Основы хранения данных 2
Начало в № 26
Жесткие диски - заглянем внутрь Как они работают Назначение жестких дисков состоит в хранении компьютерных данных и инструкций в виде двоичных чисел - двух явно отличающихся друг от друга по намагниченности областей, которые определяются компьютером как нули и единицы. Источником данных и инструкций служит любая программа, заставляющая центральный процессор (CPU) компьютера работать совместно с различными периферийными компонентами, включая и сами жесткие диски.
Жесткие диски хранят информацию в компактной, легкодоступной, надежной и эффективной по стоимости форме. Производители постоянно доводят до ума и совершенствуют конструкцию винчестеров, стремясь воплотить в них последние достижения множества научных и инженерных дисциплин, включая механику и электронику, химию и даже аэродинамику. Далекие от того, чтобы их можно было считать простыми компонентами, сегодняшние жесткие диски представляют собой уникальный ансамбль различных мощных технологий, работающих в унисон.
Хотя жесткий диск - одна из наиболее сложных компонент персонального компьютера с точки зрения механики, принцип ее работы достаточно прост. Как уже говорилось раньше, во многом винчестер напоминает музыкальный проигрыватель-автомат. Внутри корпуса накопителя вращается с постоянной скоростью одна или несколько пластин из алюминиевого сплава, расположенных пакетом друг над другом.
Когда вы работаете с компьютером, вы вводите команды с помощью клавиатуры или мышки. Рычаг-активатор винчестера, подобно тонарму проигрывателя, реагирует на эти команды и перемещается к требуемому месту на пластине. Как только это произойдет, головка чтения/записи - как и игла на тонарме - устанавливается над информацией, которую вы запросили. Головка читает, или воспроизводит, информацию, передает ее CPU, и, короче говоря, запрошенные вами данные появляются на экране, становясь в очередь для печати на принтере или отправки по телефонной линии в виде факсового или модемного сообщения.
Цифровой способ записии чтения Если для объяснения действия механики винчестера хорошо подходит аналогия с проигрывателем пластинок, то способ, каким в нем записываются, хранятся и считываются данные, больше походит на то, как работает магнитофон. Аудиолента покрыта тонким слоем микроскопических металлических частиц. Звук записывается на ленту головкой записи, а проигрывается с нее головкой воспроизведения. Обе головки содержат небольшую катушку из проволоки, проходя через которую электрический ток взаимодействует с областью ленты, отвечающей за сохранение звука. Когда лента проходит по записывающей головке, она намагничивается этим током. Проходя по головке воспроизведения, намагниченные области считываются катушкой, преобразуются в аудиоинформацию и затем отправляются в усилитель и колонки.
В винчестере данные записываются и считываются во многом похожим образом. Подобно магнитофонной ленте, пластины винчестера покрыты слоем магнитного материала толщиной в несколько миллионных долей дюйма.
При записи информации на жесткий диск проходящий по катушке в головке записи электрический ток создает на поверхности пластины намагниченные участки, соответствующие записываемым данным. Чтобы прочитать информацию с жесткого диска, головка чтения конвертирует находящиеся на поверхности пластины намагниченные участки в электрический ток, усиливаемый и преобразуемый для восстановления записанных блоков данных.
Жесткие диски отличаются от аудиоленты в первую очередь тем, как записываются данные. На ленту звук записывается в виде постоянно изменяющегося, аналогового потока. В винчестере данные записываются как электрические сигналы. Эти сигналы представляют собой цифровые нули и единицы из двоичной системы счисления, описанной в прошлом номере.
Магнитное покрытие на пластинах жесткого диска сложено из микроскопических зон, называемых доменами. Каждый такой домен подобен маленькому магниту с двумя полюсами (положительным и отрицательным). Перед записью данных дисковод использует головки чтения/записи для ориентации находящихся на небольшой площади доменов таким образом, чтобы их магнитные полюса указывали в одном направлении. Затем эти же головки применяются для записи данных. Если двоичная единица записывается в виде области, положительный полюс которой направлен влево, то нулю соответствует область, положительный полюс которой направлен вправо. При таком раскладе винчестер использует более эффективный метод записи, называемый переменой потока. Как только дисковод должен записать единицу, головки изменяют направление магнитного поля доменов на обратное. Если же на винчестер поступает для записи ноль, головки просто не изменяют направление поля.
Данные в накопителях на жестких дисках записываются по дорожкам (трекам), представляющим из себя концентрические окружности, нумеруемые начиная с крайней внешней дорожки к самой внутренней. Жесткий диск - устройство с произвольным доступом к данным: он может считывать записанные данные с любого места на диске и в любом порядке. (В противоположность устройствам с последовательным доступом, таким как аудиомагнитофоны и ленточные накопители - стриммеры, которые далеко не так быстро выдают запрошенные данные, потому что сначала требуется ускоренная перемотка ленты в прямом или обратном направлении.) Головки чтения/записи винчестера способны буквально долететь до нового места, как только CPU выдаст ему адрес. Возможность произвольно записывать и считывать данные - самая главная причина того, что жесткие диски быстро вытеснили магнитные ленты с роли основной технологии массовой памяти.
Жесткие диски могут записывать данные на обеих сторонах пластины, если головки чтения/записи расположены над и под ней. Например, жесткий диск с двумя пластинами может иметь до четырех поверхностей, на которых хранятся данные, и до четырех головок чтения/записи; у жесткого диска с тремя пластинами может быть до шести рабочих поверхностей и шести головок и т.д. Рычаг-активатор синхронизирует перемещение всех головок записи/чтения, так что они совместно передвигаются над поверхностью пластин, строго выдерживая равнение.
Поверхность пластин организована таким образом, чтобы винчестер мог легко найти данные. Концентрические треки разбиты на участки, называемые секторами. Информация записывается сначала на внешние треки сразу всех пластин. Когда внешний трек заполняется данными, головки смещаются к середине и начинается запись на следующую свободную дорожку. Такая стратегия значительно повышает производительность, поскольку головки чтения/записи могут записать больше данных, оставаясь на одном месте, до перехода к следующему треку. Например, если головки чтения/записи винчестера с четырьмя пластинами расположены над треком 15, дисковод сначала записывает 15-й трек на обеих сторонах всех четырех пластин, прежде чем передвинуть головки ближе к середине на 16-й трек.
Конструкция жестких дисков обеспечивает гораздо большую производительность, чем у ленточных накопителей или флоппи-дисководов. Что самое существенное, в отличие от флоппи-дисководов, в винчестерах устранено трение между дисками и головками чтения/записи, что позволяет увеличить скорость и уменьшить износ как головок, так и носителя - пластин. Когда вы включаете компьютер, пластины жесткого диска немедленно начинают вращаться со скоростью 3,600 и более оборотов в минуту. Они остаются вращающимися, пока вы не выключите компьютер или не пропадет напряжение в сети. Столь высокая скорость вращения создает тонкую воздушную подушку вокруг каждой пластины, заставляя миниатюрные головки чтения/записи парить, или лететь, едва не касаясь рабочей поверхности.
Что интересно, головки чтения/записи спроектированы настолько точно, что они летят над пластинами на расстоянии всего нескольких сотых долей микрона - воздушная подушка значительно тоньше, чем человеческий волос, и даже меньше размера частицы дыма.
Независимо от выбранной конструкторами скорости вращения, головки никогда не касаются поверхности пластин, пока дисковод работает. Когда вы выключаете компьютер, пластины перестают вращаться и головки чтения/записи опадают на пластины, но происходит это в специально отведенном месте - зоне парковки (landing zone), удаленной от области, на которой хранятся данные. Если же, не дай Бог, под воздействием резкого удара или от попадания частицы пыли головки коснутся поверхности бешено вращающихся пластин, очень вероятно повреждение головок и/или магнитного слоя, вплоть до отрыва головок от рычага-активатора. Данные, конечно, будут потеряны, и, что еще неприятнее, в самом худшем случае дисковод даже не будет подлежать восстановлению. В современных усовершенствованных винчестерах, впрочем, такие крушения редки, так как они надежно защищены от повреждений и загрязнений и построены так, чтобы выдерживать ударные нагрузки, в 70-100 крат превышающие силу гравитации (70-100 g).
Знакомство с конструкцией
Как уже отмечалось ранее, названием жесткие диски обязаны одной из своих компонент - негнущимся дискам из алюминиевого сплава, или пластинам. Хотя в некоторых жестких дисках используется всего одна пластина, чаще на шпиндель надет пакет из двух или больше пластин.
Мотор современного винчестера вращает закрепленные на его шпинделе пластины против часовой стрелки со скоростью от 3,600 до 10,000 оборотов в минуту (rpm). В применяемых в настольных персональных компьютерах и рабочих станциях жестких дисках пластины вращаются все время, пока включено питание машины, даже если чтение или запись не производится. В питающихся от батарей портативных компьютерах имеется несколько режимов экономии энергии, продлевающих срок службы аккумуляторов. Так, режим sleep означает, что жесткий дисковод останавливается спустя некоторое время, если к нему не было обращений. Электроника привода при этом остается включенной, чтобы обеспечить быстрое повторное включение, когда компьютер обратится к диску.
Нули и единицы, составляющие информацию, записываются на участках магнитного покрытия пластин. Эти участки создаются головками чтения/записи при записи данных на диск. Затем, при чтении с диска, головки преобразуют информацию о намагниченности в электрические сигналы, отражающие сохраненные данные. Обычно головки расположены с обеих сторон пластины. Каждая головка удерживается в строго определенном положении рычагом-активатором. Совокупность головок и дисков часто называют сборкой головок диска (head disk assembly, HDA).
Активатор и вместе с ним головки чтения/записи приводятся в движение двигателем позиционирования, управляемым контроллером дисковода. Современные жесткие дисководы используют технологию, называемую позиционированием по замкнутой схеме, когда информация о текущем положении головок передается обратно электронике контроллера, выдающей команду двигателю, чтобы выполнить следующее перемещение. Позиционирование по замкнутой схеме обеспечивает высокую аккуратность считывания и записи данных.
Сигналы, снимаемые головками чтения с поверхности пластин, очень слабы. Предварительный усилитель чтения, вместе со схемой записи смонтированный на гибкой плате внутри HDA, усиливает их до уровня, который может быть преобразован чипами на печатной плате дисковода (printed circuit board, PCB) в цифровые сигналы. На печатной плате размещена электроника, входящая в состав винчестера. Электроника дисковода включает: - процессор цифровой обработки сигналов (digital signal processor, DSP), конвертирующий входящие в него электрические импульсы в цифровые сигналы; - электронику управления приводами шпинделя и позиционирования, обеспечивающую вращение пластин на строго заданной скорости и точное перемещение активатора с головками чтения/записи к требуемой точке на пластинах; - электронику интерфейса, поддерживающую обмен данными с CPU компьютера в надлежащем формате; - микропроцессор и чипы памяти для предупреждения дисковых операций.
В жестких дисках сегодня применяется очень изощренная электроника микропроцессора и памяти. Например, современные дисководы высокой емкости по вычислительной мощности эквивалентны полной мощности первых моделей IBM РС/АТ.
Основание корпуса выполнено из цельного куска алюминия, обеспечивая защиту для HDA и служа для крепления платы РCB. Прокладка между основанием и крышкой корпуса служит изоляцией от проникновения загрязнений в среду, в которой работают головки чтения/записи.
Соединение между дисководом и системной шиной производится через шинный коннектор, получающий сигналы от интерфейсной электроники винчестера и передающий их в шину ввода/вывода компьютера. Начиная отсюда, информация становится частью электронного мира CPU, ее можно просматривать, печатать или снова вернуть на винчестер в исправленном виде.
Дисковая геометрия
Поверхность дисковых пластин разбита на координаты подобно географической карте или глобусу. Данные записываются по концентрическим трекам на рабочих поверхностях пластин. Каждая пластина имеет две стороны и, соответственно, две рабочие поверхности. Обычный винчестер может иметь более 2,000 треков на дюйм (tracks per inch, tpi). Группа треков со всех рабочих поверхностей, соответствующая определенной позиции головок, образует цилиндр. Для упрощения доступа к данным каждый трек разделен на адресуемые индивидуально секторы.
Процесс создания на дисковых поверхностях треков и секторов называется форматированием, и почти все жесткие диски сегодня поставляются производителями в размеченном, то есть в отформатированном состоянии. Форматирование диска обеспечивает адресацию данных на рабочих поверхностях пластин. В большинстве систем, включая РС и Macintosh, секторы обычно содержат 512 байт данных пользователя плюс адресную информацию, предназначенную для электроники винчестера. Дисковый контроллер, расположенный на печатной плате дисковода, использует информацию о форматировании и адресах - подобно тому, как турист пользуется планом города, - для нахождения пути к данным от некоторой текущей позиции. Без этих сведений ни контроллер, ни операционная система компьютера не будут знать, где записаны данные и как их получить.
В ранних конструкциях винчестеров число секторов на всех треках было одинаковым, а так как длина крайней внешней дорожки значительно больше длины самой внутренней, на краях пластин место расходовалось очень непродуктивно. Число секторов, которые удавалось поместить на самой короткой дорожке, определяло число секторов на трек для всего диска. В современных винчестерах применяется техника форматирования, названная Multiple Zone Recording, позволяющая поместить на поверхность пластины как можно больше данных. Этот способ основан на возможности варьировать число секторов в зависимости от номера дорожки (расстояния от края) и ее длины. За счет разбиения внешних треков на большее число секторов данные по диску распределяются равномерно, рабочие поверхности используются более эффективно и достигается большая емкость диска даже при меньшем количестве пластин.
При использовании схемы Multiple Zone Recording число секторов на треках типичного 3.5-дюймового диска изменяется от 60 до 120. И не только эффективная емкость диска увеличивается на 25% за счет этого способа форматирования, но также ускоряется передача данных между диском и буфером. Так как на внешних треках записано больше байт информации, при постоянных оборотах шпинделя они считываются с большей скоростью.
Бреющий полет
Головки чтения/записи - самая дорогая деталь жесткого диска, и от их характеристик в наибольшей степени зависят и конструкция, и производительность накопителя. Невзирая на высокую стоимость, конструкция головки в целом выглядит простой. Она представляет собой кусок магнитного материала в форме буквы "С" с маленьким открытым зазором между концами. Катушка из провода намотана вокруг С-образного сердечника и образует электромагнит.
При записи на диск протекающий по катушке ток создает магнитное поле в рабочем зазоре сердечника, которое намагничивает покрытие пластины в точке, находящейся под головкой. Когда данные считываются с диска, головка чтения/записи воспринимает намагниченность покрытия пластины, ток в катушке изменяется при прохождении под зазором головки области с повернутым направлением намагниченности.
По мере развития технологий биты располагаются все плотнее, пространство, необходимое для записи бита данных, уменьшается. В это же время сокращение размера записанных битов приводит к тому, что сигнал, воспроизводимый при чтении бита, становится все слабее и трудноразличимее. В результате фундаментальные достижения в упаковке бит плотнее друг к другу приводят к необходимости приблизить головки поближе к поверхности пластин и за счет этого увеличить амплитуду сигнала.
На этом поприще индустрия винчестеров добилась значительных успехов. В 1973 году высота парения головок в среднем составляла 0.4 микрона. Сегодня же головки снизились всего до 0.06 микрона, и это еще не предел. В перспективе в не столь уж отдаленном будущем головки, возможно, даже войдут в контакт с поверхностью носителя, позволяя еще плотнее разместить данные на магнитном слое пластин. Естественно, если будет реализован надежный способ, устраняющий взаимный износ головок и носителя.
Плотность записи Общая емкость жесткого диска определятся тем, насколько плотно записывается информация (то есть биты данных) на поверхность дисковых носителей. Плотность записи измеряется в битах на квадратный дюйм (bits per square inch, BPSI).
Эта величина рассчитывается путем умножения числа бит, записываемых на дюйм длины дорожки (bpi), на число дорожек, приходящихся на дюйм радиуса диска (tpi). Число битов на дюйм дорожки зависит от характеристик головок чтения/записи, рабочей поверхности носителя, скорости вращения дисков и скорости, с которой электроника накопителя может обрабатывать эти биты. Плотность треков на дюйм тоже определяется головками, магнитным слоем, а также механической точностью, с которой головки могут быть позиционированы рычагом-активатором, допуском на радиальное биение дисков, то есть способностью дисков описывать идеальные круги.
Увеличение плотности записи может быть достигнуто за счет улучшения любого из перечисленных факторов.
Запись и чтение с точки зрения пользователя Давайте посмотрим, что происходит, когда вы получаете данные с жесткого диска. Когда вы даете команду открыть файл, прикладная программа, с которой вы работаете, запрашивает имя открываемого файла. Затем она передает указанное вами имя операционной системе, которая определяет, где на винчестере записан этот файл - находит нужные номера головки, цилиндра и сектора.
Операционная система передает эту информацию дисковому контроллеру, который управляет мотором, соединенным с рычагом-активатором, выводя головки к требуемому треку. По мере вращения диска соответствующая выданному операционной системой номеру головка считывает адрес каждого проходящего под ней сектора. Когда под головкой окажется требуемый сектор, все его содержимое считывается в специальную сверхбыструю память на печатной плате контроллера дисковода, называемую кэшем. Далее, чип дискового интерфейса посылает необходимую вам информацию в основную (оперативную) память компьютера.
Запись данных на винчестер напоминает чтение, но только в ином порядке. Операционная система компьютера (головного по отношению к жесткому диску, или хост-компьютера) способна запомнить адреса каждого файла на диске и знает, какие секторы свободны и пригодны для записи новых данных. Если записываемый вами файл большой (например, мегабайт 10 графической информации), операционная система дает контроллеру инструкцию, в каком месте начать запись на диск. Контроллер передвигает головки чтения/записи к соответствующему треку и запись начинается. Когда заполнится первый трек, головки приступают к записи на таком же треке, но на другой рабочей поверхности пластины. Если для записи данных требуется больше места, чем на одном цилиндре, головки перемещаются к следующему доступному для записи треку и т.д.
Хотя при изготовлении пластин для жестких дисков и прилагаются чрезвычайные усилия, экономически все же невыгодно производить на все 100% чистые от дефектов пластины. Поэтому все современные винчестеры располагают стратегией обхода дефектов, заложенной в чип контроллера, для обеспечения безопасного и бессбойного хранения информации. Система управления дефектными участками имеет в своем распоряжении несколько запасных секторов на каждой рабочей поверхности, чтобы заместить ими ограниченное число сбойных секторов.
В конце производственного процесса поверхность дисков проверяется на дефекты и в дисковом контроллере записывается карта расположения обнаруженных сбойных секторов. Когда операционная система выдает запрос на информацию, находящуюся по адресу сбойного сектора, контроллер незаметно переадресовывает запрос к одному из запасных секторов.
Контроллер дисковода постоянно обновляет карту дефектов, занося в нее каждый новый обнаруженный сбойный сектор.
Позиционирование головок Наряду с заложенными в электронику жесткого диска возможностями и скоростью работы дисковода чрезвычайно важна способность точно подвести головки к требуемому для чтения или записи участку. Поскольку треки на поверхности пластин расположены на расстоянии порядка 7.5 микрона друг от друга и головки парят над рабочей поверхностью на высоте 0.06 микрона, точность позиционирования головок можно сравнить с полетом на реактивном самолете на высоте полуметра над землей при точном удержании курса вдоль середины тропинки.
Множество факторов действует против точного позиционирования головок. Они включают колебания температуры, которые вызывают минутные расширения и сжимания дисковых пластин, а также удары и вибрацию. Чтобы оценить воздействие таких факторов и внести поправки для более точного выравнивания и позиционирования головок, в жестких дисках применяется электромеханическая технология, названная сервопозиционированием. Она обеспечивает обратную связь между головками и электроникой контроллера при управлении их положением.
Существуют два основных подхода к сервопозиционированию головок. Большинство производителей винчестеров отказались от старого метода - с централизованной (dedicated) сервоинформацией в пользу нового - с внедренной (embedded) сервоинформацией.
При централизованном сервопозиционировании используемая для вычисления поправок информация хранится на одной из поверхностей пластин, специально отведенной для этого, и считывается специально выделенной головкой. Такой подход требует задействования для нужд позиционирования поверхности пластины целиком, что составляет существенный процент от общего дискового пространства, особенно если в винчестере мало пластин.
Внедренное сервоуправление является основной разработкой сервопозиционирования, реализуемой в современных жестких дисках и дисках следующего поколения. При этом подходе устранены ограничения, свойственные централизованному сервопозиционированию, за счет совмещения сервоинформации с данными в виде заранее записанных специальных вставок в каждую дорожку диска. Когда головки подходят к заданной позиции, они считывают сервоинфор-мацию и посылают ее обратно электронике дисковода.
Руководствуясь ею, электроника точнее подстраивает положение мотора активатора, перемещая головки так, чтобы они получали максимальный по амплитуде сигнал от сервовставок. (Максимальный сервосигнал может быть получен только в том случае, когда головка исключительно точно выставлена над серединой трека.) Этот способ обеспечивает наиболее точное, исключающее ошибки и эффективное по стоимости решение проблемы позиционирования для накопителей небольшого форм-фактора.
Метод внедренного сервопозиционирования сложно реализовать в винчестерах, в которых используется технология Multiple Zone Recording. Переменное число секторов на дорожке в разных областях диска существенно затрудняет задачу считывания внедренной сервоинформации. Первым из производителей с этим справилась корпорация Quantum, разработавшая специализированную микросхему обратной связи и упрваления, эффективно отделяющую сервоинформацию от пользовательских данных.
Шины и интерфейсы винчестеров По определению, интерфейс - это нечто, позволяющее двум отдельным или непохожим системам работать совместно или сообщаться между собой. Одна из наиболее ответственных, но наименее дорогих компонент жесткого диска - интерфейс, который позволяет дисководу общаться с хост-системой. В периферийных устройствах, таких как винчестеры, это общение осуществляется через плату адаптера или установленные на материнской плате чипы, подключенные к системной шине компьютера. Поэтому, чтобы разобраться с дисковыми интерфейсами, сначала надо узнать немного об основном путепроводе данных внутри компьютера - о компьютерной шине.
Работа компьютерной шины во многом сравнима с представлением о центральной нервной системе человека; шина служит общей трубой, по которой сигналы передаются между разными компонентами компьютера: CPU, видеоконтроллером, клавиатурой, массовой памятью и другой периферией. Производителями предлагается много разных архитектур этой шины, как открытых, так и закрытых. Открытые архитектуры, ярким примером которых служит ISA (Industry Standard Architecture) в ранних IBM'овских и совместимых с ними компьютерах, позволяют независимым поставщикам разрабатывать, выпускать и продавать дополнительные платы как общего, так и специального назначения.
Сегодня наиболее распространенные в персональных компьютерах шинные архитектуры включают: - ISA, недорогая, относительно простая шина, предлагаемая в 8- и 16-разрядных версиях; - Extended ISA (EISA), гораздо более совершенное и мощное 32-битовое расширение шины ISA, разработанное для 386-х и 486-х компьютеров; - локальные шины PCI и VLB, изначально предназначавшиеся для графически интенсивных приложений, сегодня используемые и для подключения высокоскоростных жестких дисков в РС-совместимых компьютерах; - MicroChannel Architecture (MCA), собственная разработка 32-битовой шины, примененная корпорацией IBM в семействе персональных компьютеров PS/2; - NuBus, разработанная компанией Apple 32-разрядная шина для компьютеров Macintosh; - стандартный 16-битовый интерфейс PCMCIA, введенный ассоциацией Personal Computer Memory Card International Association для подключения дополнительных устройств к портативным компьютерам.
Эффективное использование шины - ключевой фактор повышения производительности компьютерной системы. Скорость передачи данных по шине, которая рассчитывается умножением ширины (разрядности) шины на ее тактовую частоту, оказывает громадное влияние на общую производительность системы. (Тактовая частота шины пропорциональна количеству двоичных слов, передаваемых в секунду. Ширина шины определяет длину, или разрядность, этих слов.) Шины разрядностью только в 4 или 8 битов обычно передают данные со скоростью до 1 мегабайта в секунду. Сегодня повсеместно распространены 16- и 32-разрядные шины, передающие данные со скоростью 10, 20 и до 132 мегабайт в секунду (в случае шины PCI).
Следующее логичное направление совершенствования шин - разработка 64-битовых интерфейсов, которые позволят дисководам и другой периферии достичь значительно большей скорости передачи данных.
Понятие дискового интерфейса Дисковые интерфейсы необходимы для обеспечения связи между компьютерной шиной и жестким диском. Описание дискового интерфейса включает сведения о том, как быстро диск и дисковый контроллер могут общаться между собой, какие типы команд они могут принимать и выдавать, каково расположение линий данных и управления внутри соединительного кабеля (шлейфа), какой уровень напряжения используется для передачи данных. Итак, дисковый интерфейс - это закрепленная стандартом комбинация уровней сигналов, конфигурации коннекторов, функций, команд и протоколов передачи данных.
Как и в случае других высокотехнологичных разработок, технологии дисковых интерфейсов существенно прогрессировали за два последних десятилетия. Сегодня в персональных компьютерах в основном используются два интерфейса. В большинстве IBM-совместимых машин применяется интерфейс Intelligent Disk Electronics (IDE), называемый также АТА (Advanced Technology Attachment). Разработанный для взаимодействия с системной шиной компьютеров класса PC/АТ, интерфейс IDE изначально мог передавать до 4 мегабайт данных в секунду. При подключении к более быстрым локальным шинам посредством так называемого моста (например, мост PCI-IDE) более современные версии этого интерфейса (АТА-2, АТА-3) поддерживают скорости до 16.6 мегабайта в секунду, а последняя разработка - Ultra ATA, примененная в новых винчестерах Quantum Fireball ST, способна пропускать до 33.3 мегабайта в секунду.
Второй наиболее широко распространенный интерфейс - Small Computer System Interface, или SCSI (произносится "сказзи"). Это быстрый интерфейс, используемый в компьютерах Apple Macintosh, а также в высокопроизводительных рабочих станциях и серверах, данные по нему передаются со скоростью от 10 до 40 мегабайт в секунду в зависимости от версии и разрядности.
Компания Quantum в свое время первой представила жесткие диски с интегрированными интерфейсными контроллерами. В конце 80-х годов дисковые накопители и интерфейсные платы продавались обычно отдельно. Сегодня большинство винчестеров снабжено установленным прямо на корпусе дисковым контроллером, включающим в себя и интерфейсный контроллер, размещенный в одном чипе и установленный на одной печатной плате с остальной электроникой дисковода. В начале 90-х годов - всего чуть больше пяти лет прошло с тех пор - производители жестких дисков уменьшили контроллер дисковода и его электронику, занимавшие ра-нее полностью две отдельные платы, всего до пяти интегрированных чипов, легко умещающихся на ладони.
Роман Соболенко
Жесткие диски - заглянем внутрь Как они работают Назначение жестких дисков состоит в хранении компьютерных данных и инструкций в виде двоичных чисел - двух явно отличающихся друг от друга по намагниченности областей, которые определяются компьютером как нули и единицы. Источником данных и инструкций служит любая программа, заставляющая центральный процессор (CPU) компьютера работать совместно с различными периферийными компонентами, включая и сами жесткие диски.
Жесткие диски хранят информацию в компактной, легкодоступной, надежной и эффективной по стоимости форме. Производители постоянно доводят до ума и совершенствуют конструкцию винчестеров, стремясь воплотить в них последние достижения множества научных и инженерных дисциплин, включая механику и электронику, химию и даже аэродинамику. Далекие от того, чтобы их можно было считать простыми компонентами, сегодняшние жесткие диски представляют собой уникальный ансамбль различных мощных технологий, работающих в унисон.
Хотя жесткий диск - одна из наиболее сложных компонент персонального компьютера с точки зрения механики, принцип ее работы достаточно прост. Как уже говорилось раньше, во многом винчестер напоминает музыкальный проигрыватель-автомат. Внутри корпуса накопителя вращается с постоянной скоростью одна или несколько пластин из алюминиевого сплава, расположенных пакетом друг над другом.
Когда вы работаете с компьютером, вы вводите команды с помощью клавиатуры или мышки. Рычаг-активатор винчестера, подобно тонарму проигрывателя, реагирует на эти команды и перемещается к требуемому месту на пластине. Как только это произойдет, головка чтения/записи - как и игла на тонарме - устанавливается над информацией, которую вы запросили. Головка читает, или воспроизводит, информацию, передает ее CPU, и, короче говоря, запрошенные вами данные появляются на экране, становясь в очередь для печати на принтере или отправки по телефонной линии в виде факсового или модемного сообщения.
Цифровой способ записии чтения Если для объяснения действия механики винчестера хорошо подходит аналогия с проигрывателем пластинок, то способ, каким в нем записываются, хранятся и считываются данные, больше походит на то, как работает магнитофон. Аудиолента покрыта тонким слоем микроскопических металлических частиц. Звук записывается на ленту головкой записи, а проигрывается с нее головкой воспроизведения. Обе головки содержат небольшую катушку из проволоки, проходя через которую электрический ток взаимодействует с областью ленты, отвечающей за сохранение звука. Когда лента проходит по записывающей головке, она намагничивается этим током. Проходя по головке воспроизведения, намагниченные области считываются катушкой, преобразуются в аудиоинформацию и затем отправляются в усилитель и колонки.
В винчестере данные записываются и считываются во многом похожим образом. Подобно магнитофонной ленте, пластины винчестера покрыты слоем магнитного материала толщиной в несколько миллионных долей дюйма.
При записи информации на жесткий диск проходящий по катушке в головке записи электрический ток создает на поверхности пластины намагниченные участки, соответствующие записываемым данным. Чтобы прочитать информацию с жесткого диска, головка чтения конвертирует находящиеся на поверхности пластины намагниченные участки в электрический ток, усиливаемый и преобразуемый для восстановления записанных блоков данных.
Жесткие диски отличаются от аудиоленты в первую очередь тем, как записываются данные. На ленту звук записывается в виде постоянно изменяющегося, аналогового потока. В винчестере данные записываются как электрические сигналы. Эти сигналы представляют собой цифровые нули и единицы из двоичной системы счисления, описанной в прошлом номере.
Магнитное покрытие на пластинах жесткого диска сложено из микроскопических зон, называемых доменами. Каждый такой домен подобен маленькому магниту с двумя полюсами (положительным и отрицательным). Перед записью данных дисковод использует головки чтения/записи для ориентации находящихся на небольшой площади доменов таким образом, чтобы их магнитные полюса указывали в одном направлении. Затем эти же головки применяются для записи данных. Если двоичная единица записывается в виде области, положительный полюс которой направлен влево, то нулю соответствует область, положительный полюс которой направлен вправо. При таком раскладе винчестер использует более эффективный метод записи, называемый переменой потока. Как только дисковод должен записать единицу, головки изменяют направление магнитного поля доменов на обратное. Если же на винчестер поступает для записи ноль, головки просто не изменяют направление поля.
Данные в накопителях на жестких дисках записываются по дорожкам (трекам), представляющим из себя концентрические окружности, нумеруемые начиная с крайней внешней дорожки к самой внутренней. Жесткий диск - устройство с произвольным доступом к данным: он может считывать записанные данные с любого места на диске и в любом порядке. (В противоположность устройствам с последовательным доступом, таким как аудиомагнитофоны и ленточные накопители - стриммеры, которые далеко не так быстро выдают запрошенные данные, потому что сначала требуется ускоренная перемотка ленты в прямом или обратном направлении.) Головки чтения/записи винчестера способны буквально долететь до нового места, как только CPU выдаст ему адрес. Возможность произвольно записывать и считывать данные - самая главная причина того, что жесткие диски быстро вытеснили магнитные ленты с роли основной технологии массовой памяти.
Жесткие диски могут записывать данные на обеих сторонах пластины, если головки чтения/записи расположены над и под ней. Например, жесткий диск с двумя пластинами может иметь до четырех поверхностей, на которых хранятся данные, и до четырех головок чтения/записи; у жесткого диска с тремя пластинами может быть до шести рабочих поверхностей и шести головок и т.д. Рычаг-активатор синхронизирует перемещение всех головок записи/чтения, так что они совместно передвигаются над поверхностью пластин, строго выдерживая равнение.
Поверхность пластин организована таким образом, чтобы винчестер мог легко найти данные. Концентрические треки разбиты на участки, называемые секторами. Информация записывается сначала на внешние треки сразу всех пластин. Когда внешний трек заполняется данными, головки смещаются к середине и начинается запись на следующую свободную дорожку. Такая стратегия значительно повышает производительность, поскольку головки чтения/записи могут записать больше данных, оставаясь на одном месте, до перехода к следующему треку. Например, если головки чтения/записи винчестера с четырьмя пластинами расположены над треком 15, дисковод сначала записывает 15-й трек на обеих сторонах всех четырех пластин, прежде чем передвинуть головки ближе к середине на 16-й трек.
Конструкция жестких дисков обеспечивает гораздо большую производительность, чем у ленточных накопителей или флоппи-дисководов. Что самое существенное, в отличие от флоппи-дисководов, в винчестерах устранено трение между дисками и головками чтения/записи, что позволяет увеличить скорость и уменьшить износ как головок, так и носителя - пластин. Когда вы включаете компьютер, пластины жесткого диска немедленно начинают вращаться со скоростью 3,600 и более оборотов в минуту. Они остаются вращающимися, пока вы не выключите компьютер или не пропадет напряжение в сети. Столь высокая скорость вращения создает тонкую воздушную подушку вокруг каждой пластины, заставляя миниатюрные головки чтения/записи парить, или лететь, едва не касаясь рабочей поверхности.
Что интересно, головки чтения/записи спроектированы настолько точно, что они летят над пластинами на расстоянии всего нескольких сотых долей микрона - воздушная подушка значительно тоньше, чем человеческий волос, и даже меньше размера частицы дыма.
Независимо от выбранной конструкторами скорости вращения, головки никогда не касаются поверхности пластин, пока дисковод работает. Когда вы выключаете компьютер, пластины перестают вращаться и головки чтения/записи опадают на пластины, но происходит это в специально отведенном месте - зоне парковки (landing zone), удаленной от области, на которой хранятся данные. Если же, не дай Бог, под воздействием резкого удара или от попадания частицы пыли головки коснутся поверхности бешено вращающихся пластин, очень вероятно повреждение головок и/или магнитного слоя, вплоть до отрыва головок от рычага-активатора. Данные, конечно, будут потеряны, и, что еще неприятнее, в самом худшем случае дисковод даже не будет подлежать восстановлению. В современных усовершенствованных винчестерах, впрочем, такие крушения редки, так как они надежно защищены от повреждений и загрязнений и построены так, чтобы выдерживать ударные нагрузки, в 70-100 крат превышающие силу гравитации (70-100 g).
Знакомство с конструкцией
Как уже отмечалось ранее, названием жесткие диски обязаны одной из своих компонент - негнущимся дискам из алюминиевого сплава, или пластинам. Хотя в некоторых жестких дисках используется всего одна пластина, чаще на шпиндель надет пакет из двух или больше пластин.
Мотор современного винчестера вращает закрепленные на его шпинделе пластины против часовой стрелки со скоростью от 3,600 до 10,000 оборотов в минуту (rpm). В применяемых в настольных персональных компьютерах и рабочих станциях жестких дисках пластины вращаются все время, пока включено питание машины, даже если чтение или запись не производится. В питающихся от батарей портативных компьютерах имеется несколько режимов экономии энергии, продлевающих срок службы аккумуляторов. Так, режим sleep означает, что жесткий дисковод останавливается спустя некоторое время, если к нему не было обращений. Электроника привода при этом остается включенной, чтобы обеспечить быстрое повторное включение, когда компьютер обратится к диску.
Нули и единицы, составляющие информацию, записываются на участках магнитного покрытия пластин. Эти участки создаются головками чтения/записи при записи данных на диск. Затем, при чтении с диска, головки преобразуют информацию о намагниченности в электрические сигналы, отражающие сохраненные данные. Обычно головки расположены с обеих сторон пластины. Каждая головка удерживается в строго определенном положении рычагом-активатором. Совокупность головок и дисков часто называют сборкой головок диска (head disk assembly, HDA).
Активатор и вместе с ним головки чтения/записи приводятся в движение двигателем позиционирования, управляемым контроллером дисковода. Современные жесткие дисководы используют технологию, называемую позиционированием по замкнутой схеме, когда информация о текущем положении головок передается обратно электронике контроллера, выдающей команду двигателю, чтобы выполнить следующее перемещение. Позиционирование по замкнутой схеме обеспечивает высокую аккуратность считывания и записи данных.
Сигналы, снимаемые головками чтения с поверхности пластин, очень слабы. Предварительный усилитель чтения, вместе со схемой записи смонтированный на гибкой плате внутри HDA, усиливает их до уровня, который может быть преобразован чипами на печатной плате дисковода (printed circuit board, PCB) в цифровые сигналы. На печатной плате размещена электроника, входящая в состав винчестера. Электроника дисковода включает: - процессор цифровой обработки сигналов (digital signal processor, DSP), конвертирующий входящие в него электрические импульсы в цифровые сигналы; - электронику управления приводами шпинделя и позиционирования, обеспечивающую вращение пластин на строго заданной скорости и точное перемещение активатора с головками чтения/записи к требуемой точке на пластинах; - электронику интерфейса, поддерживающую обмен данными с CPU компьютера в надлежащем формате; - микропроцессор и чипы памяти для предупреждения дисковых операций.
В жестких дисках сегодня применяется очень изощренная электроника микропроцессора и памяти. Например, современные дисководы высокой емкости по вычислительной мощности эквивалентны полной мощности первых моделей IBM РС/АТ.
Основание корпуса выполнено из цельного куска алюминия, обеспечивая защиту для HDA и служа для крепления платы РCB. Прокладка между основанием и крышкой корпуса служит изоляцией от проникновения загрязнений в среду, в которой работают головки чтения/записи.
Соединение между дисководом и системной шиной производится через шинный коннектор, получающий сигналы от интерфейсной электроники винчестера и передающий их в шину ввода/вывода компьютера. Начиная отсюда, информация становится частью электронного мира CPU, ее можно просматривать, печатать или снова вернуть на винчестер в исправленном виде.
Дисковая геометрия
Поверхность дисковых пластин разбита на координаты подобно географической карте или глобусу. Данные записываются по концентрическим трекам на рабочих поверхностях пластин. Каждая пластина имеет две стороны и, соответственно, две рабочие поверхности. Обычный винчестер может иметь более 2,000 треков на дюйм (tracks per inch, tpi). Группа треков со всех рабочих поверхностей, соответствующая определенной позиции головок, образует цилиндр. Для упрощения доступа к данным каждый трек разделен на адресуемые индивидуально секторы.
Процесс создания на дисковых поверхностях треков и секторов называется форматированием, и почти все жесткие диски сегодня поставляются производителями в размеченном, то есть в отформатированном состоянии. Форматирование диска обеспечивает адресацию данных на рабочих поверхностях пластин. В большинстве систем, включая РС и Macintosh, секторы обычно содержат 512 байт данных пользователя плюс адресную информацию, предназначенную для электроники винчестера. Дисковый контроллер, расположенный на печатной плате дисковода, использует информацию о форматировании и адресах - подобно тому, как турист пользуется планом города, - для нахождения пути к данным от некоторой текущей позиции. Без этих сведений ни контроллер, ни операционная система компьютера не будут знать, где записаны данные и как их получить.
В ранних конструкциях винчестеров число секторов на всех треках было одинаковым, а так как длина крайней внешней дорожки значительно больше длины самой внутренней, на краях пластин место расходовалось очень непродуктивно. Число секторов, которые удавалось поместить на самой короткой дорожке, определяло число секторов на трек для всего диска. В современных винчестерах применяется техника форматирования, названная Multiple Zone Recording, позволяющая поместить на поверхность пластины как можно больше данных. Этот способ основан на возможности варьировать число секторов в зависимости от номера дорожки (расстояния от края) и ее длины. За счет разбиения внешних треков на большее число секторов данные по диску распределяются равномерно, рабочие поверхности используются более эффективно и достигается большая емкость диска даже при меньшем количестве пластин.
При использовании схемы Multiple Zone Recording число секторов на треках типичного 3.5-дюймового диска изменяется от 60 до 120. И не только эффективная емкость диска увеличивается на 25% за счет этого способа форматирования, но также ускоряется передача данных между диском и буфером. Так как на внешних треках записано больше байт информации, при постоянных оборотах шпинделя они считываются с большей скоростью.
Бреющий полет
Головки чтения/записи - самая дорогая деталь жесткого диска, и от их характеристик в наибольшей степени зависят и конструкция, и производительность накопителя. Невзирая на высокую стоимость, конструкция головки в целом выглядит простой. Она представляет собой кусок магнитного материала в форме буквы "С" с маленьким открытым зазором между концами. Катушка из провода намотана вокруг С-образного сердечника и образует электромагнит.
При записи на диск протекающий по катушке ток создает магнитное поле в рабочем зазоре сердечника, которое намагничивает покрытие пластины в точке, находящейся под головкой. Когда данные считываются с диска, головка чтения/записи воспринимает намагниченность покрытия пластины, ток в катушке изменяется при прохождении под зазором головки области с повернутым направлением намагниченности.
По мере развития технологий биты располагаются все плотнее, пространство, необходимое для записи бита данных, уменьшается. В это же время сокращение размера записанных битов приводит к тому, что сигнал, воспроизводимый при чтении бита, становится все слабее и трудноразличимее. В результате фундаментальные достижения в упаковке бит плотнее друг к другу приводят к необходимости приблизить головки поближе к поверхности пластин и за счет этого увеличить амплитуду сигнала.
На этом поприще индустрия винчестеров добилась значительных успехов. В 1973 году высота парения головок в среднем составляла 0.4 микрона. Сегодня же головки снизились всего до 0.06 микрона, и это еще не предел. В перспективе в не столь уж отдаленном будущем головки, возможно, даже войдут в контакт с поверхностью носителя, позволяя еще плотнее разместить данные на магнитном слое пластин. Естественно, если будет реализован надежный способ, устраняющий взаимный износ головок и носителя.
Плотность записи Общая емкость жесткого диска определятся тем, насколько плотно записывается информация (то есть биты данных) на поверхность дисковых носителей. Плотность записи измеряется в битах на квадратный дюйм (bits per square inch, BPSI).
Эта величина рассчитывается путем умножения числа бит, записываемых на дюйм длины дорожки (bpi), на число дорожек, приходящихся на дюйм радиуса диска (tpi). Число битов на дюйм дорожки зависит от характеристик головок чтения/записи, рабочей поверхности носителя, скорости вращения дисков и скорости, с которой электроника накопителя может обрабатывать эти биты. Плотность треков на дюйм тоже определяется головками, магнитным слоем, а также механической точностью, с которой головки могут быть позиционированы рычагом-активатором, допуском на радиальное биение дисков, то есть способностью дисков описывать идеальные круги.
Увеличение плотности записи может быть достигнуто за счет улучшения любого из перечисленных факторов.
Запись и чтение с точки зрения пользователя Давайте посмотрим, что происходит, когда вы получаете данные с жесткого диска. Когда вы даете команду открыть файл, прикладная программа, с которой вы работаете, запрашивает имя открываемого файла. Затем она передает указанное вами имя операционной системе, которая определяет, где на винчестере записан этот файл - находит нужные номера головки, цилиндра и сектора.
Операционная система передает эту информацию дисковому контроллеру, который управляет мотором, соединенным с рычагом-активатором, выводя головки к требуемому треку. По мере вращения диска соответствующая выданному операционной системой номеру головка считывает адрес каждого проходящего под ней сектора. Когда под головкой окажется требуемый сектор, все его содержимое считывается в специальную сверхбыструю память на печатной плате контроллера дисковода, называемую кэшем. Далее, чип дискового интерфейса посылает необходимую вам информацию в основную (оперативную) память компьютера.
Запись данных на винчестер напоминает чтение, но только в ином порядке. Операционная система компьютера (головного по отношению к жесткому диску, или хост-компьютера) способна запомнить адреса каждого файла на диске и знает, какие секторы свободны и пригодны для записи новых данных. Если записываемый вами файл большой (например, мегабайт 10 графической информации), операционная система дает контроллеру инструкцию, в каком месте начать запись на диск. Контроллер передвигает головки чтения/записи к соответствующему треку и запись начинается. Когда заполнится первый трек, головки приступают к записи на таком же треке, но на другой рабочей поверхности пластины. Если для записи данных требуется больше места, чем на одном цилиндре, головки перемещаются к следующему доступному для записи треку и т.д.
Хотя при изготовлении пластин для жестких дисков и прилагаются чрезвычайные усилия, экономически все же невыгодно производить на все 100% чистые от дефектов пластины. Поэтому все современные винчестеры располагают стратегией обхода дефектов, заложенной в чип контроллера, для обеспечения безопасного и бессбойного хранения информации. Система управления дефектными участками имеет в своем распоряжении несколько запасных секторов на каждой рабочей поверхности, чтобы заместить ими ограниченное число сбойных секторов.
В конце производственного процесса поверхность дисков проверяется на дефекты и в дисковом контроллере записывается карта расположения обнаруженных сбойных секторов. Когда операционная система выдает запрос на информацию, находящуюся по адресу сбойного сектора, контроллер незаметно переадресовывает запрос к одному из запасных секторов.
Контроллер дисковода постоянно обновляет карту дефектов, занося в нее каждый новый обнаруженный сбойный сектор.
Позиционирование головок Наряду с заложенными в электронику жесткого диска возможностями и скоростью работы дисковода чрезвычайно важна способность точно подвести головки к требуемому для чтения или записи участку. Поскольку треки на поверхности пластин расположены на расстоянии порядка 7.5 микрона друг от друга и головки парят над рабочей поверхностью на высоте 0.06 микрона, точность позиционирования головок можно сравнить с полетом на реактивном самолете на высоте полуметра над землей при точном удержании курса вдоль середины тропинки.
Множество факторов действует против точного позиционирования головок. Они включают колебания температуры, которые вызывают минутные расширения и сжимания дисковых пластин, а также удары и вибрацию. Чтобы оценить воздействие таких факторов и внести поправки для более точного выравнивания и позиционирования головок, в жестких дисках применяется электромеханическая технология, названная сервопозиционированием. Она обеспечивает обратную связь между головками и электроникой контроллера при управлении их положением.
Существуют два основных подхода к сервопозиционированию головок. Большинство производителей винчестеров отказались от старого метода - с централизованной (dedicated) сервоинформацией в пользу нового - с внедренной (embedded) сервоинформацией.
Внедренное сервоуправление является основной разработкой сервопозиционирования, реализуемой в современных жестких дисках и дисках следующего поколения. При этом подходе устранены ограничения, свойственные централизованному сервопозиционированию, за счет совмещения сервоинформации с данными в виде заранее записанных специальных вставок в каждую дорожку диска. Когда головки подходят к заданной позиции, они считывают сервоинфор-мацию и посылают ее обратно электронике дисковода.
Руководствуясь ею, электроника точнее подстраивает положение мотора активатора, перемещая головки так, чтобы они получали максимальный по амплитуде сигнал от сервовставок. (Максимальный сервосигнал может быть получен только в том случае, когда головка исключительно точно выставлена над серединой трека.) Этот способ обеспечивает наиболее точное, исключающее ошибки и эффективное по стоимости решение проблемы позиционирования для накопителей небольшого форм-фактора.
Метод внедренного сервопозиционирования сложно реализовать в винчестерах, в которых используется технология Multiple Zone Recording. Переменное число секторов на дорожке в разных областях диска существенно затрудняет задачу считывания внедренной сервоинформации. Первым из производителей с этим справилась корпорация Quantum, разработавшая специализированную микросхему обратной связи и упрваления, эффективно отделяющую сервоинформацию от пользовательских данных.
Шины и интерфейсы винчестеров По определению, интерфейс - это нечто, позволяющее двум отдельным или непохожим системам работать совместно или сообщаться между собой. Одна из наиболее ответственных, но наименее дорогих компонент жесткого диска - интерфейс, который позволяет дисководу общаться с хост-системой. В периферийных устройствах, таких как винчестеры, это общение осуществляется через плату адаптера или установленные на материнской плате чипы, подключенные к системной шине компьютера. Поэтому, чтобы разобраться с дисковыми интерфейсами, сначала надо узнать немного об основном путепроводе данных внутри компьютера - о компьютерной шине.
Работа компьютерной шины во многом сравнима с представлением о центральной нервной системе человека; шина служит общей трубой, по которой сигналы передаются между разными компонентами компьютера: CPU, видеоконтроллером, клавиатурой, массовой памятью и другой периферией. Производителями предлагается много разных архитектур этой шины, как открытых, так и закрытых. Открытые архитектуры, ярким примером которых служит ISA (Industry Standard Architecture) в ранних IBM'овских и совместимых с ними компьютерах, позволяют независимым поставщикам разрабатывать, выпускать и продавать дополнительные платы как общего, так и специального назначения.
Сегодня наиболее распространенные в персональных компьютерах шинные архитектуры включают: - ISA, недорогая, относительно простая шина, предлагаемая в 8- и 16-разрядных версиях; - Extended ISA (EISA), гораздо более совершенное и мощное 32-битовое расширение шины ISA, разработанное для 386-х и 486-х компьютеров; - локальные шины PCI и VLB, изначально предназначавшиеся для графически интенсивных приложений, сегодня используемые и для подключения высокоскоростных жестких дисков в РС-совместимых компьютерах; - MicroChannel Architecture (MCA), собственная разработка 32-битовой шины, примененная корпорацией IBM в семействе персональных компьютеров PS/2; - NuBus, разработанная компанией Apple 32-разрядная шина для компьютеров Macintosh; - стандартный 16-битовый интерфейс PCMCIA, введенный ассоциацией Personal Computer Memory Card International Association для подключения дополнительных устройств к портативным компьютерам.
Эффективное использование шины - ключевой фактор повышения производительности компьютерной системы. Скорость передачи данных по шине, которая рассчитывается умножением ширины (разрядности) шины на ее тактовую частоту, оказывает громадное влияние на общую производительность системы. (Тактовая частота шины пропорциональна количеству двоичных слов, передаваемых в секунду. Ширина шины определяет длину, или разрядность, этих слов.) Шины разрядностью только в 4 или 8 битов обычно передают данные со скоростью до 1 мегабайта в секунду. Сегодня повсеместно распространены 16- и 32-разрядные шины, передающие данные со скоростью 10, 20 и до 132 мегабайт в секунду (в случае шины PCI).
Следующее логичное направление совершенствования шин - разработка 64-битовых интерфейсов, которые позволят дисководам и другой периферии достичь значительно большей скорости передачи данных.
Понятие дискового интерфейса Дисковые интерфейсы необходимы для обеспечения связи между компьютерной шиной и жестким диском. Описание дискового интерфейса включает сведения о том, как быстро диск и дисковый контроллер могут общаться между собой, какие типы команд они могут принимать и выдавать, каково расположение линий данных и управления внутри соединительного кабеля (шлейфа), какой уровень напряжения используется для передачи данных. Итак, дисковый интерфейс - это закрепленная стандартом комбинация уровней сигналов, конфигурации коннекторов, функций, команд и протоколов передачи данных.
Как и в случае других высокотехнологичных разработок, технологии дисковых интерфейсов существенно прогрессировали за два последних десятилетия. Сегодня в персональных компьютерах в основном используются два интерфейса. В большинстве IBM-совместимых машин применяется интерфейс Intelligent Disk Electronics (IDE), называемый также АТА (Advanced Technology Attachment). Разработанный для взаимодействия с системной шиной компьютеров класса PC/АТ, интерфейс IDE изначально мог передавать до 4 мегабайт данных в секунду. При подключении к более быстрым локальным шинам посредством так называемого моста (например, мост PCI-IDE) более современные версии этого интерфейса (АТА-2, АТА-3) поддерживают скорости до 16.6 мегабайта в секунду, а последняя разработка - Ultra ATA, примененная в новых винчестерах Quantum Fireball ST, способна пропускать до 33.3 мегабайта в секунду.
Второй наиболее широко распространенный интерфейс - Small Computer System Interface, или SCSI (произносится "сказзи"). Это быстрый интерфейс, используемый в компьютерах Apple Macintosh, а также в высокопроизводительных рабочих станциях и серверах, данные по нему передаются со скоростью от 10 до 40 мегабайт в секунду в зависимости от версии и разрядности.
Компания Quantum в свое время первой представила жесткие диски с интегрированными интерфейсными контроллерами. В конце 80-х годов дисковые накопители и интерфейсные платы продавались обычно отдельно. Сегодня большинство винчестеров снабжено установленным прямо на корпусе дисковым контроллером, включающим в себя и интерфейсный контроллер, размещенный в одном чипе и установленный на одной печатной плате с остальной электроникой дисковода. В начале 90-х годов - всего чуть больше пяти лет прошло с тех пор - производители жестких дисков уменьшили контроллер дисковода и его электронику, занимавшие ра-нее полностью две отдельные платы, всего до пяти интегрированных чипов, легко умещающихся на ладони.
Роман Соболенко
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 27 за 1997 год в рубрике hard :: технологии
