Что такое жесткий диск

Новейшие достижения

Принципы работы накопителей на жестких дисках

Основные узлы накопителей на жестких дисках

Характеристики накопителей на жестких дисках

Что такое жесткий диск

Самым необходимым и в то же время самым загадочным компонентом компьютера явля ется 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 пользовате лей-профессионалов. В этой главе подробно описаны накопители на жестких дисках, их фи зические, механические и электронные свойства.
Основными элементами накопителя являются несколько круглых алюминиевых или не кристаллических стекловидных пластин. В отличие от гибких дисков (дискет), их нельзя со гнуть; отсюда и появилось название жесткий диск (рис. 10.1). В большинстве устройств они несъемные, поэтому иногда такие накопители называются фиксированными (fixed disk). Су ществуют также накопители со сменными дисками, например устройства Iomega Zip и Jaz.
Замечание
Наeопители на жестeих дисeах обычно называют винчестерами. Этот термин появился в 1960-х aодах, eоaда IBM выпoстила высоeосeоростной наeопитель с одним несъемным и одним сменным дисeами емeостью по 30 Мбайт. Этот наeопитель состоял из пластин, eоторые вращались с высоeой сeоростью, и “парящих” над ними aоловоe, а номер еaо разработeи — 30-30. Таeое цифровое обозначение (30-30) совпало с обозначе- нием попoлярноaо нарезноaо орoжия Winchester, поэтомo термин винчестер всeоре стал применяться в отно шении любоaо стационарно заeрепленноaо жестeоaо дисeа. Это типичный профессиональный жарaон, на са мом деле подобные oстройства не имеют с обычными винчестерами (т.е. с орoжием) ничеaо общеaо.

Новейшие достижения

Почти за 20 лет, прошедших с того времени, как жесткие диски стали привычными ком понентами персональных компьютеров, их параметры радикально изменились. Чтобы дать некоторое представление о том, как далеко зашел процесс усовершенствования жестких дис ков, приведем самые яркие факты.
-- Максимальная емкость 5,25-дюймовых накопителей увеличилась от 10 Мбайт (1982 год) до 180 Гбайт и больше для 3,5-дюймовых накопителей половинной высоты (Seagate Barracuda 180). Емкость 2,5-дюймовых дисководов с высотой не более 12,5 мм, которые используются в портативных компьютерах, выросла до 32 Гбайт (IBM Travelstar 32GH). Жесткие диски объемом менее 10 Гбайт в современных на стольных компьютерах практически не используются.
-- Скорость передачи данных увеличилась от 85–102 Кбайт/с в компьютере IBM XT (1983 год) до 51,15 Мбайт/с в наиболее быстродействующих системах (Seagate Cheetah 73LP).
-- Среднее время поиска (т.е. время установки головки на нужную дорожку) уменьши лось от 85 мс в компьютере IBM XT (1983 год) до 4,2 мс в одном из самых быстродей ствующих на сегодняшний день дисководе (Seagate Cheetah X15).
-- В 1982 году накопитель емкостью 10 Мбайт стоил более 1500 долларов (150 долларов за мегабайт). В настоящее время, стоимость жестких дисков снизилась до половины цента за мегабайт.

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 показано 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 расположен ные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис. 10.3). Для каждой сто роны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтиро ваны 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. Например, в портативном ком пьютере Toshiba диск объемом 3,3 Гбайт вращается с частотой 4 852 об/мин, но уже сущест вуют модели с частотами 5 400, 5 600, 6 400, 7 200, 10 000 и даже 15 000 об/мин. Скорость работы того или иного жесткого диска зависит от частоты его вращения, скорости перемеще ния системы головок и количества секторов на дорожке.
При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на по верхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося дис ка образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка “столкнется” с диском, вращающимся “на пол ном 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.
Поскольку пакеты магнитных дисков содержатся в плотно закрытых корпусах и их ре монт не предусмотрен, плотность дорожек на них очень высока — до 30 000 и более на дюйм. Блоки HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков) собирают в специальных цехах, в условиях практически полной стерильности. Обслуживанием HDA занимаются счи танные фирмы, поэтому ремонт или замена каких-либо деталей внутри герметичного блока HDA обходится очень дорого. Вам придется смириться с мыслью, что рано или поздно нако питель выйдет из строя, и вопрос только в том, когда это произойдет и успеете ли вы сохра нить свои данные.
Внимание!
Всeрывать наeопитель на жестeих дисeах в “домашних oсловиях” не реeомендoется. Неeоторые производи тели наeопителей eонстрoeтивно выполняют их таeим образом, что при всeрытии обрывается защитная лента. Всeрыв самостоятельно наeопитель, вы тем самым разрываете этo защитнoю лентo и лишаетесь aарантийных обязательств производителя.
Многие пользователи считают накопители на жестких дисках самыми хрупкими и нена дежными узлами компьютеров, и, вообще говоря, они правы. Однако во время семинаров по аппаратному обеспечению компьютеров и проблемам восстановления данных, которые я ве ду, 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
Вам, возможно, приходилось читать книги или статьи, в которых для описания взаимо действия 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 уже упоминавшихся семинарах, но никогда не задумывался над тем, насколько точно она соответствует современным накопителям.
Рис. 10.3. Цилиндр накопителя на жестких дисках 568 Глава 10. Наeопители на жестeих дисeах Правда, надо сказать, что 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 специаль ному профилю головки толщина создающейся воздушной подушки автоматически поддер живается постоянной. Иногда такой способ взаимодействия двух подвижных объектов назы вают воздушной подвеской.
Для примера возьмем жесткий диск модели IBM Deskstar 75GXP размером 3,5 дюйма с интерфейсом ATA (IDE). Параметры этого накопителя, взятые из технической документации, приведены в табл. 10.1. 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.
Итак, вы готовы? Представьте себе эту головку: при таком увеличении ее длина составит около 410 м, ши рина — 325 м, а высота — 100 м (это приблизительно размеры небоскреба Sears, положенно го 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, по этому я приведу конкретный пример. Диаметр Земли составляет 12 742 км, т.е. длина около земной орбиты, проходящей на расстоянии одного дюйма от поверхности, будет равна при близительно 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 авиалайне ром оказался лишь жалким подобием того, что есть на самом деле (не говоря о его некор ректности с точки зрения физики). Организация разделов на диске При разбивке диска на области, называемые разделами, в каждой из них может быть соз дана файловая система, соответствующая определенной операционной системе. Сегодня в работе операционных систем чаще других используется три файловые системы. -- FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов). Это стандартная файловая система для DOS, Windows 9х и Windows NT. В разделах FAT под DOS допустимая длина имен файлов — 11 символов (8 символов собственно имени и 3 символа расши рения), а объем тома (логического диска) — до 2 Гбайт. Под Windows 9х и Windows NT 4.0 и выше допустимая длина имен файлов — 255 символов.
-- С помощью программы FDISK можно создать только два физических раздела FAT на жестком диске — основной и дополнительный, а в дополнительном разделе можно создать до 25 логических томов. Программа Partition Magic может создавать четыре основных раздела или три основных и один дополнительный.
-- FAT32 (File Allocation Table, 32-bit — 32-разрядная таблица размещения файлов). Исполь зуется с Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 и Windows 2000. В табли цах FAT 32 ячейкам размещения соответствуют 32-разрядные числа. При такой файловой структуре объем тома (логического диска) может достигать 2 Тбайт (2 048 Гбайт).
-- NTFS (Windows NT File System — файловая система Windows NT). Доступна только в операционной системе Windows NT/2000. Длина имен файлов может достигать 256 символов, а размер раздела (теоретически) — 16 Эбайт (16?1018 байт). NTFS обеспе чивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми сис темами, например средства безопасности.
Наибольшее распространение в настоящее время получила файловая система FAT, по скольку именно она поддерживается большинством существующих операционных систем. Создание разделов на диске выполняется с помощью поставляемой с операционной сис темой программы FDISK, используя которую можно выбрать (как в мегабайтах, так и в про центном выражении) размер основного и дополнительного разделов.

Основные узлы накопителей на жестких дисках

Существует много различных типов накопителей на жестких дисках, но практически все они состоят из одних и тех же основных узлов. Конструкции этих узлов и качество исполь зуемых материалов могут быть различными, но основные их рабочие характеристики и прин ципы функционирования одинаковы. К основным элементам конструкции типичного накопи теля на жестком диске (рис. 10.6) относятся следующие:
-- диски;
-- головки чтения/записи;
-- механизм привода головок;
-- двигатель привода дисков;
-- печатная плата со схемами управления;
-- кабели и разъемы;
-- элементы конфигурации (перемычки и переключатели).
Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размеща ются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрыва ют. Прочие узлы, не входящие в блок HDA (печатная плата, лицевая панель, элементы кон фигурации и монтажные детали) являются съемными.
Рабочий слой диска
Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность по сле воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются два типа рабочего слоя:
-- оксидный;
-- тонкопленочный.
Оксидный слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси желе за. Наносят его следующим образом. Сначала на поверхность быстро вращающегося алюми ниевого диска разбрызгивается суспензия порошка оксида железа в растворе полимера. За счет действия центробежных сил она равномерно растекается по поверхности диска от его центра к внешнему краю. После полимеризации раствора поверхность шлифуется. Затем на нее наносится еще один слой чистого полимера, обладающего достаточной прочностью и низким коэффициентом трения, и диск окончательно полируется. Если вам удастся заглянуть внутрь накопителя с такими дисками, то вы увидите, что они коричневого или желтого цвета. Чем выше емкость накопителя, тем более тонким и гладким должен быть рабочий слой дисков. Но добиться качества покрытия, необходимого для накопителей большой емкости, в рамках традиционной технологии оказалось невозможным. Поскольку оксидный слой до вольно мягкий, он крошится при “столкновениях” с головками (например, при случайных со трясениях накопителя). Диски с таким рабочим слоем использовались с 1955 года, и продер жались они так долго благодаря простоте технологии и низкой стоимости. Однако в совре менных моделях накопителей они полностью уступили место тонкопленочным дискам.
578 Глава 10. Наeопители на жестeих дисeах Тонкопленочный рабочий слой имеет меньшую толщину, он прочнее, и качество его по крытия гораздо выше. Эта технология легла в основу производства накопителей нового поко ления, в которых удалось существенно уменьшить величину зазора между головками и по верхностями дисков, что позволило повысить плотность записи. Сначала тонкопленочные диски использовались только в высококачественных накопителях большой емкости, но сей час они применяются практически во всех накопителях.
Термин тонкопленочный рабочий слой очень удачен, так как это покрытие гораздо тонь ше, чем оксидное. Тонкопленочный рабочий слой называют также гальванизированным или напыленным, поскольку наносить тонкую пленку на поверхность дисков можно по-разному. Тонкопленочный гальванизированный рабочий слой получают путем электролиза. Это происходит почти так же, как при хромировании бампера автомобиля. Алюминиевую под ложку диска последовательно погружают в ванны с различными растворами, в результате че го она покрывается несколькими слоями металлической пленки. Рабочим слоем служит слой из сплава кобальта толщиной всего около 1 микродюйма (приблизительно 0,025 мкм). Метод напыления рабочего слоя заимствован из полупроводниковой технологии. Суть его сводится к тому, что в специальных вакуумных камерах вещества и сплавы вначале перево дятся в газообразное состояние, а затем осаждаются на подложку. На алюминиевый диск сна чала наносится слой фосфорита никеля, а затем магнитный кобальтовый сплав. Его толщина при этом оказывается равной всего 1–2 микродюйма (0,025–0,05 мкм). Аналогично поверх магнитного слоя на диск наносится очень тонкое (порядка 0,025 мкм) углеродное защитное покрытие, обладающее исключительной прочностью. Это самый дорогостоящий процесс из всех описанных выше, так как для его проведения необходимы условия, приближенные к полному вакууму.
Как уже отмечалось, толщина магнитного слоя, полученного методом напыления, состав ляет около 0,025 мкм. Его исключительно гладкая поверхность позволяет сделать зазор меж- ду головками и поверхностями дисков гораздо меньшим, чем это было возможно раньше (0,076 мкм). Чем ближе к поверхности рабочего слоя располагается головка, тем выше плот ность расположения зон смены знака на дорожке записи и, следовательно, плотность диска. Кроме того, при увеличении напряженности магнитного поля по мере приближения головки к магнитному слою увеличивается амплитуда сигнала; в результате соотношение “сигнал шум” становится более благоприятным.
И при гальваническом осаждении, и при напылении рабочий слой получается очень тон ким и прочным. Поэтому вероятность “выживания” головок и дисков в случае их контакта друг с другом на большой скорости существенно повышается. И действительно, современные накопители с дисками, имеющими тонкопленочные рабочие слои, практически не выходят из строя при вибрациях и сотрясениях. Оксидные покрытия в этом отношении гораздо менее надежны. Если бы вы смогли заглянуть внутрь корпуса накопителя, то увидели бы, что тон копленочные покрытия дисков напоминают серебристую поверхность зеркал.
Самое тонкое и прочное покрытие получается в процессе напыления, поэтому гальвани ческий метод в последнее время применяется все реже. Но в любом случае устройства, в ко торых установлены диски с тонкопленочными покрытиями, обладают большей емкостью, бо лее надежны и могут безотказно служить годами.
Конструкции головок чтения/записи
По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Первые головки представляли собой сердечники с об моткой (электромагниты). По современным меркам их размеры были огромными, а плот ность записи — чрезвычайно низкой. За прошедшие годы конструкции головок прошли дол гий путь развития от первых головок с ферритовыми сердечниками до современных гигант ских магниторезистивных моделей.
Конструкции головок чтения/записи, а также ползунка более подробно описаны в главе 9, “Устройства магнитного хранения данных”. Механизмы привода головок Пожалуй, еще более важной деталью накопителя, чем сами головки, является механизм, который устанавливает их в нужное положение и называется приводом головок. Именно с его помощью головки перемещаются от центра к краям диска и устанавливаются на заданный цилиндр. Существует много конструкций механизмов привода головок, но их можно разде лить на два основных типа:
-- с шаговым двигателем;
-- с подвижной катушкой.
Тип привода во многом определяет быстродействие и надежность накопителя, достовер ность считывания данных, его температурную стабильность, чувствительность к выбору ра бочего положения и вибрациям. Скажем сразу, что накопители с приводами на основе шаго вых двигателей гораздо менее надежны, чем устройства с приводами от подвижных катушек. Привод — самая важная деталь накопителя. В табл. 10.4 приведены два типа привода головок накопителя на жестких дисках и показана зависимость характеристик устройства от конкрет ного типа привода.
Итак, у накопителей с приводом на основе шагового двигателя средняя скорость доступа к данным достаточно низка (т.е. большое время доступа), они чувствительны к колебаниям температуры и выбору рабочего положения во время операций чтения и записи, в них не осуществляется автоматическая парковка головок (т.е. перемещение их на безопасную “посадочную полосу” при выключении питания). Кроме того, обычно один или два раза в год их приходится переформатировать, чтобы привести реальное расположение зон записи в со ответствие с разметкой заголовков секторов. Вполне очевидно, что накопители с приводом головок от шаговых двигателей во всех отношениях уступают устройствам, в которых ис пользуются приводы с подвижными катушками.
Кабели и разъемы накопителей В большинстве накопителей на жестких дисках предусмотрено несколько интерфейсных разъемов для подключения к системе, подачи питания, а иногда и для заземления корпуса. В большинстве накопителей есть по меньшей мере три типа разъемов:
-- интерфейсный разъем (или разъемы);
-- разъем питания;
-- разъем (или зажим) для заземления (необязательно).
Наибольшее значение имеют интерфейсные разъемы, потому что через них передаются данные и команды в накопитель и обратно. Многие стандарты интерфейсов предусматривают подключение нескольких накопителей к одному кабелю (шине). Естественно, в этом случае их должно быть не меньше двух; в интерфейсе SCSI допускается подключение до семи накопите лей к одному кабелю (Wide SCSI-2 поддерживает до 15 устройств). В некоторых стандартах (например, в ST-506/412 или ESDI) для данных и управляющих сигналов предусмотрены от дельные разъемы, поэтому накопитель и контроллер соединяются двумя кабелями, однако большинство современных устройств ISE и SCSI подключаются с помощью одного кабеля. Разъемы питания накопителей на жестких дисках обычно такие же, как и у дисководов для гибких дисков. В большинстве накопителей используются два напряжения питания (5 и 12 В), но малогабаритным моделям, разработанным для портативных компьютеров, доста точно напряжения 5 В. Как правило, от источника в 12 В питается схема управления шпин дельным двигателем и привод головок, а напряжение 5 В поступает на прочие схемы. Многие накопители на жестких дисках потребляют несколько большую мощность, чем дисководы для гибких дисков. Проверьте, достаточно ли мощности блока питания компьютера для нор мальной работы всех установленных в системе накопителей.
Потребление тока от источника в 12 В зависит от размеров устройства: чем больше от дельных дисков входит в “пакет” и чем больше диаметр каждого из них, тем большая мощ ность необходима для приведения их в движение. Кроме того, для получения большей часто ты вращения дисков необходимо также увеличивать мощность. Например, потребляемая мощность для накопителей формата 3,5 дюйма в среднем примерно в 2–4 раза меньше, чем для полноразмерных устройств формата 5,25 дюйма. Некоторые накопители особо малых форматов (2,5 и 1,8 дюйма) потребляют всего около 1 Вт электрической мощности. Зажим для заземления необходим для того, чтобы обеспечить надежный контакт между общим проводом накопителя и корпусом системы. В компьютерах, где накопители крепятся непосредственно к корпусу с помощью металлических винтов, специальный провод заземле ния не нужен. В некоторых компьютерах накопители монтируются на пластмассовых или стеклотекстолитовых направляющих, которые, естественно, электрически изолируют корпус накопителя от корпуса системы. В этом случае их обязательно нужно соединить дополни тельным проводом, подключаемым к упомянутому зажиму. При плохом заземлении накопи теля возникают сбои в его работе, ошибки при считывании и записи и т.п. Элементы конфигурации При установке накопителя в компьютер обычно необходимо переставить или отключить некоторые перемычки и, возможно, нагрузочные резисторы. Эти элементы конфигурации из меняются от интерфейса к интерфейсу и от накопителя к накопителю.
Лицевая панель
В комплекты многих накопителей на жестких дисках в качестве необязательных элемен тов могут входить лицевые панели (рис. 10.14). Но на сегодняшний день в большинстве слу чаев лицевая панель является частью корпуса компьютера, а не самого накопителя. Лицевые панели бывают различных размеров и цветов, и вы всегда сможете подобрать подходящую для своего компьютера. Для стандартных полноразмерных накопителей форма та 5,25 дюйма выпускаются лицевые панели только одного размера. Для накопителей форма та 3,5 дюйма выпускается целый набор лицевых панелей, которыми можно перекрыть отсеки для накопителей форматов 3,5 и 5,25 дюйма. Вы можете даже выбрать цвет панели (обычно они бывают черными, кремовыми и белыми).v На некоторых лицевых панелях устанавливается светодиод, который вспыхивает при ка ждом обращении к жесткому диску. Сзади к светодиоду припаяны два провода с небольшим разъемом, который подключается либо к накопителю, либо к контроллеру. Иногда светодиод устанавливается на самом накопителе, а в панели делается прозрачное окошко, через которое его можно увидеть.
В компьютерах, в которых накопитель устанавливается в глубине корпуса системного блока, лицевая панель не нужна. Она может даже помешать закрывать крышку компьютера. Поэтому, если устанавливаемый в такую систему накопитель имеет лицевую панель, ее необ ходимо снять. Если же нужная лицевая панель или направляющие отсутствуют, обратитесь в фирму, продающую аксессуары к накопителям.

Характеристики накопителей на жестких дисках

Если вы собрались покупать новый накопитель или просто хотите разобраться в том, ка ковы различия между устройствами разных семейств, сравните их параметры. Ниже приведе ны критерии, по которым обычно оценивают качество жестких дисков.
-- Надежность.
-- Быстродействие.
-- Противоударная подвеска.
-- Стоимость.
Надежность
В описаниях накопителей можно встретить такой параметр, как среднестатистическое время между сбоями (Mean Time Between Failures — MTBF), которое обычно колеблется от 20 до 500 тыс. часов и более. Я никогда не обращаю внимания на эти цифры, поскольку они являются чисто теоретическими.
Для правильного понимания этого важного параметра накопителя следует знать, как про изводители его вычисляют. Большинство из них довольно продолжительное время выпуска ют накопители на жестких дисках, которые работают в компьютерах пользователей миллио ны часов (если просуммировать время работы всех моделей). Для всех моделей накопителя вычисляется коэффициент сбоев отдельных компонентов, который затем учитывается при проектировании компонентов нового накопителя. Для платы управления используются стан дартизированные промышленные методы предсказания сбоев. Таким образом, производитель может для новой модели накопителя на жестких дисках оценить вероятность сбоев на основе полученных ранее статистических данных.
Не менее важно понимать, что среднестатистическое время между сбоями определяется для всех накопителей одной модели, а не для отдельного накопителя. Если указано, что это время равно 500 тыс. ч, значит, ошибка может появиться при общем времени работы 500 тыс. ч всех накопителей данной модели. Если выпущен 1 млн накопителей данной моде ли и все они одновременно работают, то можно ожидать ошибку каждые полчаса. Параметр “среднестатистическое время между сбоями” неприменим для отдельного накопителя или не большой выборки накопителей одной модели.
Кроме того, необходимо правильно понимать значение слова “ошибка”. В определении опи санного выше параметра под ошибкой подразумевается полный выход из строя накопителя (т.е. его следует вернуть производителю), а не появляющиеся ошибки чтения или записи файлов. Некоторые производители описанный параметр называют средним временем до первого сбоя. “Между сбоями” — это время, в течение которого восстановленный после первого сбоя накопитель будет работать до следующего (второго) сбоя. Но поскольку производители чаще всего не занимаются восстановлением накопителей, а просто заменяют поврежденный но вым, то параметр “среднестатистическое время между сбоями” некорректен. При покупке на копителя на жестких диска не следует в первую очередь ориентироваться на данный пара метр или на среднее время до первого сбоя. 596 Глава 10. Наeопители на жестeих дисeах
S.M.A.R.T.
S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology — технология самотестиро вания, анализа и отчетности) — это новый промышленный стандарт, описывающий методы предсказания появления ошибок жесткого диска. При активизации системы S.M.A.R.T. жесткий диск начинает отслеживать определенные параметры, чувствительные к неисправностям нако пителя или указывающие на них. В результате такого отслеживания можно предсказать сбои в работе накопителя. Если на основе отслеживаемых параметров вероятность появления ошибки возрастает, S.M.A.R.T. генерирует для BIOS или драйвера операционной системы отчет о воз никшей неполадке, который указывает пользователю на необходимость немедленного резервно го копирования данных до того момента, когда произойдет сбой в накопителе.
На основе отслеживаемых параметров S.M.A.R.T. пытается определить тип ошибки. По данным компании Seagate, 60% ошибок механические. Именно этот тип ошибок и предска зывается S.M.A.R.T. Естественно, не все ошибки можно предсказать, например появление статического электричества, внезапная встряска или удар, термические перегрузки и т.д. Технология S.M.A.R.T. была разработана компанией IBM в 1992 году. В том же году IBM выпустила жесткий диск формата 3,5 дюйма с модулем Predictive Failure Analysis (PFA), ко торый измерял некоторые параметры накопителя и в случае их критического изменения гене рировал предупреждающее сообщение. IBM передала на рассмотрение ANSI спецификацию технологии предсказания ошибок накопителя, и в результате появился ANSI-стандарт — про токол S.M.A.R.T. для SCSI-устройств (документ X3T10/94-190).
Для накопителей с интерфейсом IDE/ATA технология S.M.A.R.T. была реализована лишь в 1995 году. В разработке этого стандарта принимали участие Seagate Technology, Conner Peripherals (в настоящее время является подразделением Seagate), Fujitsu, Hewlett-Packard, Maxtor, Quantum и Western Digital. В результате работы этой группы компаний была опубли кована спецификация S.M.A.R.T. для накопителей на жестких дисках с интерфейсом IDE/ATA и SCSI, и они сразу же появились на рынке.
В накопителях на жестких дисках с интерфейсом IDE/ATA и SCSI реализация S.M.A.R.T. подобна, за исключением отчетной информации. В накопителях с интерфейсом IDE/ATA драйвер программного обеспечения интерпретирует предупреждающий сигнал накопителя, генерируемый командой S.M.A.R.T. report status. Драйвер запрашивает у накопителя статус этой команды. Если ее статус интерпретируется как приближающийся крах жесткого диска, то операционной системе посылается предупреждающее сообщение, а та, в свою очередь, информирует об ошибке пользователя. Такая структура в будущем может дополняться новы ми свойствами. Операционная система может интерпретировать атрибуты, которые переда ются с помощью расширенной команды report status. В накопителях с интерфейсом SCSI S.M.A.R.T. информирует пользователя только о двух состояниях накопителя — о нормальной работе и об ошибке.
Для функционирования S.M.A.R.T. необходима поддержка на уровне BIOS или драйвера жесткого диска операционной системы (и, естественно, накопитель на жестких дисках, кото рый поддерживает эту технологию). S.M.A.R.T. поддерживается несколькими программами, например Norton Smart Doctor компании Symantec, EZ от Microhouse International или Data Advisor от Ontrack Data International.
Обратите внимание, что традиционные программы диагностики диска, например Scandisk и Norton Disk Doctor, работают с секторами данных на поверхности диска и не отслеживают всех функций накопителя в целом. В некоторых современных накопителях на жестких дисках резервируются секторы, которые в будущем используются вместо дефектных. Как только “вступает в дело” один из резервных секторов, S.M.A.R.T. информирует об этом пользовате ля, в то время как программы диагностики диска не сообщают о каких-либо проблемах. Хараeтеристиeи наeопителей на жестeих дисeах 597 Каждый производитель накопителей на жестких дисках по-своему реализует параметры монитора S.M.A.R.T., причем большинство из них реализовали собственный набор парамет ров. В некоторых накопителях отслеживается высота “полета” головок над поверхностью диска. Если эта величина уменьшается до некоторого критического значения, то накопитель генерирует ошибку. В других накопителях выполняется мониторинг кодов коррекции оши бок, который показывает количество ошибок чтения и записи на диск. В большинстве дисков реализована регистрация следующих параметров:
-- высота полета головки над диском;
-- скорость передачи данных;
-- количество переназначенных секторов;
-- производительность времени поиска;
-- количество повторов процесса калибровки накопителя.
Каждый параметр имеет пороговое значение, которое используется для определения того, появилась ли ошибка. Это значение определяется производителем накопителя и не может быть изменено.
Если S.M.A.R.T. в процессе мониторинга накопителя обнаруживает несоответствие пара метров, то драйверу диска отправляется предупреждающее сообщение, а драйвер информи рует о “нестандартной ситуации” операционную систему, которая оповещает пользователя о необходимости немедленного резервного копирования данных. В этом предупреждающем сообщении может также содержаться информация о типе, производителе, номере накопителя. Не игнорируйте подобное предупреждающее сообщение и немедленно выполните резерв ное копирование данных! А что же делать после этого? Попробуйте самостоятельно устра нить причину появления предупреждающего сообщения, например, если накопитель на жест ких дисках перегрелся, попробуйте выключить на некоторое время компьютер, а затем вклю чить снова. Если же причина кроется “в недрах” накопителя, то свяжитесь со службой технической поддержки вашего компьютера или накопителя.
Быстродействие
Важным параметром накопителя на жестком диске является его быстродействие. Этот па раметр для разных моделей может варьироваться в широких пределах. И как это часто быва ет, лучшим показателем быстродействия накопителя является его цена. Здесь вполне спра ведливы слова, сказанные по поводу гоночных автомобилей: “Скорость стоит денег. На сколько быстро вы хотите ездить?”.
Быстродействие накопителя можно оценить по двум параметрам:
-- среднестатистическому времени поиска (average seek time);
-- скорости передачи данных (data transfer rate).
Под среднестатистическим временем поиска, которое измеряется в миллисекундах, под разумевается среднее время перемещения головок с одного цилиндра на другой (причем рас стояние между этими цилиндрами может быть произвольным). Измерить этот параметр мож но, выполнив достаточно много операций поиска случайно выбранных дорожек, а затем раз делив общее время, затраченное на эту процедуру, на количество совершенных операций. В результате будет получено среднее время однократного поиска.
Производители дисководов в качестве среднего времени поиска часто указывают времен ной интервал, который необходим для перемещения головок на расстояние, равное одной трети ширины зоны записи данных на диске. Среднее время поиска почти исключительно зависит от конструкции накопителя (точнее, от механизма привода головок), а не от типа ин терфейса или контроллера. 598 Глава 10. Наeопители на жестeих дисeах
Замечание
Сoществoет довольно мноaо проaрамм, предназначенных для “аттестации” жестeих дисeов. К резoльтатам таeоaо тестирования следoет относиться сeептичесeи. В большинстве наeопителей SCSI и IDE использoется таe называемое преобразование сеeторов, поэтомo, даже если на наeопитель выдается eоманда перевода aоло воe на заданный цилиндр, это отнюдь не означает, что они на самом деле переместятся. Проверять наeопите ли oeазанных типов с помощью проaрамм аттестации бессмысленно. Кроме тоaо, при работе oстройств SCSI выполняются неeоторые дополнительные операции, связанные с трансляцией в наeопитель oправляющих eо дов через шинo SCSI. Проaраммы аттестации не oчитывают этих дополнительных потерь времени. Поэтомo, хотя o большинства наeопителей SCSI среднее время поисeа меньше, чем o дрoaих oстройств, их параметры, полoченные в резoльтате тестирования, оeазываются ниeoда не aодными.
Среднее время доступа
Существует еще один параметр, позволяющий оценить быстродействие, — среднее время доступа, которое отличается от времени поиска тем, что при его измерении учитывается запаздывание. Под запаздыванием в данном случае подразумевается среднее время, которое уходит на то, чтобы искомый сектор оказался под головкой после ее выведения на дорожку. В среднем величина запаздывания равна половине периода обращения диска и при частоте вращения 3 600 об/мин составляет 8,33 мс. Если диск вращается в два раза быстрее, то запаз дывание будет в два раза меньше. Что же касается среднего времени доступа, то оно опреде ляется как сумма среднего времени поиска и запаздывания. Этот параметр (среднее время доступа) характеризует среднее время, необходимое для получения доступа к данным, кото рые записаны в выбранном случайным образом секторе.
Запаздывание
Запаздывание существенно влияет на общее быстродействие накопителя. При его сниже нии сокращается время доступа к данным и файлам, но уменьшить запаздывание можно только за счет увеличения частоты вращения дисков. Величины запаздывания для наиболее распространенных скоростей вращения дисков приведены в табл. 10.6. В накопителях с частотой вращения дисков 7 200 об/мин величина запаздывания состав ляет 4,17 мс, а для частоты вращения диска 10 000 об/мин еще меньше — 3,0 мс. С ростом частоты вращения не только уменьшается запаздывание, но и возрастает скорость передачи данных (их считывание и запись после выведения головок на заданный сектор происходят с большей скоростью).
Стоимость
В последнее время “удельная стоимость” накопителей на жестких дисках упала до 2 цен тов за мегабайт (и даже ниже). Стоимость накопителей продолжает снижаться, и через неко торое время вам покажется, что даже полцента за мегабайт — это слишком дорого. Именно из-за снижения цен накопители емкостью менее 1 Гбайт сейчас практически не выпускаются, а оптимальным выбором будет диск емкостью более 10 Гбайт.
Емкость
В рекламе накопителя может фигурировать одна из четырех цифр:
-- неформатированная емкость в миллионах байтов;
-- форматированная емкость в миллионах байтов;
-- неформатированная емкость в мегабайтах (Мбайт);
-- форматированная емкость в мегабайтах (Мбайт).
Хараeтеристиeи наeопителей на жестeих дисeах 603 В настоящее время большинство производителей накопителей IDE и SCSI указывают для своих изделий только форматированную емкость, поскольку жесткие диски выпускаются уже отформатированными. Форматированную и неформатированную емкости в рекламных про спектах обычно указывают в миллионах байтов, поскольку цифры при этом получаются бо лее впечатляющими, чем при использовании в качестве единицы измерения мегабайта. Неко торые пользователи, купив накопитель и запустив программу FDISK (емкость при ее работе измеряется в мегабайтах), недоумевают: куда делось дисковое пространство? К счастью, от вет очень прост; потребуется только выполнить несложные арифметические вычисления.