Накопители на жестком диске

Эволюция персональных компьютеров связана с изменениями накопителей на жестких дисках. Первые ЭВМ не имели таких накопителей.

Наименование диска — жесткий — подчеркивает его отличие от гибкого дис­ка: магнитное покрытие наносится на жесткую подложку. Термин же­сткий диск (hard disk) используется, в основном, в англоязычных странах. Пер­вый накопитель на жестких дисках был создан в 1973 г. по технологии фирмы IBM и имел кодовое обозначение «30/30» (двусторонний диск емкостью 30 + 30 Мбайт). Это кодовое обозначение совпадало с обозначением калибра леген­дарного охотничьего ружья «винчестер», использовавшегося при завоевании Дикого Запада. Такие же намерения были и у разработчиков жесткого диска; наименование «винчестер» получило широкое распространение. Винчестер – жесткий магнитный диск, располагающийся внутри центрального блока и предназначенный для долговременного хранения информации (см. рис. 3.7.).

Рис. 3.7. Основные элементы накопителя на жестких дисках

Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный ме­таллический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от час­тичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверх­ностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагни­тных помех.

Дисковод – устройство, которое содержит механизмы для вращения магнитного диска и перемещения головки чтения и записи по его поверхности.

Головка считывания-записи – магнитная головка, позволяющая осуществлять чтение и запись данных на диск.

Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы.

Механизмы – это сами диски, на которых хранится информация, головки, ко­торые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение.

Диск представляет собой круглую металлическую пластину с очень ровной поверхностью, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Технология его на­несения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Количество дисков может быть различным, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом ди­ске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить вы­соту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, посту­пающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и «запомнить».

Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших облас­тей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности пред­ставьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются домена­ми. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением.

После прекраще­ния действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточ­ной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск инфор­мация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности.

Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двига­телем, компактно расположенным под ним. Для того чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера до­лжен иметь запас по пиковой мощности.

Головки пере­мещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы «плывут» на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. Держатель головки представляет собой крыло, парящее над поверхностью, благодаря тому, что поверхность увлекает с собой частицы воздуха, создавая таким образом, набегающий на крыло поток. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками.

Дорожка – концентрическое кольцо на поверхности магнитного диска, на которое записываются данные.

Сектор – деление дисковых дорожек, представляющее собой основ­ную единицу размера, используемую накопителем. Секторы обычно содер­жат по 512 байтов.

Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех по­верхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются од­новременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми но­мерами.

Число дисков, головок и дорожек накопителя устанавливается изготовите­лем исходя из свойств и качества дисков. Изменить эти характеристики нельзя. Количество секторов на диске зависит от метода записи. Зная размер сектора, всегда мож­но рассчитать общий объем накопителя:

V = C х H х S х B,

где: C – количество цилиндров,

H – количество головок,

S – количество секторов на дорожку,

B – размер сектора.

Описанное выше деление называется низкоуровневым (LowLewel) форма­тированием. Такое форматирование нижнего уровня чаще всего выполняет изготовитель, используя специальные программные средства или команды операционной системы. Перед первым использованием дисков необходимо произвести их логическое форматирование – специальным образом инициализировать их (с помощью программы format).

Логическая структура диска определяется стандартом той или иной операционной системы. Группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер – это несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как единое целое. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Жесткий диск может быть разбит на несколько разделов (partition), которые в принципе затем могут использоваться либо одной ОС, либо различными ОС. Раздел – раздел памяти, выделяемый на жестком диске для определенного использования. На каждом разделе может быть органи­зована своя файловая система. Однако для организации даже одной-единственной файловой системы необходимо определить, по крайней мере, один раздел.

Логическая структура диска зависит от файловой системы (NTFS, FAT32 и т.д.). Основными составляющими логической структуры диска являются:

 Boot Record (загрузочная запись), отвечающая за загрузку в оперативную память основных модулей операционной системы. По физическому адресу [0-0-1] на винчестере располагается MBR (master boot record) – главная загрузочная запись. В загрузочной записи хранится информация о логических дисках и физические параметры диска.

 FAT (File allocation table) – таблица размещения файлов. FAT является линейной таб­личной структурой со сведениями о файлах — именами файлов, их атрибутами и другими данными, определяющими местонахождение файлов (или их фрагмен­тов). Элемент FAT определяет фактическую область диска, в кото­рой хранится начало физического файла. Таблица размещения файлов является очень важной информационной структу­рой. Можно сказать, что она представляет собой карту (образ) области данных, в которой описывается состояние каждого участка области данных – кластера. В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу, связываются в цепочки.

 Корневой каталог. Корневой каталог отличается от обычного каталога тем, что он, по­мимо размещения в фиксированном месте логического диска, еще имеет и фик­сированное число элементов.

 Область данных (содержимое всех файлов).

Хранение и извлечение данных с диска требует взаимодействия между опера­ционной системой, контроллером жесткого диска и электронными и механиче­скими компонентами самого накопителя.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство — контроллер жесткого диска. В прошлом оно представляло собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему постав­ляются на отдельной плате.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время боль­шинство производителей жестких дисков используют изобретенную компанией IBM технологию с использованием гигантского магниторезистивного эффекта (GMR — Giant Magnetic Resistance). Теоретический предел емкости одной пластины, исполнен­ной по этой технологии, составляет порядка 20 Гбайт. В настоящее время достигнут технологический уровень 6,4 Гбайт на пластину, но развитие продолжается.

С другой стороны, производительность жестких дисков меньше зависит от техноло­гии их изготовления. Сегодня все жесткие диски имеют очень высокий показатель скорости внутренней передачи данных, и потому их производи­тельность в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью кото­рого они связаны с материнской платой.

Кроме скорости передачи данных с производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся с частотой 5400 об/мин, среднее время доступа составляет 9-10 мкс, для дисков с частотой 7200 об/мин — 7-8 мкс. Изделия более высокого уровня обеспечивают среднее время доступа к данным 5-6 мкс.