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

PIO mode 0, 1 и 2 (до 8,3 МBps) (программируемый  ввод/вывод);

Singleword DMA mode 0, 1 и 2 (до 8,3 МBps) (одиночная передача в режиме  прямого доступа к памяти);

Multiword DMA mode 0 (до 4,2 МBps) (групповая  передача в режиме прямого  доступа к памяти).

Единственным различием  между IDE и ATA является то, что IDE определяет спецификацию на электронику винчестеров, а ATA – на интерфейсное соединение между HDD и ПК; тем не менее данные термины используются как слова-синонимы.

Вскоре после появления IDE вышла усовершенствованная версия – Enhanced IDE (EIDE), которая была разработана  той же компанией Western Digital. Соответствующий  стандарт от ANSI назывался ATA-2. Он позволял превысить традиционный предел емкости жесткого диска в 528 MB. При включенном режиме LBA в BIOS он мог поддерживать HDD объемом до 8,4 GB. EIDE также допускал обслуживание до четырех винчестеров при использовании двух кабелей. Кроме того, появились следующие новые режимы: PIO mode 3 и 4 (до 16,6 MBps), Multiword DMA mode 1 и 2 (до 16,6 MBps), а также Block Transfer для повышения производительности (данный режим делает возможной передачу нескольких команд чтения/записи за одно прерывание).

Western Digital WD1200JS: модель  с интерфейсом SATA II емкостью 120 GB

Чтобы получить конкурентное преимущество, компания Quantum совместно  с Intel разработала новую версию интерфейса для настольных жестких дисков –  спецификацию Ultra ATA, также известную под названиями Ultra ATA/33, Ultra DMA33, ATA/ATAPI-4, Ultra DMA 2. Благодаря использованию обоих фронтов передаваемого сигнала эффективная рабочая частота возросла в два раза, соответственно и скорость передачи данных по интерфейсу увеличилась с 16,6 до 33,3 MBps. Кроме того, для повышения надежности в Ultra ATA был введен циклический контрольный код (CRC). Этот стандарт определял следующие режимы: Ultra DMA Mode 0, 1 и 2 (скорости 16,6; 25,0 и 33,3 MBps). Параллельно разрабатывался стандарт PIO Mode 5, но он обеспечивал скорость передачи всего 22,2 MBps и не имел режима прямого доступа к памяти, а потому так и не был реализован.

Увеличение пропускной способности оказалось очень  кстати ввиду возрастания скорости чтения с пластин. Уже в 1998 г. была разработана следующая версия – Ultra ATA/66 (ATA/ATAPI-5). Стандарт предусматривал очередное увеличение скорости (до 66,6 MBps), а также смену кабеля с 40- на 80-жильный, в котором 40 дополнительных проводников заземлены для снижения высокочастотных помех и повышения надежности канала передачи данных. Также были добавлены новые режимы: Ultra DMA Mode 3 и 4 (скорости 44,4 и 66,6 MBps). Тем не менее стандарт оказался полностью обратносовместимым, т. е. к материнским платам с контроллером Ultra ATA/66 можно было подключить диск хоть АТА-1, и наоборот, диск стандарта Ultra ATA/66 работал на плате с АТА-1.

На рынке Ultra ATA/66 появился в 1999 г., однако скорость жестких дисков продолжала расти такими темпами, что спустя всего год потребовалась очередная версия АТА. В результате летом 2000 г. появился стандарт Ultra ATA/100 (ATA/ATAPI-6). Используя преимущества нового кабеля и разъема, пропускную способность повысили до 100 MBps посредством сокращения длительности такта передачи сигнала. Впоследствии в стандарт ATA/ATAPI-6 был включен еще и режим Ultra ATA/133, разработанный фирмой Maxtor в 2001 г. Данный режим не приобрел популярности среди производителей жестких дисков, несмотря на поддержку его разработчиками чипсетов для материнских плат. Причина этого достаточно проста: остальные компании уже ориентировались на другой стандарт – Serial ATA, поскольку недостатки обычного АТА (параллельного АТА) проявились еще при разработке Ultra ATA/100. Дальнейшее наращивание пропускной способности ограничивалось физически многожильным IDE-кабелем.

Samsung SP2504C: 250-гигабайтовый  винчестер с интерфейсом SATA II

Вернемся теперь к Serial ATA. На прошедшем весной 2000 г. Intel Developer Forum (IDF) корпорация Intel и другие производители ПК и дисков (IBM, Dell, Seagate, Quantum, Maxtor, APT Technologies и пр.) образовали группу по выработке спецификации и продвижению на рынок нового интерфейса — Serial ATA. Официально он был представлен широкой общественности в сентябре 2001 г., когда на IDF компании Seagate (при деятельном участии Intel и APT Technologies) были впервые продемонстрированы винчестеры, совместимые с Serial ATA Revision 1.0. Активный переход на новый последовательный интерфейс SATA планировался в 2002 г., однако этого не произошло. Основной проблемой стало отсутствие для конечного пользователя видимых преимуществ от данного стандарта – материнские платы с контроллерами SATA стоили значительно дороже, и их было сложно найти. То же касалось и жестких дисков, поскольку производители (за исключением Seagate и, в одном случае, WD) не стали специально разрабатывать винчестеры под новый стандарт, а просто установили на старые Parallel ATA-диски мост PATA-to-SATA. По той же причине не возрастала и скорость при переходе от PATA к SATA (справедливости ради заметим, что и Seagate Barracuda 7200.7, несмотря на родной интерфейс, не получила прибавки в скорости). Переплачивать только за более тонкие кабели решились немногие, да и существовала проблема с переходниками питания для SATA – их было очень сложно достать. Из-за этого часть компаний оснастили свои HDD двумя разъемам питания – обычным и SATA. Возросшая до 150 МBps пропускная способность интерфейса также оказалась невостребованной. Переломным стал 2003 г. – именно тогда производители чипсетов для материнских плат представили продукты с интегрированной поддержкой SATA, что позволило начать продвижение стандарта в массы.

Работа над SATA продолжалась, к стандарту 1.0 начали выпускаться  дополнения, и в 2004-м на их основе появилась вторая версия SATA. Посмотрим, что же в ней было нового.

Во-первых, увеличилась  пропускная способность (со 150 до 300 МBps). Учитывая, что скорость чтения с  одиночного диска на данный момент приближается к 70 МBps, пропускной способности первой версии стандарта скорее всего с головой хватит на ближайшие несколько лет. С другой стороны – запас карман не тянет, да и лучше такая ситуация, чем то, что творилось несколькими годами ранее со стандартами АТА33/66/100/133.

Во-вторых, поддержка Native Command Queuing (NCQ), или технологии маршрутизации команд, стала фактически (почему – будет сказано ниже) неотъемлемой частью стандарта SATA II, до этого же NCQ являлась необязательным дополнением SATA 1.0. NCQ позволяет переупорядочивать до 32 команд чтения/записи жесткого диска с целью достижения оптимальной производительности и снижения износа его механизмов. Ее работу можно проиллюстрировать следующим примером: предположим, диску поступают подряд несколько команд на чтение секторов с номерами 3000, 2000, 7000, 5000. Диск без NCQ считал бы сектора именно в этом порядке, в то время как диск с NCQ изменит последовательность чтения на 2000, 3000, 5000, 7000, совершив при том меньшее количество перемещений головок. Кроме того, результаты тестов показали, что вследствие такого упорядочивания в части задач (к примеру, дефрагментации) может наблюдаться ощутимый прирост производительности.

Для использования данной технологии необходимы три условия: контроллер SATA II или SATA 1.0 с поддержкой NCQ (на плате или отдельный), драйверы для операционной системы с поддержкой команд NCQ и жесткий диск с NCQ. С первым и вторым на данный момент проблем нет – контроллеры SATA II имеются на всех материнских платах с чипсетами i915/925 и выше и nForce4, соответствующие драйверы для них уже есть. Однако в связи с тем, что часть работы с NCQ выполняет драйвер, при включении данной технологии может наблюдаться некоторое повышение загрузки процессора. Производители жестких дисков заняли разные позиции: Maxtor и Seagate представили свои винчестеры с поддержкой NCQ еще в прошлом году, Samsung и Hitachi сделали это сравнительно недавно, а WD поступила достаточно странно – ее новые диски серии JS, несмотря на логотип SATA II, несовместимы с NCQ! Это пока единственный случай отклонения от стандарта (потому выше и было сказано о фактической поддержке), но перед покупкой стоит внимательно изучить спецификации на товар.

И в-третьих, добавлена  функция горячего подключения, ранее  являвшаяся опциональной. После установки  соответствующих драйверов жесткий диск стандарта SATA II в системе определяется как съемное устройство и может быть в любой момент безопасно отключен. Что еще более удобно – в комплекте с некоторыми материнскими платами поставляется специальная планка на заднюю стенку с двумя SATA-разъемами и разъемом питания, благодаря чему можно подключить SATA II-винчестер, не вскрывая системный блок и не используя дополнительные приспособления вроде USB- или FireWire-карманов.

В целом, вторая версия SATA является скорее стандартизацией тех возможностей SATA, которые ранее были отданы на откуп производителям жестких дисков/контроллеров, а не чем-то радикально новым. Тем не менее на данный момент уже имеет смысл обращать внимание на тип и версию интерфейса винчестера, а при покупке отдавать предпочтение более новой версии, не забывая, конечно, и о цене.

Учитывая, что производители  жестких дисков сейчас испытывают сложности  с дальнейшим наращиванием объемов  и повышением скорости чтения с пластин, можно сказать, что стандарт SATA II пришел в настольные ПК надолго. Однако в планах разработчиков SATA в дальнейшем значится увеличение скорости до 600 MBps, хотя и не совсем ясно, для чего. Более интересным, с точки зрения дальнейшего роста быстродействия, было бы улучшение «интеллектуальных способностей» контроллера жесткого диска, что, возможно, мы также увидим в следующей версии интерфейса.

7. Внешние жесткие диски

По сравнению с обычным  вторым винчестером внешний жесткий  диск имеет целый ряд преимуществ: внешний диск можно подключать к  нескольким компьютерам и переносить с места на место; для его установки не нужно снимать крышку корпуса — большинство моделей просто подключается к разъему USB или FireWire, в некоторых случаях приходится разве что установить новый драйвер. Все рассмотренные нами модели имели интерфейс USB 2.0, и почти все — порт FireWire (см. таблицу), а Ximeta NetDisk снабжен портом Ethernet. Внешние жесткие диски особенно удобны для ноутбуков, так как возможности по установке более емких винчестеров в ПК этого класса весьма ограничены, а устанавливать в них второй внутренний жесткий диск нечего и думать.

Достаточна  ли скорость?

При использовании внешнего жесткого диска приходится немного  умерить требования в отношении  быстродействия, какие мы привыкли предъявлять к внутренним дискам. В самом деле, нельзя же ожидать от внешних последовательных интерфейсов USB 2.0 и FireWire той же скорости обмена данными, что и от внутреннего параллельного Serial ATA! Если же скорость имеет решающее значение, возможно, стоит подождать появления внешних дисков с интерфейсом SATA — правда, SATA III Working Group до сих пор "полирует" этот стандарт и не обещает выпустить его раньше конца этого года.

8. Технология S.M.A.R.T.

Технология S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) представляет собой аппаратный механизм предсказания сбоев на винчестере, который позволяет предсказать возможное ухудшение общей производительности жесткого диска и момент его выхода из строя, что страхует пользователей от “сюрпризов” винчестера.

Если точнее, то аббревиатура S.M.A.R.T., как правило, употребляется либо для обозначения целого семейства сходных по своему назначению, но различных по практическому исполнению технологий прогнозирования сбоев в работе дисков от их производителей, либо для того, чтобы подчеркнуть принадлежность той или иной технологии к этому типу.

Первая попытка предсказать  вероятность выхода жестких дисков из строя была предпринята IBM в далеком 1995 году, которая разработала технологию Predictive Failure Analysis (PFA), предназначенную для прогнозирования “на ходу” работоспособности дисков, установленных в мэйнфреймах, в будущем. (справка: в год IBM получает около 2800 патентов на свои разработки и в настоящее время продала своё производство жестких дисков фирме Hitachi). Позднее технология FPA стала применяться IBM для предсказания сбоев в работе НЖМД (накопитель на жестких магнитных дисках - правильное научное название) персональных компьютеров. Следующей за IBM была компания Compaq со своей технологией Drive Failure Prediction (DFP). В настоящий момент все ведущие производители НЖМД имеют собственную технологию для предсказания возможных сбоев в работе носителей. Алгоритмы реализации S.M.A.R.T. все изготовители держат в секрете.

Естественно, со временем встал вопрос о стандартизации технологий, для обозначения которых придумали обобщающий термин: S.M.A.R.T. За всю историю существования S.M.A.R.T. – технологий было разработано “S.M.A.R.T. I”,“S.M.A.R.T. II”, “S.M.A.R.T. III.

На практике любая S.M.A.R.T. – технология реализуется в виде исполняемого кода и состоит из двух частей. Первая часть представляет собой микрокод, прошитый в электронике диска, а вторая – программу (набор программ), исполняемую хостом (головным компьютером, к которому подключён диск) во время работы системы. S.M.A.R.T. – микрокод в режиме реального времени следит (измеряет величину) некоторыми рабочими характеристиками внутренних компонентов диска – мотора, дисковых пластин, головок, электроники диска и др., в то время как хостовая программа отслеживает показатели надёжности. Чаще всего в набор таких характеристик включаются: высота головки над поверхностью (head flying height), скорость передачи данных (data throughput performance), время разгона мотора до рабочего режима (spin-up time), количество переназначенных секторов (re-allocated sector count), процент ошибок при поиске данных (seek time performance), время поиска данных. Надёжность носителя определяется методом сравнения текущих изменений значений рабочих характеристик внутренних компонентов диска с их наперёд заданными (производителем) пороговыми значениями.

Необходимо заметить, что в разных реализациях S.M.A.R.T. –  технологии функции между микрокодом и хост-программой могут быть разделены  по разному. Например S.M.A.R.T. – микрокод может брать на себя часть или даже всю работу хост-программы по анализу информации и самостоятельно сигнализировать компьютеру о предстоящем сбое в работе диска.