Принцип работы и основные блоки жесткого диска. Интерфейсы жестких дисков. Технология S.M.A.R.T.

Федеральное агентство по образованию Министерства образования  и науки Российской Федерации 

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования Пермский Национальный Исследовательский Политехнический  Университет 

г. Пермь

 

 

 

 

 

 

 

Р Е Ф Е  Р А Т 

 

По дисциплине «Архитектура ЭВМ»

 

на тему:

«Принцип  работы и основные блоки жесткого диска. Интерфейсы жестких дисков. Технология S.M.A.R.T.»

 

Выполнил:

студент факультета ПММ

 

 

Руководитель:

ассистент кафедры ВМиМ   Бояршинов А.Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пермь

 

Содержание:

 

1. Введение ……………………………………………………………………     3
2. Принцип работы жесткого диска …………………………………………     4
3. Устройство диска ………………………………………………………….      6
4. Работа жесткого диска …………………………………………………….    7
5. Как производители до сих пор увеличивают объем HDD ………………     8
6. Интерфейсы ………………………………………………………………...   10
7. Внешние жесткие диски …………………………………………………...   14
8. Технология S.M.A.R.T  ……………………………………………………. 15
9. Приложения  ………………………………………………………………..   19
10. Литература …………………………………………………………………. 21

 

1. Введение

Большинство пользователей, отвечая на вопрос, что находится  в их системном блоке, помимо прочего  упоминают винчестер. Винчестер - это  устройство, на котором чаще всего  хранятся Ваши данные. Бытует легенда, объясняющая, почему за жесткими дисками повелось такое причудливое название. Первый жесткий диск, выпущенный в Америке в начале 70-х годов, имел емкость по 30 Мб информации на каждой рабочей поверхности. В то же время, широко известная в той же Америке магазинная винтовка О. Ф. Винчестера имела калибр - 0.30; может грохотал при своей работе первый винчестер как автомат или порохом от него пахло - не знаю, но с той поры стали называть жесткие диски винчестерами.

Жесткий диск (винчестер) – это довольно сложное устройство, используемое в компьютерах, видеокамерах (модели с HDD), HDD-MP3 плеерах и некоторых других электронных приборах для хранения данных. Принцип работы HDD выглядит на практике довольно просто, специальная считывающая головка при минимальном расстоянии от круглой пластины (самого диска), сделанной из ферромагнитного материала, может производить изменения на этом самом диске.

 

2. Принцип работы жесткого диска

 

Накопитель на жестком  диске относится к наиболее совершенным  и сложным устройствам современного персонального компьютера. Его диски способны вместить многие мегабайты информации, передаваемой с огромной скоростью. В то время, как почти все элементы компьютера работают бесшумно, жесткий диск ворчит и поскрипывает (особенно устаревшие модели), что позволяет отнести его к тем немногим компьютерным устройствам, которые содержат как механические, так и электронные компоненты.

Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его создания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрыватель  грампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженных на общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторон каждой пластины. Скорость вращения пластин (у некоторых моделей она доходит до 15000 оборотов в минуту) постоянна и является одной из основных характеристик. Головка перемещается вдоль пластины на некотором фиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания информации, и тем больше может быть плотность записи информации. 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. 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 пластину с очень ровной поверхностью  из алюминия, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Диски изготовлены. Во многих накопителях используется слой оксида железа (которым покрывается обычная магнитная лента), но новейшие модели жестких дисков работают со слоем кобальта толщиной порядка десяти микрон. Такое покрытие более прочно и, кроме того, позволяет значительно увеличить плотность записи. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Количество дисков может  быть различным - от одного до пяти, 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. Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об./мин. 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. Теперь о работе головок. Они перемещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы "плывут" на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки, в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.

 

 

 

3. Устройство диска

 

Жесткий диск  состоит  из двух основных вещей – гермозоны и платы управления. Структурная схема на рис. 1.

Многие думают, что внутри винчестера вакуум. Вакуума там нет, там просто чистый без пыли воздух, поэтому и называется гермозоной.

В гермозоне находятся: блок магнитных головок, мотор, магнитная  поверхность (блины). Блок магнитных  головок называется блоком, потому что, кроме самих головок на нем расположена микросхема предусилителя - коммутатора, которая усиливает сигнал, получаемый с головок. Головки «парят» над поверхностью на воздушной подушке образованной от скорости вращения диска, и если в этот зазор попадет пылинка, головки могут удариться о поверхность и сгореть от трения и/или проделать царапину.

При изготовлении HDD магнитная поверхность (блины) размечается серво-метками через родной блок головок специальным устройством серворайтер (servo writer).

Только после процесса «росписи» серво меток, головки  могут ориентироваться по поверхности  винчестера. Далее записывается служебная  информация – эта информация нужна  для работы жесткого диска.

Плата контроллера у HDD по-сути маленький компьютер. На плате у современных винчестеров можно найти процессор, память (ОЗУ), ПЗУ. Процессор занимается обработкой полученных с головок данных и преобразованием их в понятный компьютеру «язык» - ATA стандарт. Делает он это, как и компьютер в оперативной памяти ОЗУ.

ПЗУ нужно для страта, как БИОС на материнской плате. Чем  занимается микросхема управления двигателем понятно из её названия. При включении  плата контроллера считывает  служебную информацию и если она  корректна, то жесткий диск начинает работу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Работа жесткого диска

 

Разберем работу жесткого диска по рис.2. Все начинается с подачи питания (1) на шпиндельный двигатель с помощью специальных контактов (5). Микропроцессор контроллера (3) посылает команды драйверу актуатора (6). Магнитные головки (8) считывают информацию с пластины, вращающейся с большой скоростью (они «парят» над ней за счет возникающей воздушной подушки). Смотреть (рис 1,2). Точное позиционирование головок над поверхностью дисков обеспечивают подвеска (9) и штанги (10), а передвижение осуществляется с помощью магнитной катушки актуатора (12). Полученные данные проходят через усилитель (11) и по шлейфу (13) поступают на плату контроллера к контактам (7). После чего обрабатываются в микропроцессоре (3), а в качестве буферной памяти выступает кэш (2). Интерфейсный разъем SATA либо IDE, (4) служит для получения запросов от SATA либо (IDE)-контроллера материнской платы и передачи данных.

 

5. Как производители до сих пор увеличивают объем HDD

 

В 2006 году индустрия накопителей на базе жестких дисков, казалось бы, достигла физического предела совершенствования плотности записи данных на магнитную пластину, доведя это значение до 133 Гб. При этом стало невозможным размещение более 5 пластин в одном 3,5-дюймовом корпусе накопителя, в результате чего рост вместимости HDD временно прекратился. Однако новый путь увеличения емкости жестких дисков был найден в технологии перпендикулярной записи, позволившей довести предельную емкость жестких дисков до 300 Gb на пластину, в результате чего ведущие производители HDD вновь возобновили пресловутую "гонку объемов".

В начале 2007 года компания Hitachi Global Storage Technologies представила первый в индустрии жесткий диск объемом 1 терабайт. Начало продаж новинки серии Hitachi GST Deskstar 7K1000 было запланировано на первый квартал 2007 года по рекомендованной производителем розничной стоимости $399, что составляет $0,4 за 1 Гб хранимой информации. Известно, что для хранения видео в формате высокого разрешения необходимо в 4-5 раз больше объема памяти, чем при хранении стандартного видео, поэтому увеличение емкости накопителей становится необходимостью для пользователей современных домашних кинотеатров. Идя навстречу потребителям, одновременно с Deskstar 7K1000 для розничного рынка, компания Hitachi представила версию терабайтного жесткого диска серии CinemaStar, который создан и оптимизирован для цифровых видеомагнитофонов (DVR). Эти 3,5-дюймовые устройства со скоростью вращения 7200 об/мин и интерфейсами Parallel ATA и Serial ATA основаны на технологии перпендикулярной магнитной записи (PMR), впервые использованной Hitachi в 2,5- и 1,8-дюмовых линейках серии Travelstar. По словам руководства компании Hitachi, использование жестких дисков емкостью 1 терабайт Hitachi Deskstar 7K1000 для ПК и домашних медиа-центров и CinemaStar 7K1000 для цифровых видеомагнитофонов поможет пользователям безболезненно войти в новую эру цифровых технологий.

В свою очередь, компания Seagate, являющаяся на сегодняшний день признанным лидером рынка HDD по объемам продаж во всем мире, немного отстала от своих конкурентов, уже представивших первые терабайтные жесткие диски. В настоящий момент Seagate готовит к выпуску свой самый емкий HDD серии Barracuda 7200.11 на базе технологии перпендикулярной записи. Уже известно, что помимо объема 1 терабайт он будет обладать скоростью вращении шпинделя 7200 rpm, поддерживать интерфейс SATA2 и использовать буфер емкостью 16 Mб. Кроме того, в начале февраля текущего года Seagate объявила о начале поставок потребителям по всему миру новых 1,8-дюймовых жестких дисков Lyrion. Lyrion - это новое слово в борьбе за увеличение емкости портативных накопителей: его единственная магнитная пластина вмещает 60 Гб данных за счет технологии перпендикулярной записи, а толщина такого диска составляет всего 5 мм. Накопители серии Lyrion совместимы с датчиками свободного падения, встроенными в наладонные и портативные устройства. При срабатывании датчика во время падения устройства под воздействием силы тяжести Lyrion получает команду выполнить защитные действия - отключить привод двигателя и "запарковать" головки чтения-записи. Все компоненты дисков Lyrion рассчитаны на сотрясения и вибрации, возникающие при движении. Диск воспринимает и измеряет степень сотрясения и автоматически меняет режим работы, позволяя без сбоев воспроизводить музыку и видео. Диски Lyrion оснащены интеллектуальными технологиями адаптации к экстремальной внешней среде и работают при температуре от 0 до 60 градусов по Цельсию (самый широкий диапазон температур в своем классе накопителей). Кроме того, предусмотрена возможность измерения влажности воздуха и высоты над уровнем моря и реагирования соответствующим образом. Пользователь устройства сможет смотреть кино или слушать музыку в атмосферных условиях Фудзиямы, пересекая Амазонку или преодолевая на джипе бездорожье. Из интерфейсов у дисков Seagate Lyrion имеется как IDE, так и новый, специально разработанный для портативной потребительской электроники интерфейс CE-ATA.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Интерфейсы

 

Первые стандарты для  винчестеров IDE были разработаны компаниями Western Digital и Compaq Computer в 1986 г. Тогда для подключения использовался 40-проводной кабель и имелась возможность одновременного обслуживания двух устройств. Первые IDE-накопители управлялись центральным процессором, отвлекая значительные вычислительные ресурсы, и обладали множеством других недостатков, главный из которых – слишком малая емкость. Несмотря на это, IDE стал очень популярным стандартом и был зарегистрирован Национальным институтом стандартизации США (ANSI), получив название АТА (а также ATAPI). Первая версия интерфейса, АТА-1, обладала следующими возможностями: