 |
Ремонт и upgrade компьютеров своими рукамиНАКОПИТЕЛИ НА ЖЕСТКИХ ДИСКАХ |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Если у вас появятся вопросы, не освещенные на нашем сайте, вы можете задать вопрос непосредственно нашим специалистам по электронной почте: upgradecomputer@yandex.ru
|
Что такое жесткий диск Самым важным и в то же время самым загадочным компонентом компьютера является накопитель на жестком диске. Как известно, он предназначен для хранения данных, и последствия его выхода из строя зачастую оказываются катастрофическими. Для правильной эксплуатации или модернизации компьютера необходимо хорошо представлять себе, что же это такое — накопитель на жестком диске. Литература о жестких дисках ориентирована в основном на специалистов и пользователей-профессионалов. В этой главе подробно описаны накопители на жестких дисках, их физические, механические и электронные свойства. Основными элементами накопителя являются несколько круглых алюминиевых или некристаллических стекловидных пластин. В отличие от гибких дисков (дискет), их нельзя согнуть; отсюда и появилось название жесткий диск (рис. 10.1). В большинстве устройств они несъемные, поэтому иногда такие накопители называются фиксированными (fixed disk). Существуют также накопители со сменными дисками. Замечание Накопители на жестких дисках обычно называют винчестерами. Этот термин появился в 1960-х годах, когда IBM выпустила высокоскоростной накопитель с одним несъемным и одним сменным дисками емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из пластин, которые вращались с высокой скоростью, и «парящих» над ними головок, а номер его разработки — 30–30. Такое цифровое обозначение (30–30) совпало с обозначением популярного нарезного оружия Winchester, поэтому термин винчестер вскоре стал использоваться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска. Это типичный профессиональный жаргон, на самом деле подобные устройства не имеют с обычными винчестерами (т. е. с оружием) ничего общего.Новейшие достижения В 1957 году Сирил Норткот Паркинсон (Cyril Northcote Parkinson) опубликовал свой знаменитый сборник, получивший название «Законы Паркинсона», который начинается 
Рис. 10.1. Вид накопителя на жестких дисках со снятой
верхней крышкой
с утверждения: «Объем работы увеличивается настолько, чтобы
полностью заполнить время, отпущенное на ее выполнение». Этот наиболее
известный закон в несколько измененном виде может быть применен и к жестким
дискам: «Объем данных увеличивается в соответствии с объемом пространства,
отведенного для их хранения». Это означает, что независимо от емкости жесткого
диска, вы без особого труда найдете способ «набить» его до отказа. Хочу
сказать, что под этим лозунгом я живу уже примерно лет двадцать, начиная с
момента приобретения своего первого накопителя на жестких дисках.
Я хорошо знаю об экспоненциальных темпах развития
компонентов персонального компьютера, но, несмотря на это, не перестаю
поражаться тому, как быстро увеличивается скорость и емкость современных
накопителей. Первым жестким диском, приобретенным мною еще в 1983 году, был 10-мегабайтовый
(обратите внимание: не 10 Гбайт, а 10 Мбайт) накопитель Miniscribe модели 2012,
который представлял собой 5,25-дюймовый дисковод (жесткий диск) с общими
величиными 200 х 140 x80 мм или 7,9x5,5x3,2 дюймов (LxWxH) и весом около 2,5 кг (примерно 5,5 фунта, что превышает вес современных портативных компьютеров). Для сравнения:
дисковод Seagate Barracuda 180, использующий 3,5-дюймовые жесткие диски, имеет
размеры 5,7 х 3,9 х 1,6 дюймов или 145 х 100x40 мм и весит всего лишь 1,04 кг (примерно 2,3 фунта). Емкость этого накопителя достигает немыслимой величины в 181,6 Гбайт,
что в 18 160 раз больше емкости моего первого жесткого диска. Причем его
размеры меньше примерно в четыре раза, а вес — в два раза. За прошедшие 20 лет
был сделан довольно большой шаг вперед!
Замечание
«Законы Паркинсона» постоянно переиздаются и в настоящее
время фактически являются одной из наиболее распространенных стать в области
бизнеса и управления.
Для того чтобы дать вам представление о том, насколько
далеко ушли жесткие диски за прошедшие 20 с лишним лет, приведем примеры
наиболее значительных изменений, происшедших с накопителями на жестких дисках.
■ Максимальная емкость 5,25-дюймовых накопителей
увеличилась от 5 и 10 Мбайт (1982 год) до 180 Гбайт и более для 3,5-дюймовых
накопителей половинной высоты (Segate Barracuda 180). Емкость 2,5-дюймовых
дисководов с высотой не более 12,5 мм, которые используются в портативных
компьютерах, выросла до 60 Гбайт (IBM Travelstar 60GH). Жесткие диски объемом
менее 30 Гбайт в современных настольных компьютерах используются в настоящее
время довольно редко.
■ Скорость передачи данных увеличилась от 85–102
Кбайт/с в оригинальном компьютере IBM XT (1983 год) до 60 Мбайт/с в наиболее
быстродействующих системах (Seegate Cheetah XI5 36LP).
■ Среднее время поиска (т. е. время установки головки
на нужную дорожку) уменьшилось от 85 мс в 10-мегабайтовых жестких дисках,
используемых в компьютере IBM PC-XT (1983 год), до 3,6 мс в наиболее
быстродействующих на сегодня системах (Seegate Cheetah XI5).
■ В 1982–1983 годах накопитель емкостью 10 Мбайт и
контроллер стоили более 2000 долларов (200 долларов за мегабайт). В настоящее
время стоимость жестких дисков (с интегрированным контроллером) уменьшилась до
одной шестой цента за один мегабайт, что составляет примерно 100 долларов за 80
Гбайт.
Рис. 10.2. Дорожки и секторы накопителя на жестких дисках
Принципы Работы Накопителей На жестких Дисках В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый), как отображено на рис. 10.2. В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные записываются на обеих сторонах каждого из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис. 10.3). Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно. Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения даже в большинстве первых моделей составляла 3 600 об/мин (т. е. в 10 раз больше, чем в накопителе на гибких дисках) и до последнего времени была почти стандартом для жестких дисков. Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла. к примеру, в портативном компьютере Toshiba диск объемом 3,3 Гбайт вращается с частотой 4 852 об/мин, но уже существуют модели с частотами 5 400, 5 600, 6400, 7200, 10 000 об/мин и даже 15 000 об/мин. Большинство серийно выпускаемых накопителей, используемых в настоящее время в персональных компьютерах, имеют скорость вращения дисков 5 400 об/мин. Скорость вращения дисков моделей с улучшенными рабочими характеристиками достигает 7 200 об/мин. Накопители со скоростью вращения 10 000 или 15 000 об/мин используются обычно только в высокоэффективных рабочих станциях или серверах, для которых высокая стоимость жестких дисков, повышенное тепловыделение и шум не играют существенной роли. Высокие скорости вращения жесткого диска в сочетании с механизмами быстрого позиционирования головок и увеличенным количеством секторов, содержащихся на каждой дорожке, являются теми факторами, которые определяют общую производительность жесткого диска. При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они озапускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот 
Рис. 10.3. Цилиндр накопителя на жестких дисках
зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка «столкнется»
с диском, вращающимся «на полном ходу». Если удар будет достаточно сильным,
произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери
нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в
большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают
специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные «взлеты»
и «приземления» головок, а также более серьезные потрясения.
В некоторых наиболее современных накопителях вместо
конструкции CSS (Contact Start Stop) используется механизм загрузки/разгрузки,
который не позволяет головкам входить в контакт с жесткими дисками даже при
отключении питания накопителя. Этот механизм был впервые использован в 2,5-дюймовых
накопителях портативных и дорожных компьютеров, для которых устойчивость к
механическим воздействиям играет весьма важную роль. В механизме
загрузки/разгрузки используется наклонная панель, расположенная прямо над
внешней поверхностью жесткого диска. Когда накопитель выключен или находится в
режиме экономии потребляемой мощности, головки съезжают на эту панель. При
подаче электроэнергии разблокировка головок происходит только тогда, когда
скорость вращения жестких дисков достигнет нужной величины. Поток воздуха,
создаваемый при вращении дисков (аэростатический подшипник), позволяет избежать
возможного контакта между головкой и поверхностью жесткого диска.
Поскольку пакеты магнитных дисков содержатся в плотно
закрытых корпусах и их ремонт не предусмотрен, плотность дорожек на них очень
высока — до 64 400 и более на
дюйм (IBM Travelstar 60GH). Блоки HDA (Head Disk Assembly — блок
головок и дисков) собирают в специальных цехах, в условиях практически полной
стерильности. Обслуживанием HDA занимаются считанные фирмы, поэтому ремонт или
замена каких-либо деталей внутри герметичного блока HDA обходится очень дорого.
Вам придется смириться с мыслью, что рано или поздно накопитель выйдет из
строя, и вопрос только в том, когда это произойдет и успеете ли вы сохранить
свои данные.
Внимание!
Вскрывать накопитель на жестких дисках в «домашних условиях»
не рекомендуется. Некоторые производители накопителей конструктивно выполняют
их таким образом, что при вскрытии обрывается защитная лента. Вскрыв
самостоятельно накопитель, вы тем самым разрываете эту защитную ленту и
лишаетесь гарантийных обязательств производителя.
Многие пользователи считают накопители на жестких дисках
самыми хрупкими и ненадежными узлами компьютеров, и, вообще говоря, они правы.
Однако во время семинаров по аппаратному обеспечению компьютеров и проблемам
восстановления данных, которые я веду, накопители практически постоянно
работали со снятыми крышками. Иногда приходилось даже снимать и устанавливать
на место крышки работающих накопителей, и, несмотря на это, они по сей день
продолжают успешно работать и с крышками, и без них. Разумеется, я не советую
вам делать то же самое со своими устройствами; к тому же я никогда не стал бы
так экспериментировать с дорогостоящими дисками большой емкости.
Несколько Слов О Наглядных Сравнениях Винчестеров Вам, возможно, приходилось читать статьи или статьи, в которых для описания взаимодействия головки и диска используется аналогия с «Боингом-747», летящим в нескольких метрах над землей со скоростью 800 км/ч. Я сам в течение нескольких лет частенько к ней прибегал на упомянутых семинарах, но никогда не задумывался над тем, насколько точно она соответствует современным накопителям. Правда, сравнение головки с летящим самолетом всегда казалось мне некорректным. Она ведь никуда не летит, а плавает на воздушной подушке, которая создается на поверхности вращающегося диска. Правильнее было бы сравнить ее с судном на воздушной подушке. Благодаря специальному профилю головки толщина создающейся воздушной подушки автоматически поддерживается постоянной. Иногда такой способ взаимодействия двух подвижных объектов называют воздушной подвеской. Пересчитаем теперь все геометрические размеры накопителя в соответствии с масштабом, при котором величина зазора между диском и головкой составит точно 5 мм. Это означает, что все соответствующие числа необходимо умножить на 333 333 — именно во столько раз 5 мм больше, чем 15 нм. Представьте себе эту головку: при таком увеличении ее длина составит около 410 м, ширина — 325 м, а высота — 100 м (это приблизительно размеры небоскреба Sears, положенного на бок). Перемещается она со скоростью 9 187 км/с на расстоянии всего лишь 5 мм над землей (т. е. над диском) и считывает биты данных, промежутки между которыми равны 2,16 см. Эти биты данных расположены на дорожках, расстояние между которыми составляет всего лишь 29,9 см. Скорость перемещения этой гипотетической головки даже трудно себе представить, поэтому я приведу конкретный пример. Диаметр Земли составляет 12 742 км, т. е. длина околоземной орбиты, проходящей на расстоянии одного дюйма от поверхности, будет равна приблизительно 40 000 км. Таким образом, развивая скорость 9 187 км/с, эта головка совершит виток вокруг Земли меньше чем за пять секунд. Не правда ли, хочется воскликнуть: «Видел чудеса техники, но такие!..». И действительно, современный жесткий диск — это настоящее чудо техники! Как видите, пример с авиалайнером оказался лишь жалким подобием того, чт. е. на самом деле (не говоря о его некорректности с точки зрения физики). Дорожки И Секторы Жд Дорожка — это одно «кольцо» данных на одной стороне диска. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байт, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами. Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. к примеру, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка жесткого диска — от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт, но не исключено, что в будущем эта величина изменится. Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля. к примеру, дискета HD (High Density) формата 3,5 дюйма (емкостью 1,44 Мбайт) содержит 80 цилиндров, пронумерованных от 0 до 79, в дисководе установлены две головки (с номерами 0 и 1), и каждая дорожка цилиндра разбита на 18 секторов (1–18). При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочая служебная информация, благодаря той 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 нето пространство на диске должно быть зарезервировано для служебной информации. В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс — suffix portion), в котором находится контрольная сумма (checksum), необходимая для проверки целостности данных. В большинстве новых дисководов вместо заголовка используется так называемая запись No-ID, вмещающая в себя больший объем данных. Помимо указанных областей служебной информации, каждый сектор содержит область данных емкостью 512 байт. При низкоуровневом (физическом) форматировании всем байтам данных присваивается нето значение, к примеру F6h. Замечание Низкоуровневое форматирование обсуждается далее в этой главе. Не путайте его с высокоуровневым форматированием, то выполняется с помощью программы Windows Explorer и команды FORMAT DOS. Утверждать, что размер любого сектора равен 512 байт, не вполне корректно. На самом деле в каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных — это только часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные отводится только 512 байт. В различных накопителях пространство, отводимое под заголовки (header) и заключения (trailer), может быть разным, но, как правило, сектор имеет размер 571 байт. Чтобы очистить секторы, в них зачастую записываются специальные последовательности байтов. Заметим, что, кроме промежутков внутри секторов, существуют промежутки между секторами на каждой дорожке и между самими дорожками. При этом ни в один из указанных промежутков нельзя записать «полезные» данные. Префиксы, суффиксы и промежутки — это как раз то пространство, то представляет собой разницу между неформатированной и форматированной емкостями диска и «теряется» после его форматирования. Для наглядности представьте, что секторы — это страницы в статье. 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, к примеру названия глав (в нашей аналогии это будет соответствовать 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 табл. 10.1 в качестве примера приведен формат дорожки и сектора стандартного жесткого диска с 17-ю секторами на дорожке. (Общее количество байтов в секторе — 571; количество байтов данных в секторе — 512; всего байтов на дорожке — 10416; количество байтов данных на дорожке — 8 704.) Таблица 10.1. Стандартный формат дорожки, содержащей 17 секторов
.
Вся информация собрана из открытых источников. При испльзовании материалов, размещайте ссылку на источник. |
