Устройство и принцип работы HDD

Кроме того, навсегда ушел параметр Interleave (перекрытие секторов). При наличии  медленной электроники и медленных  программ сектора на дорожке было выгоднее размещать не подряд (1-2-3-4…), а с перекрытием (1-10-2-11…), с тем, чтобы при последовательном чтении к моменту, когда прочитанный сектор обработан, к головке как раз подъехал следующий, в противном случае пришлось бы ждать почти целый оборот шпинделя. Но свято место пусто не бывает: вместо перекрытия секторов появились смещения секторов и дорожек.

Переключение на соседнюю поверхность  даже в пределах одного цилиндра занимает в среднем порядка одной миллисекунды. Это время складывается из ничтожно малого времени переключения головок, производящегося электронными схемами контроллера, и времени установления головки. Дорожки, даже расположенные на разных сторонах одной и той же поверхности, в силу погрешностей изготовления находятся не строго друг под другом, а с некоторым разбросом. Для того чтобы установить головку точно на дорожку, требуется считать определенное количество сервоинформации, а на это уходит дополнительное время. Однако за миллисекунду шпиндель накопителя с частотой вращения 7200 об./мин успевает повернуться почти на одну восьмую оборота. Поэтому первый сектор следующей дорожки в цилиндре смещен относительно предыдущей примерно на 45о, что позволяет начать чтение как раз в тот момент, когда закончен процесс установки головки.

Переход к соседнему цилиндру также  требует времени (типовое значение 2-4 мс). С учетом этого первый сектор первой дорожки следующего цилиндра сдвинут относительно последнего сектора последней дорожки предыдущего цилиндра. Эти ухищрения позволяют снизить потери времени на ожидание того момента, когда нужный сектор окажется под головкой в режиме непрерывного чтения длинных файлов. К сожалению, процесс случайного чтения/записи не поддается оптимизации, поэтому необходимо проводить дефрагментацию диска, чтобы полностью реализовать заложенный в накопителе потенциал

В ранних моделях накопителей, головки которых передвигались при помощи шаговых двигателей, для устранения появляющихся ошибок чтения/записи проводилась процедура низкоуровневого форматирования (Low Level Format). При ее проведении дорожка записывалась заново точно на том месте, куда шаговый двигатель помещал головку. Это исключало ошибки позиционирования, накапливающиеся в результате работы. С увеличением поперечной плотности записи (количество дорожек на миллиметр) для перемещения головок стали использоваться магнитоэлектрические приводы, называемые звуковыми катушками (Voice Coil). Современные приводы имеют со звуковой катушкой лишь общий принцип работы (взаимодействие полей постоянного магнита и обмотки), перемещается же обмотка не вдоль собственной оси, а перпендикулярно ей. Для точного позиционирования головки используется записанная на поверхностях сервоинформация. Считывая ее, механизм позиционирования определяет силу тока, который нужно пропустить через обмотку. В первых моделях накопителей с магнитоэлектрическим приводом сервоинформация размещалась в одном месте на дорожке. Она называлась вклиненной (Wedge) сервоинформацией. Такой метод, во-первых, требовал в среднем половины оборота шпинделя для позиционирования головки, а во-вторых, не позволял компенсировать эксцентриситет дорожки. На смену ему пришла выделенная (Dedicated) сервоинформация, размещавшаяся на одной из поверхностей каждой пластины. Этот метод позволил ускорить позиционирование головок, но потери 50% емкости и неизбежный в процессе производства разброс положения дорожек на разных поверхностях привели к тому, что ему тоже пришлось искать замену.

В современных накопителях используется встроенная (Embedded) сервоинформация, распределенная между секторами. Сервоинформация  записывается на пластины один раз — во время изготовления накопителя — при помощи устройства, называемого Servowriter. Таким образом, для современных накопителей теряет смысл понятие низкоуровневого форматирования. Максимально приблизить накопитель к тому состоянию, в каком он был непосредственно после изготовления, можно при помощи утилит, записывающих нули во все сектора всех дорожек всех цилиндров.

Этим, кстати, объясняется тот факт, что с современных накопителей  можно считать информацию даже после  форматирования. Форматирование размечает заново только структуру файловой системы, но не содержимое секторов. Найдя после форматирования путем низкоуровневого чтения через BIOS сектор с интересующим содержимым, очень часто можно путем чтения последующих секторов восстановить весь файл.

В современных накопителях используются раздельные головки чтения и записи, скомпонованные в единую сборку. Это объясняется тем, что к головкам предъявляются разные требования. Одновременное удовлетворение этих требований за счет компромисса приводило в старых накопителях к снижению плотности записи. Головка записи в целом сохранила свой принцип работы: через медную катушку пропускается ток, а создаваемое магнитное поле концентрируется при помощи магнитопровода, имеющего зазор, через который оно выходит наружу и перемагничивает материал носителя. Головки чтения основаны на эффекте аномального магниторезистивного эффекта (GMR, Giant Magneto Resistive Effect). Такие головки более чувствительны, но способны работать только на чтение. Принцип их работы заключается в том, что при воздействии магнитного поля на «бутерброд», собранный методом напыления различных материалов, этот пакет меняет свое сопротивление электрическому току.

 

1.2.Контролеры и интерфейсы HDD

 

• EIDE (усовершенствованная IDE). В наши дни все жесткие диски делаются в стандарте EIDE, но их также можно использовать на старых компьютерах с обычным IDE контроллером. В этом случае они работают как обычные IDE жесткие диски.
• IDE (Интегрированная электроника дисководов). Этот термин применяется-ка к жестким дискам, так и к управляющим контроллерам. IDE, вместе с двумя более продвинутыми вариантами под названиями EIDE и DMA, наиболее популярные типы систем жестких дисков на обычных персональных компьютерах.
• SCSI. Термин относится к альтернативному (относительно IDE) типу жестких дисков и управляющих контроллеров. Механические SCSI-диски работают так же, как и IDE-диски, но управляются SCSI-контроллером, способным очень быстро передавать информацию. SCSI-диски обычно можно найти на продвинутых компьютерах, обслуживающие компьютерные сети.
• Ultra DMA. Третья и последняя версия IDE-интерфейса. Производительность жестких дисков Ultra DMA может быть такой же хорошей, как и у дорогих SCSI. Для его использования нужно иметь специальный контроллер. При использовании Ultra DMA диска с IDE или EIDE-контроллера вы не сможете увеличить скорость работы диска.
• SATA (англ. Serial ATA) — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA

 

 

 

1.3.Этапы большого пути

 

1956 - IBM представила первый коммерческий  накопитель на жестких дисках RAMAC 350 емкостью 5 MB

1973 - В системе IBM 3340 достигнута плотность записи 1,7 MB на квадратный дюйм

1980 - выпущен первый «компактный» 5,25-дюймовый HDD Shugart ST-506 емкостью 5 MB

 

1986 - Представлен стандарт SCSI

1990 - Объявлено о разработке магниторезистивной  технологии

1991 - Выпущен HDD емкостью 100 MB

1995 - Появилось устройство с максимальной  емкостью 2 GB

1997 - Преодолен рубеж 10 GB

1998 - Анонсированы стандарты UDMA/33 и ATAPI

1999 - Выпущен IBM Microdrive на 340 MB

2002 - Взят барьер адресного пространства HDD 137 GB

2003 - Представлены продукты стандарта  SATA

2005 - Максимальная емкость накопителя  достигла 500 GB

2005 - Появление SAS (Serial Attached SCSI)

2006 - Начался промышленный выпуск продуктов с использованием

перпендикулярного метода записи

2006 - Произведены «гибридные» накопители, содержащие дополнительный блок  флэш-памяти емкостью в несколько  гигабайтов

2007 — Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 Тб

2008 — Seagate Technology LLC представляет накопитель емкостью 1,5 Тб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Общая часть

2.1 Как выглядит и из чего состоит IDE контроллер

 
(1) обеспечивает необходимый ток,  а плоский кабель (2) передает данные  к IDE контроллеру на материнской  плате. Красная полоска (3) показывает, каким образом плоский кабель  нужно подключать к дисководу  жесткого диска. 

IDE-контроллер

Предложенный в конце 80-х годов компаниями Compaq и Western Digital интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics) очень быстро завоевал популярность среди производителей и пользователей PC. В отличие от рассмотренных выше, этот контроллер интегрирован на

плате винчестера, в результате чего стоимость дисковой системы упала, а стоимость винчестера увеличилась незначительно. Интегрированный контроллер позволил подключать винчестер непосредственно к слоту на материнской плате, представляющему собой усеченный слот шины ISA.

При покупке PC с IDE-контроллером проверьте, имеются ли на 40-жиль-ном кабеле данных три разъема, чтобы впоследствии можно было подключить второй винчестер и, кроме того, достаточна ли длина этого кабеля. В табл. 11.7 приведено назначение контактов разъема контроллера жесткого диска.

Таблица 11.7. Назначение контактов разъема ЮЕ-контроллера

Контакт	Категория		Сигнал			Назначение
01	Выход		Reset			Сброс
02	-		GND			Корпус
03	Вход/выход		HD7			Линия данных 7
04	Вход/выход		HD8			Линия данных 8
05	Вход/выход		HD6			Линия данных 6
06	Вход/выход		HD9			Линия данных 9
07	Вход/выход		HD5			Линия данных 5
08	Вход/выход		НОЮ			Линия данных 10
09	Вход/выход		HD4			Линия данных 4
10	Вход/выход		HD11			Линия данных 11
11	Вход/выход		HD3			Линия данных 3
12	Вход/выход		DH12			Линия данных 12
13	Вход/выход		HD2			Линия данных 2
						•
14	Вход/выход		HD13			Линия данных 13
15		Вход/выход		HD1	Линия данных 1
16		Вход/выход		НОН	Линия данных 14
17		Вход/выход		HDO	Линия данных 0 .
18		Вход/выход		HD15	Линия данных 15
19		-		GND	Корпус
20		—		KEY	Ключ разъема (отсутствует)
21		_		Reserved	Зарезервирован
22				GND	Корпус
23		Выход		IOW	Строб записи
24		_		GND	Корпус
					Г      1
25		Выход		IOR	Строб чтения
26		-		GND	Корпус
27		Вход		IOCHRDY	Готовность канала ввода/вывода
28		Выход		ALE	Строб адреса
29		-		Reserved	„ Зарезервирован
30		-		GND	Корпус
31		Вход		IRQ14	Запрос на прерывание
32		Вход		HIO16	Признак обращения
.		•			к 16-разрядному порту
33		Выход		HA1	Линия адреса 1
34		Вход/выход		Reserved	Зарезервирован
35		Выход		HAD	Линия адреса 0
36		Выход		HA2	Линия адреса 2
37		Выход		CSO	Выбор диска 1
38		Выход		SI	Выбор диска 2
39		Вход/выход		ACTIV	Подтверждение выбора диска
40		-		GND	Корпус

 

 Режимы ( ПРОТОКОЛЫ)  передачи данных.

Для передачи данных между  винчестером и памятью PC используются два основных режима:

• Режим программного ввода/вывода (Programmed Input/Output, PIG)
• Режим прямого доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA)

2.1.1.Контроллеры  IDE (ATA)

Возникшая в 1984 году у компаний Compaq и Western Digital идея IDE- контроллера (Integrated Disk Electronic) заключается в том, что непосредственно сам интерфейсный контроллер встроен в электронику носителя (жесткого диска, например). При этом тот контроллер, к которому подключается диск, по сути дела не является полноценным устройством, а выполняет только функции сопряжения носителя с шиной. Идея оказалась достаточно удачной - цена на контроллер резко снизилась, а на жесткие диски поднялась незначительно. Интерфейс IDE также часто называют ATA (AT Attachment), иногда AT-BUS-контроллером. Современные чипсеты уже содержат IDE-контроллер и на материнской плате присутствуют соответствующие разъемы. Если даже чипсет и не имеет IDE-микросхемы, то производители системных плат, как правило, ставят на плату внешний контроллер, так что пользователю IDE-интерфейс достается практически бесплатно.

В то время, когда создавался стандарт АТА, в компьютерах главной шиной была 16- разрядная шина ISA, и контроллер, разрабатывавшийся под нее, тоже, естественно, получился 16-разрядным, причем эта разрядность сохранилась и по сей день, несмотря на последующие многочисленные дополнения и улучшения. В скором времени получилось так, что производители приводов жестких дисков стали делать несовместимые между собой модели. Если такие диски устанавливались в паре master/slave (см. дальше) на один канал IDE, то дисковая подсистема просто не работала. Для устранения этих неприятных явлений был принят стандарт ANSI спецификации АТА.

Первоначально стандарт имел следующие  особенности:

• Поддержка не более двух жестких дисков (только жестких дисков). Один канал делится между двумя устройствами, сконфигурированными как master и slave. Соответственно master считается главным (загрузочным) устройством, а slave - вторичным.
• Поддержка PIO modes 0, 1 и 2
• Поддержка single word DMA modes 0, 1 и 2 и multiword DMA mode 0

В режиме PIO каждый байт информации с носителя считывается процессором и только затем передается в RAM. В зависимости от длительности цикла считывания и количества секторов, передаваемых за одно считывание, различают режимы PIO Mode 0, Mode 1 и так далее, которые характеризуют скорость передачи данных. Чем больше цифра в обозначении типа, тем больше скорость передачи (например, Mode 0 дает 3.3 Mb/s, а Mode 3 - 11 Mb/s). В режиме DMA процессор лишь дает DMA-контроллеру команду на обмен данными и далее не участвует в этом процессе. Опять же, чем больше цифра, тем быстрее режим. Причем современные устройства используют режим multiword как более быстрый. Хотя DMA эффективнее PIO, PIO-режимы получили в контроллерах IDE на первых порах более широкое распространение, в основном из-за соображений совместимости. Для подключения устройств к контроллеру используется 40-жильный шлейф.