Носители информации на жестких магнитных дисках

Для других ОС, например, UNIX - использование разделов происходит иначе. Как правило, их может быть более четырех, все они равноправны и одинаково могут быть загрузочными, содержат собственные файловые системы на основе i-узлов. Такие файловые системы являются теговыми и не имеют таблиц распределения порций информации. Дисковое пространство распределяется посекторно, что дает максимально возможное использование пространства раздела, но несколько снижает производительность. Весь раздел разбивается на иерархически связанную цепочку узлов разного уровня, которым соответствует некоторое количество секторов. На основе узлов строится понятие файлов и каталогов, и в таких системах файлы и каталоги действительно не различаются, т.к. каталог является файлом, содержащим структуру узлов. Один раздел отводится для дискового свопа и имеет упрощенную структуру, т.к. никогда не содержит файлов и каталогов.

Существуют и другие принципы организации логической структуры дискового пространства разделов накопителей на жестких дисках.

Все разделы могут содержать загрузчик операционной системы, который располагается, как правило, в первом секторе и занимает один сектор. В этом секторе располагаются структуры - записи, имеющие отношение лишь к конкретной операционной системе и, следовательно, они могут отличаться для разных разделов и версий операционных систем. Многие специализированные программы (например, защиты данных, по борьбе и профилактике вирусов и др.) могут изменять структуру или отдельные части загрузчика операционных систем. Загрузчик большинства персональных однопользовательских операционных систем является объектом заражения вирусами, которые заражают загрузочные сектора жестких дисков.

Физическое и логическое подключение жестких дисков

Какие же необходимо подключить разъемы и установить перемычки и другие операции при физической установке накопителя на жестких дисках? Это - интерфейсный шлейф, кабель питания, перемычки выбора статуса логического устройства и, возможно, индикатор состояния устройства (обращения к устройству), а также программное распознавание процедурой BIOS компьютера.

Интерфейсный шлейф. Как правило, интерфейсный шлейф соответствующего интерфейса (ATA или SCSI) входит в состав поставки материнской платы (если на ней интегрирован интерфейсный адаптер) или в состав отдельного адаптера и представляет собой плоский одинарный или двойной шлейф. Многие шлейфы комплектуются двумя разъемами для подключения двух устройств, что может быть полезно при добавлении еще одного накопителя в будущем. Один из концевых разъемов на шлейфе подсоединяется к разъему контроллера на плате (материнской или внешнего контроллера, подключаемого к шине материнской платы как устройство расширения через слот расширения шины PCI, ISA или VLB), а два других предназначены для накопителей. Как и на всех других шлейфах, первый проводник на IDE-кабеле помечен красным цветом. Его следует подключать к первому контакту разъемов на плате и на самом накопителе, которые хорошими производителями помечаются цифрой "1". Как правило, первый контакт интерфейсного кабеля на плате накопителя приходится на ту сторону разъема, что ближе к разъему питания. Если интерфейсный шлейф подсоединить неправильно, то, обычно, BIOS накопителя и интерфейса не могут стартовать и зависают на начальной стадии тестирования дисковой системы, при этом ПК не грузится и не отрабатывает процедура "Post". Шлейфы интерфейсов ATA и SCSI подключаются аналогично, хотя многие SCSI контроллеры подключаются не одним, а двумя шлейфами.

Кабель питания подключается аналогично на всех устройствах посредством 4-х контактного стандартного разъема и четырехпроводного кабеля. Питание практически невозможно подключить неправильно, т.к. разъем содержит направляющие фаски, однако, в противном случае, накопитель сразу же выйдет из строя.

Перемычки. При подключении первого ATA или SCSI накопителя вся процедура выполняется аналогично, т.к. основные установки обычно устанавливаются на заводе изготовителе для одиночного устройства (master или single). Однако, при подключении второго накопителя ATA необходимо установить перемычки, определяющие логический статус второго устройства, подключаемого либо к тому же каналу контроллера, что и первый, либо - ко второму каналу. Если устройство IDE подключается первым на канал, то на нем необходимо установить перемычку выбора кабеля логического устройства в положение master, (для одного единственного накопителя также может быть особое положение перемычки - single). При подключении вторым устройством на том же шлейфе - к тому же каналу, что и первое устройство, на втором накопителе необходимо установить перемычку в положение slave или cable select. Необходимо отметить, что два устройства на одном шлейфе (на одном канале), подключенные неправильно, опознаваться и работать не будут, а master устройство является загрузочным и ведущим, в то время как, slave устройство является ведомым и работает несколько медленнее. Необходимо также подчеркнуть, что производительность двух ATA накопителей на одном канале несколько ниже, чем одиночного, чего нельзя сказать о нескольких SCSI накопителях, подключенных к одному контроллеру SCSI.

Рекомендуется не подключать к одному и тому же каналу накопитель на ЖД и CD-ROM, т.к. такое подключение снижает производительность накопителя с интерфейсом ATA.

Единственный и последний накопитель SCSI, подключенные к одному контроллеру, должны содержать плату резисторной сборки или нагрузочную резисторную сборку, или перемычку ее включающую (устанавливается на заводе) и иметь каждый свое положение перемычек, определяющих логический номер устройства. Необходимо отметить возможную поддержку накопителем и адаптером SCSI стандарта SCAM (SCSI Configuration AutoMatically), позволяющий программным путем автоматически установить требуемые идентификаторы логических номеров подключенных к адаптеру SCSI-устройств. А практически все выпущенные в последнее время накопители и адаптеры, как правило, поддерживают этот стандарт.

Раскладка перемычек к накопителям, как правило, приводится на верхней крышке устройства и/или в руководстве пользователя.

Многие накопители содержат разъем для подключения индикатора состояния накопителя, расположенного на передней панели корпуса ПК. Однако, большинство интегрированных и внешних интерфейсных карт, также имеют такой разъем, поэтому, целесообразнее будет подключаться именно к нему, т.к. при смене накопителя не будет необходимости в таком подключении.

После завершения физического подключения необходимо произвести программное распознавание и подключение накопителя. Для устройств с интерфейсом ATA (IDE, EIDE) необходимо выставить процедурой BIOS Standard CMOS Setup или аналогичной такие параметры накопителей как число цилиндров (cyls), головок (head) и секторов (sector), а также режим использования (normal, large или LBA), используя для этого пользовательский тип накопителя (type) - номер 47. Однако, для облегчения данной задачи, особенно, если такие параметры неизвестны или труднодоступны, все современные BIOS`ы материнских плат содержат процедуру автоматического распознавания накопителей на ЖД с интерфейсом ATA (IDE, EIDE) - IDE HDD Autodetection. Это более необходимо еще и по причине представления несоответствия физического и логического числа цилиндров, головок и секторов для накопителей с числом цилиндров более 1024 и объемом более 540 Мб. В настоящее время, для таких накопителей производители обеспечивают три различных режима работы BIOS с накопителем на жестких дисках - Normal, Large и LBA (Large Block Access) и, соответственно, три различных режима работы интерфейса. Причины возникновения этих режимов кроются в совместимости низкоуровневого ПО для серии клонов IBM-PC. Ранее, задолго до появления накопителей на жестких магнитных дисках большого объема, программисты, создающие низкоуровневое ПО, работающее с аппаратурой ПК, к которому обращается операционная система и прикладные программы, определили интерфейс работы программного кода с процедурами BIOS и не позаботились о том, чтобы можно было сообщить номер читаемого или записываемого цилиндра больший 1024. В настоящее время, большинство накопителей большого объема (более 540Мб) имеют число цилиндров гораздо большее 1024. Использование такого накопителя в обычном режиме normal давало бы возможность использовать только часть объема устройства (приблизительно 540 Мб). Данные ограничения и проблемы ни в коей мере не касаются ОС не использующих процедуры BIOS и выполняющих все операции управления интерфейсами дисковых накопителей самостоятельно, а также накопителей с интерфейсом SCSI. Такими системами традиционно являются UNIX-ориентированные ОС и Windows NT. Режимы Large и LBA дают возможность обойти эти ограничения для ОС типа MS-DOS путем специального пересчета и уменьшения числа цилиндров за счет программного виртуального увеличения числа секторов и головок. Наиболее предпочтительным является режим LBA, допускающий большую совместимость и позволяющий использовать накопители большего объема (до 8.4 Гб, против 1Гб - для режима Large). Необходимо помнить, что если накопитель был отформатирован ОС на высоком уровне в режиме LBA, то в других режимах он будет работать ненормально и может испортиться, то же касается и остальных параметров, неправильная установка которых может привести к частичной или полной неработоспособности и даже к поломке накопителя.

Для накопителей с интерфейсом SCSI, контроллер которых снабжен собственной BIOS и процедурой setup, необходимо вызвать данную процедуру во время загрузки ПК путем нажатия соответствующей комбинации клавиш (такие комбинации различны у адаптеров различных производителей, а указание на них приводится в строках инициализации интерфейса, возникающих на экране монитора после включения ПК). Так как процедуры setup существенно различаются, то общей рекомендацией будет найти и выполнить программу тестирования или определения устройств и их логических номеров, подключенных к интерфейсу. Часто, такая процедура выполняется автоматически и входит в состав тестирующих процедур для PnP BIOS`ов.

Физическое положение, в котором работают современные ЖД, не играет большой роли. Большинство накопителей может работать и горизонтально, и вертикально, и на боку, и в наклонном положении, однако, встречаются накопители, в руководстве к использованию которых не рекомендуется располагать устройство, например, платой электроники вверх или иначе, поэтому, перед установкой внимательно познакомьтесь с руководством пользователя. Главное, во время работы не подвергать накопитель резким толчкам и сильной вибрации, т.к. при этом создается максимальная угроза повреждения поверхностей дисков головками чтения/записи. В выключенном состоянии головки запаркованы, и небольшая вибрация и толчки не могут повредить накопитель.

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 серво-импульсов. 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 BIOS'ов 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.

Эксплуатация и обслуживание жестких дисков

После установки разбиения и форматирования накопителей они также нуждаются в постоянном своевременном обслуживании. Как правило, такое обслуживание не касается технических подробностей, т.к. производители гарантируют 5-10 летнюю работу без единого профилактического вмешательства в механику или электронные схемы. Оно заключается в обеспечении целостности и стабильности файловой системы, что достигается программным способом при помощи системных утилит, входящих либо в состав ОС, либо поставляемые третьими производителями. В MS-DOS ориентированных системах (MS-DOS, Windows 95-98, PC-DOS, DR-DOS, Novell DOS) такими профилактическими мерами являются проверка логической целостности файловой системы и физической целостности накопителя. Логическая целостность файловой системы подразумевает правильность записей в таких структурах как Master Boot record, Partition Table, File Allocation table и Directories/Folders. К проверке физической целостности можно отнести проверку на наличие т.н. "плохих" блоков данных, имеющих физические повреждения и приводящие к ошибкам чтения/записи.

В состав ОС MS-DOS 6.х-7.х входят утилиты chkdsk и scandisk, осуществляющая проверку и коррекцию ошибок файловой системы. При помощи chkdsk, также, можно узнать размер кластера, объемы пространства занятого файлами, каталогами и свободного пространства. В ОС Windows 95 имеются аналогичные версии этих утилит.

Одним из самых известных комплектов по обслуживанию дисков от третьих фирм является пакет программ - Norton Utilities компании Symantec. В состав утилит входят, в частности, Norton Diagnostics, Norton Disk Doctor, Speed Disk, Image, Disk Editor, UnErase Wizard для ОС MS-DOS, Windows 95 и Windows NT. Norton Diagnostics - выполняет проверку всех узлов компьютера, в том числе и жесткого диска, помогая выявить причины сбоев и узнать многие характеристики установленного оборудования. Disk Editor - служит для "ручного" редактирования секторов жестких дисков. Speed Disk - программа, устраняющая фрагментацию файловой системы (дополняет системную утилиту defrag, входящую в состав MS-DOS и Windows 95). Norton Disk Doctor - программа, аналогичная scandisk в ОС MS-DOS и Windows 95, но имеющая несколько более развитые возможности. UnErase Wizard - утилита восстановления удаленных файлов. Image - утилита, предназначенная для сохранения образа основных управляющих структур файловой системы на внешнем носителе, который может быть использован для их восстановления в случае сбоев или повреждений. Существуют полностью русифицированные версии всех перечисленных утилит.

Настоящей находкой может стать программа PartitionMagic фирмы PowerQuest. Эта уникальная программа позволяет изменять размеры, перемещать и преобразовывать разделы жесткого диска, не нарушая целостности файловой системы и данных! Программа позволяет в считанные минуты разбить большой раздел на логические диски, объединить диски или разделы, увеличив эффективность использования (имеются в виду потери из-за большого размера кластеров) файловой системой дискового пространства. Однако, имеющиеся в настоящее время версии данной утилиты не свободны от ряда досадных ошибок и не одинаково хорошо могут работать с накопителями малого и больших объемов. Поэтому, пока рано рекомендовать ее в качестве надежного средства и не следует применять для накопителей, которые содержат информацию повышенной важности.

Оценки быстродействия системы (в том числе и жесткого диска), получив минимум показателей, можно рекомендовать утилиту Wintune 97, опубликованную WINDOWS Magazine. Утилита позволяет сохранить результаты тестирования и сравнить их с характеристиками выбранного из базы данных компьютера.

Кроме вышеперечисленных утилит следует обратить внимание на программы, которые поставляться в составе стандартной поставки накопителей фирмами производителями.

Заключение. Перспективы технологического развития

В 1997 году компания Seagate Technology начала интенсивно разрабатывать стратегическое направление, связанное с созданием «оптического винчестера» (Optically Assisted Winchester).

Развитие нового направления является попыткой обойти так называемый супермагнитный предел. (Супермагнетизм - это такое состояние однодоменных частиц, когда при уменьшении их размеров растет вероятность тепловых флуктуаций в направлениях магнитного момента частицы. Термин возник по аналогии с привычным парамагнетизмом - проявления похожи, но природа разная. Характерный размер супермагнитной частицы составляет около 50 ангстрем.) Считается, что супермагнитный рубеж лежит между 20 и 40 Гбит на квадратный дюйм поверхности - это плотность, при которой традиционные дисковые носители не способны обеспечить стабильную работу. Считывание и запись информации производится лучем лазера различной интенсивности. При записи используется магнитооптический метод, когда мощный луч лазера мгновенно нагревает выше температуры Кюри отдельный малый участок аморфного покрытия диска, находящийся в зоне действия магнитного поля головки, и меняет при этом магнитное состояние данного бита. Считывание основано на известном эффекте Кэрра (вращение плоскости поляризации света при отражении от намагниченного участка поверхности образца).

В состав устройства входит несколько принципиально новых компонентов.

Система подачи света (Advansed Light Delivery System) состоит из модуля оптической коммутации и световодов, передающих свет между модулем и головками. В состав модуля коммутации входит источник света (красный полупроводниковый лазер, подобный тем, что используются в приводах DVD), который генерирует световые импульсы и оптический коммутатор, переключающий световой поток между световодами. Время переключения составляет менее 1 мс.

Магнитная головка в устройстве скомбинирована с микрооптической линзой диаметром всего 350 мкм, фокусирующей свет лазера на поверхности диска. Система динамической фокусировки луча в зависимости от высоты «полета» головки, подобная применяемой в CD-ROM-считывателях, отсутствует, так как луч фокусируется достаточно остро, чтобы возможные отклонения не выходили за допустимые пределы. Радиальное слежение за дорожкой осуществляется при помощи зеркала с пьезоприводом (Micro-Machined Mirror Servo System), поворачивающим его на угол, обеспечивающий слежение за дорожкой при неподвижном рычаге головки. Подобная сервосистема обеспечивает плотность более 100 тысяч дорожек на дюйм.

Сам носитель подобен традиционным винчестерным дискам, с той лишь разницей, что магнитный слой его состоит из редкоземельных металлов в аморфном состоянии и обеспечивает гораздо большую плотность записи на единицу поверхности. Кроме этого, сам диск предполагается делать из пластика - как в целях удешевления и уменьшения веса, так и для предварительного нанесения сервометок. В устройстве используется встроенная запись сервосигнала, обеспечивающая точность позиционирования независимо от теплового изменения размеров.

«Оптический винчестер» предполагается изготавливать, используя механические узлы существующих винчестеров, в частности, модели Barracuda, что обеспечит невысокую стоимость изделия.

По прогнозам компании, при сегодняшних темпах роста плотности, супермагнитный предел для традиционных технологий будет достигнут в ближайшие несколько лет.

На сегодняшний день у компании имеются действующие лабораторные модели «оптического винчестера», позволяющие обеспечить плотность информации на накопителях до 6 млрд. бит на квадратный сантиметр, что отнюдь не является пределом для этой технологии. Директор Seagate по продажам в Центральной и Восточной Европе Алистер Хантер (Alastair Hunter) на пресс-конференции заверил присутствующих, что уже к концу этого года на рынке появятся первые «оптические винчестеры», и заявил, что не сомневается в успехе нового продукта.

Список литературы

Геннадий Баранов «Дисковые накопители информации», «Компьютеры Днепропетровска», №19 (1999).

Михаил Батыгов, Олег Денисов «Накопители на жестких магнитных дисках с интерфейсом IDE».

Сергей Симонов «Семь тысяч двести», «Компьютерра», №32 (1998).

Сергей Леонов «Винчестер будущего», «Компьютерра», №17 (1998).

Владислав Бирюков «Прибавь обороты», «Компьютерра», №5 (1999).

Михаил Жилин «Как я искал «тапочки для тараканов»», «Компьютерра», №6 (1999).

Размещено на www.allbest.ru