Дорожки и секторы

Подробности

Родительская категория: Накопители на жестких дисках

Категория: Принципы работы накопителей на жестких дисках

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. байтов, 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. Следует отметить один важный факт: для совместимости со старыми BIOS, независимо от реального количества секторов на дорожке, устройство должно выполнять трансляцию в режим 63 секторов на дорожке, принятый в адресации CHS.

Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля. Например, дискета 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 прочая служебная информация, 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. Стоит, однако, отметить, что в новых дисках используется форматирование без идентификатора, т.е. не проставляются отметки начала и конца каждого из секторов. Это позволяет использовать немного больше пространства для хранения реальных данных.

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс), в котором находится контрольная сумма, необходимая для проверки целостности данных. В вышеупомянутой системе адресации без идентификаторов начало и конец каждого из секторов определяется на основании импульсов генератора тактовой частоты.

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. Электронные схемы накопителей с большим трудом справляются с кодированием и декодированием некоторых шаблонов, поскольку эти шаблоны используются только при тестировании дисководов, выполняемом производителем в процессе первоначального форматирования. Используя специальные тестовые шаблоны, можно выявить ошибки, которые не обнаруживаются с помощью обычных шаблонов данных.

---

Примечание!

Форматирование низкого уровня обсуждается далее. Не путайте его с форматированием высокого уровня, которое выполняется с помощью программы FORMAT в DOS и Windows.

Заголовки и суффиксы секторов не зависят от операционной и файловой систем, а также от файлов, хранящихся на жестком диске. Помимо этих элементов, существует множество промежутков в секторах, между секторами на каждой дорожке и между дорожками, но ни один из этих промежутков не может быть использован для записи данных. Промежутки создаются во время форматирования на низком (физическом) уровне, при котором удаляются все записанные данные. На жестком диске промежутки выполняют точно такие же функции, как и на магнитофонной кассете, где они используются для разделения музыкальных записей. Начальные, завершающие и промежуточные пробелы представляют собой именно то пространство, которое определяет разницу между форматной и неформатной емкостью диска. Например, емкость 4-мегабайтовой дискеты (3,5-дюйма) после форматирования “уменьшается” до 2,88 Мбайт (форматная емкость). Дискета емкостью 2 Мбайт (до форматирования) имеет форматную емкость 1,44 Мбайт. Жесткий диск Seagate ST-4038, имеющий неформатную емкость 38 Мбайт, после форматирования “уменьшается” до 32 Мбайт (форматная емкость).

Форматирование низкого уровня современных жестких дисков ATA/IDE и SCSI выполняется еще на заводе, поэтому изготовитель указывает только форматную емкость диска. Тем не менее практически на всех дисках имеется некоторое зарезервированное пространство для управления данными, которые будут записаны на диске. Как видите, 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 и суффиксы, может быть разным, но, как правило, сектор имеет размер 571 байт. Как уже говорилось, многие современные диски используют схему разметки без идентификаторов заголовков секторов, что высвобождает дополнительное пространство для данных.

Для наглядности представьте, что секторы — это страницы в книге. На каждой странице содержится текст, но им заполняется не все пространство страницы, так как у нее есть поля (верхнее, нижнее, правое и левое). На полях помещается служебная информация, например названия глав (на диске это соответствует номерам дорожек и цилиндров) и номера страниц (что соответствует номерам секторов). Области на диске, аналогичные полям на странице, создаются во время форматирования диска; тогда же в них записывается и служебная информация. Кроме того, во время форматирования диска области данных каждого сектора заполняются фиктивными значениями. Отформатировав диск, можно записывать информацию в области данных обычным образом. Информация, которая содержится в заголовках и заключениях сектора, не меняется во время обычных операций записи данных. Изменить ее можно, только переформатировав диск.

В таблице в качестве примера приведен формат дорожки и сектора стандартного жесткого диска, имеющего 17 секторов на дорожке. Из таблицы видно, что “полезный” объем дорожки примерно на 15% меньше возможного.

Эти потери характерны для большинства накопителей, но для разных моделей они могут быть различными. Ниже подробно анализируются данные, представленные в табл. 9.2. Послеиндексный интервал нужен для того, чтобы при перемещении головки на новую дорожку переходные процессы (установка) закончились прежде, чем она окажется перед первым сектором. В этом случае его можно начать считывать сразу, не дожидаясь, пока диск совершит дополнительный оборот.

Послеиндексный интервал далеко не всегда обеспечивает время, достаточное для перемещения головки. В этом случае накопитель получает дополнительное время за счет смещения секторов на различных дорожках, которое приводит к задержке появления первого сектора. Другими словами, процесс форматирования низкого уровня приводит к смещению нумерации секторов, в результате чего секторы на соседних дорожках, имеющие одинаковые номера, смещаются друг относительно друга. Например, сектор 9 одной дорожки находится рядом с сектором 8 следующей дорожки, который, в свою очередь, располагается бок о бок с сектором 7 следующей дорожки, и т.д. Оптимальная величина смещения определяется соотношением частоты вращения диска и радиальной скорости головки.

---

Примечание!

Раньше параметр смещения головки устанавливался пользователем вручную при низкоуровневом форматировании. Сегодня такое форматирования выполняется в промышленных условиях, и эти параметры нельзя изменить.

Идентификатор сектора (ID) состоит из полей записи номеров цилиндра, головки и сектора, а также контрольного поля CRC для проверки точности считывания информации ID.

В большинстве контроллеров седьмой бит поля номера головки используется для маркировки дефектных секторов в процессе форматирования низкого уровня или анализа поверхности. Однако такой метод не является стандартным, и в некоторых устройствах дефектные секторы помечаются иначе. Но, как правило, отметка делается в одном из полей идентификатора сектора. Интервал включения записи следует сразу за байтами CRC; он гарантирует, что информация в следующей области данных будет записана правильно. Кроме того, он служит для завершения анализа контрольной суммы (CRC) идентификатора сектора.

В поле данных можно записать 512 байт информации. За ним располагается еще одно поле CRC для проверки правильности записи данных. В большинстве накопителей размер этого поля составляет 2 байт, но некоторые контроллеры могут работать и с более длинными полями кодов коррекции ошибок (Error Correction Code — ECC). Записанные в этом поле байты кодов коррекции ошибок позволяют при считывании обнаруживать и исправлять некоторые ошибки. Эффективность этой операции зависит от выбранного метода коррекции и особенностей контроллера. Интервал отключения записи позволяет полностью завершить анализ байтов ECC (CRC).

Интервал между записями необходим для того, чтобы застраховать данные следующего сектора от случайного стирания при записи в предыдущий сектор. Это может произойти, если при форматировании диск вращался с частотой, несколько меньшей, чем при последующих операциях записи. При этом сектор, естественно, всякий раз будет немного длиннее. Поэтому, чтобы он не выходил за установленные при форматировании границы, их слегка “растягивают”, вводя упомянутый интервал. Его реальный размер зависит от разности частот вращения диска при форматировании дорожки и при каждом обновлении данных.

Предындексный интервал необходим для компенсации неравномерности вращения диска вдоль всей дорожки. Размер этого интервала зависит от возможных значений частоты вращения диска и сигнала синхронизации при форматировании и записи.

Информация, записываемая в заголовке сектора, имеет огромное значение, поскольку содержит данные о номере цилиндра, головки и сектора. Все эти сведения (за исключением поля данных, байтов CRC и интервала отключения записи) записываются на диск только при форматировании низкого уровня.

Головки чтения/записи

Подробности

Родительская категория: Накопители на жестких дисках

Категория: Основные компоненты жестких дисков

В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно.

Конструкция каркаса с головками довольно проста. Каждая головка установлена на конце рычага, закрепленного на пружине и слегка прижимающего ее к диску. Мало кто знает о том, что диск как бы зажат между парой головок (сверху и снизу). И если бы это не повлекло за собой никаких последствий, можно было бы провести небольшой эксперимент: открыть накопитель и приподнять пальцем верхнюю головку. Как только бы вы ее отпустили, она вернулась бы в первоначальное положение (то же самое произошло бы и с нижней головкой).

На рисунке показана стандартная конструкция механизма привода головок с подвижной катушкой.

Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается, и они отрываются от рабочих поверхностей (“взлетают”). Когда диск вращается на полной скорости, зазор между ним и головками может составлять 0,5–5 микродюймов и даже больше.

В начале 1960-х годов величина зазора между диском и головками составляла 200–300 микродюймов; в современных накопителях она достигает 10 нм, или 0,4 микродюйма. Для обеспечения повышенной плотности записи в будущем физическое расстояние между головкой и дисковой пластиной будет продолжать уменьшаться; возможно, такие головки даже будут входить в прямой контакт с поверхностью диска. Естественно, для этого потребуются новые конструкции носителей и головок.

---

Внимание!

Общая тенденция такова: чем раньше был выпущен накопитель и чем меньше его емкость, тем больше зазор между головками и поверхностями дисков. Именно из-за малого размера этого зазора блок HDA можно вскрывать только в абсолютно чистых помещениях: любая пылинка, попавшая в зазор, может привести к ошибкам при считывании данных и даже к столкновению головок с дисками на полном ходу. В последнем случае может быть повреждена или головка, или диск, что одинаково неприятно.

---

Именно поэтому сборка блоков HDA выполняется только в чистых помещениях, соответствующих требованиям класса 100 (или даже более высоким). Это означает, что в одном кубическом футе воздуха может присутствовать не более 100 пылинок размером до 0,5 мкм. Для сравнения: стоящий неподвижно человек каждую минуту выдыхает порядка 500 таких частиц! Поэтому помещения оснащаются специальными системами фильтрации и очистки воздуха. Блоки HDA можно вскрывать только в таких условиях.

Поддержка столь стерильных условий стоит немалых денег. Некоторые фирмы выпускают “чистые цеха” в настольном исполнении. Стоят они всего несколько тысяч долларов и выглядят, как большие ящики с прозрачными стенками, в которые вмонтированы перчатки для оператора. Прежде чем приступить к работе, оператор должен вставить в ящик устройство и все необходимые инструменты, затем закрыть ящик и включить систему фильтрации. Через
некоторое время можно будет начинать разборку и прочие операции с накопителем. Существуют и другие способы создания стерильных условий. Представьте себе, например, монтажный стол, отгороженный от окружающего пространства воздушной завесой, причем непосредственно на рабочее место под давлением постоянно подается очищенный воздух.

Это напоминает устанавливаемые на зиму в дверях магазинов “занавески” из горячего воздуха, которые не мешают покупателям, но и не позволяют теплу из помещения выйти наружу. Поскольку подобное оборудование стоит довольно дорого, за ремонт накопителей на жестких дисках обычно берутся только их производители.

Конструкции головок чтения/записи!
По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Первые головки представляли собой сердечники с обмоткой (электромагниты). По современным меркам их размеры были огромными, а плотность записи — чрезвычайно низкой. За прошедшие годы конструкции головок прошли долгий путь развития от первых головок с ферритовыми сердечниками до современных гигантских магниторезистивных моделей. Более подробно о различных конструкциях головок можно узнать из главы 8.

Ограничения BIOS

Подробности

Родительская категория: Накопители на жестких дисках

Категория: Характеристики накопителей на жестких дисках

Системы, изначально имеющие жесткий диск объемом до 8 Гбайт, далеко не всегда позволяют работать с накопителями большей емкости без соответствующего обновления системной BIOS. Это связано с тем, что BIOS ранних версий (т.е. до 1998 года) не могут обслуживать накопители, емкость которых выше ограничения в 8,4 Гбайт. Не забывайте также о существующем ограничении в 137 Гбайт, которое относится к жестким дискам, выпущенным до 2002 года. Жесткие диски ATA обычно поставляются в комплекте с инсталляционным диском, содержащим программное обеспечение для замены BIOS, например Disk Manager от компании Ontrack или EZ-Drive от Phoenix Technologies (компания StorageSoft, разработавшая программу EZ-Drive, была приобретена компанией Phoenix в январе 2002 года). Тем не менее я не рекомендую практиковать программное обновление BIOS. Это связано с тем, что использование подобных программных продуктов ОЕМ (Drive Guide, MAXBlast, Data Lifeguard и пр.) может привести к различным проблемам при необходимости загрузки с дискеты/компакт-диска или при исправлении нестандартной главной загрузочной записи.

При установке жесткого диска большой емкости в систему, использующую системную BIOS, созданную до 1998 года и имеющую ограничение в 8,4 Гбайт, или BIOS, датированную 2002 годом и имеющую ограничение емкости в 137 Гбайт, следует, в первую очередь, обратиться к производителю системной платы (или компьютера) для получения обновленной версии BIOS. Практически все системные платы включают в себя флэш-память, которая позволяет устанавливать обновленные версии BIOS с помощью соответствующих служебных программ.

Внутренние жесткие диски ATA, большие 137 Гбайт, требуют поддержки 48-разрядной адресации логических блоков (LBA). Эта поддержка должна осуществляться операционной системой, BIOS или и тем, и другим.

Такую поддержку реализуют следующие операционные системы:

• Windows Vista;
• Windows XP SP1 и более поздние;
• Windows 2000 SP4 и более поздние;
• Windows 98/98SE/Me или Windows NT 4.0 с загруженным акселератором IAA; этот вариант реализуем, только если набор микросхем системной логики материнской платы поддерживает IAA .

Для поддержки 48-разрядной адресации на уровне BIOS должны выполняться следующие условия:

• BIOS системной платы должна поддерживать LBA (как правило, это относится ко всем системным платам, выпущенным после сентября 2002 года);
• 48-азрядная адресация LBA должна поддерживать карту расширения, вставленную в один из разъемов материнской платы.

Если и ОС, и BIOS поддерживают LBA, можно установить и использовать высокоемкий внутренний накопитель, как любой другой. В то же время, если поддержка LBA реализована только на уровне ОС, часть диска, находящаяся за пределами 137 Гбайт, станет доступной только после загрузки операционной системы. Это значит, что, если новая операционная система устанавливается на чистый жесткий диск и при этом загрузка выполняется с компактдиска Windows XP, выпущенного до выхода пакета обновлений SP1, во время инсталляции будет возможна разметка только первых 137 Гбайт пространства диска. После полной установки самой ОС и ее пакетов обновления станет доступной и остальная часть диска, которую нужно разметить с помощью либо встроенной консоли управления дисками Windows XP, либо сторонней программы, такой как PartitionMagic или Partition Commander.

Если загрузка выполняется с компакт-диска Windows XP SP1 или более позднего, уже во время установки операционной системы можно распознать весь диск и даже разметить его в виде единого тома.

При использовании внешних устройств USB и FireWire подобных ограничений не существует, так как их поддержка выполняется на уровне операционной системы, а не BIOS.

Жесткие диски SCSI с самого начала отличались более высокими характеристиками, чем накопители ATA. Благодаря этому диски SCSI чаще всего используются в высокопроизводительных файловых серверах, рабочих станциях и других компьютерных системах. Несмотря на то что накопители SCSI создавались еще до появления жестких дисков ATA, их разработчики предусмотрительно позаботились о возможности жестких дисков SCSI адресовать до 2,2 Тбайт (терабайт, или триллион байтов), что составило 232 сектора. В 2001 году набор команд SCSI был расширен, что позволяет поддерживать накопители емкостью 9,44 Збайт, т.е. 264 сектора. Высокая производительность и отсутствие критических ограничений на максимальный объем данных, содержащихся на жестких дисках SCSI, стали причиной того, что изготовители почти всегда выпускают накопители, имеющие наибольшую емкость, вначале в SCSI-версиях. С выходом стандарта SATA, однако, все изменилось.

Изменения, внесенные в конструкции накопителей ATA и SCSI в 2001 году, позволяют говорить о том, что пройдет еще немало времени, прежде чем ограничения емкости жестких дисков станут проблемой для интерфейса того или другого типа.

2,5-дюймовые накопители

Подробности

Родительская категория: Накопители на жестких дисках

Категория: Формфакторы

Компания PrairieTek представила жесткие диски диаметром 2,5 дюйма в 1988 году; они оказались идеальным вариантом для портативных компьютеров. С увеличением продаж портативных компьютеров росли и продажи дисков диаметром 2,5 дюйма. Компания PrairieTek была первой компанией, выпустившей накопители такого диаметра, но другие компании быстро заполнили рынок, представив собственные модели. В 1994 году компания Conner Peripherals, Inc. заплатила 18 млн. долларов за технологию накопителей диаметром 2,5 дюйма компании PrairieTek, и последняя постепенно вышла из этого бизнеса. С момента появления накопители диаметром 2,5 дюйма используются практически всеми производителями портативных компьютеров. Хотя такие накопители могут применяться и в настольных системах, этот рынок продолжают удерживать накопители диаметром 3,5 дюйма за счет предоставления большего объема и быстродействия по меньшей цене.

Накопители диаметром 2,5 дюйма имеют различную высоту (или толщину), поэтому во многих портативных компьютерах устанавливаются накопители определенной толщины. Ниже приведены стандартные значения высоты таких накопителей.

• 8,5 мм
• 9,5 мм
• 12,5 мм
• 12,7 мм
• 17,0 мм
• 19,0 мм

Самыми популярными являются размеры 9,5 и 12,5 мм, устанавливаемые в большинстве портативных компьютеров. На данный момент производители основное внимание уделяют накопителям высотой 9,5 мм. Обычно вместо более толстого накопителя можно установить более тонкий; в свою очередь, установка большего по высоте накопителя вместо более тонкого не всегда возможна.