Накопители на жестких дисках

Накопители на жестких дисках

Министерство общего и профессионального образования РФ

Иркутский Государственный Технический Университет

Кафедра ВТ

Реферат по предмету

“Эксплуатация вычислительной техники”

Тема: “Накопители на жестких дисках.”

Выполнил: студент

г. ЭВМ96-1 Жарников Д.

Принял: Головин В. Н.

Иркутск 2000 г.

Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель (носители)

и устройство чтения/записи, а также, нередко, и интерфейсную часть,

называемую собственно контроллером жесткого диска. Типичной конструкцией

жесткого диска является исполнение в виде одного устройства - камеры,

внутри которой находится один или более дисковых носителей насажанных на

один шпиндель и блок головок чтения/записи с их общим приводящим

механизмом. Обычно, рядом с камерой носителей и головок располагаются схемы

управления головками, дисками и, часто, интерфейсная часть и/или

контроллер. На интерфейсной карте устройства располагается собственно

интерфейс дискового устройства, а контроллер с его интерфейсом

располагается на самом устройстве. С интерфейсным адаптером схемы

накопителя соединяются при помощи комплекта шлейфов.

Информация заносится на концентрические дорожки, равномерно распределенные

по всему носителю. В случае большего, чем один диск, числа носителей все

дорожки, находящиеся одна под другой, называются цилиндром. Операции

чтения/записи производятся подряд над всеми дорожками цилиндра, после чего

головки перемещаются на новую позицию.

Герметичная камера предохраняет носители не только от проникновения

механических частиц пыли, но и от воздействия электромагнитных полей.

Необходимо заметить, что камера не является абсолютно герметичной т.к.

соединяется с окружающей атмосферой при помощи специального фильтра,

уравнивающего давление внутри и снаружи камеры. Однако, воздух внутри

камеры максимально очищен от пыли, т.к. малейшие частички могут привести к

порче магнитного покрытия дисков и потере данных и работоспособности

устройства.

Диски вращаются постоянно, а скорость вращения носителей довольно высокая

(от 4500 до 10000 об/мин), что обеспечивает высокую скорость чтения/записи.

По величине диаметра носителя чаще других производятся 5.25, 3.14, 2.3

дюймовые диски. На диаметр носителей несменных жестких дисков не

накладывается никакого ограничения со стороны совместимости и переносимости

носителя, за исключением форм-факторов корпуса ПК, поэтому, производители

выбирают его согласно собственным соображениям.

В настоящее время, для позиционирования головок чтения/записи, наиболее

часто, применяются шаговые и линейные двигатели механизмов позиционирования

и механизмы перемещения головок в целом.

В системах с шаговым механизмом и двигателем головки перемещаются на

определенную величину, соответствующую расстоянию между дорожками.

Дискретность шагов зависит либо от характеристик шагового двигателя, либо

задается серво-метками на диске, которые могут иметь магнитную или

оптическую природу. Для считывания магнитных меток используется

дополнительная серво головка, а для считывания оптических - специальные

оптические датчики.

В системах с линейным приводом головки перемещаются электромагнитом, а для

определения необходимого положения служат специальные сервисные сигналы,

записанные на носитель при его производстве и считываемые при

позиционировании головок. Во многих устройствах для серво-сигналов

используется целая поверхность и специальная головка или оптический датчик.

Такой способ организации серво-данных носит название выделенная запись

сервосигналов. Если серво-сигналы записываются на те же дорожки, что и

данные и для них выделяется специальный серво-сектор, а чтение производится

теми же головками, что и чтение данных, то такой механизм называется

встроенная запись сервосигналов. Выделенная запись обеспечивает более

высокое быстродействие, а встроенная - повышает емкость устройства.

Линейные приводы перемещают головки значительно быстрее, чем шаговые, кроме

того они позволяют производить небольшие радиальные перемещения "внутри"

дорожки, давая возможность отследить центр окружности серво-дорожки. Этим

достигается положение головки, наилучшее для считывания с каждой дорожки,

что значительно повышает достоверность считываемых данных и исключает

необходимость временных затрат на процедуры коррекции. Как правило, все

устройства с линейным приводом имеют автоматический механизм парковки

головок чтения/записи при отключении питания устройства.

Парковкой головок называют процесс их перемещения в безопасное положение.

Это - так называемое "парковочное" положение головок в той области дисков

где ложатся головки. Там, обычно, не записано никакой информации, кроме

серво - это специальная "посадочная зона" (Landing Zone). Для фиксации

привода головок в этом положении в большинстве ЖД используется маленький

постоянный магнит, когда головки принимают парковочное положение - этот

магнит соприкасается с основанием корпуса и удерживает позиционер головок

от ненужных колебаний. При запуске накопителя схема управления линейным

двигателем "отрывает" фиксатор, подавая на двигатель, позиционирующий

головки, усиленный импульс тока. В ряде накопителей используются и другие

способы фиксации - основанные, например, на воздушном потоке, создаваемом

вращением дисков. В запаркованном состоянии накопитель можно

транспортировать при достаточно плохих физических условиях (вибрация,

удары, сотрясения), т.к. нет опасности повреждения поверхности носителя

головками. В настоящее время на всех современных устройствах парковка

головок накопителей производится автоматически внутренними схемами

контроллера при отключении питания и не требует для этого никаких

дополнительных программных операций, как это было с первыми моделями.

Во время работы все механические части накопителя подвергаются тепловому

расширению, и расстояния между дорожками, осями шпинделя и позиционером

головок чтения/записи меняется. В общем случае это никак не влияет на

работу накопителя, поскольку для стабилизации используются обратные связи,

однако некоторые модели время от времени выполняют рекалибровку привода

головок, сопровождаемую характерным звуком, напоминающим звук при первичном

старте, подстраивая систему к изменившимся расстояниям.

Плата электроники современного накопителя на жестких магнитных дисках

представляет собой самостоятельный микрокомпьютер с собственным

процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и прочими традиционными

атрибутами присущими компьютеру. На плате могут располагаться множество

переключателей и перемычек, однако не все из них предназначены для

использования пользователем. Как правило, руководства пользователя

описывают назначение только перемычек, связанных с выбором логического

адреса устройства и режима его работы, а для накопителей с интерфейсом SCSI

- и перемычки, отвечающие за управление резисторной сборкой

(стабилизирующей нагрузкой в цепи).

Основные физические и логические параметры ЖД

Все накопители так или иначе соответствуют стандартам, определяемым либо

независимыми комитетами и группами стандартизации, либо самими

производителями. Среди множества технических характеристик отличающих одну

модель от другой можно выделить некоторые, наиболее важные с точки зрения

пользователей и производителей, которые так или иначе используются при

сравнении накопителей различных производителей и выборе устройства.

Диаметр дисков (disk diameter)- параметр довольно свободный от каких-либо

стандартов, ограничиваемый лишь форм-факторами корпусов системных блоков.

Наиболее распространены накопители с диаметром дисков 2.2, 2.3, 3.14 и 5.25

дюймов. Диаметр дисков определяет плотность записи на дюйм магнитного

покрытия. Накопители большего диаметра содержат большее число дорожек, и в

них, как правило используются более простые технологии изготовления

носителей, предназначенных для меньшей плотности записи. Они, как правило,

медленнее своих меньших собратьев и имеют меньшее число дисков, но более

надежны. Накопители с меньшим диаметром больших объемов имеют более

высокотехнологичные поверхности и высокие плотности записи информации, а

также, как правило, и большее число дисков.

Число поверхностей (sides number) - определяет количество физических дисков

нанизанных на шпиндель. Выпускаются накопители с числом поверхностей от 1

до 8 и более. Однако, наиболее распространены устройства с числом

поверхностей от 2 до 5. Принципиально, число поверхностей прямо определяет

физический объем накопителя и скорость обработки операций на одном

цилиндре. Так как операции на поверхностях цилиндра выполняются всеми

головками синхронно, то теоретически, при равных всех остальных условиях,

более быстрыми окажутся накопители с большим числом поверхностей.

Число цилиндров (cylinders number) - определяет сколько дорожек (треков)

будет располагаться на одной поверхности. В настоящее время все накопители

емкостью более 1 Гигабайта имеют число цилиндров более 1024, вследствие

чего, для распространенных ОС применяются унифицированные режимы доступа с

пересчетом и эмуляцией и виртуализацией числа головок, цилиндров и секторов

(LBA и Large).

Число секторов (sectors count) - общее число секторов на всех дорожках всех

поверхностей накопителя. Определяет физический неформатированный объем

устройства.

Число секторов на дорожке (sectors per track) - общее число секторов на

одной дорожке. Часто, для современных накопителей показатель условный, т.к.

они имеют неравное число секторов на внешних и внутренних дорожках, скрытое

от системы и пользователя интерфейсом устройства.

Частота вращения шпинделя (rotational speed или spindle speed) -

определяет, сколько времени будет затрачено на последовательное считывание

одной дорожки или цилиндра. Частота вращения измеряется в оборотах в минуту

(rpm). Для дисков емкостью до 1 гигабайта она обычно равна 5,400 оборотов в

минуту, а у более вместительных достигает 7,200 и 10000 rpm.

Время перехода от одной дорожки к другой (track-to-track seek time) обычно

составляет от 3.5 до 5 миллисекунд, а у самых быстрых моделей может быть от

0.6 до 1 миллисекунды. Этот показатель является одним из определяющих

быстродействие накопителя, т.к. именно переход с дорожки на дорожку

является самым длительным процессом в серии процессов произвольного

чтения/записи на дисковом устройстве. Показатель используется для условной

оценки производительности при сравнении накопителей разных моделей и

производителей.

Время успокоения головок (head latency time) - время, проходящее с момента

окончания позиционирования головок на требуемую дорожку до момента начала

операции чтения/записи. Является внутренним техническим показателем,

входящим в показатель - время перехода с дорожки на дорожку.

Время установки или время поиска (seek time)- время, затрачиваемое

устройством на перемещение головок чтения/записи к нужному цилиндру из

произвольного положения.

Среднее время установки или поиска (average seek time) - усредненный

результат большого числа операций позиционирования на разные цилиндры,

часто называют средним временем позиционирования. Среднее время поиска

имеет тенденцию уменьшаться с увеличением емкости накопителя, т.к

повышается плотность записи и увеличивается число поверхностей. Например,

для 540-мегабайтных дисков наиболее типичны величины от 10 до 13, а для

дисков свыше гигабайта - от 7 до 10 миллисекунд. Среднее время поиска

является одним из важнейших показателей оценки производительности

накопителей, используемых при их сравнении.

Время ожидания (latency) - время, необходимое для прохода нужного сектора к

головке, усредненный показатель – среднее время ожидания (average latency),

получаемое как среднее от многочисленных тестовых проходов. После

успокоения головок на требуемом цилиндре контроллер ищет нужный сектор. При

этом, последовательно считываются адресные идентификаторы каждого

проходящего под головкой сектора на дорожке. В идеальном, с точки зрения

производительности случае, под головкой сразу окажется нужный сектор, в

плохом - окажется, что этот сектор только что "прошел" под головкой, и, до

окончания процесса успокоения необходимо будет ждать полный оборот диска

для завершения операции чтения/записи. Это время у накопителей объемом от

540 мегабайт до 1 гигабайта составляет примерно 5.6, а у дисков свыше

гигабайта - 4.2 миллисекунды и менее.

Время доступа (access time) - суммарное время, затрачиваемое на установку

головок и ожидание сектора. Причем, наиболее долгим является промежуток

времени установки головок.

Среднее время доступа к данным (average access time) - время, проходящее с

момента получения запроса на операцию чтения/записи от контроллера до

физического осуществления операции - результат сложения среднего время

поиска и среднего времени ожидания. Среднее время доступа зависит от того,

как организовано хранение данных и насколько быстро позиционируются головки

чтения записи на требуемую дорожку. Среднее время доступа – усредненный

показатель от многочисленных тестовых проходов, и обычно, оно составляет от

10 до 18 миллисекунд и используется как базовый показатель при

сравнительной оценке скорости накопителей различных производителей.

Скорость передачи данных (data transfer rate), называемая также пропускной

способностью (throughput), определяет скорость, с которой данные

считываются или записываются на диск после того, как головки займут

необходимое положение. Измеряется в мегабайтах в секунду (MBps) или

мегабитах в секунду (Mbps) и является характеристикой контроллера и

интерфейса. Различают две разновидности скорости передачи - внешняя и

внутренняя. Скорость передачи данных, также является одним из основных

показателей производительности накопителя и используется для ее оценки и

сравнения накопителей различных моделей и производителей.

Внешняя скорость передачи данных (external data transfer rate или burst

data transfer rate) показывает, с какой скоростью данные считываются из

буфера, расположенного на накопителе в оперативную память компьютера. В

настоящее время, накопители с интерфейсами EIDE или Fast ATA, обычно, имеют

внешнюю скорость передачи данных от 11.1 до 16.6 мегабайта в секунду, а для

накопителей с интерфейсами SCSI-2 - этот параметр находится в пределах от

10 до 40 мегабайт в секунду.

Внутренняя скорость передачи данных (internal transfer rate или sustained

transfer rate) отражает скорость передачи данных между головками и

контроллером накопителя и определяет общую скорость передачи данных в тех

случаях, когда буфер не используется или не влияет (например, когда

загружается большой графический или видеофайл). Внутренняя скорость

передачи данных очень сильно зависит от частоты вращения шпинделя.

Размер кеш-буфера контроллера (internal cash size). Встроенный в накопитель

буфер выполняет функцию упреждающего кэширования и призван сгладить

громадную разницу в быстродействии между дисковой и оперативной памятью

компьютера. Выпускаются накопители с 128, 256 и 512 килобайтным буфером.

Чем больше объем буфера, тем потенциально выше производительность при

произвольном "длинном" чтении/записи. Также, более емкий буфер обеспечивает

рост производительности дисковой подсистемы, во-первых, при работе с

объемными упорядоченными (записанными на диски последовательно) данными, а

во-вторых - при одновременном обращении к диску множества приложений или

пользователей, как это происходит в многозадачных сетевых ОС.

Средняя потребляемая мощность (capacity). При сборке мощных настольных

компьютеров учитывается мощность, потребляемая всеми его устройствами.

Современные накопители на ЖД потребляют от 5 до 15 Ватт, что является

достаточно приемлемым, хотя, при всех остальных равных условиях, накопители

с меньшей потребляемой мощностью выглядат более привлекательно. Это

относится не только к экономии электроэнергии, но и надежности, т.к. более

мощные накопители рассеивают избыток энергии в виде тепла и сильно

нагреваются. А как известно, проблемы, связанные с изменением свойств

магнитных носителей напрямую зависят от их температуры и коэффициента

расширения/сжатия материала.

Уровень шума (noise level), разумеется, является эргономическим

показателем. Однако, он также, является и некоторым показателем

сбалансированности механической конструкции, т.к. шум в виде треска - есть

не что иное как звук ударов позиционера шагового или линейного механизма,

а, даже микро- удары и вибрация так не желательны для накопителей и

приводят к более быстрому их износу.

Среднее время наработки на отказ (MTBF) - определяет сколько времени

способен проработать накопитель без сбоев. К сожалению, точные оценки

надежности производителями не афишируются. Они приводят обычно среднюю

условную наработку на отказ в сотнях тысяч часов работы, что является

расчетной статистической величиной. К тому же, производители используют для

ее определения различные расчетные методики, поэтому сравнивать наработку

на отказ, приводимую в спецификациях продукции разных компаний, нужно с

особой осторожностью.

Сопротивляемость ударам (G-shock rating) - определяет степень

сопротивляемости накопителя ударам и резким изменениям давления, измеряется

в единицах допустимой перегрузки g во включенном и выключенном состоянии.

Является важным показателем для настольных и мобильных систем.

Физический и логический объем накопителей. Носители жестких дисков, в

отличие от гибких, имеют постоянное число дорожек и секторов, изменить

которое невозможно. Эти числа определяются типом модели и производителем

устройства. Поэтому, физический объем жестких дисков определен изначально и

состоит из объема, занятого служебной информацией (разметка диска на

дорожки и сектора) и объема, доступного пользовательским данным. Физический

объем жесткого диска, также, зависит от типа интерфейса, метода кодирования

данных, используемого физического формата и др. Производители накопителей

указывают объемы дисков в миллионах байт, предполагая исходя из десятичной

системы исчисления, что в одном мегабайте 1000000 байт. Однако, ПО

оперирует не десятичной, а двоичной системами, полагая, что в одном

килобайте не 1000 байт, а 1024. Такие несложные разногласия в системах

исчисления приводят к несоответствиям при оценке объема накопителей, данном

в описании и - выдаваемом различными программными тестами.

Одним из возможных, но не желательных способов повышения физической

емкости, для производителей, является увеличение емкости сектора. В

настоящее время, стандартной емкостью сектора для IBM-совместимых

компьютеров является 512 байт. Многие адаптеры позволяют, в процессе

физического форматирования, программным путем, изменять емкость сектора,

например, до 1024 байт. При этом, соотношение пользовательских данных и

служебной информации для сектора улучшается, но снижается надежность

хранения данных, т.к. тот же полином ECC будет использоваться для коррекции

большего объема данных. Однако, выигрыш на физическом уровне еще не

означает тот же результат на логическом, т.к. логическая структура диска

может оказаться не эффективной, например, при использовании для работы с

файлами малой длинны (менее 1 К). Логический же объем зависит от того, как

операционная система или программа записывает информацию в сектора. В

случае использования программ и операционных систем с программной

компрессией данных, можно повысить объем носителя на величину, зависящую от

степени сжатия данных.

Для оптимального использования поверхности дисков применяется так

называемая зонная запись (Zoned Bit Recording - ZBR), принцип которой

состоит в том, что на внешних дорожках, имеющих большую длину (а

следовательно - и потенциальную информационную емкость на единицу площади),

информация записывается с большей плотностью, чем на внутренних. Таких зон

с постоянной плотностью записи в пределах всей поверхности образуется до

десятка и более; соответственно, скорость чтения и записи на внешних зонах

выше, чем на внутренних. Благодаря этому файлы, расположенные на дорожках с

большим диаметром, в целом будут обрабатываться быстрее файлов,

расположенных на дорожках с меньшим диаметром, т.к. для них будет

производится меньшее число позиционирований с дорожки на дорожку.

В ЖД последнего поколения используются технологии PRML (Partial Response,

Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике) и

S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology - технология

самостоятельного слежения анализа и отчетности). Первая разработана по

причине того, что при существующих плотностях записи уже невозможно четко и

однозначно считывать сигнал с поверхности диска - уровень помех и искажений

очень велик. Вместо прямого преобразования сигнала используется его

сравнение с набором образцов, и на основании максимальной похожести

(правдоподобия) делается заключение о приеме того или иного машинного

слова.

Накопитель, в котором реализована технология S.M.A.R.T., ведет статистику

своих рабочих параметров (количество стартов/остановок и наработанных

часов, время разгона шпинделя, обнаруженные/исправленные физические ошибки

Страницы: 1, 2, 3