Анатомия
винчестера
Программист
увидел НЛО:
- У кого-то диск полетел...
Давным-давно, когда компьютеры были еще очень большими, а программисты,
работавшие на них, ходили в белых халатах, данные хранились на перфокартах
и на магнитных бобинах. Те времена, к счастью, прошли, и теперь даже в
домашних компьютерах установлены многогигабайтные жесткие диски. Но одно
дело знать размер "винта", а совсем другое - понимать, как он
работает. Об этом мы и поговорим в этой статье.
Времена
идут, и все меняется. Немало изменений претерпели в течение своей эволюции
и дисковые накопители. Одно из первых устройств, которых с натяжкой можно
назвать гордым словом "винчестер", было выпущено компанией IBM
- оно состояло из нескольких отдельных блоков, а по размерам превосходило
современный настольный ПК!
К счастью, прогресс не стоит на месте - сегодня жесткие диски легко умещаются
на ладони. А вот внутреннее устройство приводов со времен "программистов
в белых халатах" стало гораздо сложнее - и механическая, и электронная
части теперь представляют собой маленькое чудо техники. И все же, давайте
попробуем разобраться, выяснив для начала, где хранится сама информация.
Крутится, вертится... диск магнитный
Итак, информация, записанная на винчестер, хранится на специальном магнитном
диске. Почему именно на диске, а не, скажем, на ленте, как в магнитофоне?
Во-первых, магнитный диск обеспечивает несоизмеримо большую плотность
записи, благодаря особенностям его покрытия. Он представляет собой пластину
из алюминия, керамики или стекла, на которую нанесен слоем высококачественного
ферромагнетика. В первых моделях использовали покрытия на основе окислов
железа и бариевых ферритов - теперь предпочтение все чаще отдают окиси
хрома или металлическим пленочным покрытиям. Они позволяют достичь более
высокую плотности записи и увеличить прочность поверхности. Последний
параметр особенно важен для винчестеров переносных компьютеров, где велика
вероятность ударов.
Вторая причина, по которой отдают предпочтение дискам, а не ленте, связана
с простотой поиска информации. Ведь чтобы добраться от начала до конца
дорожки в кассете, необходимо ее всю перемотать, тогда как на диске достаточно
перейти от его края к центру. Надежность хранения данных - тоже немаловажный
параметр: жесткий диск легче защитить от повреждений, нежели ленту.
Наконец, самый главный аргумент в пользу дисков - это скорость обмена
данными - "раскрутить" ленту до тех скоростей, с которыми работают
винчестеры, едва ли представляется возможным. Заметим, что, в зависимости
от модели привода, скорость вращения двигателя может составлять 3600,
4500, 5400, 7200 и более об/мин (у токарного станка и то меньше! ).
Наращивание числа оборотов (спирт здесь ни при чем) разработчикам дается
нелегко, особенно если учесть, что количество дисков в некоторых моделях
достигает 10 и более! Приходится предъявлять особые требования к механической
прочности системы, соответствующей обработке поверхностей ее движущихся
частей, их юстировке, самим дискам и магнитным головкам, а также электронике.
Особое место занимает борьба с трением - от этого напрямую зависят долговечность
и надежность всей системы в целом. Кроме того, трение ведет к нежелательному
разогреву: во-первых, при изменении температуры меняются размеры деталей,
что может нарушить их точную подгонку, во-вторых, колебания температурного
режима негативно влияют на работу электронных компонент.
А чтобы окончательно убедить Вас хранить информацию на винчестере, а не
на кассетах (если кто-то еще сомневается), приведем некоторые цифры. Как
известно, толщина магнитофонной ленты составляет несколько миллиметров,
плотность записи - примерно одна дорожка на миллиметр. Сравните: компания
Seagate (http://www.seagate.com/),
известный производитель жестких дисков, полгода назад продемонстрировала
плотность в 4000 дорожек на мм! Скорости записи/считывания отличаются
не меньше: Килобайты и Мегабайты в секунду.
Магнитные головки
Данные с поверхности диска считываются непосредственно магнитной головкой.
На первый взгляд, принцип действия магнитных головок винчестера мало чем
отличается от тех, что в обычном магнитофоне. Действительно, при записи
головка создает магнитное поле, намагничивая тем самым участок диска -
при считывании же, наоборот, поле диска возбуждает сигнал в головке.
Однако магнитным головкам винчестера приходится работать с гораздо большей
скоростью, нежели магнитофонным. Поэтому их разработчики столкнулись с
необходимостью создания очень тесного контакта между ними и поверхностью
носителя. Выход нашли довольно оригинальный - головки "посадили"
на воздушную подушку! Все гениальное просто - при вращении дисков внутри
корпуса возникает воздушный поток, который, собственно, и приподнимает
головки над поверхностью. Однако, такая конструкция требует парковки головок
- перемещения их за пределы рабочей области диска (landing zone)
во время выключения компьютера. Ведь когда винчестер выключается, диски
останавливаются, соответственно исчезает магнитный поток и головки "падают"
на поверхность. Поэтому головки нужно отвести в нерабочую область. Пользователи
"со стажем", наверное, еще помнят времена, когда перед выключением
компьютера приходилось запускать специальную парковочную программу. Теперешним
юзерам повезло куда больше - в современных моделях все происходит автоматически.
Однако научить "летать" головки мало, надо еще позаботиться
об их устройстве - ведь они должны обеспечивать качественную запись и
считывание сигнала. Раньше чаще всего применяли индуктивные головки, обладавшие
крупным недостатком - сигнал, снимаемый с них, сильно зависел от скорости
вращения диска.
Сегодня в арсенале разработчиков появились уникальные полупроводниковые
материалы с так называемым гигантским магниторезистивным эффектом - при
небольших изменениях магнитного поля резко изменяется электрическое сопротивление
материала. ВMRH (Magneto-Resistive Heads) отсутствуют недостатки,
присущие индуктивным головкам, поэтому их начали широко применять для
чтения данных. Для записи, к сожалению, они непригодны.
Заметьте, что современные приводы содержат несколько магнитных головок
- как правило, по одной на каждую сторону каждого диска. Управлять и следить
за всем этим "хозяйством" совсем непросто - для подобных целей
в винчестере есть отдельное устройство, которое называется...
Позиционер (head positioner)
От того, насколько оперативно позиционер справяется со своими функциями,
в немалой степени зависит общая скорость работы привода. Важнейший параметр
- время позиционирования головок (seek time) - во многом зависит
именно от этого модуля.
Позиционер состоит из длинных тонких несущих и управляющего электромагнитного
привода. Такую систему называют коромыслом. Обмотку привода окружает статор
- неподвижный магнит. Когда по обмотке проходит ток - необходимой величины
и полярности - коромысло совершает поворот в ту или иную сторону. Подобного
рода устройства называют поворотными - головки в них перемещаются по дуге
от центра диска к периферии.
Встречаются и линейные позиционеры, позволяющие перемещать головки не
по дуге, а по радиусу диска. Несмотря на некоторые преимущества этой конструкции,
из-за большой инерционности, низкой устойчивости к ударам и вибрациям
линейные позиционеры не получили широкого распространения.
Информация к размышлению
Всю информацию, хранящуюся на диске, условно делят на служебную и пользовательскую.
Первая обеспечивает нормальную работу привода и изначально присутствует
в любом современном жестком диске - ее записывает завод-изготовитель.
Служебная информация действительно имеет очень важное значение: сейчас
и представить себе сложно, что когда-то диски не содержали первоначальной
разметки! Ее используют, прежде всего, для позиционирования магнитной
головки на дорожку. В нынешних моделях винчестеров на диски записывают
специальные сигналы - сервометки (раньше делали иначе: коромысло укрепляли
на оси двигателя, который отрабатывал заданный шаг между дорожками). Сервометки
служат также для стабилизации скорости вращения шпинделя, кроме того,
в каждом HD существует таблица перераспределения запорченных секторов
(участок дорожки). На ней и остановимся подробнее.
Хотите Вы того или нет, но ЛЮБОЙ жесткий диск не лишен столь устрашающих
каждого юзера bad-секторов - технология производства винчестеров пока
не позволяет избавиться от них на все 100%. Здесь и приходит на выручку
таблица перераспределения: при каждом включении винт считывает ее и просто
"не замечает" битых секторов!
А вот новые bad-секторы, - те, которые не помечены в заводской таблице
- таят в себе скрытую опасность. Обращаясь к такому сектору, магнитная
головка многократно повторяет попытку чтения или записи, при этом возможно
разрушение "здоровой" поверхности диска. Это влечет за собой
дальнейшее "размножение" запорченных секторов. Таким образом
винт постепенно приходит в негодность. Проблему можно решить, обратившись
вовремя в ремонтную мастерскую, где Вам соответствующим образом "перепрошьют"
таблицу.
Наконец, на диске или в его ПЗУ могут находится параметры накопителя:
его серийный номер, модель, производитель и т. п.
Теперь обратим Ваше внимание на некоторые нюансы, связанные с пользовательской
информацией. "Добрые" разработчики первого ПК оказали всем нам
сомнительную услугу, строго определив количество разрядов, с помощью которых
адресовались данные. Когда же появились жесткие диски емкостью более 528
Мб (более чем с 1024 цилиндрами, или более чем с 16 головками, или более
чем с 63 секторами на дорожку), компьютеры перестали "видеть"
дисковое пространство полностью!
Производители BIOS (Basic Input-Output System) схватились за головы
и организовали в последующих версиях поддержку режима LBA (Large Block
Adressing). Системы последовательно модернизировали для работы с дисками
максимальной емкостью 2.1, 4.2, а затем 8.4 Гб. В результате сегодня в
большинстве случаев используют 24-разрядную схему адресации, ограничивающую
видимость дискового пространства печально известными 8.4 Гб.
Для работы с накопителями большей емкости в BIOS необходимо использовать
уже 28-разрядную схему адресации и поддерживать так называемые расширения
INT 13h. Как свидетельствует статистика, лишь 5% произведенных до 1998
года компьютеров удовлетворяют этим требованиям.
Естественно, производители жестких дисков не захотели терять потенциальных
покупателей самых емких моделей и создали специальные резидентные утилиты,
перехватывающие все обращения к диску и пересчитывающие физические координаты
данных. Распространяют их бесплатно, но - нет в мире совершенства! - они
работают только с винчестерами родного изготовителя. Есть и универсальная
программа, но небесплатная. Приобрести ее можно у самих создателей - компании
Ontrack (http://www.ontrack.com/).
Управляющая электроника
Вся механическая часть жесткого диска "запечатана" в с гермоблоке.
Кстати, многие почему-то думают, что механические детали накопителя находятся
в... вакууме, т. е. в безвоздушном пространстве! Это не так, однако к
чистоте воздуха внутри гермоблока предъявляют особые требования. Он проходит
очистку с помощью специальных фильтров, ведь даже маленькая пылинка, попавшая
в корпус блока дисков и головок, может вызвать серьезные повреждения.
Поэтому настоятельно не рекомендуем открывать винт или срывать с него
защитные наклейки.
Часть электроники привода находится в блоке механики. Почему? Без этого
никак нельзя: сигнал, снимаемый с магнитных головок очень слабый, и если
проводники будут слишком длинными, он будет серьезно искажен. Прочитанный
сигнал необходимо сразу же усилить - тогда проблема транспортировки исчезнет.
С этой функцией успешно справляется предусилитель, расположенный в гермоблоке.
Но здесь мы сталкиваемся с еще одним довольно уязвимым местом винчестера:
от предусилителя к позиционеру идет ленточный кабель или набор обычных
одножильных проводов, а они довольно часто рвутся. Устранение подобной
неисправности, увы, обходится в копеечку.
Остальная электроника винчестера менее уязвима и находится на отдельной
плате за пределами гермоблока. По своей структурой она очень напоминает...
отдельный компьютер! Действительно, среди основных компонент значатся:
центральный процессор, ОЗУ (буфер диска), ПЗУ с программой управления
(иногда часть ее записывают в служебную область самого диска), а также
DSP (Digital Signal Processor), служащий для обработки считанных сигналов
и подготовки записываемых.
На печатных платах многих жестких дисков встречается технологический интерфейсный
разъем, с помощью которого их подключают к тестовому оборудованию. В ПЗУ
находится специальная программа, позволяющая вести диалог, переназначать
дефектные участки, производить ту же первичную разметку и пр.
Вся эта сложная электроника обеспечивает управление приводами головок
и дисков. В современных моделях, изготавливаемых в рамках программы Energy
Star, обязательно есть устройство для отключения винчестера при отсутствии
запросов к нему и других функций энергосбережения.
В завершение упомянем о наиболее часто встречающихся размерах современных
винчестеров. Самый распространенный формфактор ширины диска, конечно же,
3.5 дюйма, но можно встретить 1.8 или 5.25 дюймовые модели. Есть несколько
категорий накопителей, различающихся по высоте: низкопрофильные (менее
одного дюйма), половинной высоты (1.63 дюйма) и полной (3.25 дюйма).
Хочется обратить Ваше внимание и на чрезвычайную чувствительность жестких
дисков к различного рода встряскам, толчкам и ударам. Поскольку оси позиционера
и шпинделя укрепляют на корпусе самого винчестера, а иногда - дополнительно
- и на гермоблоке, надо быть очень осторожным и не делать лишних усилий
при завинчивании крепежных винтов. Это может привести к перекосу осей
и, как следствие, неправильному позиционированию магнитных головок. А
уж такую поломку устранить или очень сложно или вообще невозможно! Не
стоит также нагревать приводы (некоторые пользователи, надеясь самостоятельно
починить диск, часами нагревали его на солнце) - высокая температуры пагубно
влияет на магнитную поверхность. Стоит ли напоминать о недопустимости
ударов приводов - вряд ли паление со стола приведет к увеличению емкости
винта :-).
Сергей
Н. МИШКО
Русские Документы
|