Технологические изменения на рынке жестких дисков происходят не столь быстро, как это может показаться по стремительному наращиванию их емкости. Производители по-прежнему выпускают практически все свои модели в двух вариантах - PATA (EIDE) и SATA. Однако если раньше они не различались практически ничем, кроме интерфейса, то в последнее время SATA-винчестеры приобрели функции, недоступные для них PATA-аналогов. К тому же появились HDD с поддержкой SATA II, позиционируемые производителями как наиболее совершенные. Чтобы оценить, насколько далеко зашел технический прогресс, мы рассмотрим историю развития интерфейсов жестких дисков

Первые стандарты для винчестеров IDE были разработаны компаниями Western Digital и Compaq Computer в 1986 г. Тогда для подключения использовался 40-проводной кабель и имелась возможность одновременного обслуживания двух устройств. Первые IDE-накопители управлялись центральным процессором, отвлекая значительные вычислительные ресурсы, и обладали множеством других недостатков, главный из которых - слишком малая емкость. Несмотря на это, IDE стал очень популярным стандартом и был зарегистрирован Национальным институтом стандартизации США (ANSI), получив название АТА (а также ATAPI). Первая версия интерфейса, АТА-1, обладала следующими возможностями:

· PIO mode 0, 1 и 2 (до 8,3 МBps) (программируемый ввод/вывод);

· Singleword DMA mode 0, 1 и 2 (до 8,3 МBps) (одиночная передача в режиме прямого доступа к памяти);

· Multiword DMA mode 0 (до 4,2 МBps) (групповая передача в режиме прямого доступа к памяти).

Единственным различием между IDE и ATA является то, что IDE определяет спецификацию на электронику винчестеров, а ATA - на интерфейсное соединение между HDD и ПК; тем не менее, данные термины используются как слова-синонимы.

Вскоре после появления IDE вышла усовершенствованная версия - Enhanced IDE (EIDE), которая была разработана той же компанией Western Digital. Соответствующий стандарт от ANSI назывался ATA-2. Он позволял превысить традиционный предел емкости жесткого диска в 528 MB. При включенном режиме LBA в BIOS он мог поддерживать HDD объемом до 8,4 GB. EIDE также допускал обслуживание до четырех винчестеров при использовании двух кабелей. Кроме того, появились следующие новые режимы: PIO mode 3 и 4 (до 16,6 MBps), Multiword DMA mode 1 и 2 (до 16,6 MBps), а также Block Transfer для повышения производительности (данный режим делает возможной передачу нескольких команд чтения/записи за одно прерывание).

Чтобы получить конкурентное преимущество, компания Quantum совместно с Intel разработала новую версию интерфейса для настольных жестких дисков - спецификацию Ultra ATA, также известную под названиями Ultra ATA/33, Ultra DMA33, ATA/ATAPI-4, Ultra DMA 2. Благодаря использованию обоих фронтов передаваемого сигнала эффективная рабочая частота возросла в два раза, соответственно и скорость передачи данных по интерфейсу увеличилась с 16,6 до 33,3 MBps. Кроме того, для повышения надежности в Ultra ATA был введен циклический контрольный код (CRC). Этот стандарт определял следующие режимы: Ultra DMA Mode 0, 1 и 2 (скорости 16,6; 25,0 и 33,3 MBps). Параллельно разрабатывался стандарт PIO Mode 5, но он обеспечивал скорость передачи всего 22,2 MBps и не имел режима прямого доступа к памяти, а потому так и не был реализован.

Увеличение пропускной способности оказалось очень кстати ввиду возрастания скорости чтения с пластин. Уже в 1998 г. была разработана следующая версия - Ultra ATA/66 (ATA/ATAPI-5). Стандарт предусматривал очередное увеличение скорости (до 66,6 MBps), а также смену кабеля с 40- на 80-жильный, в котором 40 дополнительных проводников заземлены для снижения высокочастотных помех и повышения надежности канала передачи данных. Также были добавлены новые режимы: Ultra DMA Mode 3 и 4 (скорости 44,4 и 66,6 MBps). Тем не менее, стандарт оказался полностью обратносовместимым, т. е. к материнским платам с контроллером Ultra ATA/66 можно было подключить диск хоть АТА-1, и наоборот, диск стандарта Ultra ATA/66 работал на плате с АТА-1.

На рынке Ultra ATA/66 появился в 1999 г., однако скорость жестких дисков продолжала расти такими темпами, что спустя всего год потребовалась очередная версия АТА. В результате летом 2000 г. появился стандарт Ultra ATA/100 (ATA/ATAPI-6). Используя преимущества нового кабеля и разъема, пропускную способность повысили до 100 MBps посредством сокращения длительности такта передачи сигнала. Впоследствии в стандарт ATA/ATAPI-6 был включен еще и режим Ultra ATA/133, разработанный фирмой Maxtor в 2001 г. Данный режим не приобрел популярности среди производителей жестких дисков, несмотря на поддержку его разработчиками чипсетов для материнских плат. Причина этого достаточно проста: остальные компании уже ориентировались на другой стандарт - Serial ATA, поскольку недостатки обычного АТА (параллельного АТА) проявились еще при разработке Ultra ATA/100. Дальнейшее наращивание пропускной способности ограничивалось физически многожильным IDE-кабелем.

Вернемся теперь к Serial ATA. На прошедшем весной 2000 г. Intel Developer Forum (IDF) корпорация Intel и другие производители ПК и дисков (IBM, Dell, Seagate, Quantum, Maxtor, APT Technologies и пр.) образовали группу по выработке спецификации и продвижению на рынок нового интерфейса -- Serial ATA. Официально он был представлен широкой общественности в сентябре 2001 г., когда на IDF компании Seagate (при деятельном участии Intel и APT Technologies) были впервые продемонстрированы винчестеры, совместимые с Serial ATA Revision 1.0. Активный переход на новый последовательный интерфейс SATA планировался в 2002 г., однако этого не произошло. Основной проблемой стало отсутствие для конечного пользователя видимых преимуществ от данного стандарта - материнские платы с контроллерами SATA стоили значительно дороже, и их было сложно найти. То же касалось и жестких дисков, поскольку производители (за исключением Seagate и, в одном случае, WD) не стали специально разрабатывать винчестеры под новый стандарт, а просто установили на старые Parallel ATA-диски мост PATA-to-SATA. По той же причине не возрастала и скорость при переходе от PATA к SATA (справедливости ради заметим, что и Seagate Barracuda 7200.7, несмотря на родной интерфейс, не получила прибавки в скорости). Переплачивать только за более тонкие кабели решились немногие, да и существовала проблема с переходниками питания для SATA - их было очень сложно достать. Из-за этого часть компаний оснастили свои HDD двумя разъемам питания - обычным и SATA. Возросшая до 150 МBps пропускная способность интерфейса также оказалась невостребованной. Переломным стал 2003 г. - именно тогда производители чипсетов для материнских плат представили продукты с интегрированной поддержкой SATA, что позволило начать продвижение стандарта в массы.

Работа над SATA продолжалась, к стандарту 1.0 начали выпускаться дополнения, и в 2004-м на их основе появилась вторая версия SATA. Посмотрим, что же в ней было нового.

Во-первых, увеличилась пропускная способность (со 150 до 300 МBps). Учитывая, что скорость чтения с одиночного диска на данный момент приближается к 70 МBps, пропускной способности первой версии стандарта скорее всего с головой хватит на ближайшие несколько лет. С другой стороны - запас карман не тянет, да и лучше такая ситуация, чем-то, что творилось несколькими годами ранее со стандартами АТА33/66/100/133.

Во-вторых, поддержка Native Command Queuing (NCQ), или технологии маршрутизации команд, стала фактически (почему - будет сказано ниже) неотъемлемой частью стандарта SATA II, до этого же NCQ являлась необязательным дополнением SATA 1.0. NCQ позволяет переупорядочивать до 32 команд чтения/записи жесткого диска с целью достижения оптимальной производительности и снижения износа его механизмов. Ее работу можно проиллюстрировать следующим примером: предположим, диску поступают подряд несколько команд на чтение секторов с номерами 3000, 2000, 7000, 5000. Диск без NCQ считал бы сектора именно в этом порядке, в то время как диск с NCQ изменит последовательность чтения на 2000, 3000, 5000, 7000, совершив при том меньшее количество перемещений головок. Кроме того, результаты тестов показали, что вследствие такого упорядочивания в части задач (к примеру, дефрагментации) может наблюдаться ощутимый прирост производительности.

Для использования данной технологии необходимы три условия: контроллер SATA II или SATA 1.0 с поддержкой NCQ (на плате или отдельный), драйверы для операционной системы с поддержкой команд NCQ и жесткий диск с NCQ. С первым и вторым на данный момент проблем нет - контроллеры SATA II имеются на всех материнских платах с чипсетами i915/925 и выше и nForce4, соответствующие драйверы для них уже есть. Однако в связи с тем, что часть работы с NCQ выполняет драйвер, при включении данной технологии может наблюдаться некоторое повышение загрузки процессора. Производители жестких дисков заняли разные позиции: Maxtor и Seagate представили свои винчестеры с поддержкой NCQ еще в прошлом году, Samsung и Hitachi сделали это сравнительно недавно, а WD поступила достаточно странно - ее новые диски серии JS, несмотря на логотип SATA II, несовместимы с NCQ! Это пока единственный случай отклонения от стандарта (потому выше и было сказано о фактической поддержке), но перед покупкой стоит внимательно изучить спецификации на товар.

И, в-третьих, добавлена функция горячего подключения, ранее являвшаяся опциональной. После установки соответствующих драйверов жесткий диск стандарта SATA II в системе определяется, как съемное устройство и может быть в любой момент безопасно отключен. Что еще более удобно - в комплекте с некоторыми материнскими платами поставляется специальная планка на заднюю стенку с двумя SATA-разъемами и разъемом питания, благодаря чему можно подключить SATA II-винчестер, не вскрывая системный блок и не используя дополнительные приспособления вроде USB- или FireWire-карманов.

В целом, вторая версия SATA является скорее стандартизацией тех возможностей SATA, которые ранее были отданы на откуп производителям жестких дисков/контроллеров, а не чем-то радикально новым. Тем не менее, на данный момент уже имеет смысл обращать внимание на тип и версию интерфейса винчестера, а при покупке отдавать предпочтение более новой версии, не забывая, конечно, и о цене.

Учитывая, что производители жестких дисков сейчас испытывают сложности с дальнейшим наращиванием объемов и повышением скорости чтения с пластин, можно сказать, что стандарт SATA II пришел в настольные ПК надолго. Однако в планах разработчиков SATA в дальнейшем значится увеличение скорости до 600 MBps, хотя и не совсем ясно, для чего. Более интересным, с точки зрения дальнейшего роста быстродействия, было бы улучшение "интеллектуальных способностей" контроллера жесткого диска, что, возможно, мы также увидим в следующей версии интерфейса.

1.4 Внешние жесткие диски

Говоря об интерфейсах для подключения винчестеров, стоит вспомнить и о переносных винчестерах. В настоящее время существует несколько решений для подключения внешних устройств. Во-первых, есть винчестеры, подключающиеся к USB-порту. Они используются в основном для обмена данными с цифровыми камерами и прочими мобильными устройствами. В силу невысокой пропускной способности этой шины подобные диски, конечно, не смогут сравниться в производительности с внутренними устройствами.

Все большее распространение получает новый интерфейс IEEE1394, который может использоваться не только для подключения жестких дисков, но и других устройств, работающих с большими массивами данных, например, видеокамер. Контроллеры этого интерфейса иногда даже встраиваются в материнские платы. Его производительности хватает, например, для проигрывания видео высокого качества - заявленная пропускная способность интерфейса достигает 50 Мб/с. Напомним, что еще пару лет назад такой скоростью не мог похвастаться интерфейс IDE.

Покупая внешние винчестеры, следует особенно обратить внимание на ударопрочность

1.5 Работа накопителя

Теперь рассмотрим процесс работы накопителя от запуска до остановки. При подаче питающих напряжений начинает работать микропроцессор контроллера. Вначале он, как и компьютер, выполняет самотестирование и в случае его успеха запускает схему управления двигателем вращения шпинделя. Диски начинают раскручиваться, увлекая за собой прилегающие к поверхностям слои воздуха, и при достижении некоторой скорости давление набегающего на головки потока воздуха преодолевает силу пружин, прижимающих их к дискам, и головки "всплывают", поднимаясь над дисками на доли микрона. С этого момента, вплоть до остановки дисков, головки не касаются дисков и "парят" над поверхностями, поэтому ни диски, ни сами головки практически не изнашиваются. Тем временем, двигатель шпинделя продолжает раскручивать поверхности. Его скорость постепенно приближается к номинальной (тысячи оборотов в минуту). В это время накопитель потребляет максимум питающего напряжения и создает предельную нагрузку на блок питания компьютера по напряжению 12 Вольт. Поскольку в любой зоне дисков присутствует серворазметка, то сервоимпульсы начинают поступать с головок сразу же после начала вращения, и по их частоте контроллер судит о скорости вращения дисков. Система стабилизации вращения следит за потоком сервоимпульсов, и при достижении номинальной скорости происходит так называемый "захват", при котором любое отклонение скорости вращения сразу же корректируется изменением тока в обмотках двигателя. После достижения шпинделем номинальной скорости вращения освобождается фиксатор позиционера головок чтения/записи, и система его управления проверяет способность поворачиваться и удерживаться на выбранной дорожке путем выборочного произвольного позиционирования. При этом делается серия быстрых поворотов в разные стороны, что на слух выглядит как характерное "тарахтение", слышимое через несколько секунд после старта. Во время перемещения позиционера головок происходит слежение за поступающими с головок серво-импульсами, и система управления всегда "знает", над сколькими дорожками прошли головки. Аналогично происходит и удержание головок над выбранной дорожкой - при отклонении от центра дорожки изменяется во времени величина и форма сервоимпульсов. Система управления может ликвидировать отклонение, изменяя ток в обмотках двигателя позиционера головок. Во время тестирования привода головок заодно делается и его калибровка - подбор параметров управляющих сигналов для наиболее быстрого и точного перемещения позиционера при минимальном количестве "промахов". Здесь нужно сказать, что микрокомпьютер ЖД, как и компьютер, имеет ПЗУ, в котором записана BIOS накопителя - набор программ для начального запуска и управления во время работы, и ОЗУ, в которое после раскрутки механической системы загружаются остальные части управляющих программ. Кроме всего прочего, в ОЗУ загружается так называемая карта переназначения дефектных секторов, в которой отмечены дефектные секторы, выявленные при заводской разметке дисков. Эти секторы исключаются из работы и иногда подменяются резервными, которые имеются на каждой дорожке и в специальных резервных зонах каждого диска. Таким образом, даже если диски и имеют дефекты (а при современной плотности записи и массовом производстве поверхностей носителей они имеют их всегда), для пользователя создается впечатление "чистого" диска, свободного от сбойных секторов. Более того - на каждом диске накопителя имеется некоторый запас резервных секторов, которыми можно подменить и появляющиеся впоследствии дефекты. Для одних накопителей это возможно сделать под управлением специальных программ, для других - автоматически в процессе работы. Хранение подобной служебной информации на дисках, кроме очевидной выгоды, имеет и свои недостатки - при ее порче микрокомпьютер не сможет правильно запуститься, и, даже, если все информационные секторы не повреждены, восстановить их можно будет только на специальном заводском стенде.

После начальной настройки электроники и механики микрокомпьютер ЖД переходит в режим ожидания команд контроллера, расположенного на системной плате или интерфейсной карте, который в свою очередь программируется процедурами собственной BIOS или BIOS компьютера под управлением ОС. Получив команду, он позиционирует на нужный цилиндр, по сервоимпульсам отыскивает нужную дорожку, дожидается, пока до головки дойдет нужный сектор, и выполняет считывание или запись информации. Если контроллер запросил чтение/запись не одного сектора, а нескольких - накопитель может работать в блочном режиме, используя ОЗУ в качестве буфера и совмещая чтение/запись нескольких секторов с передачей информации к контроллеру или от него.

Современные накопители (как ATA, так и SCSI) поддерживают развитую систему команд управления устройством, среди которых имеются и такие, которые позволяют остановить вращение шпинделя и перевести накопитель в ждущий режим. Данный режим используется ПО ОС и BIOSов ПК для обеспечения стандартов сохранения энергии и работы процедур системы сохранения энергии, отключающих накопитель через некоторое время после ожидания его использования. Необходимо отметить, что не следует злоупотреблять частой остановкой и включением накопителя, т.к. именно во время разгона накопитель работает в форсированном режиме и изнашивается сильнее, нежели при нормальной эксплуатации в полностью рабочем активном состоянии. Использовать возможности сохранения энергии процедур BIOS и ОС следует лишь на машинах-серверах, работающих круглосуточно, дисковые операции на которых могут не выполняться по нескольку часов, в то время как, вся система должна находиться в состоянии полной готовности.

При выключении питания двигатель шпинделя работает в режиме генератора, обеспечивая питание плат электроники на время, необходимое для корректного завершения работы. Прежде всего, блокируется подача тока записи в магнитные головки, чтобы они не испортили информацию на поверхностях, а остаток энергии подается в обмотки привода головок, толкая их к центру дисков (в этом движении головкам помогает и естественная скатывающая сила, возникающая при вращении дисков). Как правило, для того чтобы запарковать головки достаточно одной скатывающей силы. Дойдя до посадочной зоны, привод головок защелкивается магнитным или механическим фиксатором еще до того, как головки успеют коснуться поверхности в результате падения скорости вращения дисков. В этом и состоит суть "автопарковки" - любой исправный накопитель всегда запаркует головки, как бы внезапно не было выключено питание, однако, если в этот момент происходила запись информации, то для пользователя последствия могут быть весьма печальными из-за недописанных или необновленных, как областей данных, так и управляющих структур файловой системы ПК, независимо от типа и вида установленной ОС.