Диски. Введение 3 Жесткие диски 3 Конструкция hdd 3
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
СОДЕРЖАНИЕ Введение 3 Жесткие диски 3 Конструкция HDD 3 Геометрия магнитного диска 6 Сервокоды 10 Технологии жесткого диска 10 Логическая структура диска 12 Главная загрузочная запись 13 Сигнатура 16 Первичный и расширенный раздел 16 Пример логической организации диска 17 Файловые системы 22 Файловая система FAT 23 Загрузочная запись 24 Таблицы размещения файлов 25 Корневой каталог 25 Область файлов и каталогов, понятие кластера 26 Структура каталога и дескриптора файла 26 Структура FAT 28 Пример цепочки кластеров 29 Форматы таблицы FAT(FAT12, FAT16, FAT32) 30 Фрагментация диска 31 Потерянные кластеры 32 Иерархическая (древовидная) структура каталогов 32 Длинные имена 33 NTFS 34 Структура NTFS 34 Каталоги, эффективность при поиске 35 Журналирование, обеспечение отказоустойчивости 35 Сжатие 36 Безопасность 36 Шифрование 38 Сравнение NTFS и FAT 32. 38 Форматирование 39 Загрузка операционной системы 40 Интерфейсы жестких дисков 41 Интерфейс SCSI 41 Интерфейс ATA (PATA, SATA) 42 Версии стандарта ATA, скорость передачи и свойства 42 Принцип работы контроллера ATA 43 Serial ATA 45 ТЕРМИНЫ ПО ЖЕСТКОМУ ДИСКУ 46 ВведениеДля хранения программ и данных практически все компьютеры используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. Различают накопители со сменными и несменными носителями. Накопители со сменными носителями по способу записи и чтения информации можно подразделить на следующие группы: Накопители на гибких (флоппи) магнитных дисках; Накопители на оптических компакт дисках (CD, DVD); Накопители на сменных жестких дисках (ZIP, JAZ, SyQuest); Накопители на сменных магнитооптических дисках; Стриммеры (или накопители на магнитной ленте); USB-флэш-диски (драйвы). Среди накопителей с несменными носителями в настоявшее время используется только один тип – накопители на жестких дисках (HDD – Hard Disk Drive), которые часто называют винчестерами. Используется также русское сокращение НЖМД – накопитель на жестких магнитных дисках. Название «Винчестер» Название «винчестер» накопитель получил благодаря фирме IBM, которая в 1973 году выпустила накопитель с одним несъемным и одним сменным дисками емкостью по 30 Мбайт. Это устройство получило название «30-30», что означало два диска по 30 МБ каждый. Такое цифровое обозначение (30-30) совпало с обозначением популярного нарезного оружия Winchester, поэтому термин винчестер вскоре стал применяться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска. В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус Жесткие дискиКонструкция HDDВинчестер по отношению к компьютеру является внутренним (встраиваемым) устройством, которое крепится в специальном монтажном отсеке - drive bays (внешние жесткие диски мы здесь рассматривать не будем). Габаритные размеры винчестеров характеризуются так называемым форм-фактором. Как правило, форм-фактор указывает горизонтальный размер диска. Приведём основные типоразмеры жёстких дисков (Таблица 1). Таблица 1 Форм-факторы жестких дисков
Для настольного компьютера предлагаются 3,5-дюймовые диски, для ноутбуков – 2,5-дюймовые. Диски размером 1,8- и 1 дюймов используются в различной электронике, в основном в видео и аудиоплеерах. Наконец, 0,8 дюймов – специальная серия дисков для сотовых телефонов. Весь накопитель на жестких дисках, как устройство, делится на две крупные составляющие: плату электроники и гермозону или «банку», внутри которой уже находятся магнитные диски, блок магнитных головок, шпиндельный двигатель. Гермозона (герметичная зона) - полость жесткого диска, закрытого корпусом из прочного сплава внутри которого находиться очищенный от частиц пыли воздух. Герметична эта зона именно для того, чтобы не допустить попадания пыли внутрь винчестера. Гермозона обычно не является абсолютно герметичной, так как в конструкции жестких дисков присутствует специальное технологическое отверстие с очищающим фильтром для доступа воздуха и выравнивания давления – барометрический фильтр, который способен задерживать частицы размером более 0,3 мкм, что соответствует стандартам чистоты атмосферы внутри жесткого диска. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а так же при прогреве устройства во время работы. Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, а также частички, которые осыпаются с дисков при вращении, сносятся на ещё один фильтр — рециркуляции т.е. пылеуловитель. Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава (существуют модели с керамическими и даже стеклянными пластинами). Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Обычно диски содержат от 1 до 3 пластин, но существуют модели с большим числом пластин.  Рисунок 1 Конструкция жесткого диска Диски жёстко закреплены на шпинделе. Пакет дисков приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту. Характерная скорость вращения позволяет косвенно судить о производительности (внутренней скорости). Чем выше скорость вращения, тем больше скорость обмена информацией с диском, но высокие скорости вращения порождают проблемы, связанные с балансировкой, тепловыделением, гироскопическим эффектом и аэродинамикой головок. Современные диски имеют характерные скорости вращения от 3600 об/мин до 15000 об/мин (домашние системы – 5400 и 7200 об/мин, специализированные серверные жёсткие диски разгоняются до 10 000 15 000 об/мин). Для стабилизации скорости вращения используется схема управления двигателем с обратной связью (автоподстройкой). Следующий элемент в конструкции жесткого диска, который мы рассмотрим, это блок магнитных головок или БМГ. Блок магнитных головок называется блоком потому, что конструктивно, кроме самих головок чтения-записи на нем расположена микросхема предварительного усилителя-коммутатора, которая усиливает сигнал, получаемый при чтении информации с магнитного диска. Собственно блок головок это пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск) Каждая головка установлена на конце рычага на пружине, слегка прижимающего ее к диску. Диск как бы зажат между парой головок. Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается, и они отрываются от рабочих поверхностей. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. При полной скорости диска зазор между поверхностью диска и головкой составляет 0,08 - 0,12 мкм. Из-за малого размера этого зазора блок гермоблок можно вскрывать только в абсолютно чистых помещениях, т.к. любая пылинка может привести к ошибкам при считывании данных и даже столкновении головок с диском. С помощью механизма привода головок головки перемещаются от центра диска к его краям (перемещение головок происходит не по прямой линии, а по радиусу) и устанавливаются на заданный цилиндр. Устройство позиционирования головок состоит из сильного постоянного магнита и катушки на подвижном блоке головок. При появлении в катушке электрического тока она смещается относительно жестко закрепленного постоянного магнита, передвигая при этом блок головок. Для позиционирования головок используется специальная система наведения, которая точно подводит головки к нужному цилиндру. Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. В настоящее время используются магниторезистивные (MR – Magneto-Resistive) головки, которые представляют собой симбиоз двух типов головок: магниторезистивная часть предназначена для чтения, а для записи – индуктивная тонкопленочная часть. Через MR-головку протекает ток, когда головка проходит над участками диска с разным значением намагниченности ее сопротивление изменяется. А раз меняется сопротивление, то меняется и ток. Применение таких типов головок потребовало применение системы изменения зазора во время работы. Дело в том, что для записи зазор должен быть больше, чем для считывания. Так как жесткие диски не являются полностью герметичными устройствами, фирмы-изготовители указывают для них диапазон высот над уровнем моря, в котором они сохраняют работоспособность (обычно от -300 до +3000 м), поскольку высота полета магнитной головки зависит от разреженности воздуха. В разряженном воздухе просвет между головкой и диском слишком мал. Геометрия магнитного дискаС целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки (треки) — концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки — сектора. Сектор является минимальной адресуемой областью данных. Стандартный размер сектора – 512 байт. (Некоторые производители дисков планируют переход на размер сектора 4096 байт). Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка жесткого диска может содержать от 63 до 700 секторов. Сектора имеют сквозную нумерацию, начиная с 1. Современные накопители со встроенными быстродействующими контроллерами, способны за один оборот диска записать или считать все секторы дорожки.  Рисунок 2 Геометрия HDD Цилиндр — совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жесткого диска. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами. Данные на чистый диск начинают записываться с внешнего цилиндра. Номер головки задает используемую рабочую поверхность (то есть конкретную дорожку из цилиндра), а номер сектора — конкретный сектор на дорожке. Адресация CHS В простейшем случае для указания конкретного сектора диска используется система адресации по физическим адресам накопителей, т.е. сектор адресуется по его физическому положению на диске тремя координатами — номером цилиндра, номером головки и номером сектора. Название CHS это сокращение от английского Cylinder, Head, Sector. Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеют одинаковое число секторов. В современных дисках координаты CHS уже не соответствуют физическому положению сектора на диске и являются «логическими координатами» (см. Логическая геометрия ниже) Для стандартного размера сектора емкость диска находится по следующей формуле: V = CYL*HDS*SPT*512 байт, где CYL – количество цилиндров на диске; HDS — количество головок; SPT — количество секторов на дорожке. Адресация LBA Используемая в современных жестких дисках линейная адресация получила название LBA (Logical Block Addressing). При этом способе адресации сектор задается единственным числом — своим абсолютным номером на диске (номером логического блока). Изначально применялся стандарт LBA28, что позволяло использовать 28-битный адрес сектора, то есть максимальный объём диска мог достигать примерно 128ГБ. Однако, в последнее время объём данных на жёстких дисках превысил эту величину, вследствие чего появился стандарт LBA48 (с 48-битной адресацией секторов). В режиме LBA параметры стандартных вызовов (CHS) транслируются в линейный адрес, который вычисляется однозначно в «естественном» порядке счета секторов. Сектору с нулевым логическим адресом соответствует первый сектор нулевой головки нулевого цилиндра. Общая формула вычисления логического адреса выглядит так: LBA = (C * HDS+H)*SPT+S - 1, где C, H и S — номера цилиндра, головки и сектора в пространстве CHS; HDS — количество головок; SPT — количество секторов на треке. Современные версии BIOS имеют встроенный механизм трансляции в режим CHS, который включается для дисков объемом более 504 Мб. Зонирование (зонно-секционная запись) Для компенсации различной плотности записи на внешних и внутренних дорожках практически во всех накопителях используется так называемая зонная запись (она же зонно-секционная – Zone Bit Recording) с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные содержат большее число секторов, чем близкие к центру. Один из способов повышения емкости жесткого диска — разделение внешних цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами. При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, причем по мере продвижения к внешнему краю диска дорожки разбиваются на все большее число секторов. Во всех цилиндрах, относящихся к одной зоне, количество секторов на дорожках одинаковое. Возможное количество зон зависит от типа накопителя; в большинстве устройств их бывает 10 и более (на рис. 3 для наглядности показаны три зоны).   Рисунок 3 Зонирование поверхности диска. Еще одно свойство зонной записи состоит в том, что скорость обмена данными с накопителем может изменяться и зависит от зоны, в которой в конкретный момент располагаются головки. Происходит это потому, что секторов во внешних зонах больше, а угловая скорость вращения диска постоянна (т. е. линейная скорость перемещения секторов относительно головки при считывании и записи данных на внешних дорожках оказывается выше, чем на внутренних). Резервные секторы Для увеличения срока службы диска на каждой дорожке могут присутствовать дополнительные резервные секторы. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remapping). Данные, хранившиеся в нём, при этом могут быть перенаправлены на резервный сектор при помощи таблицы переназначения секторов. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая в процессе эксплуатации. Границы зон, количество секторов на дорожку для каждой зоны и таблицы переназначения секторов хранятся в памяти блока электроники. Логическая геометрия По мере роста емкости выпускаемых жестких дисков их физическая геометрия перестала вписываться в ограничения, накладываемые программными и аппаратными интерфейсами. Кроме того, дорожки с различным количеством секторов несовместимы со способом адресации CHS. В результате контроллеры дисков стали сообщать не реальную, а фиктивную, логическую геометрию, вписывающуюся в ограничения, но не соответствующую реальности. Так, максимальные номера головок и секторов для большинства моделей берутся 63 и 255 (максимально возможные значения в функциях BIOS, предназначенных для работы с диском), а число цилиндров подбирается соответственно емкости диска. Именно отсюда берутся неправдоподобно большие количества головок, указанные в параметрах винчестеров. Контроллер диска пересчитывает заданные логические адреса секторов (задаваемые тремя координатами — номером цилиндра, номером головки и номером сектора) в физические, при этом учитывается логическая геометрия диска, зонная запись и резервные секторы. Сама же физическая геометрия диска системе неизвестна. СервокодыДля позиционирования головок используется заранее записанная на диске вспомогательная информация - сервокод. Сервокоды (другое название сервометки) записываются на диск при сборке накопителя и не изменяются в течении всего срока эксплуатации. При обычных операциях записи и считывания удалить сервокоды невозможно. Для управления приводами в настоящее время используются два способа записи сервокодов: Встроенные коды. В данном случае сервокоды записываются не только в начале каждого цилиндра, но и перед началом каждого сектора. Это означает, что сигналы обратной связи поступают на схему привода несколько раз в течение одного оборота диска. Этот способ используется в большинстве современных накопителей. Специализированный диск. При данном способе сервокоды записываются вдоль всей дорожки, а не только один раз в ее начале или в начале каждого сектора. Одна из сторон одного из дисков выделяется исключительно для записи сервокодов. Данные на этой стороне не хранятся. Отличительный признак накопителя со специализированным диском - нечетное количество головок. Практически во всех накопителях большой емкости используется этот способ записи сервокодов. Технологии жесткого дискаАвтоматическая парковка головок. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. При выключении питания поле, удерживающее головки над конкретным цилиндром, исчезает, и они начинают бесконтрольно скользить по поверхности еще не остановившихся дисков, что может стать причиной повреждения. Для предотвращения этого в современных накопителях при отключенном питании головки под воздействием возвратной пружины перемещаются в зону парковки (чаще всего к центру) до того, как диски остановятся. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Температурная калибровка и свипирование. Во многих современных накопителях в процессе работы через определенные промежутки времени выполняется их температурная калибровка. Эта процедура заключается в том, что все головки поочередно переводятся с нулевого на какой-либо другой цилиндр. При этом с помощью встроенной схемы проверяется, насколько сместилась заданная дорожка относительно своего положения в предыдущем сеансе калибровки, и вычисляются необходимые поправки, которые заносятся в ОЗУ в самом накопителе. Большинство накопителей, которые делают автоматическую температурную калибровку, выполняют также свипирование диска. Это автоматическое перемещение головок ближе к краю диска, если головка слишком долго остается неподвижной. То есть, если головка надолго зависает над одной дорожкой в ожидании следующей команды, то через определенное время, автоматически, головки будут передвинуты на произвольно выбранную, но уже другую дорожку. Это делается во избежание износа поверхности диска из-за трения о воздух. Технология S.M.A.R.T. Винчестер, в котором реализована технология S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology - технология самостоятельного следящего анализа и отчетности), ведет статистику своих рабочих параметров (количество старт/стопов и наработанных часов, время разгона шпинделя, обнаруженные/исправленные ошибки и т.п.), которая регулярно сохраняется в перепрограммируемом ПЗУ или в служебных зонах диска. Эта информация накапливается в течение всей жизни винчестера и может быть в любой момент затребована программами анализа; по ней можно судить о состоянии механики, условиях эксплуатации или примерной вероятности выхода из строя. Технология PRML В современных жестких дисках используются технологии PRML (Partial Response, Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике). Технология разработана по причине того, что при существующих плотностях записи уже невозможно четко и однозначно считывать сигнал с поверхности диска - уровень помех и искажений очень велик. Вместо прямого преобразования сигнала используется его сравнение с набором образцов, и на основании максимальной похожести делается заключение о приеме того или иного кодового слова - примерно так же мы читаем слова, в которых пропущены или искажены буквы. Буфер жесткого диска Буфер (кэш) жесткого диска – это промежуточная память, предназначенная для временного хранения данных при операциях с диском. В буфере диска хранится последняя прочитанная информация, Наличие большого кэша значительно упрощает работу жесткого диска. В случае если необходимые данные оказываются в кэше, нет операций механического доступа, ввод/вывод происходит очень быстро - данные передаются системе с максимальной для интерфейса скоростью. Чем больше буфер, тем лучше жёсткий диск справляется с наплывом большого количества запросов. В современных HDD объем буфера обычно варьируется от 8 до 64 МБ. |