Программист увидел НЛО:
- У кого-то диск полетел...
Давным-давно, когда компьютеры были еще очень большими, а программисты,
работавшие на них, ходили в белых халатах, данные хранились на перфокартах
и на магнитных бобинах. Те времена, к счастью, прошли, и теперь даже
в домашних компьютерах установлены многогигабайтные жесткие диски.
Но одно дело знать размер "винта", а совсем другое - понимать,
как он работает. Об этом мы и поговорим в этой статье.
Времена идут, и все меняется. Немало изменений претерпели
в течение своей эволюции и дисковые накопители. Одно из первых устройств,
которых с натяжкой можно назвать гордым словом "винчестер",
было выпущено компанией IBM - оно состояло из нескольких отдельных
блоков, а по размерам превосходило современный настольный ПК!
К счастью, прогресс не стоит на месте - сегодня жесткие диски легко
умещаются на ладони. А вот внутреннее устройство приводов со времен
"программистов в белых халатах" стало гораздо сложнее -
и механическая, и электронная части теперь представляют собой маленькое
чудо техники. И все же, давайте попробуем разобраться, выяснив для
начала, где хранится сама информация.
Крутится, вертится... диск магнитный
Итак, информация, записанная на винчестер, хранится на специальном
магнитном диске. Почему именно на диске, а не, скажем, на ленте, как
в магнитофоне? Во-первых, магнитный диск обеспечивает несоизмеримо
большую плотность записи, благодаря особенностям его покрытия. Он
представляет собой пластину из алюминия, керамики или стекла, на которую
нанесен слоем высококачественного ферромагнетика. В первых моделях
использовали покрытия на основе окислов железа и бариевых ферритов
- теперь предпочтение все чаще отдают окиси хрома или металлическим
пленочным покрытиям. Они позволяют достичь более высокую плотности
записи и увеличить прочность поверхности. Последний параметр особенно
важен для винчестеров переносных компьютеров, где велика вероятность
ударов.
Вторая причина, по которой отдают предпочтение дискам, а не ленте,
связана с простотой поиска информации. Ведь чтобы добраться от начала
до конца дорожки в кассете, необходимо ее всю перемотать, тогда как
на диске достаточно перейти от его края к центру. Надежность хранения
данных - тоже немаловажный параметр: жесткий диск легче защитить от
повреждений, нежели ленту.
Наконец, самый главный аргумент в пользу дисков - это скорость обмена
данными - "раскрутить" ленту до тех скоростей, с которыми
работают винчестеры, едва ли представляется возможным. Заметим, что,
в зависимости от модели привода, скорость вращения двигателя может
составлять 3600, 4500, 5400, 7200 и более об/мин (у токарного станка
и то меньше! ).
Наращивание числа оборотов (спирт здесь ни при чем) разработчикам
дается нелегко, особенно если учесть, что количество дисков в некоторых
моделях достигает 10 и более! Приходится предъявлять особые требования
к механической прочности системы, соответствующей обработке поверхностей
ее движущихся частей, их юстировке, самим дискам и магнитным головкам,
а также электронике.
Особое место занимает борьба с трением - от этого напрямую зависят
долговечность и надежность всей системы в целом. Кроме того, трение
ведет к нежелательному разогреву: во-первых, при изменении температуры
меняются размеры деталей, что может нарушить их точную подгонку, во-вторых,
колебания температурного режима негативно влияют на работу электронных
компонент.
А чтобы окончательно убедить Вас хранить информацию на винчестере,
а не на кассетах (если кто-то еще сомневается), приведем некоторые
цифры. Как известно, толщина магнитофонной ленты составляет несколько
миллиметров, плотность записи - примерно одна дорожка на миллиметр.
Сравните: компания Seagate (http://www.seagate.com/),
известный производитель жестких дисков, полгода назад продемонстрировала
плотность в 4000 дорожек на мм! Скорости записи/считывания отличаются
не меньше: Килобайты и Мегабайты в секунду.
Магнитные головки
Данные с поверхности диска считываются непосредственно магнитной головкой.
На первый взгляд, принцип действия магнитных головок винчестера мало
чем отличается от тех, что в обычном магнитофоне. Действительно, при
записи головка создает магнитное поле, намагничивая тем самым участок
диска - при считывании же, наоборот, поле диска возбуждает сигнал
в головке.
Однако магнитным головкам винчестера приходится работать с гораздо
большей скоростью, нежели магнитофонным. Поэтому их разработчики столкнулись
с необходимостью создания очень тесного контакта между ними и поверхностью
носителя. Выход нашли довольно оригинальный - головки "посадили"
на воздушную подушку! Все гениальное просто - при вращении дисков
внутри корпуса возникает воздушный поток, который, собственно, и приподнимает
головки над поверхностью. Однако, такая конструкция требует парковки
головок - перемещения их за пределы рабочей области диска (landing
zone) во время выключения компьютера. Ведь когда винчестер выключается,
диски останавливаются, соответственно исчезает магнитный поток и головки
"падают" на поверхность. Поэтому головки нужно отвести в
нерабочую область. Пользователи "со стажем", наверное, еще
помнят времена, когда перед выключением компьютера приходилось запускать
специальную парковочную программу. Теперешним юзерам повезло куда
больше - в современных моделях все происходит автоматически.
Однако научить "летать" головки мало, надо еще позаботиться
об их устройстве - ведь они должны обеспечивать качественную запись
и считывание сигнала. Раньше чаще всего применяли индуктивные головки,
обладавшие крупным недостатком - сигнал, снимаемый с них, сильно зависел
от скорости вращения диска.
Сегодня в арсенале разработчиков появились уникальные полупроводниковые
материалы с так называемым гигантским магниторезистивным эффектом
- при небольших изменениях магнитного поля резко изменяется электрическое
сопротивление материала. ВMRH (Magneto-Resistive Heads) отсутствуют
недостатки, присущие индуктивным головкам, поэтому их начали широко
применять для чтения данных. Для записи, к сожалению, они непригодны.
Заметьте, что современные приводы содержат несколько магнитных головок
- как правило, по одной на каждую сторону каждого диска. Управлять
и следить за всем этим "хозяйством" совсем непросто - для
подобных целей в винчестере есть отдельное устройство, которое называется...
Позиционер (head positioner)
От того, насколько оперативно позиционер справяется со своими функциями,
в немалой степени зависит общая скорость работы привода. Важнейший
параметр - время позиционирования головок (seek time) - во
многом зависит именно от этого модуля.
Позиционер состоит из длинных тонких несущих и управляющего электромагнитного
привода. Такую систему называют коромыслом. Обмотку привода окружает
статор - неподвижный магнит. Когда по обмотке проходит ток - необходимой
величины и полярности - коромысло совершает поворот в ту или иную
сторону. Подобного рода устройства называют поворотными - головки
в них перемещаются по дуге от центра диска к периферии.
Встречаются и линейные позиционеры, позволяющие перемещать головки
не по дуге, а по радиусу диска. Несмотря на некоторые преимущества
этой конструкции, из-за большой инерционности, низкой устойчивости
к ударам и вибрациям линейные позиционеры не получили широкого распространения.
Информация к размышлению
Всю информацию, хранящуюся на диске, условно делят на служебную и
пользовательскую. Первая обеспечивает нормальную работу привода и
изначально присутствует в любом современном жестком диске - ее записывает
завод-изготовитель.
Служебная информация действительно имеет очень важное значение: сейчас
и представить себе сложно, что когда-то диски не содержали первоначальной
разметки! Ее используют, прежде всего, для позиционирования магнитной
головки на дорожку. В нынешних моделях винчестеров на диски записывают
специальные сигналы - сервометки (раньше делали иначе: коромысло укрепляли
на оси двигателя, который отрабатывал заданный шаг между дорожками).
Сервометки служат также для стабилизации скорости вращения шпинделя,
кроме того, в каждом HD существует таблица перераспределения запорченных
секторов (участок дорожки). На ней и остановимся подробнее.
Хотите Вы того или нет, но ЛЮБОЙ жесткий диск не лишен столь устрашающих
каждого юзера bad-секторов - технология производства винчестеров пока
не позволяет избавиться от них на все 100%. Здесь и приходит на выручку
таблица перераспределения: при каждом включении винт считывает ее
и просто "не замечает" битых секторов!
А вот новые bad-секторы, - те, которые не помечены в заводской таблице
- таят в себе скрытую опасность. Обращаясь к такому сектору, магнитная
головка многократно повторяет попытку чтения или записи, при этом
возможно разрушение "здоровой" поверхности диска. Это влечет
за собой дальнейшее "размножение" запорченных секторов.
Таким образом винт постепенно приходит в негодность. Проблему можно
решить, обратившись вовремя в ремонтную мастерскую, где Вам соответствующим
образом "перепрошьют" таблицу.
Наконец, на диске или в его ПЗУ могут находится параметры накопителя:
его серийный номер, модель, производитель и т. п.
Теперь обратим Ваше внимание на некоторые нюансы, связанные с пользовательской
информацией. "Добрые" разработчики первого ПК оказали всем
нам сомнительную услугу, строго определив количество разрядов, с помощью
которых адресовались данные. Когда же появились жесткие диски емкостью
более 528 Мб (более чем с 1024 цилиндрами, или более чем с 16 головками,
или более чем с 63 секторами на дорожку), компьютеры перестали "видеть"
дисковое пространство полностью!
Производители BIOS (Basic Input-Output System) схватились за
головы и организовали в последующих версиях поддержку режима LBA
(Large Block Adressing). Системы последовательно модернизировали
для работы с дисками максимальной емкостью 2.1, 4.2, а затем 8.4 Гб.
В результате сегодня в большинстве случаев используют 24-разрядную
схему адресации, ограничивающую видимость дискового пространства печально
известными 8.4 Гб.
Для работы с накопителями большей емкости в BIOS необходимо использовать
уже 28-разрядную схему адресации и поддерживать так называемые расширения
INT 13h. Как свидетельствует статистика, лишь 5% произведенных до
1998 года компьютеров удовлетворяют этим требованиям.
Естественно, производители жестких дисков не захотели терять потенциальных
покупателей самых емких моделей и создали специальные резидентные
утилиты, перехватывающие все обращения к диску и пересчитывающие физические
координаты данных. Распространяют их бесплатно, но - нет в мире совершенства!
- они работают только с винчестерами родного изготовителя. Есть и
универсальная программа, но небесплатная. Приобрести ее можно у самих
создателей - компании Ontrack (http://www.ontrack.com/).
Управляющая электроника
Вся механическая часть жесткого диска "запечатана" в с гермоблоке.
Кстати, многие почему-то думают, что механические детали накопителя
находятся в... вакууме, т. е. в безвоздушном пространстве! Это не
так, однако к чистоте воздуха внутри гермоблока предъявляют особые
требования. Он проходит очистку с помощью специальных фильтров, ведь
даже маленькая пылинка, попавшая в корпус блока дисков и головок,
может вызвать серьезные повреждения. Поэтому настоятельно не рекомендуем
открывать винт или срывать с него защитные наклейки.
Часть электроники привода находится в блоке механики. Почему? Без
этого никак нельзя: сигнал, снимаемый с магнитных головок очень слабый,
и если проводники будут слишком длинными, он будет серьезно искажен.
Прочитанный сигнал необходимо сразу же усилить - тогда проблема транспортировки
исчезнет. С этой функцией успешно справляется предусилитель, расположенный
в гермоблоке.
Но здесь мы сталкиваемся с еще одним довольно уязвимым местом винчестера:
от предусилителя к позиционеру идет ленточный кабель или набор обычных
одножильных проводов, а они довольно часто рвутся. Устранение подобной
неисправности, увы, обходится в копеечку.
Остальная электроника винчестера менее уязвима и находится на отдельной
плате за пределами гермоблока. По своей структурой она очень напоминает...
отдельный компьютер! Действительно, среди основных компонент значатся:
центральный процессор, ОЗУ (буфер диска), ПЗУ с программой управления
(иногда часть ее записывают в служебную область самого диска), а также
DSP (Digital Signal Processor), служащий для обработки считанных сигналов
и подготовки записываемых.
На печатных платах многих жестких дисков встречается технологический
интерфейсный разъем, с помощью которого их подключают к тестовому
оборудованию. В ПЗУ находится специальная программа, позволяющая вести
диалог, переназначать дефектные участки, производить ту же первичную
разметку и пр.
Вся эта сложная электроника обеспечивает управление приводами головок
и дисков. В современных моделях, изготавливаемых в рамках программы
Energy Star, обязательно есть устройство для отключения винчестера
при отсутствии запросов к нему и других функций энергосбережения.
В завершение упомянем о наиболее часто встречающихся размерах современных
винчестеров. Самый распространенный формфактор ширины диска, конечно
же, 3.5 дюйма, но можно встретить 1.8 или 5.25 дюймовые модели. Есть
несколько категорий накопителей, различающихся по высоте: низкопрофильные
(менее одного дюйма), половинной высоты (1.63 дюйма) и полной (3.25
дюйма).
Хочется обратить Ваше внимание и на чрезвычайную чувствительность
жестких дисков к различного рода встряскам, толчкам и ударам. Поскольку
оси позиционера и шпинделя укрепляют на корпусе самого винчестера,
а иногда - дополнительно - и на гермоблоке, надо быть очень осторожным
и не делать лишних усилий при завинчивании крепежных винтов. Это может
привести к перекосу осей и, как следствие, неправильному позиционированию
магнитных головок. А уж такую поломку устранить или очень сложно или
вообще невозможно! Не стоит также нагревать приводы (некоторые пользователи,
надеясь самостоятельно починить диск, часами нагревали его на солнце)
- высокая температуры пагубно влияет на магнитную поверхность. Стоит
ли напоминать о недопустимости ударов приводов - вряд ли паление со
стола приведет к увеличению емкости винта :-).
Источник: http://www.mycomp.com.ua/
