Заглянем под крышку жесткого диска
Заглянем под крышку жесткого диска Не секрет, что выбор жесткого диска является одним из важных пунктов в покупке персонального компьютера как для офиса, так и для домашнего использования. Непросвещенного покупателя весь многочисленный парк предлагаемых устройств может привести в замешательство при покупке. Что выбрать: дешевый и большой по емкости или за ту же денежную сумму меньше по объему вместимой информации и не такой скоростной, но зато известной и расхваливаемой всеми фирмы? Вообще-то, это личное дело покупателя, но разобраться во всем разнообразии обозначений и параметров работы жестких дисков я помогу в этой статье.
Среди параметров работы жесткого диска, которые можно увидеть в объявлениях о продаже, ессть такие характеристики, как скорость вращения шпинделя и объем вместимой информации, обычно вопросов с последним параметром не бывает — чем больше, тем дороже:-), а вот чтобы разобраться со скоростными характеристиками, необходимо немного разобраться в устройстве и в принципе работы.
Для начала рассмотрим общий принцип устройства жестких дисков. Типовой винчестер состоит из следующих компонентов: гермоблок и плата с электронными элементами. В гермоблоке размещаются все механические компоненты, а на плате с электронными элементами — устройства управления и контроля, за исключением предусилителя, размещенного непосредственно внутри гермоблока. В гермоблоке установлен шпиндель с одним или несколькими дисками (наиболее распространены устройства с 2-5 дисками, число поверхностей прямо определяет физический объем накопителя и скорость обработки операций на одном цилиндре). Диски изготовляются из алюминия, керамики или стекла и покрыты тонким слоем окиси хрома, которая имеет существенно большую износостойкость, чем покрытие на основе окиси железа, которую использовали в ранних моделях. Двигатель, вращающий диски, включается при подаче питания на диск, расположен он под дисками или встроен в шпиндель. Частота вращения измеряется в оборотах в минуту (rpm): 4500, 5400 оборотов в минуту или 7200, 10000 rpm). Однако эта функция не линейная и зависит от системы подшипников.
Чем выше скорость вращения, тем выше: во-первых, скорость чтения с поверхности диска (естественно, если на дорожке записан одинаковый объем информации, то чем быстрее диск крутится, тем больше информации считывается за единицу времени), во-вторых, время доступа к нужной информации (информация на дисках записывается по кольцевым дорожкам; в свою очередь, каждая дорожка разбита на сектора, время поиска информации определяется временем выбора нужной дорожки, которое зависит от скорости вращения диска, и временем, необходимым для того, чтобы диск провернулся так, чтобы под головкой оказался нужный сектор; чем скорость вращения выше, тем меньше в среднем это время), и, в-третьих, ценой.
Как правило, информация о скорости вращения не указана на маркировке диска, поэтому не стесняйтесь спрашивать у продавца. Диски со скоростью вращения 7200 rpm дороже, чем диски 5400 rpm, в среднем на 15-25%, при одинаковых объемах.
Следует только учесть, что при возрастании частоты вращение шпинделя возрастают как шумовые характеристики, так и рабочая температура устройства. Что касается шумовых характеристик, то уже давно идет спор по поводу того, что увеличение скорости вращения шпинделя дает лишь небольшой прирост шумов по сравнению с шумопонижением благодаря специальной оптимизации конструкции диска. Так, всем известные фирмы Maxtor, Seagate провели исследование в этой области, то есть измеряли акустические характеристики при разных скоростях вращения шпинделя, и пришли к выводу, что на скорости 4500 диск шумит всего на 1 дБ меньше, чем при 5400 об./мин., что заметно меньше, чем порог чувствительности человеческого уха 2-3 дБ.
При увеличении рабочей температуры винчестера требуется применение корпуса с продуманной конструкцией для отвода тепла либо дополнительное охлаждение внешним вентилятором. Вентилятора блока питания для этого недостаточно. Еще более высокооборотные диски со скоростью вращения 10000 и 15000 об/мин, которые сейчас выпускают уже многие фирмы, требуют обязательного внешнего обдува.
Вернемся к строению винчестера: со стороны разъемов находится поворотный позиционер, внешне немного схожий с башенным краном, у которого "стрела" — это несущие магнитных головок, а обратная сторона, "противовес", — это хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При подаче в обмотку тока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением; динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер в любое положение. Такая система привода получила название Voice Coil (звуковая катушка) — по аналогии с диффузором громкоговорителя.
При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков. В старых моделях винчестеров коромысло было закреплено на оси шагового двигателя, и расстояние между дорожками определялось величиной шага. В современных моделях используются линейные двигатели, не имеющие дискретности, а установка головки происходит в соответствии с записанными сигналам на пластине.
При вращении дисков в гермоблоке возникает воздушный поток, который постоянно очищается встроенными внутрь фильтрами. Воздушное давление уравновешивается специально предназначенными для этого окнами или технологическими отверстиями. В ряде моделей в эти отверстия устанавливают фильтры для очистки воздуха.
Плата с электронными компонентами подключается к гермоблоку через спецразъемы. На плате расположены основной процессор винчестера, ПЗУ с программой, рабочее ОЗУ (буфера), цифровой сигнальный процессор (DSP) для подготовки записываемых и обработки считанных сигналов и интерфейсная логика. Программа процессора может записываться как в ПЗУ, так и на служебную область диска. Так же на диск записывают параметры устройства: модель, серийный номер, секторы конфигурации, таблицы дефектов, рабочие программы винчестера и т. д. Многие платы имеют специальные разъемы для сервисного обслуживания: тестирование, форматирование, переназначение дефектных участков и т.д.
Остановимся на переназначении дефектных участков — я думаю, следует немного рассказать об этом, чтобы не пугать обывателя, услышавшего, что идеальных винчестеров с идеальными дисками не существует. То есть как бы ни был идеален техпроцесс изготовления поверхности пластины, на ней будет некоторый процент так называемых bad секторов, которые замечаются и блокируются уже на заводе. Надо заметить, что в прежние времена адреса таких участков даже указывались на корпусе накопителя. С появлением технологии S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) за обнаружением подобных участков, их локализацией и выделением дополнительного объема из "секретных" областей диска стал следить автономный контроллер винчестера. То есть при работе винчестера контроллер следит за его "здоровьем" и при обнаружении плохих секторов либо переназначает их (помечает как bad и обращается к резервным), либо сигнализирует о неисправности. Для просмотра SMART.-атрибутов существует множество программ: Hddspeed, HddUtils, S.M.A.R.T.vision и так далее. Если вы покупаете уже бывший в употреблении винчестер, можете просмотреть с помощью этих программ его состояние (естественно, если винчестер имеет SMART-технологию) и судить, стоит ли покупать его.
При включении питания процессор винчестера выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической скорости вращения дисков плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту от долей до единиц микрон над поверхностями дисков — головки "всплывают". С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки держатся на воздушной подушке, не касаясь поверхностей дисков.
После достижения дисками скорости вращения, близкой к номинальной (обычно 3600, 4500, 5400 или 7200 об/мин) головки выводятся из зоны парковки, и начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения. Затем выполняется считывание информации из служебной зоны — в частности, таблицы переназначения дефектных участков.
В завершение инициализации выполняется тестирование позиционера путем перебора заданной последовательности дорожек — если оно проходит успешно, процессор выставляет на интерфейс признак готовности и переходит в режим работы по интерфейсу.
Для согласования скоростей потоков данных — на уровне считывания/записи и внешнего интерфейса — винчестеры имеют промежуточный буфер, часто ошибочно называемый кэшем.
При отключении питания процессор, используя энергию, оставшуюся в конденсаторах платы, либо извлекая ее из обмоток двигателя, который при этом работает как генератор, выдает команду на установку позиционера в парковочное положение. Команда успевает выполниться до снижения скорости вращения ниже критической. В некоторых винчестерах (Quantum) этому способствует помещенное между дисками подпружиненное коромысло, постоянно испытывающее давление воздуха. При ослаблении воздушного потока коромысло дополнительно толкает позиционер в парковочное положение, где тот фиксируется защелкой. Движению головок в сторону шпинделя способствует также центростремительная сила, возникающая из-за вращения дисков.
Следующим параметром для выбора жесткого диска будет вид интерфейса, который не должен вызывать особых проблем: жесткие диски IDE на данный момент более распространены, чем SCSI-аналоги, которые при всех своих плюсах имеют один большущий для простого пользователя минус — это цена, превосходящая в 2-3 раза диски с интерфейсом IDE.
На данный момент получили распространение диски со следующими режимами: ATA/33, ATA/66 и АТА/100 (другие обозначения — Ultra ATA/33/66/100 или Ultra DMA mode3/4/5 соответственно). Цифры 33,66 и 100 обозначают максимальную скорость передачи данных в МБ/с.. Диски АТА/66/100 (и других устройств, работающих в этих режимах) требуют для подключения специальный 80-жильный шлейф. Контактов у него 40, как у стандартного шлейфа IDE, но добавлено еще 40 жил заземления, которые способствуют уменьшению наводок в шлейфе. Поскольку режим АТА/33 наиболее "отработан", он наименее подвержен таким проблемам, то есть, имея диск или контроллер АТА/33, вы можете особенно не беспокоиться — диск будет нормально работать с любыми контроллерами, а контроллер — с любыми дисками. Единственный минус — скорость передачи данных в обоих случаях будет ограничена 33 МБ/с.
А что же делать, если ваша системная плата не поддерживает режимы АТА/66 или АТА/100, а вам очень хочется использовать свой быстрый диск, что называется, на всю катушку? Не менять же из-за этого, в самом деле, плату. Здесь на помощь приходят отдельные контроллеры АТА/66 или АТА/100. Представляют они собой обычную плату расширения, которая устанавливается в любой свободный PCI-слот. Жесткий диск при этом подключается не к контроллеру системной платы, а к установленному дополнительному контроллеру, и вы получаете требуемый режим (разумеется, после установки соответствующих драйверов, прилагаемых к контроллеру).
На этом я хочу закончить небольшой экскурс в нутро устройства, без которого не существует ни один компьютер. Со всеми вопросами прошу обращаться по адресу vpavel@tut.by .
Павел Вавко
(c) компьютерная газета
Среди параметров работы жесткого диска, которые можно увидеть в объявлениях о продаже, ессть такие характеристики, как скорость вращения шпинделя и объем вместимой информации, обычно вопросов с последним параметром не бывает — чем больше, тем дороже:-), а вот чтобы разобраться со скоростными характеристиками, необходимо немного разобраться в устройстве и в принципе работы.
Для начала рассмотрим общий принцип устройства жестких дисков. Типовой винчестер состоит из следующих компонентов: гермоблок и плата с электронными элементами. В гермоблоке размещаются все механические компоненты, а на плате с электронными элементами — устройства управления и контроля, за исключением предусилителя, размещенного непосредственно внутри гермоблока. В гермоблоке установлен шпиндель с одним или несколькими дисками (наиболее распространены устройства с 2-5 дисками, число поверхностей прямо определяет физический объем накопителя и скорость обработки операций на одном цилиндре). Диски изготовляются из алюминия, керамики или стекла и покрыты тонким слоем окиси хрома, которая имеет существенно большую износостойкость, чем покрытие на основе окиси железа, которую использовали в ранних моделях. Двигатель, вращающий диски, включается при подаче питания на диск, расположен он под дисками или встроен в шпиндель. Частота вращения измеряется в оборотах в минуту (rpm): 4500, 5400 оборотов в минуту или 7200, 10000 rpm). Однако эта функция не линейная и зависит от системы подшипников.
Чем выше скорость вращения, тем выше: во-первых, скорость чтения с поверхности диска (естественно, если на дорожке записан одинаковый объем информации, то чем быстрее диск крутится, тем больше информации считывается за единицу времени), во-вторых, время доступа к нужной информации (информация на дисках записывается по кольцевым дорожкам; в свою очередь, каждая дорожка разбита на сектора, время поиска информации определяется временем выбора нужной дорожки, которое зависит от скорости вращения диска, и временем, необходимым для того, чтобы диск провернулся так, чтобы под головкой оказался нужный сектор; чем скорость вращения выше, тем меньше в среднем это время), и, в-третьих, ценой.
Как правило, информация о скорости вращения не указана на маркировке диска, поэтому не стесняйтесь спрашивать у продавца. Диски со скоростью вращения 7200 rpm дороже, чем диски 5400 rpm, в среднем на 15-25%, при одинаковых объемах.
Следует только учесть, что при возрастании частоты вращение шпинделя возрастают как шумовые характеристики, так и рабочая температура устройства. Что касается шумовых характеристик, то уже давно идет спор по поводу того, что увеличение скорости вращения шпинделя дает лишь небольшой прирост шумов по сравнению с шумопонижением благодаря специальной оптимизации конструкции диска. Так, всем известные фирмы Maxtor, Seagate провели исследование в этой области, то есть измеряли акустические характеристики при разных скоростях вращения шпинделя, и пришли к выводу, что на скорости 4500 диск шумит всего на 1 дБ меньше, чем при 5400 об./мин., что заметно меньше, чем порог чувствительности человеческого уха 2-3 дБ.
При увеличении рабочей температуры винчестера требуется применение корпуса с продуманной конструкцией для отвода тепла либо дополнительное охлаждение внешним вентилятором. Вентилятора блока питания для этого недостаточно. Еще более высокооборотные диски со скоростью вращения 10000 и 15000 об/мин, которые сейчас выпускают уже многие фирмы, требуют обязательного внешнего обдува.
Вернемся к строению винчестера: со стороны разъемов находится поворотный позиционер, внешне немного схожий с башенным краном, у которого "стрела" — это несущие магнитных головок, а обратная сторона, "противовес", — это хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При подаче в обмотку тока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением; динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер в любое положение. Такая система привода получила название Voice Coil (звуковая катушка) — по аналогии с диффузором громкоговорителя.
При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков. В старых моделях винчестеров коромысло было закреплено на оси шагового двигателя, и расстояние между дорожками определялось величиной шага. В современных моделях используются линейные двигатели, не имеющие дискретности, а установка головки происходит в соответствии с записанными сигналам на пластине.
При вращении дисков в гермоблоке возникает воздушный поток, который постоянно очищается встроенными внутрь фильтрами. Воздушное давление уравновешивается специально предназначенными для этого окнами или технологическими отверстиями. В ряде моделей в эти отверстия устанавливают фильтры для очистки воздуха.
Плата с электронными компонентами подключается к гермоблоку через спецразъемы. На плате расположены основной процессор винчестера, ПЗУ с программой, рабочее ОЗУ (буфера), цифровой сигнальный процессор (DSP) для подготовки записываемых и обработки считанных сигналов и интерфейсная логика. Программа процессора может записываться как в ПЗУ, так и на служебную область диска. Так же на диск записывают параметры устройства: модель, серийный номер, секторы конфигурации, таблицы дефектов, рабочие программы винчестера и т. д. Многие платы имеют специальные разъемы для сервисного обслуживания: тестирование, форматирование, переназначение дефектных участков и т.д.
Остановимся на переназначении дефектных участков — я думаю, следует немного рассказать об этом, чтобы не пугать обывателя, услышавшего, что идеальных винчестеров с идеальными дисками не существует. То есть как бы ни был идеален техпроцесс изготовления поверхности пластины, на ней будет некоторый процент так называемых bad секторов, которые замечаются и блокируются уже на заводе. Надо заметить, что в прежние времена адреса таких участков даже указывались на корпусе накопителя. С появлением технологии S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) за обнаружением подобных участков, их локализацией и выделением дополнительного объема из "секретных" областей диска стал следить автономный контроллер винчестера. То есть при работе винчестера контроллер следит за его "здоровьем" и при обнаружении плохих секторов либо переназначает их (помечает как bad и обращается к резервным), либо сигнализирует о неисправности. Для просмотра SMART.-атрибутов существует множество программ: Hddspeed, HddUtils, S.M.A.R.T.vision и так далее. Если вы покупаете уже бывший в употреблении винчестер, можете просмотреть с помощью этих программ его состояние (естественно, если винчестер имеет SMART-технологию) и судить, стоит ли покупать его.
При включении питания процессор винчестера выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической скорости вращения дисков плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту от долей до единиц микрон над поверхностями дисков — головки "всплывают". С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки держатся на воздушной подушке, не касаясь поверхностей дисков.
После достижения дисками скорости вращения, близкой к номинальной (обычно 3600, 4500, 5400 или 7200 об/мин) головки выводятся из зоны парковки, и начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения. Затем выполняется считывание информации из служебной зоны — в частности, таблицы переназначения дефектных участков.
В завершение инициализации выполняется тестирование позиционера путем перебора заданной последовательности дорожек — если оно проходит успешно, процессор выставляет на интерфейс признак готовности и переходит в режим работы по интерфейсу.
Для согласования скоростей потоков данных — на уровне считывания/записи и внешнего интерфейса — винчестеры имеют промежуточный буфер, часто ошибочно называемый кэшем.
При отключении питания процессор, используя энергию, оставшуюся в конденсаторах платы, либо извлекая ее из обмоток двигателя, который при этом работает как генератор, выдает команду на установку позиционера в парковочное положение. Команда успевает выполниться до снижения скорости вращения ниже критической. В некоторых винчестерах (Quantum) этому способствует помещенное между дисками подпружиненное коромысло, постоянно испытывающее давление воздуха. При ослаблении воздушного потока коромысло дополнительно толкает позиционер в парковочное положение, где тот фиксируется защелкой. Движению головок в сторону шпинделя способствует также центростремительная сила, возникающая из-за вращения дисков.
Следующим параметром для выбора жесткого диска будет вид интерфейса, который не должен вызывать особых проблем: жесткие диски IDE на данный момент более распространены, чем SCSI-аналоги, которые при всех своих плюсах имеют один большущий для простого пользователя минус — это цена, превосходящая в 2-3 раза диски с интерфейсом IDE.
На данный момент получили распространение диски со следующими режимами: ATA/33, ATA/66 и АТА/100 (другие обозначения — Ultra ATA/33/66/100 или Ultra DMA mode3/4/5 соответственно). Цифры 33,66 и 100 обозначают максимальную скорость передачи данных в МБ/с.. Диски АТА/66/100 (и других устройств, работающих в этих режимах) требуют для подключения специальный 80-жильный шлейф. Контактов у него 40, как у стандартного шлейфа IDE, но добавлено еще 40 жил заземления, которые способствуют уменьшению наводок в шлейфе. Поскольку режим АТА/33 наиболее "отработан", он наименее подвержен таким проблемам, то есть, имея диск или контроллер АТА/33, вы можете особенно не беспокоиться — диск будет нормально работать с любыми контроллерами, а контроллер — с любыми дисками. Единственный минус — скорость передачи данных в обоих случаях будет ограничена 33 МБ/с.
А что же делать, если ваша системная плата не поддерживает режимы АТА/66 или АТА/100, а вам очень хочется использовать свой быстрый диск, что называется, на всю катушку? Не менять же из-за этого, в самом деле, плату. Здесь на помощь приходят отдельные контроллеры АТА/66 или АТА/100. Представляют они собой обычную плату расширения, которая устанавливается в любой свободный PCI-слот. Жесткий диск при этом подключается не к контроллеру системной платы, а к установленному дополнительному контроллеру, и вы получаете требуемый режим (разумеется, после установки соответствующих драйверов, прилагаемых к контроллеру).
На этом я хочу закончить небольшой экскурс в нутро устройства, без которого не существует ни один компьютер. Со всеми вопросами прошу обращаться по адресу vpavel@tut.by .
Павел Вавко
(c) компьютерная газета
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 39 за 2001 год в рубрике hard :: hdd
