48205 (666020), страница 2
Текст из файла (страница 2)
5. Зовнішня пам’ять на жорстких дисках
5.1 Принцип роботи жорсткого диска
Самим необхідним і в той же час самим загадковим компонентом комп'ютера є накопичувач на жорсткому диску. Як відомо, він призначений для зберігання даних, і наслідки його виходу з ладу найчастіше виявляється катастрофічними. Для правильної експлуатації або модернізації комп'ютера необхідно добре уявляти собі, що ж це таке – накопичувач на жорсткому диску.
Основними елементами накопичувача є кілька круглих алюмінієвих або некристалічних склоподібних пластин. На відміну від гнучких дисків (дискет), їх не можна зігнути, звідси й з'явилася назва жорсткий диск (рисунок 4.7). У більшості пристроїв вони незнімні, тому іноді такі накопичувачі називаються фіксованими (fixed disk). Існують також накопичувачі зі змінними дисками, наприклад пристрою Iomega Zip й Jaz.
Основний критерій оцінки накопичувачів на жорстких дисках — поверхнева щільність запису. Вона визначається як добуток лінійної щільності запису уздовж доріжки, що виражає в бітах на дюйм (Bits Per Inch — BPI), і кількості доріжок на дюйм (Tracks Per Inch — TPI). У результаті поверхнева щільність запису виражається в Мбіт/дюйм або Гбіт/дюйм. На підставі цього значення можна зробити висновок про ефективність того або іншого способу запису даних. У сучасних накопичувачах розміром 3,5 дюйми величина цього параметра становить близько 6 Гбіт/дюйм2, а в експериментальних моделях вона досягає 20 Гбіт/дюйм". Це дозволяє випускати накопичувачі ємністю більше 10 Гбайт для портативних комп'ютерів з одним диском-носієм на 2,5 дюйми.
Основні принципи роботи накопичувачів на жорстких дисках наступні: дані записуються й зчитуються універсальними головками читання/запису з поверхонь обертових магнітних дисків, розбитих на доріжки й сектори (512 байт кожний), як показано на рисунку 8.
Рисунок 7 – Внутрішній вид накопичувача на жорстких дисках.
Рисунок 8 – Доріжки й сектори накопичувача на жорстких дисках
У накопичувачах звичайно встановлюється ДЕкілька дисків, і дані записуються на обох сторонах кожного з них. У більшості накопичувачів є, щонайменше, два або три диски (що дозволяє виконувати запис на чотирьох або шести сторонах), але існують також пристроЇ, що містять до 11 і більше дисків. Однотипні (однаково розташовані) доріжки на всіх сторонах дисків поєднуються в циліндр (рисунок 9). Для кожної сторони диска передбачена своя доріжка читання/запису, але при цьому всі головки змонтовані на загальному стрижні, або стійці. Тому головки не можуть переміщатися незалежно друг від друга й рухаються тільки синхронно.
Рисунок 9 – Циліндр накопичувача на жорстких дисках
Жорсткі диски обертаються набагато швидше, ніж гнучкі. Частота їхнього обертання навіть у більшості перших моделей становила 3 600 обертів/хв (тобто в 10 разів більше, ніж у накопичувачі на гнучких дисках) і до останнього часу була майже стандартом для жорстких дисків. Але останнім часом частота обертання жорстких дисків зросла. Швидкість роботи того або іншого жорсткого диска залежить від частоти його обертання, швидкості переміщення системи головок і кількості секторів на доріжці.
При нормальній роботі жорсткого диска головки читання/запису не торкаються (і не повинні торкатись!) дисків. Але вони опускаються на його поверхню при вимиканні живлення й зупинці дисків. Під час роботи пристрою між головкою й поверхнею обертового диска утворюється дуже малий повітряний зазор (повітряна подушка). Якщо в цей зазор потрапить порошина або відбудеться струс, головка "зштовхнеться" з диском, що обертається "на повному ходу". Якщо удар буде досить сильним, то відбудеться поломка головки.
Оскільки пакети магнітних дисків утримуються в щільно закритих корпусах й їхній ремонт не передбачений, щільність доріжок на них дуже висока — до 20 000 і більше на дюйм. Блоки HDA (Head Disk Assembly — блок головок і дисків) збирають у спеціальних цехах, в умовах практично повної стерильності. Обслуговуванням HDA займаються лічені фірми, тому ремонт або заміна яких-небудь деталей всередині герметичного блоку HDA обходиться дуже дорого.
Доріжка — це одне "кільце" даних на одній стороні диска. Доріжка запису на диску занадто велика, щоб використати неї як одиниця зберігання інформації. У багатьох накопичувачах її ємність перевищує 100 000 байт, і відводити такий блок для зберігання невеликого файлу вкрай марнотратно. Тому доріжки на диску розбивають на нумеровані відрізки, називані секторами.
Кількість секторів може бути різним залежно від щільності доріжок і типу накопичувача. Наприклад, на доріжці гнучких дисків може бути 8-36 секторів, а на доріжці жорсткого диска – 17-100 секторів. Сектори, створюються за допомогою стандартних програм форматування, мають ємність 512 байт, але не виключено, що в майбутньому ця величина зміниться.
Нумерація секторів на доріжці починається з одиниці, на відміну від головок і циліндрів, відлік яких ведеться з нуля. Наприклад, дискета HD (High Density) формату 3,5 дюйми (ємністю 1,44 Мбайт) містить 80 циліндрів, пронумерованих від 0 до 79, у дисководі встановлені дві головки (з номерами 0 й 1), і кожна доріжка циліндра розбита на 18 секторів (1-18).
На початку кожного сектора записується його заголовок (або префікс — prefix portion), no якому визначається початок і номер сектора, а наприкінці — висновок (або суфікс — suffix portion), у якому перебуває контрольна сума (checksum), необхідна для перевірки цілісності даних. Крім зазначених областей службової інформації, кожен сектор містить область даних ємністю 512 байт. При низькорівневому (фізичному) форматуванні всім байтам даних привласнюється деяке значення, наприклад F6h.
Стверджувати, що розмір будь-якого сектора дорівнює 512 байт – не цілком коректно. Насправді в кожному секторі можна записати 512 байт даних, але область даних – це тільки частина сектора. Кожен сектор на диску звичайно займає 571 байт, з яких під дані приділяється тільки 512 байт. У різних накопичувачах простір, що відводить під заголовки (header) і висновку (trailer), може бути різним, але, як правило, сектор має розмір 571 байт.
Для наочності уявіть, що сектори - це сторінки в книзі. На кожній сторінці існує текст, але їм заповнюється не весь простір сторінки, тому що в неї є поля (верхнє, нижнє, праве й ліве). На полях міститься службова інформація, наприклад назви глав (у нашій аналогії це буде відповідати номерам доріжок і циліндрів) і номера сторінок (що відповідає номерам секторів).
Області на диску, аналогічні полям на сторінці, створюються під час форматування диска. Тоді ж у них записується й службова інформація. Крім того, під час форматування диска області даних кожного сектора заповнюються фіктивними значеннями. Відформатувавши диск, можна записувати інформацію в області даних звичайним чином. Інформація, що міститься в заголовках і висновках сектора, не змінюється під час звичайних операцій запису даних. Змінити її можна, тільки переформатувавши диск.
Ідентифікатор (ID) сектора складається з полів запису номерів циліндра, головки й сектора, а також контрольного поля CRC для перевірки точності зчитування інформації ID. У більшості контролерів сьомий біт поля номера головки використовується для маркування дефектних секторів у процесі низькорівневого форматування або аналізу поверхні. Однак такий метод не є стандартним, і в деяких пристроях дефектні сектори позначаються інакше. Але як правило, оцінка робиться в одному з полів ID.
Інтервал включення запису йде відразу за байтами CRC. Він гарантує, що інформація в наступній області даних буде записана правильно. Крім того, він служить для завершення аналізу CRC (контрольної суми) ідентифікатора сектора.
У поле даних можна записати 512 байт інформації. За ним розташовується ще одне поле CRC для перевірки правильності запису даних. У більшості накопичувачів розмір цього поля становить два байти, але деякі контролери можуть працювати й з більш довгими полями кодів корекції помилок (Error Correction Code - ЕСС). Записані в цьому полі байти кодів корекції помилок дозволяють при зчитуванні виявляти й виправляти деякі помилки. Ефективність цієї операції залежить від обраного методу корекції й особливостей контролера. Наявність інтервалу відключення запису дозволяє повністю завершити аналіз байтів ЕСС (CRC).
Інтервал між записами необхідний для того, щоб застрахувати дані з наступного сектора від випадкового стирання при записі в попередній сектор. Це може відбутися» якщо при форматуванні диск обертався із частотою, трохи меншою, чим при наступних операціях запису. При цьому сектор, природно, щораз буде набагато довший, і для того щоб він не виходив за встановлені при форматуванні границі, їх злегка "розтягують", уводячи вищезгаданий інтервал. Його реальний розмір залежить від різниці частот обертання диска при форматуванні доріжки й при кожнім відновленні даних.
Інформація, записувана в заголовку сектора, має величезне значення, оскільки містить дані про номер циліндра, головки й сектори. Всі ці відомості (за винятком поля даних, байтів CRC й інтервалу відключення записи) записуються на диск тільки при форматуванні низького рівня.
5.2 Основні вузли накопичувачів на жорстких дисках
Існує багато різних типів накопичувачів на жорстких дисках, але практично всі вони складаються з тих самих основних вузлів. Конструкції цих вузлів, а також якість використовуваних матеріалів можуть бути різними, але основні їх. робочі характеристики й принципи роботи однакові. До основних елементів конструкції типового накопичувача на жорсткому диску (рисунок 4.10) відносяться наступні:
диски;
головки читання/запису;
механізм привода головок;
двигун привода дисків;
друкована плата зі схемами керування;
кабелі й роз’єми;
елементи конфігурації (перемички й перемикачі).
Диски, двигун привода дисків, головки й механізм привода головок звичайно розміщуються в герметичному корпусі, що називається HDA (Head Disk Assembly — блок головок і дисків). Звичайно цей блок розглядається як єдиний вузол; його майже ніколи не розкривають. Інші вузли, що не входять у блок HDA, - друкована плата, лицьова панель, елементи конфігурації й монтажних деталей - є знімними.
Звичайно в накопичувачі втримується один або кілька магнітних дисків. За минулі роки встановлений ряд стандартних розмірів накопичувачів, які визначаються в основному розмірами дисків. Найпоширеніші на сьогоднішній день пристрою з дисками наступних діаметрів:
5,25 дюйма (насправді - 130 мм, або 5,12 дюйма);
3,5 дюйми (насправді - 95 мм, або 3,74 дюйми);
2,5 дюйми;
1,8 дюйма;
1 дюйма (MicroDrive).
Рисунок 10 – Основні вузли накопичувача на жорсткому диску
Існують також накопичувачі з дисками більших розмірів, наприклад 8 дюймів, 14 дюймів і навіть більше, але, як правило, ці пристрої в персональних комп'ютерах не використаються. Зараз у настільній і деякій портативній моделях найчастіше встановлюються накопичувачі формату 3,5 дюйми, а малогабаритні пристрої (формату 2,5 дюйми й менше) - у портативних системах.
Раніше майже всі диски вироблялися з алюмінієвого сплаву, досить міцного й легені. Але згодом виникла потреба в накопичувачах, що сполучають малі розміри й більшу ємність. Тому як основний матеріал для дисків стало використовуватись скло, а точніше, композитний матеріал на основі скла й кераміки.
Скляні диски відрізняються більшою міцністю й твердістю, тому їх можна зробити у два рази тонше алюмінієвих (а іноді ще тонше). Крім того, вони менш сприйнятливі до перепадів температур, тобто їхні розміри при нагріванні й охолодженні змінюються досить незначно.
Незалежно від того, який матеріал використовується як основу диска, він покривається тонким шаром речовини, здатної зберігати залишкову намагніченість після впливу зовнішнього магнітного поля. Цей шар називається робочим або магнітним, і саме в ньому зберігається записана інформація. Найпоширенішими є два типи шару:
оксидний;
тонкоплівковий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
