Лекція 7

Лекція 7

Накопичувачі на твердих (НТМД) магнітних дисках.

Принципи дії, конструкція, основні вузли

 

Історія розвитку НЖМД.

Перший твердий диск (НЖМД) розроблений невеликою командою інженерів IBM, був представлений компанією 13 вересня 1956р. Пристрій звався 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) і являв собою "шафку" чималих розмірів, здатну зберігати 5МВ інформації на 50 магнітних пластинах діаметром 24 дюйма. Річна оренда його коштувала $35000. Головна перевага RAMAC у порівнянні з іншими пристроями масової пам'яті того часу полягала в довільному доступі до інформації: для читання будь-яких даних не було необхідності зчитувати всі попередні.

Протягом багатьох років тверді диски встановлювалися тільки в міні-комп'ютери і мэйнфрейми. У силу цього були поширені корпоративні "центри збереження інформації", де в захищених від пилу приміщеннях розташовувалися власне пристрої збереження з величезною кількістю 14 і 8-дюймових накопичувачів.

Тверді диски, що з'явилися на початку 70-х років, мали ємність не більше 10 КБ. У 1973 році фірма IBM випустила твердий диск моделі 3340, що вперше об'єднав в одному нероз'ємному корпусі пластини диска й головки, що зчитують. Під час його розроблення інженери використали коротку внутрішню назву «30-30», що означало два модулі (у максимальному компонуванні) по 30 Мб кожний. Кеннет Хотон, керівник проекту, через співзвучність назви з позначенням популярної мисливської рушниці «Winchester 30-30» запропонував назвати цей диск «вінчестером».

На початку 80-х розробка і швидке поширення ПК стали причиною появи персональних твердих дисків. Перші такі пристрої з діаметром 5,25 дюйма могли зберігати 5-10МБ інформації, що в багато разів перевищувало обсяг тодішніх флоппі-дисків (360КВ), та й обмін даними з твердим диском здійснювався в багато разів швидше

З часом ємність твердого диска зросла в тисячі разів, хоча його будова не дуже змінилась.

 

Тверди́й диск(англ. Hard Disk Drive, англ. HDD), у комп'ютерному сленгу — «вінчестер», — постійний запам'ятовувальний пристрій ЕОМ. Епітет "постійний" означає, що твердий диск, на відміну від оперативної пам'яті, продовжує зберігати дані після вимкнення струму.

Конструкція

Кожен твердий диск складається з трьох блоків.

  • Перший блок. На першому блоці зберігається вся інформація. 1-й блок являє собою один або декілька скляних або алюмінієвих дисків, вкритих з двох боків магнітним шаром, на який записується інформація.
  • Другий блок — механіка твердого диска. Другий блок забезпечує обертання першого блоку (тобто самих дисків) і точне позиціонування головок зчитування.
  • Третій блок — електронна логіка твердого диска.

 

Тверді магнітні диски складаються з декількох дисків, розміщених на одній вісі й обертових з великою кутовою швидкістю (кілька тисяч обертів на хвилину), ув'язнених у металевий корпус. Більша інформаційна ємність жорстких дисків досягається за рахунок збільшення кількості доріжок на кожному диску до декількох тисяч, а кількості секторів на доріжці - до декількох десятків. Більша кутова швидкість обертання дисків дозволяє досягати високої швидкості зчитування/запису інформації (більше 5 Мб/с).

 Цей накопичувач знаходиться всередині системного блоку і має постійний носій – твердий диск, який міститься всередині закритого корпусу. Тому часто накопичувач на твердому диску називають просто «твердий диск».

Жаргонною назвою є «вінчестер», вона походить від маркування першої моделі твердого диску об’ємом в 16 Кілобайт (ІВМ, 1973 р.). Диск мав 30 доріжок по 30 секторів, що співпало з калібром 30"/30" – відомої мисливської рушниці «Вінчестер».

На твердому диску зберігається програмне забезпечення даного комп’ютера (операційна система, прикладні та службові програми), документи користувача та інша потрібна інформація (фільми, музика, ігри).

Накопичувач на твердому диску – це є герметично запаяний корпус висотою до 1 дюйму, шириною 3,5 чи 2,5 дюйми. Всередині корпусу  знаходяться алюмінієві пластини – диски, які розташовані на одній спільній вісі. Більшість моделей містить одну-дві пластини, але існують моделі з більшою кількістю дисків. Обидві поверхні дисків покриваються прошарком феромагнетику, речовиною, що реагує на магнітні поля.

Запис відбувається за допомогою блоку магнітних головок (для кожної поверхні своя головка).

З метою адресації простору диска, поверхні поділяються на доріжки  (Track) — концентричні кільцеві ділянки. Кожна доріжка поділяється на рівні відрізки — сектори. Всі доріжки в заданій зоні диску мають однакове число секторів. Сукупність доріжок з одним номером на всіх поверхнях дисків називається циліндром.

Зазвичай, сектор займає 571 байт, і простір розподіляється наступним чином:

  • Заголовок (Префікс) – визначає початок та номер сектора.
  • Основна частина (512 байт) – відводиться власне під дані.
  • Закінчення (Суфікс) – сюди записується контрольне число, що потрібне для перевірки цілісності збережених даних.

Доріжки і сектори утворюються під час форматування твердого диску. Форматування здійснює користувач за допомогою спеціальних програм. На неформатований диск не може бути записана жодна інформація.

Під час роботи пакет дисків безперервно обертається з великою частотою (від 4 500 до 10 000 обертів за хвилину), механічний контакт головок з поверхнею є неприпустимим, тому вони не притуляються до поверхні, а знаходяться на невеликій відстані – 0,5-0,1 мікрон.

У складі накопичувача окрім дисків знаходяться також:

  • Контролер – мікросхема, що керує роботою накопичувача.
  • Буферна кеш-пам’ять, що пришвидшує доступ до величезних об’ємів інформації.

 

Характеристики

Інтерфейс — набір, що складається з ліній зв'язку, сигналів, що посилають по цих лініях, технічних засобів, що підтримують ці лінії, і правил обміну. Сучасні накопичувачі можуть мати інтерфейси ATA (AT Attachment, він же IDE — Integrated Drive Electronic, він же Parallel ATA), (EIDE), Serial ATA, SCSI (Small Computer System Interface), SAS, FireWire, USB, SDIO і Fibre Channel.

Ємність (англ. capacity) — кількість даних, які можуть зберігатися накопичувачем. Ємність сучасних пристроїв досягає 3072 Гб. На відміну від прийнятої в інформатиці (випадково) системі префіксів, що позначають кратну 1024 величину, виробниками у процесі позначування ємності твердих дисків використовуються кратні 1000 величини. Так, напр., ємність твердого диска, маркованого як «200 Гб», насправді становить 186,2 Гб.

Фізичний розмір (форм-фактор) — майже всі сучасні накопичувачі для персональних комп'ютерів і серверів мають розмір або 3,5, або 2,5 дюйма. Останні частіше застосовують у ноутбуках. Інші поширені формати — 1,8 дюйма, 1,3 дюйма і 0,85 дюйма

Час доступу (англ. random access time) — від 3 до 15 мс, як правило, мінімальним часом відрізняються серверні диски (наприклад, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс), максимальним із актуальних — диски для портативних пристроїв (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5 ).

Швидкість обертання диска (англ. spindle speed) — кількість обертів шпинделя за хвилину. Від цього параметра у значній мірі залежать час доступу й швидкість передавання даних. В наш час випускаються вінчестери з такими стандартними швидкостями обертання: 4200, 5400 (ноутбуки), 7200 (персональні комп'ютери), 10 000 і 15 000 об./хв. (сервери і високопродуктивні робочі станції).

Надійність (англ. reliability) — визначається як середній час наробітку на відмову (Mean Time Between Failures, MTBF). Див. також Технологія SMART. (S.M.A.R.T. (англ. Self Monitoring Analysing and Reporting Technology) — технологія оцінки стану твердого диска вбудованими апаратурами самодіагностики, а також механізм оцінки часу виходу його з ладу.)

Кількість операцій введення-виведення за секунду — у сучасних дисків це близько 50 оп./с при довільному доступі до накопичувача й близько 100 оп./сек при послідовному доступі.

Рівень шуму — шум, що відтворює механіка накопичувача під час його роботи. Вказується в децибелах. Тихими накопичувачами вважаються пристрої з рівнем шуму близько 26 дб і нижче.

Для зниження шуму від твердих дисків застосовують такі методи:

  • Програмний, за допомогою системи, вбудованої в більшість сучасних дисків, AAM. Перемикання твердого диска у малошумний режим призводить до зниження продуктивності в середньому на 5-25 %, але робить шум під час роботи практично нечутним.
  • Використання шумопоглинальних пристроїв, закріплення дисків на гумових або силіконових шайбах або навіть повна заміна кріплення на гнучку підвіску.

Об'єм буфера. Буфером називається проміжна пам'ять, що призначена для згладжування відмінностей швидкості читання/запису та швидкості передачі по інтерфейсу. В сучасних дисках він зазвичай варіюється від 8 до 64 Мб.

Опірність ударам (англ. G-shock rating) — опірність накопичувача різким перепадам тиску або ударам вимірюється в одиницях припустимого перевантаження g в увімкненому чи вимкненому стані.

Швидкість передавання даних (англ. Transfer Rate):

  • Внутрішня зона диска: від 44,2 до 74,5 Мб/с
  • Зовнішня зона диска: від 74,0 до 111,4 Мб/с

Лідерами у виробництві накопичувачів є компанії Seagate, Sansung, WesternDigital.

 

Форматування дисків

Форматування низького рівня

Фізичне форматування ЖМД завжди виконується однаково, незалежно від властивостей операційної системи і параметрів форматування високого рівня (які можуть відрізнятися для різних операційних систем).

В процесі форматування інформації, що може бути записаний на диск або зчитаний з нього. Нумерація секторів починається з одиниці і прив'язана до індексного маркера.

Кожен сектор має визначену структуру (формат) та фіксований розмір (звичайно, 571 байт, з яких 512 байт доступні для зберігання даних користувача.

Сектор звичайно складається заголовка (префікса), області даних і завершення (суфікса). Початок сектора визначається спеціальним байтом - адресним маркером (1). Далі йдуть комірки, що містять адресу сектора у спеціальному форматі CHS (2) та його контрольна сума -- для перевірки цілісності адреси (3). Дані користувача розмішуються у окремої області (4), до якої при запису додається декілька десятків байт «надлишкової» інформації, що призначена для корекції помилок читання за допомогою ECC-коду (5). Для перевірки цілісності даних користувача також використовується циклічна контрольна сума (6). Для більш надійного функціонування сектора при нестабільності швидкості обертання диску у структурі сектора є «порожні» області – «байти – пробіли»

В процесі форматування низького рівня виконується запис заголовків та завершень секторів, формуються інтервали між секторами та доріжками. Область даних кожного сектора заповнюється довільними (або спеціальними тестовими) наборами даних з формуванням відповідних контрольних сум, а також перевірка читаності кожного сектора шляхом порівняння (верифікації) відповідності вмісту області даних сектора та контрольної суми. У випадку виявлення непоправних помилок зчитування в заголовку сектора робиться позначка про його дефектність.

Форматування ЖМД низького рівня в повному обсязі може бути виконано тільки заводських умовах, або за допомогою спеціальних сервісних програм, що розповсюджуються фірмами-виробниками для сервісних центрів та ремонтних майстерень.

Розбивка диска на розділи

Розбивка диска на розділи дозволяє сполучати на одному НЖМД декілька операційних систем, що мають різні файлові системи. У таблиці 2 наведений перелік файлових систем, які використовують найбільш розповсюджені дискові операційні системи.


Файлова система твердого диску

Для того, щоб процесор міг швидко звернутися до будь-якої інформації, твердий диск має так звану файлову систему, де записані координати всіх файлів, що містяться на диску. Одними з поширених файлових систем є FAT-32 і NTFS.

FAT-32 (File Allocation Table - Таблиця розміщення файлів)

FAT-32 - це файлова система, яку розроблено компанією Майкрософт і широко використовується в операційних системах Windows 95, Windows 98, Windows 2000 и Windows Millennium Edition.

Одним з базових понять файлової системи є кластер (блок) – мінімальна порція даних на диску. Вся інформація на диск записується блоками. Наприклад, якщо файл «важить» всього 1 байт, а розмір кластера на диску - 8 Кілобайт, то у підсумку на твердому диску розмір файлу буде також 8 Кілобайт (один кластер). Якщо файл займає 8,1 Кілобайт, на диску він буде «важити» всі 16 Кілобайт (два кластери).

При запису, файл розбивається на фіксовані блоки, які мають свою адресу, свій номер і відомості про те,  до якого файлу вони належать.

З метою ефективного розміщення на диску, блоки не завжди знаходяться разом. Файлова система FAT-32 містить відомості про кожен файл, з кількох блоків він складається і за якими адресами вони зберігаються. Коли процесор звертається до файлової системи за певним файлом, він швидко збирається з різних блоків і обробляється вже як єдиний об’єкт.

Головним недоліком файлової системи FAT-32 є неналежна надійність збереження інформації, бо достатньо загубити чи пошкодити бодай один блок, весь файл може бути зіпсутим.

Файлова система FAT-32 була поширена у роки, коли тверді диски мали невеликий об’єм і важливим було ефективне розміщення інформації.

NTFS (New Technology File System - Файлова система нової технології)

Файлова система NTFS замінила файлову систему FAT 32. Вона використовується в операційних системах Windows XP, Windows Server 2003, Windows Vista, Windows 7 и Windows Server 2008.

NTFS використовує спеціалізовані структури даних для збереження інформації про файли, що підвищує надійність та ефективність використання дискового простору. Тут кожен файл є єдиним об’єктом.

Диск поділяється на дві частини:

  • 12% відводиться для головної файлової таблиці — MFT (Master File Table), де міститься таблиця адрес для кожного файлу.
  • Решта простору відведено для самих файлів.

Файлова система NTFS має вбудовані можливості для розмежування доступу до даних для різних користувачів та груп користувачів, а також може призначати квоти (обмеження на максимальний об’єм дискового простору, що може займати певний користувач).

Специфікації цієї файлової системи є закритими, що створює певні складності при реалізації її підтримки, у продуктах, що не належать до Microsoft.

 

Різні файлові системи використовують і різні методи розподілу файлів по логічним елементам, що мають назву кластерів. Кластер – це одиничний блок дискової пам’яті, що записується або зчитується як єдине ціле. Кластер складається з одного або декількох секторів, найчастіше – з 2n секторів.

Створення розділів на диску виконується за допомогою програм FDISK (MS DOS, WINDOWS 9X), або DISKPART (WINDOWS XP). Слід пам’ятати, що вбудовані у операційні системи програми FDISK і DISKPART не дозволяють змінювати розміри вже існуючих розділів – тільки створювати або видаляти їх зі знищенням інформації. Для управління розділами без знищення інформації можна користуватися, наприклад, програмою Partition Magic.

Форматування високого рівня

При форматуванні високого рівня операційна система створює логічну структуру диска, тобто структури для роботи файлами. Простір розділу розподіляється на кластери, в кожний розділ (логічний диск) записується завантажувальний сектор тому (Volume Boot Sector – VBS), дві копії таблиці розташування файлів (FAT) і кореневий каталог (Root Directory).

За допомогою цих структур даних операційна система розподіляє дисковий простір, стежить за розташуванням та цілісністю файлів, а також «обходить» дефектні ділянки диску. Таким чином, логічне форматування не знищує повністю інформацію на диску, а тільки очищує зміст розділу та таблиці розташування файлів. Форматування високого рівня виконується командою FORMAT (MS DOS), або аналогічними командами інших операційних систем.

Поняття про S.M.A.R.T.

Сучасні технології виробництва магнітних дисків не дозволяють виготовляти їх без дефектів поверхні. Крим того, у процесі експлуатації відбувається старіння магнітного покриття та зношування механічних частин НЖМД. Тому за останні 10 років виробники НЖМД запропонували набір технологій, що дозволяють не тільки «ховати» дефекти поверхні (bad-сектори), але і виконувати постійний контроль (моніторинг) стану визначених параметрів НЖМД і навіть пророкувати появу помилок та деяких пошкоджень накопичувачів.

Це, зрозуміло, суттєво ускладнило програмну (логічну) організацію НЖМД. По-перше, збільшилась кількість службових програм та інформаційних структур, необхідних для забезпечення функціонування диска. Крім формату низького рівня до службової інформації відносяться серворозмітка, резидентні службові мікропрограми (в тому числі і тестуючи), таблиці конфігурації і настройки НЖМЖ та інше. Частина цих програм та структур записується у ПЗП НЖМД, частина – у спеціальну службову область диску, що звичайно недоступна користувачу. Таким чином, виникла необхідність використання спеціального транслятора фізичного простору ЖМД у логічний – з метою «схову» від користувача деяких спеціальних областей диска. Типова організація логічного простору ЖМД зображена на рис. 6. Логічний простір – це, фактично, робоча область диска, що доступна користувачу. Крім службової та робочої областей на диску завжди є резервна область. Сектори резервної області призначені для заміни пошкоджених секторів робочої області.

Рис. 6. Типова організація логічного простору НЖМД.

 

При виконанні заводського тестування нового НЖМЖ в службової області диска створюється таблиця дефектів (Primary List або P-List), у яку записуються адреси дефектних секторів робочої області. Потім, при виконанні форматування низького рівня, дефектні секторі ігноруються транслятором, тобто не отримують логічних адрес. У результаті логічний адресний простір секторів робочої області виявляється безперервним, а дефектні області поверхні – недоступними. Для вирівнювання інформаційної ємності накопичувача до стандартної, транслятор додає до робочої області частину секторів резервної області. Тому всі нові ЖМД мають «бездефектну» поверхню і інформаційний обсяг, заявлений виробником.

Якщо дефектні сектори виникають у процесі експлуатації НЖМД, заміна їх виконується аналогічним чином для більшості сучасних накопичувачів – автоматично. Але таки випадки регіструються та рахуються системою контролю S.M.A.R.T. і за допомогою спеціальних програм користувач завжди має можливість отримати інформацію про реальний стан поверхні ЖМД.

Взагалі, S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) – це виробничий стандарт, створений у 1995 році, якій описує методи пророкування помилок НЖМД. Якщо система S.M.A.R.T. активізована, вона слідкує за декількома (від 5-7 до десятків для різних моделей НЖМД) параметрами накопичувача і, на основі тенденції їх змінювання, визначає імовірність суттєвих збоїв НЖМД у найближчому майбутньому. Якщо ця імовірність висока, S.M.A.R.T. генерує звіт (попередження), який вказує користувачеві на необхідність резервного копіювання даних.

Для кожного параметра, який контролюється S.M.A.R.T., виробником встановлюється вихідне значення («ідеальний стан» по даному параметру, найчастіше використовуються значення 255 або 100 «умовних одиниць»). Це значення у процесі функціонування може поступово зменшуватися під впливом різних факторів. Друге значення кожного параметра, що встановлюється виробником і не може бути змінено – це граничне, «найгірше» значення. Досягнення деяким параметром граничного значення не означає негайної «катастрофи» з втратою даних, але вказує на неприпустиме зниження надійності НЖМД.

Нажаль, єдиного для всіх накопичувачів набора параметрів S.M.A.R.T. не існує, кількість параметрів, їх «ідеальні» та граничні значення визначаються фірмою – виробником і повної документації з цих питань, зрозуміло, також не існує. Але е деякий «базовий» набір, що підтримується більшістю виробників. Наприклад:

Raw Read Error Rate – частота появлення помилок при читанні з диска;

Reallocated Sectors Count – кількість «схованих» в процесі експлуатації диска пошкоджених сектрів;

Seek Error Rate – кількість помилок позиціювання БМГ;

Power-On Hours – загальна кількість часу знаходження у включеному стані.

Одною з найбільш простих та популярних безкоштовних програм для постійного S.M.A.R.T. – моніторингу НЖМД для операційної системи WINDOWS XP є HDD Health від PANTERASoft.

 

Експлуатація й обслуговування твердих дисків

Після установки розбивки і форматування накопичувачів вони також мають потребу в постійному своєчасному обслуговуванні. Як правило, таке обслуговування не стосується технічних подробиць, тому що виробники гарантують 5-10 літню роботу без єдиного профілактичного втручання в механіку або електронні схеми. Воно полягає в забезпеченні цілісності і стабільності файлової системи, що досягається програмним способом за допомогою системних утиліт, що входять або до складу ОС, або поставлється третіми виробниками. У MS-DOS орієнтованих системах (MS-DOS, Windows 95-98, PC-DOS, DR-DOS, Novell DOS) такими профілактичними мірами є перевірка логічної цілісності файлової системи і фізичної цілісності накопичувача.

Логічна цілісність файлової системи має на увазі правильність записів у таких структурах як Master Boot record, Partition Table, File Allocation table і Directories/Folders.

До перевірки фізичної цілісності можна віднести перевірку на наявність т.зв. "поганих" блоків даних, що мають фізичні ушкодження і, що приводять до помилок читання/запису. До складу ОС MSDOS 6.x-7.x входять утиліти chkdsk і scandisk, що здійснює перевірку і корекцію помилок файлової системи. За допомогою chkdsk, також, можна довідатися розмір кластера, обсяги простору зайнятого файлами, каталогами і вільним простором. В ОС Windows 95 маються аналогічні версії цих утиліт.

Одним з найвідоміших комплектів по обслуговуванню дисків від третіх фірм є пакет програм - Norton Utilities компанії Symantec. До складу утиліт входять, зокрема, Norton Diagnostics, Norton Disk Doctor, Speed Disk, Image, Disk Editor, UnErase Wizard для ОС MS-DOS, Windows 95 і Windows NT. Norton Diagnostics - виконує перевірку усіх вузлів комп'ютера, у тому числі і твердому диску, допомагаючи виявити причини збоїв і довідатися багато характеристик встановленого устаткування.

Disk Editor - служить для "ручного" редагування секторів твердих дисків.

Speed Disk - програма, що усуває фрагментацію файлової системи (доповнює системну утиліту defrag, що входить до складу MS-DOS і Windows 95).

Norton Disk Doctor - програма, аналогічна scandisk в ОС MS-DOS і Windows 95, але вона має можливості, що декілька більш розвинені.

UnErase Wizard - утиліта відновлення вилучених файлів.

Image - утиліта, призначена для збереження образа основних керуючих структур файлової системи на зовнішньому носії, що може бути використаний для їхнього відновлення у випадку збоїв або ушкоджень. Існують цілком русифіковані версії всіх перерахованих утиліт. Дійсною знахідкою може стати програма

PartitionMagic фірми PowerQuest. Ця унікальна програма дозволяє змінювати розміри, переміщати і перетворювати розділи твердого диска, не порушуючи цілісності файлової системи і даних! Програма дозволяє в лічені хвилини розбити великий розділ на логічні диски, об'єднати диски або розділи, збільшивши ефективність використання (маються на увазі втрати через великий розмір кластерів) файловою системою дискового простору. Однак, існуючи в даний час версії даної утиліти не вільні від ряду прикрих помилок і не однаково добре можуть працювати з накопичувачами малого і великого обсягів. Тому, поки рано рекомендувати її як надійний засіб і не слід застосовувати для накопичувачів, що містять інформацію підвищеної важливості. Крім перерахованих вище утиліт варто звернути увагу на програми, що поставлятися в складі стандартного постачання накопичувачів фірмами виробниками.

 

Контрольні запитання

  1. В якому вигляді представлені пристрої зовнішньої пам’яті?
  2. Як поділяються носії інформації за способом запису інформації?
  3. Які функції виконує накопичувач на твердому диску?
  4. Яким чином здійснюються операції читання і запису в твердому диску?
  5. Які характеристики твердого диску є важливими для користувача?
  6. Для чого призначена файлова система твердого диску?
  7. Основні відмінності файлових систем FAT-32 та NTFS?
  8. Чим пояснити вихід з обігу магнітних дискет?