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 :-).