Жесткий диск

Самым необходимым и в то же время самым загадочным компонентом компьютера является накопитель на жестком диске. Как известно, он предназначен для хранения данных, и последствия его выхода из строя зачастую оказываются катастрофическими. Для правильной эксплуатации или модернизации компьютера необходимо хорошо представлять себе, что же это такое — накопитель на жестком диске.

Новейшие достижения

Почти за 20 лет, прошедших с того времени, как жесткие диски стали привычными компонентами персональных компьютеров, их параметры радикально изменились. Приведем самые яркие факты.

■ Максимальная емкость 5,25-дюймовых накопителей увеличилась от 10 Мбайт (1982 год) до 180 Гбайт и больше для 3,5-дюймовых накопителей половинной высоты (Seagate Barracuda 180). Емкость 2,5-дюймовых дисководов с высотой не более 12,5 мм, которые используются в портативных компьютерах, выросла до 32 Гбайт (IBM Travelstar 32GH). Жесткие диски объемом менее 10 Гбайт в современных настольных компьютерах практически не используются.

■

Вид накопителя на жестких дисках со снятой верхней крышкой

Скорость передачи данных увеличилась от 85-102 Кбайт/с в компьютере IBM XT (1983 год) до 51,15 Мбайт/с в наиболее быстродействующих системах (Seagate Cheetah 73LP).

■ Среднее время поиска (т.е. время установки головки на нужную дорожку) уменьшилось от 85 мс в компьютере IBM XT (1983 год) до 4,2 мс в одном из самых быстродействующих на сегодняшний день дисководе (Seagate Cheetah X15).

■ В 1982 году накопитель емкостью 10 Мбайт стоил более 1500 долларов (150 долларов за мегабайт). В настоящее время, стоимость жестких дисков снизилась до половины цента за мегабайт.

вуют также накопители со сменными дисками, например устройства Iomega Zip и Jaz.

7.2 Принципы работы накопителей на жестких дисках

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый), как показано на рис.2. В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные записываются на обеих сторонах каждого из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков.

Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис.3). Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и

Рис.2 Дорожки и секторы Рис.3 Цилиндры

двигаются только синхронно. Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения даже в большинстве первых моделей составляла 3 600 об/мин (т.е. в 10 раз больше, чем в накопителе на гибких дисках) и до последнего времени была почти стандартом для жестких дисков. Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла. Например, в портативном компьютере Toshiba диск объемом 3,3 Гбайт вращается с частотой 4 852 об/мин, но уже существуют модели с частотами 5 400, 5 600, 6 400, 7 200, 10 000 и даже 15 000 об/мин. Скорость работы того или иного жесткого диска зависит от частоты его вращения, скорости перемещения системы головок и количества секторов на дорожке. При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка “столкнется” с диском, вращающимся “на полном ходу”. Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные “взлеты” и “приземления” головок, а также более серьезные потрясения.

Поскольку пакеты магнитных дисков содержатся в плотно закрытых корпусах и их ремонт не предусмотрен, плотность дорожек на них очень высока — до 30 000 и более на дюйм. Блоки HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков) собирают в специальных цехах, в условиях практически полной стерильности.

7.3 Дорожки и секторы

Дорожка — это одно “кольцо” данных на одной стороне диска. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байт, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.

Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка жесткого диска — от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт, но не исключено, что в будущем эта величина изменится.

Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля. Например, дискета HD (High Density) формата 3,5 дюйма (емкостью 1,44 Мбайт) содержит 80 цилиндров, пронумерованных от 0 до 79, в дисководе установлены две головки (с номерами 0 и 1), и каждая дорожка цилиндра разбита на 18 секторов (1-18).

При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочей служебной информации, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается, и с этим приходится мириться, поскольку для обеспечения нормальной работы накопителя некоторое пространство на диске должно быть зарезервировано для служебной информации.

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс — suffix portion), в котором находится контрольная сумма (checksum), необходимая для проверки целостности данных. В большинстве новых дисководов вместо заголовка используется так называемая запись No-ID, вмещающая в себя больший объем данных. Помимо указанных областей служебной информации, каждый сектор содержит область данных емкостью 512 байт. При низкоуровневом (физическом) форматировании всем байтам данных присваивается некоторое значение, например F6h.

Утверждать, что размер любого сектора равен 512 байт, не вполне корректно. На самом деле в каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных — это только часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные отводится только 512 байт. В различных накопителях пространство, отводимое под заголовки (header) и заключения (trailer), может быть различным, но, как правило, сектор имеет размер 571 байт.

Информация, которая содержится в заголовках и заключениях сектора, не меняется во время обычных операций записи данных. Изменить ее можно, только переформатировав диск.

7.4 Форматирование дисков

Различают два вида форматирования диска:

■ физическое, или форматирование низкого уровня;

■ логическое, или форматирование высокого уровня.

При форматировании гибких дисков с помощью программы Explorer Windows 9x или ко-манды DOS FORMAT выполняются обе операции, но для жестких дисков эти операции следует выполнять отдельно. Более того, для жесткого диска существует и третий этап, выполняемый между двумя указанными операциями форматирования, — разбивка диска на разделы. Соз-дание разделов абсолютно необходимо в том случае, если вы предполагаете использовать на одном компьютере несколько операционных систем. Физическое форматирование всегда вы-полняется одинаково, независимо от свойств операционной системы и параметров формати-рования высокого уровня (которые могут быть различными для разных операционных сис-тем). Это позволяет совмещать несколько операционных систем на одном жестком диске. При организации нескольких разделов на одном накопителе каждый из них может использо-ваться для работы под управлением своей операционной системы либо представлять отдель-ный том (volume), или логический диск (logical drive). Том, или логический диск, — это то, чему система присваивает буквенное обозначение.

Таким образом, форматирование жесткого диска выполняется в три этапа.

1. Форматирование низкого уровня.

2. Организация разделов на диске.

3. Форматирование высокого уровня.

7.4.1 Форматирование низкого уровня

В процессе форматирования низкого уровня дорожки диска разбиваются на секторы. При этом записываются заголовки и заключения секторов (префиксы и суффиксы), а также формируются интервалы между секторами и дорожками. Область данных каждого сектора заполняется фиктивными значениями или специальными тестовыми наборами данных. В накопителях на гибких дисках количество секторов на дорожке определяется типом дискеты и дисковода; количество секторов на дорожке жесткого диска зависит от интерфейса накопителя и контроллера.

В первых контроллерах ST-506/412 при записи по методу MFM дорожки разбивались на 17 секторов, а в контроллерах этого же типа, но с RLL-кодированием количество секторов увеличилось до 26. В накопителях ESDI на дорожке содержится 32 и более секторов. В накопителях IDE контроллеры встроенные, и, в зависимости от их типа, количество секторов колеблется в пределах 17–700 и более. Накопители SCSI — это накопители IDE со встроенным адаптером шины SCSI (контроллер тоже встроенный), поэтому количество секторов на дорожке может быть совершенно произвольным и зависит только от типа установленного контроллера.

Практически во всех накопителях IDE и SCSI используется так называемая зонная запись с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные, содержат большее число секторов, чем близкие к центру. Один из способов повышения емкости жесткого диска заключается в разделении внешних цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами. Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую длину окружности. Однако в накопителях, не использующих метод зонной записи, все цилиндры содержат одинаковое количество данных, несмотря на то что длина окружности внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. В результате теряется пространство внешних дорожек, так как оно используется крайне неэффективно (рис. 4).

При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, причем по мере продвижения к внешнему краю диска дорожки разбиваются на все большее число секторов. Во всех цилиндрах, относящихся к одной зоне, количество секторов на дорожках одинаковое. Возможное количество зон зависит от типа и записи данных на внешних дорожках оказывается выше, чем на внутренних).

Приведем в качестве примера организацию зон в жестком диске IBM Travelstar 32GH емкостью 32 Гбайт и размером 2,5 дюйма для портативных компьютеров.

Этот накопитель имеет 21 664 дорожек на каждой поверхности диска; дорожки разделены на 15 зон по 1 354 в каждой. В нулевой зоне содержится наибольшее количество секторов —617 на каждую дорожку. Каждая дорожка в этой зоне имеет размер 315 904 байт, а дорожка в 15-й зоне содержит только 167 424 байт. При использовании метода зонной записи каждая поверхность диска уже содержит 10 225 408 секторов (5 235 байт на сторону). Если не использовать метод зонной записи, то каждая дорожка будет ограничена 327-ю секторами и, таким образом, каждая поверхность диска будет содержать 7 084 128 секторов, или 3 627 Мбайт. Выигрыш при использовании метода зонной записи составляет около 44%.

количество секторов —617 на каждую дорожку. Каждая дорожка в этой зоне имеет размер 315 904 байт, а дорожка в 15-й зоне содержит только 167 424 байт. При использовании метода зонной записи каждая поверхность диска уже содержит 10 225 408 секторов (5 235 байт на сторону). Если не использовать метод зонной записи, то каждая дорожка будет ограничена 327-ю секторами и, таким образом, каждая поверхность диска будет содержать 7 084 128 секторов, или 3 627 Мбайт. Выигрыш при использовании метода зонной записи составляет около 44%.

Обратите внимание на различия в скорости передачи данных для каждой зоны. Дорожки во внешней зоне (нулевой) имеют скорость передачи данных 28,49 Мбайт/с, что на 89% больше, чем 15,10 Мбайт/с во внутренней зоне (15-й). Именно это свойство диска объясняет различие в результатах измерения параметров диска с помощью программ тестовых пакетов, т.е. каждая программа измеряет скорость передачи данных в различных зонах.

Последняя спецификация ATA-5 (Ultra-ATA/66) поддерживает теоретическую скорость передачи данных 66 Мбайт/с, т.е. скорость интерфейса. Сравните ее с реальной скоростью носителя 15-28 Мбайт/с (средняя 21,8 Мбайт/с).

Метод зонной записи был принят производителями жестких дисков, что позволило повысить емкость устройств на 20-50% по сравнению с накопителями, в которых число секторов на дорожке является фиксированным. На сегодняшний день зонная запись используется почти во всех накопителях IDE и SCSI.

7.4.2 Организация разделов на диске

При разбивке диска на области, называемые разделами, в каждой из них может быть создана файловая система, соответствующая определенной операционной системе. Сегодня в работе операционных систем чаще других используется три файловые системы.

■ FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов). Это стандартная файловая система для DOS, Windows 9х и Windows NT. В разделах FAT под DOS допустимая длина имен файлов — 11 символов (8 символов собственно имени и 3 символа расширения), а объем тома (логического диска) — до 2 Гбайт. Под Windows 9х и Windows NT 4.0 и выше допустимая длина имен файлов — 255 символов.

■ С помощью программы FDISK можно создать только два физических раздела FAT на жестком диске — основной и дополнительный, а в дополнительном разделе можно создать до 25 логических томов. Программа Partition Magic может создавать четыре основных раздела или три основных и один дополнительный.

■ FAT32 (File Allocation Table, 32-bit — 32-разрядная таблица размещения файлов). Используется с Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 и Windows 2000. В таблицах FAT 32 ячейкам размещения соответствуют 32-разрядные числа. При такой файловой структуре объем тома (логического диска) может достигать 2 Тбайт (2 048 Гбайт).

■ NTFS (Windows NT File System — файловая система Windows NT). Доступна только в операционной системе Windows NT/2000. Длина имен файлов может достигать 256 символов, а размер раздела (теоретически) — 16 Эбайт (16x10 байт). NTFS обеспечивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми системами, например средства безопасности.

Наибольшее распространение в настоящее время получила файловая система FAT, поскольку именно она поддерживается большинством существующих операционных систем.

Создание разделов на диске выполняется с помощью поставляемой с операционной системой программы FDISK, используя которую можно выбрать (как в мегабайтах, так и в процентном выражении) размер основного и дополнительного разделов. Жестких указаний посозданию разделов на диске не существует — необходимо учитывать объем диска, а также устанавливаемую операционную систему.

После создания разделов необходимо выполнить форматирование высокого уровня с помощью средств операционной системы.

7.5 Форматирование высокого уровня

При форматировании высокого уровня операционная система (Windows 9х, Windows NT или DOS) создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносится загрузочный сектор тома (Volume Boot Sector — VBS), две копии таблицы размещения файлов (FAT) и корневой каталог (Root Directory). С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и даже “обходит”, во избежание проблем, дефектные участки на диске. В сущности, форматирование высокого уровня — это не столько форматирование, сколько создание оглавления диска и таблицы размещения файлов. Настоящее форматирование — это форматирование низкого уровня, при котором диск разбивается на дорожки и секторы. С помощью DOS-команды FORMAT для гибкого диска осуществляются сразу оба типа форматирования, а для жесткого — только форматирование высокого уровня. Чтобы выполнить низкоуровневое форматирование жесткого диска, необходима специальная программа, обычно предоставляемая производителем диска.

7.6 Основные узлы накопителей на жестких дисках

Существует много различных типов накопителей на жестких дисках, но практически все они состоят из одних и тех же основных узлов. Конструкции этих

узлов и качество используемых материалов могут быть различными, но основные их рабочие характеристики и принципы функционирования одинаковы. К основным элементам конструкции типичного накопителя на жестком диске (рис. 6) относятся следующие:

■ диски;

■ головки чтения/записи;

■ механизм привода головок;

■ двигатель привода дисков;

■ печатная плата со схемами управления;

■ кабели и разъемы;

■ элементы конфигурации (перемычки и переключатели).

Рис. 7

Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA (печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными.

Рис. 6 Рис. 8

7.7 Диски

Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. За прошедшие годы установлен ряд стандартных размеров накопителей, которые определяются в основном размерами дисков, а именно:

■ 5,25 дюйма (на самом деле — 130 мм, или 5,12 дюйма);

■ 3,5 дюйма (на самом деле — 95 мм, или 3,74 дюйма);

■ 2,5 дюйма (на самом деле — 65 мм, или 2,56 дюйма);

■ 1 дюйм (на самом деле — 34 мм, или 1,33 дюйма).

Рис.9. Линейный привод с подвижной катушкой

7.8 Плата управления

В каждом накопителе, в том числе и на жестких дисках, есть хотя бы одна плата. На ней монтируются электронные схемы для управления шпиндельным двигателем и приводом головок, а также для обмена данными с контроллером (представленными в заранее оговоренной форме). В накопителях IDE контроллер устанавливается непосредственно в накопителе, а для SCSI необходимо использовать дополнительную плату расширения.

7.9 Характеристики накопителей на жестких дисках

Если вы собрались покупать новый накопитель или просто хотите разобраться в том, каковы различия между устройствами разных семейств, сравните их параметры. Ниже приведены критерии, по которым обычно оценивают качество жестких дисков.

■ Надежность.

■ Быстродействие.

■ Противоударная подвеска.

■ Стоимость.

S.M.A.R.T.

S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology — технология самотестиро-вания, анализа и отчетности) — это новый промышленный стандарт, описывающий методы предсказания появления ошибок жесткого диска. При активизации системы S.M.A.R.T. жесткий диск начинает отслеживать определенные параметры, чувствительные к неисправностям нако-пителя или указывающие на них. В результате такого отслеживания можно предсказать сбои в работе накопителя. Если на основе отслеживаемых параметров вероятность появления ошибки возрастает, S.M.A.R.T. генерирует для BIOS или драйвера операционной системы отчет о воз-никшей неполадке, который указывает пользователю на необходимость немедленного резервно-го копирования данных до того момента, когда произойдет сбой в накопителе.

На основе отслеживаемых параметров S.M.A.R.T. пытается определить тип ошибки. По данным компании Seagate, 60% ошибок механические. Именно этот тип ошибок и предска-зывается S.M.A.R.T. Естественно, не все ошибки можно предсказать, например появление статического электричества, внезапная встряска или удар, термические перегрузки и т.д.

7.10 Деление жесткого диска на логические части.

В те времена, когда накопители на жестких магнитных дисках только начали применяться в персональных компьютерах, разрядность файловой системы DOS позволяла адресовать до 32 Мб дискового пространства. Но очень быстро появились жесткие диски объёмом 40 и более мегабайт, и стал вопрос - каким образом "подружить" новые накопители и старую операционную систему? Выход был найден быстро - фирма Microsoft предложила систему разбиения жесткого диска на логические диски(разделы).

На каждом жестком диске может существовать до 4 так называемых первичных (primary) разделов, на каждом таком разделе можно хранить файлы и папки. А как поступить, если Вам необходимо разделить диск на большее количество логических частей? Тогда следует на диске создать так называемый дополнительный (расширенный, extended) раздел. Такой дополнительный раздел на диске может быть только один, и при этом он может существовать только вместо одного из первичных разделов, т.е. при применении расширенного раздела первичных может быть максимум три. В чем же тогда преимущество использования расширенного раздела? Дело в том, что в расширенном разделе не хранят файлы и папки, так хранят логические диски!, и таких логических дисков в расширенном разделе может быть много, ограничение на их количество: сумма первичных разделов и логических дисков в расширенном разделе не должна превышать 32. Итого, если Вам необходимо четыре или менее раздела, Вы можете создать на вашем диске соответствующее количество первичных разделов, если же Вам нужно больше разделов, то можно создать три первичных, дополнительный, а в нем выделить необходимое количество логических дисков. Но так обычно не поступают. Дело в том, что больше одного первичного раздела на одном жестком диске не поддерживается многими операционными системами. Поэтому деление жесткого диска на разделы обычно производят следующим образом: выделяют один первичный раздел, остальное место отводят под дополнительный раздел, который в свою очередь делят на необходимое количество логических дисков.

Кроме того, помимо разделения жесткого диска на разделы, необходимо еще назначить один из разделов активным: только с активного раздела можно загрузить операционную систему и стартовать компьютер. Активным может быть только первичный раздел.

Контрольные вопросы

1 Что такое жесткий диск?

2 Опишите принципы работы накопителей на жестких дисках.

3 Что называют дорожкой? Параметры дорожек.

4 Что называют сектором? Параметры секторов.

5 Что называют цилиндром? Параметры цилиндров.

6 Опишите устройство жесткого диска.

7 Описать формат дорожки и сектора стандартного жесткого диска.

8 Для чего форматируют жесткие диски?

9 В каких случаях применяют форматирование низкого уровня и порядок его выполнения?

10 Для чего организуют разделы на диске?

11 Описать файловую систему FAT.