Запись данных в жестком диске. Метод записи данных на жесткий магнитный диск

Для записи на ЖМД используются методы ЧМ, модифицированной частотной модуляции (МЧМ) и RLL-метод, при котором каждый байт данных преобразуется в 16-битовый код.

При методе МЧМ плотность записи данных возрастает вдвое по сравнению с методом ЧМ. Для этого метода (рис. 14.2), если записываемый бит данных является единицей, то стоящий перед ним бит тактового импульса не записывается. Если записывается «0 », а предыдущий бит был «1 », то синхросигнал также не записывается, как и бит данных. Но если перед «0 » стоит бит «0 », то синхросигнал записывается.

В настоящее время существуют 3 вида записи:

Метод параллельной записи

На данный момент это самая распространённая технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей - доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности. На сегодняшний день, домены становятся настолько малы, что остро встаёт вопрос о их стабильности. Дальнейшее развитие этой технологии под вопросом, многие считают этот метод исчерпавшим себя. Плотность записи, при использовании этого метода, на данный момент равна 150 Гбит/дюйм² (23Гбит/см²).

Метод перпендикулярной записи

Для того чтобы решить проблему с дальнейшим увеличением плотности, многие производители рассматривают технологию, при которой биты информации сохранялись бы в вертикальных доменах. Это позволит использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у экспериментального прототипа - 200 Гбит/дюйм² (31 Гбит/см²), в дальнейшем планируется довести плотность до 400-500 Гбит/дюйм² (60-75 Гбит/см²).

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat assisted magnetic recording - HAMR) на данный момент активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». Именно этот метод собираются использовать компании Seagate и IBM для достижения плотности в 4 Тбит на кв. дюйм (620 Гбит на кв. см). Это позволит изготовить 3,5-дюймовый винчестер объемом 25 Тб. В качестве максимальной отметки плотности пока названо значение 100 Тбит на кв. дюйм (около 15 Тб на кв. см), что соответствует 0,65-Пб (петабайт) объема в форм-факторе 3,5 дюйма.

Формат записи информации на жестком магнитном диске

В НЖМД обычно используются форматы данных с фиксированным числом секторов на дорожке (17, 34 или 52) и с объемом данных в одном секторе 512 или 1024 байта. Секторы маркируются магнитным маркером.

Конкретный формат данных определяется внутренней программной конфигурацией ПЭВМ и техническими характеристиками адаптера накопителя. Структура формата (рис. 14.3) подобна структуре, применяемой в НГМД.

Начало каждого сектора обозначается адресным маркером. В начале идентификатора и поля данных записываются байты синхронизации, служащие для синхронизации схемы выделения данных адаптера НЖМД. Идентификатор сектора содержит адрес диска в пакете, представленный кодами номеров цилиндра, головки и сектора. В отличие от НГМД в НЖМД в идентификатор дополнительно вводят байты сравнения и флага. Байт сравнения представляет одинаковое для каждого сектора число, с помощью которого осуществляется правильность считывания идентификатора. Байт флага содержит флаг - указатель состояния дорожки (основная или запасная, исправная или дефектная).

Контрольные байты записываются в поле идентификатора один раз при записи идентификатора сектора, а в поле данных - каждый раз при каждой новой записи данных. Контрольные байты в НЖМД предназначены не только для определения, но и для коррекции ошибок считывания. Наиболее часто используются полиномные корректирующие коды; использование конкретных кодов зависит от схемной реализации адаптера.

Перед использованием НЖМД производится его начальное форматирование - процедура, выполняемая под управлением специальной программы, при работе которой на дисковый пакет записывается служебная информация и проверяется пригодность полей данных.

В последнее время компании используют адаптивное форматирование . Его суть заключается в том, что каждый экземпляр накопителя индивидуально настраивается на заводе таким образом, чтобы обеспечить лучшую производительность и надежность. Для этого каждая пара «головка-поверхность пластины» собранного диска тестируется на определение характеристик быстродействия, и затем каждая сторона магнитной пластины индивидуально форматируется (размечается на дорожки и сектора) так, чтобы обеспечить наилучшие характеристики при работе именно с данной головкой. В результате, линейная плотность записи на каждой стороне каждой пластины может не совпадать с соседними

Пять различных интервалов в НЖМД используются для синхронизации электронных процессов чтения-записи и управления работы электромеханических узлов накопителя.

В результате начального форматирования определяется расположение секторов, и устанавливаются их логические номера. Поскольку скорость вращения диска очень большая, для обеспечения минимального числа оборотов диска при обращении к последовательным секторам, секторы с последовательными номерами размещаются через N физических секторов друг от друга (рис. 14.4).

Кратность расположения секторов задается при форматировании диска. Коэффициенты чередования бывают 6:1, 3:1, и 1:1. Новейшие модели НЖМД используют коэффициенты 1:1, а их контроллеры считывают с диска за одно его обращение информацию с целой дорожки и затем хранят ее в буферной памяти. При запросе из буферной памяти передается информация уже из требуемых секторов.

Каждая дорожка диска разделяется на одинаковое число секторов, поэтому сектора на дорожках, которые находятся ближе к нулевой дорожке, имеют меньший размер. Для записи таких секторов

используются магнитные поля большей интенсивности (компенсация записи ). Число поверхностей диска (головок), число цилиндров (дорожек) и точка, с которой начинается компенсация записи, являются параметрами для настройки контроллера НЖМД.

Среднее время доступа к информации на НЖМД составляет

t ср =t n +0,5/F+t обм, (14.1)

где t n - среднее время позиционирования; F - скорость вращения диска; t обм - время обмена. Время обмена зависит от технических средств контроллера и типа его интерфейса, наличия встроенное буферной кэш-памяти, алгоритма кодирования дисковых данных и коэффициента чередования.

Жесткий диск или винчестер является одним из составляющих персонального компьютера . Это то устройство, где хранятся практически все данные и программы. Принцип действия жесткого диска основан на явлении остаточного намагничивания материалов. Непосредственным носителем информации является одна или несколько пластин, покрытых ферромагнитным материалом . Над поверхностью в буквальном смысле этого слова парит головка, которая намагничивая миллиарды крошечных областей, записывает информацию, а регистрируя остаточное магнитное поле – считывает ее.

Самый первый жесткий диск появился в 1956 году . Он состоял из 50 дисков, которые имели диаметр 60 см и вращались со скоростью почти 1,5 тыс. оборотов в минуту. Его емкость составляла всего 5 Мб, а размерами он напоминал современный холодильник.

В процессе эволюции плотность записываемой на диск информации увеличивалась, следовательно увеличивалась емкость а размеры постепенно уменьшались. Сейчас плотность записи данных увеличена примерно в 60 миллионов раз по сравнению с первыми моделями. На данный момент жесткие диски имеют емкость в сотни и тысячи Гб. Хотя их производители достигли достаточно высоких технических характеристик – эволюция технологий идет и по сей день.

Параллельная запись. Одна ячейка памяти, называемая доменом, состоит из множества атомов ферромагнетика , которым покрыты несущие пластины. Чтобы исключить влияние одного домена на другой, расположенный рядом с ним, они разделены между собой специальными буферными зонами. Это обеспечивает наиболее надежное хранение записанной информации, но делает невозможным бесконечное уменьшение размеров домена. При параллельной технологии записи магнитные частицы размещены так, что вектор магнитной направленности расположен параллельно поверхности диска. Отсюда и название метода. С технологической точки зрения – это наиболее простое из всех возможных решений, а поэтому технология является относительно самой дешевой и одной из самых надежных. Но существует и ограничение, являющееся недостатком метода – максимальная плотность составляет около 23 Гбит/см 2 .

Перпендикулярная запись. Технология начала свое существование с 2005 года . Здесь векторы магнитной направленности расположены перпендикулярно поверхности диска. Таким образом, магнитные поля соседних доменов направлены параллельно друг другу и практически не взаимодействуют. Нет необходимости ставить буферные зоны, а следовательно можно делать плотность хранения данных более высокой. Максимальная теоретическая плотность составляет 75 Гбит/см 2 .

Технология записи HAMR, по сути, является продолжением перпендикулярной. Разница состоит в том, что домен перед записью подвергается тепловой обработке. Поэтому технология и носит название «тепловая магнитная запись». При точном нагреве домена лазерным лучом достигается очень высокая плотность хранения данных – до 150 Гбит/см 2 . Пока, что это перспективная технология, находящаяся на стадии тестирования. Производители носителей информации уверены, что если ее и дальше развивать, то можно будет добиться вообще невероятных показателей – плотности записи в 7 Тбит/см 2 . Но это пока еще только далекая теория, неподтвержденная практикой.

Кстати, какими бы отличными характеристиками не обладали жесткие диски – они подвержены такой неприятности, как вероятность потери данных. И это, по сути, не зависит от используемой технологии записи. Потому программа восстановления файлов будет еще долго популярна у пользователей персональных ПК.

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Домены магнитных материалов используемых в продольной записи располагаются параллельно поверхности носителя. Этот эффект и используется при записи цифровых данных магнитным полем головки изменяющимся в соответствии с сигналом информации. Попытки увеличить поверхностную плотность записи путем уменьшения размеров частиц будут увеличивать отношение размера зоны неопределенности к размеру полезной зоны не в пользу последней и в конце концов неизбежно приведут к так называемому суперпарамагнитному эффекту когда частицы перейдут в однодоменное...

Технологии записи на магнитные диски

Продольная запись

Первые образцы жестких дисков, появившиеся в 70-х годах ХХ века, использовали технологию продольной записи информации. Для этого поверхность диска, так же, как и поверхность магнитной ленты, покрывалась слоем двуокиси хрома CrO 2 или оксидом железа, обеспечивающим продольную намагниченность регистрирующего слоя. Коэрцитивная сила такого носителя H c = 28 кА/м.

Технология нанесения оксидного слоя довольно сложная. Сначала на поверхность быстро вращающегося алюминиевого диска методом напыления наносится суспензия из смеси порошка оксида железа и расплавленного полимера. За счет действия центробежных сил она равномерно распределяется по поверхности диска от его центра к внешнему краю. После полимеризации раствора поверхность шлифуется, и на нее наносится еще один слой чистого полимера, обладающего достаточной прочностью и низким коэффициентом трения. Затем диск окончательно полируется. Диски накопителей такого типа имеют коричневый или желтый цвет.

Как известно, магнитные материалы имеют доменную структуру, т.е. состоят их отдельных микроскопических областей - доменов , внутри которых магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону. В результате каждый такой домен имеет достаточно большой суммарный магнитный момент. Домены магнитных материалов, используемых в продольной записи, располагаются параллельно поверхности носителя. Если на магнитный материал не воздействует внешнее магнитное поле, ориентация магнитных моментов отдельных доменов имеет хаотичный характер и любое их направление равновероятно. Если же такой материал поместить во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты доменов будут стремиться сориентироваться в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля. Этот эффект и используется при записи цифровых данных магнитным полем головки, изменяющимся в соответствии с сигналом информации.

Минимальным элементом (ячейкой) памяти магнитного регистрирующего слоя, способным хранить один бит информации, является не отдельный домен, а частица (область), состоящая из нескольких десятков доменов (70-100). Если направление суммарного магнитного момента такой частицы совпадает с направлением движения магнитной головки, то такое ее состояние можно сопоставить логическому «0» данных, если направления противоположны, – логической «1».

Однако если соседние области имеют противоположное направление магнитных моментов, то домены, расположенные на границе между ними и соприкасающиеся одноименными полюсами, будут отталкиваться друг от друга и в конце концов изменят направления своих магнитных моментов каким-то непредсказуемым образом с тем чтобы принять энергетически более устойчивое положение. В результате на границе двух областей образуется зона неопределенности, уменьшающая размеры области, хранящей бит записанной информации и, соответственно, уровень полезного сигнала при считывании (рис. 5.6). Уровень шумов при этом, разумеется, увеличивается.

Попытки увеличить поверхностную плотность записи путем уменьшения размеров частиц будут увеличивать отношение размера зоны неопределенности к размеру полезной зоны не в пользу последней и, в конце концов, неизбежно приведут к так называемому суперпарамагнитному эффекту , когда частицы перейдут в однодоменное состояние и будут уже неспособны фиксировать записываемую информацию, поскольку соседние домены с противоположно направленными магнитными моментами будут изменять свою ориентацию сразу же после удаления магнитного поля записывающей головки. Материал регистрирующего слоя превратится в равномерно намагниченный по всему объему.

Таким образом, из-за наличия суперпарамагнетизма технология продольной записи, достигнув к середине первого десятилетия XXI века величины плотности записи в 120 Гбит на дюйм 2 , практически исчерпала свои возможности и уже не в состоянии обеспечивать существенное повышение емкости накопителей на жестких дисках. Это заставило разработчиков обратиться к другим технологиям, свободным от этого недостатка.

Перпендикулярная запись

Возможность перпендикулярной записи основана на том, что в тонких пленках, содержащих кобальт, платину и некоторые другие вещества, атомы этих веществ стремятся ориентироваться таким образом, что их магнитные оси оказываются перпендикулярными поверхности носителя. Домены, сформированные из таких атомов, также располагаются перпендикулярно поверхности носителя.

Сигнал в считывающей магнитной головке формируется только тогда, когда она пересекает силовые линии магнитного поля домена, т.е. в том месте, где эти силовые линии перпендикулярны поверхности носителя. У домена, расположенного параллельно поверхности носителя, силовые линии магнитного поля перпендикулярны поверхности только у его концов, там, где они выходят на поверхность (рис. 5.7,а). Когда головка перемещается параллельно домену и, следовательно, параллельно его силовым линиям сигнал в ней отсутствует. Уменьшать длину домена, стремясь повысить плотность записи, можно только до определенных пределов - пока не начнет сказываться суперпарамагнитный эффект. Если же домены располагаются перпендикулярно поверхности носителя, то силовые линии их магнитных полей всегда будут перпендикулярны поверхности и будут содержать в себе информацию (рис. 5.7,б). «Холостых» пробегов, обусловленных длиной домена, здесь уже не будет. Как не будет и суперпарамагнетизма, поскольку домены с противоположной намагниченностью не будут отталкиваться друг от друга. Очевидно, что плотность записи на носителе с перпендикулярной намагниченностью можно получить более высокую.

Диск, предназначенный для перпендикулярной записи, требует особой технологии изготовления. Основа пластины тщательно полируется, а затем методом вакуумного напыления на ее поверхность наносится выравнивающий слой фосфата никеля NiP толщиной порядка 10 мкм, который, во-первых, уменьшает шероховатость поверхности, во-вторых, увеличивает адгезию к последующим слоям (рис. 5.8).

Далее наносится слой магнитомягкого материала, обеспечивающий возможность считывания данных с регистрирующего слоя, и сам регистрирующий слой из материала с перпендикулярной ориентацией магнитных доменов. В качестве регистрирующего слоя может использоваться кобальт (Со), платина (Pt ), палладий (Pd ), их сплавы друг с другом и с хромом (Cr ), а также многослойные структуры, состоящие из тонких пленок этих металлов толщиной в несколько атомов.

Поверх регистрирующего слоя наносится защитная пленка из стеклокерамики, толщиной порядка сотых долей микрона.

Запись информации на регистрирующий слой с перпендикулярной намагниченностью имеет свои особенности. Для того чтобы обеспечить приемлемый уровень сигнала и обеспечить хорошее отношение сигнал/шум, силовые линии магнитного поля, формируемого головкой записи, должны, проходя через регистрирующий слой, вновь замыкаться на сердечник головки. Для этого и служит магнитомягкий подслой, расположенный ниже регистрирующего (рис. 5.9).

По предварительным прогнозам специалистов технология перпендикулярной записи позволит реализовать плотность записи до 500 Гбит/дюйм 2 . При этом емкость 3,5-дюймового накопителя составит 2 Тбайта, 2,5-дюймового - 640 Гбайт, 1-дюймового - 50 Гбайт. Однако это только предварительные прогнозы. Не исключено, что верхним пределом окажется величина в 1 Тбит/дюйм 2 и даже больше. Будущее покажет.

Перспективные технологии магнитной записи

Технология перпендикулярной записи в настоящее время находится в стадии активного развития и до предельных значений плотности записи здесь пока еще далеко. Однако этот момент когда-нибудь все-таки настанет. Может быть даже раньше, чем сейчас представляется. Поэтому исследования в направлении поиска новых высокоэффективных технологий магнитной записи ведутся уже сейчас.

Одной из таких технологий является термомагнитная запись HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) , т.е. запись с предварительным нагревом носителя. Этот метод предусматривает кратковременный (1 пикосекунда) нагрев участка носителя, на который производится запись, сфокусированным лучом лазера - так же, как в магнитооптической записи. Разница между технологиями проявляется в способе чтения информации с диска. В магнитооптических приводах информация считывается лучом лазера, работающего на меньшей, чем при записи, мощности, а при термомагнитной записи информация считывается магнитной головкой так же, как с обычного жесткого диска. Да и плотность записи здесь планируется получить гораздо более высокую, чем в магнитооптических форматах MD , CD - MO или DVD - MO - до 10 Тбит/дюйм 2 . Поэтому в качестве регистрирующей среды здесь необходимы иные материалы. Сейчас в качестве таких материалов рассматриваются различные соединения платины, кобальта, неодима, самария и некоторых других элементов: Fe 14 Nd 2 B, CoPt, FePt, Co 5 Sm и пр. Такие материалы очень дороги - как из-за дороговизны входящих в их состав редкоземельных элементов, так и из-за сложности и дороговизны технологического процесса по их получению и нанесению на поверхность основы предполагаемого носителя. Конструкция головки записи/считывания в технологии HAMR также предполагается совсем иная, чем в магнитооптической записи: лазер должен располагаться с той же стороны, что и магнитная головка, а не с противоположной, как в магнитооптических рекордерах (рис. 5.10). Нагрев предполагается производить до температуры порядка 100 градусов Цельсия, а не 180.

Еще одним перспективным направлением развития магнитной записи является использование в качестве регистрирующего слоя материалов, частицы в которых выстроены в четко структурированный доменный массив (Bit Patterned Media ). При такой структуре каждый бит информации будет хранится всего в одной ячейке-домене, а не в массиве из 70-100 доменов (рис. 5.11).

Такой материал можно либо создать искусственно с помощью фотолитографии (рис. 5.12), либо найти сплав с подходящей самоорганизующейся структурой.

Первый метод вряд ли получит развитие, поскольку для получения материала, допускающего плотность записи хотя бы 1 Тбит/дюйм 2 , размер одной частицы должен составить максимум 12,5 нм. Ни существующая, ни планируемая в ближайшие 10 лет технология литографии этого не обеспечивает. Хотя есть довольно хитроумные решения, позволяющие не сбрасывать со счетов данный подход.

Поиск самоорганизующихся магнитных материалов (SOMA - Self-Ordered Magnetic Array ) – весьма перспективное направление. Уже несколько лет специалисты компании Seagate указывают на особенности сплава FePt, выпариваемого в гексановом растворителе. Полученный материал имеет идеально ровную ячеистую структуру. Размер одной ячейки – 2,4 нм. Если учесть, что каждый домен обладает высокой стабильностью, можно говорить о допустимой плотности записи на уровне 40-50 Тбит/дюйм 2 ! Похоже, это и есть окончательный предел записи на магнитные носители .

S

Зоны неопределенности

Рис. 5.6. Зоны неопределенности, возникающие при продольной записи

Сигнал есть

Сигнала нет

Рис. 5.7. Носители с параллельной (а)

и перпендикулярной (б) намагниченностью

Подслой из магнитомягкого материала

Основа диска (Al)

Выравнивающий слой (NiP)

Регистрирующий слой с перпендикулярной намагниченностью

Защитный слой

Рис. 5.8. Структура жесткого диска с перпендикулярной

намагниченностью

Магнитотвердый регистрирующий слой

Магнитомягкий подслой

Рис. 5.9. Запись на материал с перпендикулярной

намагниченностью

Записывающий полюс

Возврат-ный полюс полюс

Рис. 5.10. Магнитооптическая головка HARM

Рис. 5.11. Микроструктура ВРМ: 1 - область, соответствующая одному биту информации при обычной записи; 2 - массив, границы которого совпадают с границами доменов; 3 - домен, который способен хранить один бит данных

Рис. 5.12. Регистрирующий слой, полученный с помощью фотолитографии

Жесткие диски, или, как их еще называют, винчестеры, являются одной из самых главных составляющих компьютерной системы. Об это знают все. Но вот далеко не каждый современный пользователь даже в принципе догадывается о том, как функционирует жесткий диск. Принцип работы, в общем-то, для базового понимания достаточно несложен, однако тут есть свои нюансы, о которых далее и пойдет речь.

Вопросы предназначения и классификации жестких дисков?

Вопрос предназначения, конечно, риторический. Любой пользователь, пусть даже самого начального уровня, сразу же ответит, что винчестер (он же жесткий диск, он же Hard Drive или HDD) сразу же ответит, что он служит для хранения информации.

В общем и целом верно. Не стоит забывать, что на жестком диске, кроме операционной системы и пользовательских файлов, имеются созданные ОС загрузочные секторы, благодаря которым она и стартует, а также некие метки, по которым на диске можно быстро найти нужную информацию.

Современные модели достаточно разнообразны: обычные HDD, внешние жесткие диски, высокоскоростные твердотельные накопители SSD, хотя их именно к жестким дискам относить и не принято. Далее предлагается рассмотреть устройство и принцип работы жесткого диска, если не в полном объеме, то, по крайней мере, в таком, чтобы хватило для понимания основных терминов и процессов.

Обратите внимание, что существует и специальная классификация современных HDD по некоторым основным критериям, среди которых можно выделить следующие:

• способ хранения информации;
• тип носителя;
• способ организации доступа к информации.

Почему жесткий диск называют винчестером?

Сегодня многие пользователи задумываются над тем, почему называют винчестерами, относящимися к стрелковому оружию. Казалось бы, что может быть общего между этими двумя устройствами?

Сам термин появился еще в далеком 1973 году, когда на рынке появился первый в мире HDD, конструкция которого состояла из двух отдельных отсеков в одном герметичном контейнере. Емкость каждого отсека составляла 30 Мб, из-за чего инженеры дали диску кодовое название «30-30», что было в полной мере созвучно с маркой популярного в то время ружья «30-30 Winchester». Правда, в начале 90-х в Америке и Европе это название практически вышло из употребления, однако до сих пор остается популярным на постсоветском пространстве.

Устройство и принцип работы жесткого диска

Но мы отвлеклись. Принцип работы жесткого диска кратко можно описать как процессы считывания или записи информации. Но как это происходит? Для того чтобы понять принцип работы магнитного жесткого диска, в первую очередь необходимо изучить, как он устроен.

Сам жесткий диск представляет собой набор пластин, количество которых может колебаться от четырех до девяти, соединенных между собой валом (осью), называемым шпинделем. Пластины располагаются одна над другой. Чаще всего материалом для их изготовления служат алюминий, латунь, керамика, стекло и т. д. Сами же пластины имеют специальное магнитное покрытие в виде материала, называемого платтером, на основе гамма-феррит-оксида, окиси хрома, феррита бария и т. д. Каждая такая пластина по толщине составляет около 2 мм.

За запись и чтение информации отвечают радиальные головки (по одной на каждую пластину), а в пластинах используются обе поверхности. За которого может составлять от 3600 до 7200 об./мин, и перемещение головок отвечают два электрических двигателя.

При этом основной принцип работы жесткого диска компьютера состоит в том, что информация записывается не куда попало, а в строго определенные локации, называемые секторами, которые расположены на концентрических дорожках или треках. Чтобы не было путаницы, применяются единые правила. Имеется ввиду, что принципы работы накопителей на жестких дисках, с точки зрения их логической структуры, универсальны. Так, например, размер одного сектора, принятый за единый стандарт во всем мире, составляет 512 байт. В свою очередь секторы делятся на кластеры, представляющие собой последовательности рядом находящихся секторов. И особенности принципа работы жесткого диска в этом отношении состоят в том, что обмен информацией как раз и производится целыми кластерами (целым числом цепочек секторов).

Но как же происходит считывание информации? Принципы работы накопителя на жестких магнитных дисках выглядят следующим образом: с помощью специального кронштейна считывающая головка в радиальном (спиралевидном) направлении перемещается на нужную дорожку и при повороте позиционируется над заданным сектором, причем все головки могут перемещаться одновременно, считывая одинаковую информацию не только с разных дорожек, но и с разных дисков (пластин). Все дорожки с одинаковыми порядковыми номерами принято называть цилиндрами.

При этом можно выделить еще один принцип работы жесткого диска: чем ближе считывающая головка к магнитной поверхности (но не касается ее), тем выше плотность записи.

Как осуществляется запись и чтение информации?

Жесткие диски, или винчестеры, потому и были названы магнитными, что в них используются законы физики магнетизма, сформулированные еще Фарадеем и Максвеллом.

Как уже говорилось, на пластины из немагниточувствительного материала наносится магнитное покрытие, толщина которого составляет всего лишь несколько микрометров. В процессе работы возникает магнитное поле, имеющее так называемую доменную структуру.

Магнитный домен представляет собой строго ограниченную границами намагниченную область ферросплава. Далее принцип работы жесткого диска кратко можно описать так: при возникновении воздействия внешнего магнитного поля, собственное поле диска начинает ориентироваться строго вдоль магнитных линий, а при прекращении воздействия на дисках появляются зоны остаточной намагниченности, в которой и сохраняется информация, которая ранее содержалась в основном поле.

За создание внешнего поля при записи отвечает считывающая головка, а при чтении зона остаточной намагниченности, оказавшись напротив головки, создает электродвижущую силу или ЭДС. Далее все просто: изменение ЭДС соответствует единице в двоичном коде, а его отсутствие или прекращение - нулю. Время изменения ЭДС принято называть битовым элементом.

Кроме того, магнитную поверхность чисто из соображений информатики можно ассоциировать, как некую точечную последовательность битов информации. Но, поскольку местоположение таких точек абсолютно точно вычислить невозможно, на диске нужно установить какие-то заранее предусмотренные метки, которые помогли определить нужную локацию. Создание таких меток называется форматированием (грубо говоря, разбивка диска на дорожки и секторы, объединенные в кластеры).

Логическая структура и принцип работы жесткого диска с точки зрения форматирования

Что касается логической организации HDD, здесь на первое место выходит именно форматирование, в котором различают два основных типа: низкоуровневое (физическое) и высокоуровневое (логическое). Без этих этапов ни о каком приведении жесткого диска в рабочее состояние говорить не приходится. О том, как инициализировать новый винчестер, будет сказано отдельно.

Низкоуровневое форматирование предполагает физическое воздействие на поверхность HDD, при котором создаются секторы, расположенные вдоль дорожек. Любопытно, что принцип работы жесткого диска таков, что каждый созданный сектор имеет свой уникальный адрес, включающий в себя номер самого сектора, номер дорожки, на которой он располагается, и номер стороны пластины. Таким образом, при организации прямого доступа та же оперативная память обращается непосредственно по заданному адресу, а не ищет нужную информацию по всей поверхности, за счет чего и достигается быстродействие (хотя это и не самое главное). Обратите внимание, что при выполнении низкоуровневого форматирования стирается абсолютно вся информация, и восстановлению она в большинстве случаев не подлежит.

Другое дело - логическое форматирование (в Windows-системах это быстрое форматирование или Quick format). Кроме того, эти процессы применимы и к созданию логических разделов, представляющих собой некую область основного жесткого диска, работающую по тем же принципам.

Логическое форматирование, прежде всего, затрагивает системную область, которая состоит из загрузочного сектора и таблиц разделов (загрузочная запись Boot record), таблицы размещения файлов (FAT, NTFS и т. д.) и корневого каталога (Root Directory).

Запись информации в секторы производится через кластер несколькими частями, причем в одном кластере не может содержаться два одинаковых объекта (файла). Собственно, создание логического раздела, как бы отделяет его от основного системного раздела, вследствие чего информация, на нем хранимая, при появлении ошибок и сбоев изменению или удалению не подвержена.

Основные характеристики HDD

Думается, в общих чертах принцип работы жесткого диска немного понятен. Теперь перейдем к основным характеристикам, которые и дают полное представление обо всех возможностях (или недостатках) современных винчестеров.

Принцип работы жесткого диска и основные характеристики могут быть совершенно разными. Чтобы понять, о чем идет речь, выделим самые основные параметры, которыми характеризуются все известные на сегодня накопители информации:

• емкость (объем);
• быстродействие (скорость доступа к данным, чтение и запись информации);
• интерфейс (способ подключения, тип контроллера).

Емкость представляет собой общее количество информации, которая может быть записана и сохранена на винчестере. Индустрия по производству HDD развивается так быстро, что сегодня в обиход вошли уже жесткие диски с объемами порядка 2 Тб и выше. И, как считается, это еще не предел.

Интерфейс - самая значимая характеристика. Она определяет, каким именно способом устройство подключается к материнской плате, какой именно контроллер используется, как осуществляется чтение и запись и т. д. Основными и самыми распространенными интерфейсами считаются IDE, SATA и SCSI.

Диски с IDE-интерфейсом отличаются невысокой стоимостью, однако среди главных недостатков можно выделить ограниченное количество одновременно подключаемых устройств (максимум четыре) и невысокую скорость передачи данных (причем даже при условии поддержки прямого доступа к памяти Ultra DMA или протоколов Ultra ATA (Mode 2 и Mode 4). Хотя, как считается, их применение позволяет повысить скорость чтения/записи до уровня 16 Мб/с, но в реальности скорость намного ниже. Кроме того, для использования режима UDMA требуется установка специального драйвера, который, по идее, должен поставляться в комплекте с материнской платой.

Говоря о том, что собой представляет принцип работы жесткого диска и характеристики, нельзя обойти стороной и который является наследником версии IDE ATA. Преимущество данной технологии состоит в том, что скорость чтения/записи можно повысить до 100 Мб/с за счет применения высокоскоростной шины Fireware IEEE-1394.

Наконец, интерфейс SCSI по сравнению с двумя предыдущими является наиболее гибким и самым скоростным (скорость записи/чтения достигает 160 Мб/с и выше). Но и стоят такие винчестеры практически в два раза дороже. Зато количество одновременно подключаемых устройств хранения информации составляет от семи до пятнадцати, подключение можно осуществлять без обесточивания компьютера, а длина кабеля может составлять порядка 15-30 метров. Собственно, этот тип HDD большей частью применяется не в пользовательских ПК, а на серверах.

Быстродействие, характеризующее скорость передачи и пропускную способность ввода/вывода, обычно выражается временем передачи и объемом передаваемых расположенных последовательно данных и выражается в Мб/с.

Некоторые дополнительные параметры

Говоря о том, что представляет собой принцип работы жесткого диска и какие параметры влияют на его функционирование, нельзя обойти стороной и некоторые дополнительные характеристики, от которых может зависеть быстродействие или даже срок эксплуатации устройства.

Здесь на первом месте оказывается скорость вращения, которая напрямую влияет на время поиска и инициализации (распознавания) нужного сектора. Это так называемое скрытое время поиска - интервал, в течение которого необходимый сектор поворачивается к считывающей головке. Сегодня принято несколько стандартов для скорости вращения шпинделя, выраженной в оборотах в минуту со временем задержки в миллисекундах:

• 3600 - 8,33;
• 4500 - 6,67;
• 5400 - 5,56;
• 7200 - 4,17.

Нетрудно заметить, что чем выше скорость, тем меньшее время затрачивается на поиск секторов, а в физическом плане - на оборот диска до установки для головки нужной точки позиционирования пластины.

Еще один параметр - внутренняя скорость передачи. На внешних дорожках она минимальна, но увеличивается при постепенном переходе на внутренние дорожки. Таким образом, тот же процесс дефрагментации, представляющий собой перемещение часто используемых данных в самые быстрые области диска, - не что иное, как перенос их на внутреннюю дорожку с большей скоростью чтения. Внешняя скорость имеет фиксированные значения и напрямую зависит от используемого интерфейса.

Наконец, один из важных моментов связан с наличием у жесткого диска собственной кэш-памяти или буфера. По сути, принцип работы жесткого диска в плане использования буфера в чем-то похож на оперативную или виртуальную память. Чем больше объем кэш-памяти (128-256 Кб), тем быстрее будет работать жесткий диск.

Главные требования к HDD

Основных требований, которые в большинстве случаев предъявляются жестким дискам, не так уж и много. Главное - длительный срок службы и надежность.

Основным стандартом для большинства HDD считается срок службы порядка 5-7 лет со временем наработки не менее пятисот тысяч часов, но для винчестеров высокого класса этот показатель составляет не менее миллиона часов.

Что касается надежности, за это отвечает функция самотестирования S.M.A.R.T., которая следит за состоянием отдельных элементов жесткого диска, осуществляя постоянный мониторинг. На основе собранных данных может формироваться даже некий прогноз появления возможных неисправностей в дальнейшем.

Само собой разумеется, что и пользователь не должен оставаться в стороне. Так, например, при работе с HDD крайне важно соблюдать оптимальный температурный режим (0 - 50 ± 10 градусов Цельсия), избегать встрясок, ударов и падений винчестера, попадания в него пыли или других мелких частиц и т. д. Кстати сказать, многим будет интересно узнать, что те же частицы табачного дыма примерно в два раза больше расстояния между считывающей головкой и магнитной поверхностью винчестера, а человеческого волоса - в 5-10 раз.

Вопросы инициализации в системе при замене винчестера

Теперь несколько слов о том, какие действия нужно предпринять, если по каким-то причинам пользователь менял жесткий диск или устанавливал дполнительный.

Полностью описывать это процесс не будем, а остановимся только на основных этапах. Сначала винчестер необходимо подключить и посмотреть в настройках BIOS, определилось ли новое оборудование, в разделе администрирования дисков произвести инициализацию и создать загрузочную запись, создать простой том, присвоить ему идентификатор (литеру) и выполнить форматирование с выбором файловой системы. Только после этого новый «винт» будет полностью готов к работе.

Заключение

Вот, собственно, и все, что вкратце касается основ функционирования и характеристик современных винчестеров. Принцип работы внешнего жесткого диска здесь не рассматривался принципиально, поскольку он практически ничем не отличается от того, что используется для стационарных HDD. Единственная разница состоит только в методе подключения дополнительного накопителя к компьютеру или ноутбуку. Наиболее распространенным является соединение через USB-интерфейс, который напрямую соединен с материнской платой. При этом, если хотите обеспечить максимальное быстродействие, лучше использовать стандарт USB 3.0 (порт внутри окрашен в синий цвет), естественно, при условии того, что и сам внешний HDD его поддерживает.

В остальном же, думается, многим хоть немного стало понятно, как функционирует жесткий диск любого типа. Быть может, выше было приведено слишком много тем более даже из школьного курса физики, тем не менее без этого в полной мере понять все основные принципы и методы, заложенные в технологиях производства и применения HDD, понять не получится.

1.6 Технологии записи данных на жесткие диски

Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них, изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

Метод параллельной записи.

На данный момент это всё ещё самая распространенная технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей - доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи

Метод перпендикулярной записи - это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных образцов - 15-23 Гбит/см², в дальнейшем планируется довести плотность до 60-75 Гбит/см².

Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность "закрепляется". На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, но их плотность уже превышает 150 Гбит/см². Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носители до 7,75 Тбит/см². Широкого распространения данной технологии следует ожидать после 2010 года.

1.7 Размещение данных на жестком диске

О том, что конфигурация диска задается через количество цилиндров, головок и секторов на дорожке, все знают с начала эпохи PC. Хотя еще несколько лет тому назад точное указание в программе SETUP всех этих параметров диска было обязательным, сейчас это не так. Строго говоря, те параметры диска, которые вы видите в разделе SETUP Standard CMOS Setup, как правило, ничего общего не имеют с реальными параметрами диска, причем вы можете заметить, что эти параметры меняются в зависимости от вида трансляции геометрии диска - Normal, LBA и Large. Normal - геометрия в соответствии с данной производителем в документации на диск и не позволяет DOS увидеть более чем 504 Mb (1 Mb - 1048576 байт). LBA - Logical Block Address - эта установка позволяет видеть DOS диски объемом до 4 Gb. Large используется такой операционной системой, как Unix. Параметры, установленные в SETUP, преобразуются в реальные логикой управления жестким диском. Многие современные операционные системы работают с диском через LBA, минуя BIOS.

Существует несколько способов физического сохранения данных на жестком диске. Определить способ отображения данных на диске можно, только используя различные программы определения быстродействия диска (benchmark). В программу Winbench 98/99 включен High-end тест жесткого диска, где оцениваются не достаточно отвлеченные в настоящее время 2 параметра - скорость передачи данных и время доступа, а проверяется, для каких задач и для каких наиболее популярных программ, активно работающих с диском, диск наиболее пригоден.

Рисунок 1.1 - Вертикальное отображение размещения данных на жестком диске

Обычные жесткие диски используют "вертикальное" отображение. Данные записываются сначала на одном цилиндре сверху вниз, затем головки переходят на другой цилиндр и т.д.

Рисунок 1.2 - Горизонтальное отображение размещения данных на жестком диске

При "горизонтальном" отображении сначала данные записываются последовательно от цилиндра к цилиндру на поверхности одного диска, затем также на поверхности следующего диска и т.д. Такой способ лучше подходит для записи непрерывного высокоскоростного потока данных, например, при записи "живого" видео.

Комбинированный способ отображения, использующий как "вертикальный" так и "горизонтальный" способ.

При тестировании таких дисков видно, что чем дальше от начальных цилиндров, тем хуже параметры диска. Это связано с тем, что на внешних дорожках размещается больше секторов и считывание/запись выполняется быстрее.

В справедливости этого легко убедиться, запустив Winbench 97/98/99, выбрав сначала диск C для теста диска, а затем последний логический диск (желателен диск объемом не менее 2.5 Gb). Разница в оценке быстродействия диска для модели WD AC32500 составила 15%.

Реально диск разделен на зоны, в каждую из которых входит обычно от 20 до 30 цилиндров с одинаковым количеством секторов. Эти зоны также называются "notches".

Чем выше плотность записи на диск, тем выше будет скорость считывания с него. Именно поэтому при оценке параметров диска следует внимательно смотреть на внутреннюю скорость передачи данных. Внутренняя скорость передачи данных прямо пропорциональна плотности записи на диск и скорости вращения шпинделя. Так как увеличивать скорость вращения диска достаточно сложно - увеличивается энергопотребление, шум, возникают проблемы с теплоотводом, то наиболее оптимальный путь повышения производительности - это увеличение плотности записи на диск. Именно поэтому современный жесткий диск со скоростью вращения 5400 об/мин легко опережает по производительности диск с 7200 об/мин, выпущенный двумя годами ранее. Все производители жестких дисков в первую очередь и заняты проблемой повышения плотности записи. При прочих равных условиях, из двух накопителей равной емкости быстрее будет работать накопитель с меньшим количеством дисков, т.е. с большей плотностью записи.

Некий предел, на передней панели корпуса компьютера образуются вихревые турбулентные потоки, которые создают характерный шум (он напоминает шипение пылесоса, но гораздо тише). 2. Регулировка охлаждения компьютерных систем 2.1 Воздушное охлаждение компьютерных систем Для переноса воздуха в системах охлаждения используют вентиляторы. 2.1.1 Устройство вентилятора Вентилятор состоит из...

8. Какими программами можно воспользоваться для устранения проблем и ошибок, обнаруженных программой Sandra? Раздел 3. Автономная и комплексная проверка функционирования и диагностика СВТ, АПС и АПК Некоторые из достаточно интеллектуальных средств вычислительной техники, такие как принтеры, плоттеры, могут иметь режимы автономного тестировании. Так, автономный тест принтера запускается без...

Изменений Далее будет предложен и рассмотрен вариант усовершенствования системы охлаждения рассматриваемого в данной работе двигателя ЗМЗ-406 автомобилей ГАЗ 2705, 3221 «ГАЗЕЛЬ». Описание целей и элементов доработки системы охлаждения двигателя ЗМЗ-406 по пунктам приведены ниже. Основные элементы системы и режимы работы приведены на рис. 20…24. 1. Вместо вентилятора и гидронасоса с...

Для реализации системы бюджетирования Консультационной группы "Воронов и Максимов". Статья о проблемах выбора системы бюджетирования - в проекте "УПРАВЛЕНИЕ 3000". Бюджетный автомат Если вы решитесь на автоматизацию системы бюджетирования компании, перед вами сразу встанут вопросы: что выбрать, сколько платить, как внедрять. Примеряйте! О ЧЕМ РЕЧЬ В “Капитале” на стр. 44, 45 мы рассказали...