идущих секторов приходится один «клин», состоящий из четырех полей: синхронизации, сервометки адреса, номера дорожки и поля Burst. Для разделения полей используется временная синхронизация. Винчестер использует безиндентификационный формат записи секторов, т. е. каждому сектору ставится в соответствие его дескриптор. Дескриптор содержит, в частности, следующие поля: поле четности, номер «клина» (после которого располагается сектор и время, за которое сектор должен подойти под головку после того, как был обнаружен нужный «клин»), а также два поля для «счетчика разрыва». Достаточно в общих чертах представить себе схему поиска нужного сектора: контроллер выясняет «клин», после которого находится нужный сектор, затем его значение сравнивается с внутренним счетчиком форматтера, который отслеживает текущую сервоинформацию. При совпадении контроллер отсчитывает промежуток времени, указанный в поле времени дескриптора, и начинает читать данные с поверхности.

Единственным еще не рассмотренным нами элементом, находящимся внутри гермозоны, является предусилитель. Такое, на первый взгляд странное, его расположение (внутри гермоблока, а не на печатной плате, рядом со всей остальной электроникой) объясняется очень просто: предусилитель должен располагаться как можно ближе к считывающей и записывающей головкам для сокращения тракта головка—предусилитель и уменьшения наводящихся на него помех. С предусилителей сигнал идет по ленточному шлейфу на печатную плату, где и преобразуется в тот вид, в котором он представляется компьютеру.

Электронные компоненты винчестера,
размещенные на
печатной плате

Типовая для современных винчестеров блок-схема в упрощенном виде показана на рис. 3.

Функции показанных на рисунке основных узлов электроники винчестера:

m­контроллер управляет ресурсами всех остальных узлов, а также отвечает за механизм выбора головки;

контроллер диска и интерфейса состоит из нескольких элементов и работает под управлением m­контроллера.

Входящие в состав m­контроллера основные элементы, не показанные на рисунке:

Аналого-цифровой преобразователь декодирует информацию о местоположении головки в цифровой вид и передает ее сервоконтроллеру.

Рис. 3

Сервоконтроллер содержит цифро-аналоговый преобразователь. Управляет широтно-импульсной модуляцией сигнала, тем самым отвечая за управление позиционированием головок относительно магнитных дисков.

Блок коррекции ошибок служит для коррекции возникающих ошибок. Как правило, использует код Рида—Соломона.

Форматтер управляет частью процесса чтения/записи, контролируя сигналы Read и Write Gate. Передает данные предкомпенсатору.

Контроллер интерфейса — самая «близкая» к компьютеру часть электроники винчестера, отвечающая за обмен данными с компьютером и управление шиной.

Микросхема чтения/записи состоит из нескольких элементов и работает под управлением контроллера диска и интерфейса; обеспечивает предкомпенсацию записываемых данных и работу канала чтения. Входящие в его состав основные элементы, не показанные на рисунке:

Операционный усилитель принимает сигнал с предусилителя чтения, усиливает его и передает на фильтр Баттерворта.

Предкомпенсатор осуществляет конечное преобразование данных перед записью их на магнитный диск. Преобразованные данные поступают на предусилитель записи и затем на записывающую головку.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляет быстрое преобразование отфильтрованного сигнала при операции чтения в цифровую последовательность.

Детектор Виттерби преобразует данные с ЦАП (цифро-аналогового преобразователя) в поток двоичной информации.

В случае использования PRML микросхема чтения/записи также включает в себя узел, выполняющий преобразование PRML-кода в NRZ-код. В реальной работе винчестер обменивается данными с компьютером блоками длиной в один сектор, что составляет 512 байт. При запросе на чтение сектора винчестер читает его с поверхности магнитного диска и передает в кэш-память, которая представляет собой оперативную память с малым временем доступа.

Как правило, под кэш отводится только часть памяти, установленной на печатной плате. Оставшуюся часть обычно занимает микропрограмма (firmware) — программа, управляющая общим функционированием винчестера. Версию микропрограммы вашего винчестера, а также размер кэш-памяти можно определить с помощью комплекса HDD UTILity.

Одна из задач, решаемая микропрограммой,— увеличение общей скорости работы винчестера с использованием доступной кэш­памяти. Рассмотрим несколько основных методов подобного увеличения.

Метод 1. Упреждающее чтение
(Read Look Ahead).

Допустим, компьютеру понадобилось прочитать сектор с номером 1. Передав винчестеру запрос на прочтение этого сектора, компьютер ожидает, пока винчестер найдет и прочитает его с магнитной поверхности и передаст в кэш­память. После этого компьютер начнет забирать данные из кэш­памяти. Пока идет этот процесс, микропрограмма заставляет винчестер прочитать в свободную кэш­память сектор с номером 2. Компьютер, получив сектор 1, с высокой степенью вероятности (в силу принципов размещения данных на диске) затребует сектор 2, который к тому времени уже тоже находится в кэш­памяти. Теперь винчестер может не тратить время на поиск и прочтение сектора, а сразу приступить к передаче его компьютеру.

Метод 2. Кэширование операций записи.

Предположим, компьютеру необходимо что-либо записать на винчестер. Для этого он сначала передает запрос на запись, а затем и сами данные, которые необходимо записать. Жесткий диск без кэширования операций записи принимает эти данные в память, ищет нужный сектор и записывает в него данные. Винчестер с кэшированием операций записи примет данные в кэш и немедленно сообщит компьютеру о завершении операции записи, тем самым позволяя ему заниматься другими задачами, и лишь после этого проведет фактическую запись данных на диск.

Метод 3. Адаптивная сегментация кэш-памяти.

В приведенных выше примерах говорилось о том, что принимаемые или передаваемые данные хранятся в кэш-памяти. При статической сегментации кэш-память разделяется на фиксированное число независимых частей — сегментов. Предположим, что таких частей две. Теперь винчестеру необходимо прочитать данные из сектора 1, затем записать другие данные в сектор 155. При чтении будет применен метод 1, т. е. в первый сегмент попадет сектор 1 и следующий за ним сектор 2. После этого винчестеру будет необходимо записать данные в сектор 155. Эти данные займут второй сегмент кэш­памяти, и теперь любая операция чтения или записи вызовет вытеснение из сегмента хранящихся там данных. Чтобы этого не происходило, в большинстве современных винчестеров реализован алгоритм адаптивной сегментации, т. е. число сегментов и их размер под управлением микропрограммы становятся динамически изменяемыми, позволяя эффективнее использовать кэш-память.

Запрос на запись или чтение

Компьютер с винчестером работают под управлением специальных программ. Это может быть программа, содержащаяся в базовой системе ввода­вывода (BIOS) компьютера, внешний драйвер, тестовая или иная программа. Винчестер и управляющая программа должны работать по одному протоколу, чтобы понимать друг друга (как бы разговаривая на одном языке). Протокол, в частности, определяет набор команд для общения программы и винчестера. Существует несколько протоколов, но наибольшее распространение в персональных компьютерах получили протоколы серии ATA (AT Attachment) и его разновидность ATAPI (ATA Packet Interface). Далее будем опираться на протокол ATA как на основной. Доступ к винчестеру осуществляется через служащие этим целям порты (регистры контроллера), которых целых девять:

• регистр обмена данными,
• регистр ошибок,
• регистр счетчика секторов,
• регистр номера стартового сектора,
• регистр номера цилиндра (младший байт),
• регистр номера цилиндра (старший байт),
• регистр выбора устройства и головки,
• регистр команд (при записи в него) или регистр состояния винчестера (при чтении из него),
• альтернативный регистр состояния.

Регистр обмена данными 16-разрядный, остальные — 8-разрядные.

Во врезке представлен упрощенный алгоритм действий программы и винчестера при возникновении ситуации, когда «компьютер передает запрос на чтение сектора 1, находящегося по адресу: 2-й цилиндр, 3-я головка, 4-й сектор от начала дорожки».

Быстродействие винчестера является очень важной характеристикой, однако его невозможно определить только одной цифрой, поэтому для описания скорости работы винчестера принято использовать несколько параметров:

Скорость вращения магнитных дисков. Чем выше скорость вращения дисков, тем быстрее с него можно считывать информацию и тем меньшее время необходимо ждать винчестеру, пока нужный сектор попадет под считывающую головку. Подавляющее большинство современных винчестеров использует скорости 4500, 5400, 7200 оборотов в минуту.

Среднее время запаздывания — время, которое напрямую связано со скоростью вращения дисков и представляет собой среднее время ожидания подхода сектора под головку при условии нахождения головки над нужной дорожкой.

Скорость чтения с магнитных дисков зависит от скорости вращения дисков, методов записи и ряда других параметров.

Скорость передачи данных из кэш­памяти винчестера в оперативную память компьютера. В идеальном случае эта скорость должна быть выше, чем скорость чтения с магнитных дисков. Зависит от тактовой частоты, на которой работает шина, по которой передаются все данные, и от режима обмена (кэш­память винчестера <-> память компьютера). На сегодняшний день приняты следующие основные режимы обмена: PIO (Programmed Input/Output) и DMA (Direct Memory Access). Иллюстрацией режима PIO служит приведенный выше пример. В случае использования DMA (непосредственного доступа в память) контроллер винчестера самостоятельно обменивается данными с памятью компьютера, освобождая ресурсы процессора. На сегодняшний день большинство винчестеров использует следующие режимы обмена: PIO4 (максимальная теоретическая скорость обмена 16.6 Мбайт/с), MultiWord DMA2 (максимальная теоретическая скорость обмена 16.6 Мбайт/с) и UltraDMA33 (максимальная теоретическая скорость обмена 33 Мбайт/с).

Компания Quantum Corporation решила не останавливаться на достигнутом и уже предложила к использованию режим UltraDMA66.

Среднее время доступа к сектору. Обычно этот параметр трактуется как среднее время, которое затрачивает винчестер на поиск и чтение в кэш-память требуемого сектора. Чем быстрее винчестер прочитает сектор в свою память, тем быстрее он сможет передать его компьютеру.

Среднее время поиска дорожки — среднее время, которое затрачивает винчестер на поиск дорожки, содержащей нужный сектор.

Среднее время перехода с последнего сектора одной дорожки на первый сектор следующей. Для уменьшения этого времени (Track Skew Time) первый сектор каждой следующей дорожки располагают «со смещением» относительно последнего сектора предыдущей дорожки. Это смещение выбирается исходя из расчета худшего (максимального) времени, необходимого на переключение головки и прохождение первой сервометки (wedge) под этой головкой при минимальной допустимой скорости вращения дисков. Для реализации этого принципа в контроллере диска существует так называемый Wedge Skew Register. При переходе на новую дорожку контроллер рассчитывает необходимое временное смещение и добавляет его в поле 2 дескриптора сектора, «сдвигая» тем самым первый сектор. Аналогичный параметр существует и для случая перехода с цилиндра на цилиндр.

Кроме быстродействия, очень важна надежность работы винчестера в целом и его компонентов. Для определения надежности используют такие параметры, как теоретическое MTBF (Mean Time Between Failures — среднее время между сбоями) и практическое MTBF.

Теоретическое MTBF измеряется в часах и означает среднее время, за которое он может выйти из строя. Изначально теоретическое MTBF моделируется с помощью математических моделей, а затем, по мере поступления данных о выходе винчестеров из строя, модели подстраиваются более точно. Практическое значение MTBF рассчитывается позже, когда определенное, достаточно большое количество винчестеров возвращено на ремонт, при этом учитываются все случаи возврата. Очевидно, что теоретическое MTBF оказывается выше практического, и, помимо MTBF, производители винчестеров часто указывают минимальное гарантируемое количество остановов/разгонов шпинделя (Start/Stop cycles). На сегодняшний день приемлемым для обычных винчестеров считается более 40 тыс. циклов.

Для дополнительного контроля за состоянием винчестера группой фирм­разработчиков была предложена технология самослежения винчестера за своими основными характеристиками, получившая название S.M.A.R.T (Self Monitoring, Analysis and Reporting Technology — технология самослежения, анализа и отчета), которая работает следующим образом. Для каждой модели существуют до 30 параметров (атрибутов), характеризующих текущее состояние накопителя. Каждый атрибут имеет свой номер (идентификатор) и хранится в энергонезависимой памяти винчестера. Там же хранятся граничные значения для атрибутов (thresholds). При изготовлении накопителя или по специальному набору команд атрибуты устанавливаются в исходные значения. Для простоты понимания функционирования SMART приведем пример. Предположим, атрибут 3 соответствует количеству контактных старт/стоп­циклов двигателя, а соответствующий ему порог — 10. Исходное значение атрибута — 100. За каждые 2 цикла старт/стоп­значение атрибута уменьшается на единицу, т. е. после двух включений винчестера значение атрибута упадет на единицу и станет равным 99. Атрибут, который превышает соответствующий ему порог, означает нормальное функционирование винчестера и характеризует опасное или предаварийное состояние накопителя.

Как вы могли заметить, атрибут с идентификатором 5 соответствует количеству переназначенных секторов. Система переназначения дефектных секторов в общих чертах работает следующим образом. При изготовлении винчестера определенная часть рабочей магнитной поверхности почти всегда содержит «некондиционные» участки. Качество напыления на этих участках поверхности не обеспечивает надежного хранения записанной на ней информации, поэтому на поверхности отводятся специальные резервные области для замены дефектных участков. После изготовления поверхность винчестера проверяют на наличие дефектных участков и найденные плохие сектора «переназначают» на сектора из резервной области. Для хранения информации о таких переназначенных секторах в винчестере имеются так называемые дефект-листы, в которых хранится информация о том, какие сектора были дефектными и куда они переназначены. Дефект-листов, как правило, два: master-дефект-лист, содержащий записи о переназначенных секторах, найденных при изготовлении винчестера, и grown-дефект-лист, в который записи заносятся самим винчестером в процессе его жизненного цикла. Предположим, при работе винчестеру необходимо прочитать сектор 1. Участок магнитной поверхности, содержащий этот сектор, разрушился или потерял свои свойства, и попытка его прочтения привела к ошибке. Повторные попытки, предпринятые винчестером, также не увенчались успехом. В этом случае винчестер внесет в grown-дефект-лист запись о том, что сектор 1 теперь располагается не на месте дефектного участка, а на резервном месте.

Современные технологии, используемые в винчестерах, постепенно приближаются к пику своего совершенства, однако они еще не исчерпали себя, и в недалеком будущем мы станем свидетелями новых передовых достижений в этой области.