Анатомия винчестера

автор: Сергей Н. МИШКО (maestro@mycomp.com.ua)
источник: http://www.mycomp.com.ua/

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 :-).


При использовании материалов сайта ссылка обязательна! (Copyright by www.avs-info.ru 2006)