В НГМД используют два основных метода записи: метод частотной модуляции (ЧМ) (рис. 13.2) и метод модифицированной ЧМ. В контроллере (адаптере) НГМД данные обрабатываются в двоичном коде и передаются в НГМД в последовательном коде.

Способ частотной модуляции является двухчастотным. При записи в начале тактового интервала производится переключение тока в МГ и направление намагниченности поверхности изменяется. Переключение тока записи отмечает начало тактов записи и используется при считывании для формирования сигналов синхронизации. Таким образом, этот способ обладает свойством самосинхонизации . Запись «1» и «0» производится в середине тактового интервала, причем при записи «1» в середине тактового интервала производится инвертирование тока, а при записи «0» - нет. При считывании в моменты середины тактового интервала определяют наличие сигнала произвольной полярности. Наличие сигнала в этот момент соответствует «1», а отсутствие - «0».

3. Формат записи информации на гибком магнитном диске

Организация размещения информации на дискете предполагает расположение данных пользователя вместе со служебной информацией, необходимой для нумерации отдельных областей, отделения их друг от друга, для контроля информации и т.д.

ВНГМД используют стандартные форматы информации для унификации (обобщения) НГМД и их адаптеров. Каждая дорожка на дискете разделена на секторы. Размер сектора является основной характеристикой формата и определяет наименьший объем данных, который может быть записан одной операцией ввода-вывода. Применяемые в НГМД форматы различаются числом секторов на дорожке и объемом одного сектора. Максимальное количество секторов на дорожке определяется операционной системой. Секторы отделяются друг от друга интервалами, в которых информация не записывается. Произведение числа дорожек на количество секторов и количество сторон дискеты определяет ее информационную емкость.

Каждый сектор (рис. 13.3) включает две области: поле служебной информации и поле данных. Служебная информация составляет идентификатор сектора, позволяющий отличить его от других.

Адресный маркер - это специальный код, отличающийся от данных и указывающий на начало сектора или поля данных. Номер головки указывает одну из двух МГ, расположенных на соответствующих сторонах дискеты. Номер сектора - это логический код сектора, который может не совпасть с его физическим номером. Длина сектора указывает размер поля данных. Контрольные байты предназначены для контроля ошибок считывания.

Среднее время доступа к диску в миллисекундах оценивается по следующему выражению:

t ср = (N-1)t 1 /3+t 2 , (17.1)

где N - число дорожек на рабочей поверхности ГМД; t 1 - время перемещения МГ с дорожки на дорожку; t 2 - время успокоения системы позиционирования.

4. Адаптеры накопителей на гибких магнитных дисках

Адаптер НГМД переводит команды, поступающие из ПЗУ BIOS, в электрические сигналы, управляющие НГМД, а также преобразует поток импульсов, считываемых с дискеты МГ, в информацию, воспринимаемую ПЭВМ. Конструктивно электронное оборудование адаптера может быть размещено на системной плате ПЭВМ либо совмещено с оборудованием других адаптеров на отдельной плате модулей расширения. Возможно программирование длины записи данных, скорости перехода с дорожки на дорожку, времени загрузки и разгрузки МГ, а также передача данных в режиме ПДП или прерывания.

Один из вариантов построения структурной схемы адаптера НГМД приведен на рис. 13.4.

Дешифратор адреса распознает базовые адреса программно доступных регистров адаптера. Для ЦП адаптер НГМД доступен программно через регистр управления и два порта контроллера НГМД - регистр состояния и регистр данных. Значения отдельных разрядов регистра управления определяют выбор НГМД, сброс контроллера, включение двигателя, разрешение прерывания и ПДП.

Основным функциональным блоком адаптера НГМД является контроллер НГМД, реализуемый конструктивно обычно в виде БИС (интегральные микросхемы 8272 Intel, 765 NEC и др.). Данный контроллер обеспечивает управление операциями НГМД и определяет условия обмена с центральным процессором. Функционально контроллер подчинен ЦП и программируется им. В контроллере имеется регистр состояния и регистр данных, в котором запоминаются данные, команды и параметры о состоянии НГМД. При записи регистр данных используется как буфер, в который побайтно подаются данные от процессора. Контроллер принимает данные от регистра и преобразует их в последовательный код, используемый при частотном методе записи.

Контроллер НГМД выполняет следующий набор команд : позиционирование, форматирование, считывание, запись, проверка состояния НГМД и др. Каждая команда выполняется в три фазы : подготовительной, исполнения и заключительной. В подготовительной фазе ЦП передает контроллеру байты управления, которые включают код операции и параметры, необходимые для ее исполнения. На основании этой информации в фазе исполнения контроллер выполняет действия, заданные командой. В заключительной фазе через регистр данных считывается содержимое регистров состояния, хранящих информацию о результате выполнения команды и состоянии НГМД. В ЦП передаются условия завершения операции.

Таблица 13.1

Назначение сигналов интерфейса НГМД

Обозначение сигнала	Назначение сигнала	Направление
	Индекс/сектор
	Выбор накопителя 0
	Выбор накопителя 1
	Мотор включить
	Направление шага
	Данные записи
	Разрешение записи
	Дорожка 00
	Данные воспроизведены
	Выбор поверхности
	Накопитель готов

Схема формирования сигналов записи работает под управлением контроллера и предназначена для предотвращения искажения информации при записи. Фазовый детектор, генератор, управляемый напряжением (ГУН), фильтр нижних частот (ФНЧ) и узел синхронизации образуют схему отделения синхроимпульсов - сепаратор . При считывании данные из НГМД поступают на схему сепаратора, и принимаются контроллером, который декодирует их и преобразует побайтно в параллельный код. Байты буферизуются в регистре данных и передаются в оперативную память ПЭВМ.

Управление обменом между ЦП и адаптером НГМД осуществляется схемой сопряжения с системной шиной. Двунаправленный формирователь данных согласует электрические параметры шины данных системной и внутренней шины адаптера. Обмен информацией между адаптером и ЦП происходит в двух режимах : ПДП и прерываний. Программная поддержка работы адаптера обеспечивается драйвером, входящим в состав ОС.

Сопряжение интерфейса НГМД с адаптером НГМД осуществляется гибким кабелем. Все сигналы интерфейса НГМД имеют стандартный ТТЛ-уровень (табл. 13.1).

1. Что такое жесткий диск?

Жесткий диск (часто называемый винчестером) – устройство, предназначенное для длительного хранения информации. В отличие от оперативной памяти (ОЗУ или RAM ), теряющей информацию при отключении питания, жесткий диск хранит информацию постоянно. Жесткий диск чаще всего имеет объем больше, чем оперативная память.

1.1. Основные компоненты и принцип работы жесткого диска

Жесткий диск состоит из гермоблока и платы с электронными элементами. На платеразмещена вся управляющая электроника, за исключением предусилителя, размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от головок. В гермоблокеразмещенывсе механические части: пластины (диски), шпиндель (ось), магнитные головки чтения/записи, двигатель.

Пластины имеют форму диска и изготавливаются из металла (чаще всего используется алюминий), керамики или стекла. Обе стороны каждой пластины покрыты тонким слоем намагничивающегося материала. В последнее время для этогоиспользуется оксид хрома, который имеет большую износостойкость, чем покрытие наоснове оксида железа, используемого в ранних моделях. Количество пластин определяет физический объем накопителя.

Пластины установлены на центральной оси или шпинделе. Шпиндель вращает все пластины с одинаковой скоростью.

С левой илиправой стороны отшпинделя, находится поворотный позиционер , несколько напоминающий по виду башенный кран: с одной стороны оси находятся обращенные кдискамтонкие,длинныеи легкие несущиемагнитных головок , а с другой -короткий и более массивный хвостовиксобмоткой электромагнитного привода. На каждую пластину приходится по два коромысла, расположенные с разных сторон. Таким образом, каждой стороне каждой пластины соответствует одна головка чтения/записи.

Чем меньше головка и чем ниже она парит над поверхностью диска, тем меньшие магнитные области она может записывать, и, следовательно, тем больше данных можно записать на диск. Головка чтения/записи напоминает подковообразный магнит, так как она образована противоположными полюсами магнита, обращенными друг к другу через узкий промежуток. Этот промежуток делается исключительно узким, чтобы лишь очень малые области поверхности диска испытывали влияние поля в любой момент вращения, что ведет к увеличению плотности записи.

При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией пластин. Такое движение совместно с вращением пластины позволяет головкам получить доступ ко всей поверхности пластины.Угол между осями позиционера и шпинделяи расстояние от оси позиционера до головок подобраны так, чтобыось головки при поворотах как можно меньше отклонялась от касательной к дорожке.

В более ранних моделях коромысло было закреплено наоси шагового двигателя,ирасстояние между дорожками определялось величиной шага.В современных моделяхиспользуются соленоидные позиционеры с линейным двигателем, который не имееткакой-либо дискретности, а установка на дорожку производится по сигналам, записанным напластинах,чтодаетзначительное увеличение точности привода и плотности записи на дисках.

Обмотку позиционера окружает статор,представляющийсобой постоянный магнит. При подаче вобмоткутока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением. Динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливатьпозиционерв любое положение. Такая система приводаполучила названиеVoiceCoil (звуковая катушка) - поаналогиисдиффузором громкоговорителя. Когда позиционер с шаговым мотором переводит головки на большое расстояние, он продвигает их шагами от дорожки к дорожке. Напротив, соленоидным системам достаточно один раз изменить значение магнитного поля, и головки перемещаются прямо по назначению. Это свойство позволяет соленоидным системам работать значительно быстрее систем с шаговым мотором.

Нахвостовикеобычно расположена так называемая магнитная защелка- маленький постоянныймагнит, который при крайнем внутреннем положении головок (landing zone-посадочная зона) притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло в этомположении.Этотакназываемое парковочное положение головок,которыепри этом лежат на поверхности диска, соприкасаясьс нею. В некоторых моделях для фиксации позиционера предусмотрен специальный электромагнит, якорь которого в свободном положении блокирует движениекоромысла. В посадочной зоне дисков информация не записывается.

Двигатель , вращающий диски, расположен под дисками или встроен в шпиндель. При включении питания, процессор жесткого диска выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической скорости вращения дисков плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту от долей до единиц микрон над поверхностями пластин – головки “всплывают”. С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки держатся на воздушной подушке, не касаясь поверхностей дисков.

После достижения дисками скорости вращения, близкой к номинальной, головки выводятся из зоны парковки, и начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения. Затем выполняется считывание информации из служебной зоны (в частности, таблицы переназначения дефектных участков). В завершение инициализации выполняется тестирование позиционера путем перебора заданной последовательности дорожек. Если тестирование прошло успешно, процессор выставляет на интерфейс признак готовности и переходит в режим работы по интерфейсу.

Во время работыпостоянно работает система слежения за положением головки на диске:изнепрерывно считываемого сигнала выделяется сигнал рассогласования, которыйподается в схему обратной связи, управляющую током обмотки позиционера.Врезультате отклонения головки от центра дорожки в обмотке возникает сигнал, стремящийся вернуть ее на место.

При отключении питания процессор, используя энергию, оставшуюся в конденсаторах платы, либо извлекая энергию из обмоток двигателя, который при этом работает как генератор, выдает команду на установку позиционера в парковочное положение. В некоторых жестких дисках этому способствует помещенное между дисками подпружиненное коромысло, постоянно испытывающее давление воздуха. При ослаблении воздушного потока коромысло дополнительно толкает позиционер в парковочное положение, где тот фиксируется защелкой.

Гермоблок заполнен обычным обеспыленным воздухом под атмосферным давлением. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока и постоянно очищается фильтром, установленным на однойиз его сторон. В крышках гермоблоков некоторых жестких дисков специально делаются небольшие отверстия, заклеенныетонкойпленкой, которые служат для выравнивания давления внутрии снаружи. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром.

Внутригермоблока также размещенпредусилитель сигнала, снятого с головок, и их коммутатор. Позиционер соединенс платой предусилителя гибким ленточным кабелем, однако в отдельных винчестерах (в частности - некоторыемодели Maxtor AV) питание обмотки подведено отдельными одножильнымипроводами, которые имеют тенденцию ломаться при активной работе.

У однихмоделейвинчестеровосишпинделяи позиционера закреплены только в одном месте -накорпусе винчестера, у других онидополнительно крепятся винтамик крышке гермоблока. Вторые модели более чувствительны к микродеформации при креплении - достаточно сильной затяжки крепежных винтов, чтобы возникнедопустимыйперекососей. В ряде случаев такой перекос может стать труднообратимым или необратимым совсем.

Плата электроники - съемная, подключается кгермоблоку через один-два разъема различной конструкции. На плате расположены основной процессор винчестера, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) с программой, рабочее ОЗУ, которое обычно используется и в качестве дискового буфера (буфер нужен для согласования скоростей потоков данных на уровне чтения/записи и внешнего интерфейса, его часто ошибочно называют кэшем), цифровой сигнальный процессор (DSP) для подготовки записываемых и обработки считанных сигналов, и интерфейсная логика. На одних винчестерах программа процессора полностью хранится в ПЗУ, на других определенная ее часть записана в служебной области диска. На диске такжемогутбыть записаны параметры накопителя (модель, серийный номер, секторы конфигурации, таблицы дефектов, и т.д.). Некоторыевинчестеры хранят эту информацию в электрически перепрограммируемом ПЗУ (EEPROM).

Многие винчестеры имеют на плате электроники специальный технологический интерфейс с разъемом, через который при помощи стендового оборудования можно выполнять различные сервисныеоперацииснакопителем - тестирование, форматирование, переназначение дефектных участков и т.п.

Жесткий диск посредством шлейфа (40 или 80 жил) соединяется с материнской платой или отдельным контроллером.

1.2. Хранение, запись и чтение данных

Поверхность жесткого диска содержит намагниченные частицы металла. Каждая частица имеет северный и южный полюс. Головка чтения-записи может прикладывать магнитное поле к небольшой группе этих частиц, изменяя их полярность так, что север становится югом и наоборот. Минимальная площадь поверхности диска, которая может сохранять такие изменения магнитного потока, называется магнитным доменом . В то время как диск вращается под головкой, она все время меняет полярность магнитного поля, создавая последовательность изменений полярности на диске.

Данные на жестком диске записываются в виде последовательности двоичных (бинарных) битов (бит – цифра двоичной системы счисления, т.е. “0” или “1”). Каждый бит хранится как магнитный заряд (положительный или отрицательный) на магнитном слое пластины. При записи информации, данные посылаются к жесткому диску в виде последовательности битов. После получения диском данных, используются головки для магнитной записи. В этот момент головка генерирует поток магнитных импульсов, кодирующих данные на поверхности диска. Изменение полярности отвечает значению “1”, а отсутствие изменения – значению “0”. Информация не обязательно хранятся последовательно; например, данные одного файла могут быть записаны в разные местана разных пластинах.

Когда компьютер запрашивает данные, хранящиеся на диске, пластины начинают вращаться, а головки – двигаться, пока не будет найдена область с запрашиваемой информацией. Головка пассивно "парит" над поверхностью диска, и, когда микроскопические магниты, образующие магнитные домены, проходят под ней, они влияют на магнитное поле головки. Электроника дисковода многократно усиливает эти слабые возмущения, превращая их в последовательности нулей и единиц, которые затем поступают в микросхемы памяти компьютера.

Может показаться,что набор из восьми "1" и "0",составляющийодин байт данных, просто записывается в виде восьми последовательных магнитных доменов вдоль дорожкидиска. Это довольно далеко отистинногоположения дел. Слишкоммногоданных пакуется в малуюо6ласть, и если бы в данные не была добавлена дополнительная информация,то существовала бы слишком большая вероятность ошибки. Электроника контроллера должнавыполнить сложную работу. Как контроллеру узнать, какая часть диска проходит подголовками? Ведь если оношибется хотя быв позиции одного магнитного домена, то это может привести к непредсказуемым последствиям.

Ответ заключается в том, чтоконтроллер ориентируется наначало секторов, читаяспециальную информацию, записанную при форматировании диска.Но,когда головка летит над данными сектора, контроллер должен уследить за тысячами доменов, пока онвновь не встретит форматную информацию.Если изменения магнитногопотока носилирегулярный характер,контроллер мог бы легко отслеживать положение головки чтения-записи. Но сектор может быть заполнен нулями,при этом тысячимагнитных доменовпронесутсябезединого изменения магнитного потока, и о6язательно произойдет сбой. Поэтой причине данные должны быть закодированы так, чтобы не встречалось подряд слишком много нулей (отсутствие изменения магнитного потока).

Висходномметодечастотной модуляции (ЧМ) каждый второй магнитный домен отводился под синхроимпульс.Пропадалаполовина дисковогопространства.Потом возникла идея кодировать изменения магнитного потока по отношению кпредыдущемубиту.Врезультатеполучилсяметод модифицированной частотной модуляции (МЧМ).МЧМнетолькоизбавляет от бита синхроимпульса,но и упаковывает на диске вдвое больше данных, чем при ЧМ-кодировании. Существует также кодирование с ограниченным числом повторов (RLL - run length limited). Кодирование с ограниченным числом повторовпереводит данные вспециальные кодовыепоследовательности. Эти коды выбраны за определенные численные характеристики, в особенности за возможное количествовстречающихсяподряднулей.За этим стоит весьма сложная логика, норезультат оченьпрост: на диск удаетсяупаковатьбольшеданных.

2. Что такое форматирование?

Компьютер должен иметь возможность быстро получить доступ к нужной информации. Однако даже самые маленькие диски могут хранить миллионы и миллионы битов. Каким образом компьютер знает где искать необходимые данные? Для решения этой проблемы диск разбивается на части, позволяя проще найти информацию. Базовая форма организации диска называется форматированием . Форматирование подготавливает жесткий диск для чтения и записи данных. Существуют два типа форматирования: физический и логический .

2.1. Физическое форматирование

Жесткий диск перед логическим форматированием должен быть отформатирован физически.Ранние модели винчестеров, как и гибкие диски, изготовлялись с чистыми магнитнымиповерхностями;первоначальнаяразметка(физическое или низкоуровневое форматирование) производилась потребителем поегоусмотрению, и могла быть выполнена любое количество раз. Для современных моделейразметка производится в процессе изготовления;при этом на диски записывается сервоинформация - специальныеметки,необходимые для стабилизации скорости вращения, поиска секторов и слежениязаположением головок на поверхностях. Специальные датчики на головке чтения/записи следят за этими метками; когда они фиксируют сильное изменение поля, контроллер знает, что головка уходит от центра дорожки и изменяет соответст вующим образом величину тока в соленоиде.

Раньше часто для записи сервоинформации использовалась отдельная сервоповерхность (DSS - dedicated servo surface, dedicated - выделенная), при этом целая сторона одной из пластин отдается под серводанные. По этой поверхности настраивались головки всех остальныхповерхностей. Такая систематребовалавысокойжесткости крепления головок, чтобы между ними не возникало расхождений после начальной разметки. Сейчас сервоинформация записывается в промежутках между секторами (embedd ed - встроенная), что позволяет снятьограничениена жесткость подвижной системы. В некоторых моделях применяется комбинированная система слежения - встроенная сервоинформация всочетаниисвыделеннойповерхностью;приэтом грубая настройка выполняется по выделеннойповерхности, а точная - по встроенным меткам.

Поскольку сервоинформация представляет собой опорнуюразметку диска, контроллер винчестера не в состоянии самостоятельновосстановить ее в случае порчи. При программном форматировании такого винчестера возможна только перезапись заголовков и контрольных сумм секторов данных.

При начальной разметке и тестировании современного винчестера на заводе почти всегда обнаруживаются дефектные сектора,которые заносятся в специальную таблицу переназначения. При обычной работе контроллер жесткого диска подменяетэти сектора резервными, которые специально оставляются дляэтой цели на каждойдорожке, группе дорожекили выделенной зоне диска. Благодаря этому новый винчестерсоздает видимость полного отсутствия дефектов поверхности, хотя на самомделеониестьпочти всегда.

Физическое форматирование подразделяет пластины жесткого диска на базовые элементы: дорожки, сектора и цилиндры. По этим элементам определяются адреса, по которым данные читаются и записываются физически.

Каждая сторона пластины разбита на концентрические дорожки . Дорожки идентифицированы числами, начиная с нулевой дорожки на внешней стороне пластины.

Дорожки делятся на сектора , используемые для хранения фиксированного количества данных. Сектора обычно содержат 528 байт информации. 16 байт отводится для служебной информации (адресная информация и контрольная сумма), а остальные 512 байт – для данных. Количество секторов в дорожке не фиксировано из-за разных радиусов и методов записи. Так как физический радиус дорожки варьируется от самого меньшего радиуса внутренней дорожки к наибольшему радиусу внешней, нулевой дорожки, то число секторов в дорожке постепенно повышаетсяот меньших, внутренних дорожек к большим, внешним дорожкам. Однако, это изменение не линейное.

Дорожки на равном расстоянии от центра на всех поверхностях пластин объединяются в цилиндры . Например, третьи дорожки каждой стороны каждой пластины расположены на одном расстоянии от шпинделя. Если представить все эти дорожки соединенными вертикально, то их объединение примет форму цилиндра.

Зоны – группы цилиндров, каждые с одним и тем же количеством дорожек, которые в свою очередь, имеют одинаковое количество секторов. Чтобы минимизировать потери, количество зон, установленных на диске может быть 10 и более.

Таким образом, для доступа к определенному сектору нужно:

1) отвести головки на нужное расстояние от центра, то есть позиционировать на определенный цилиндр;

2) начать просмотр дорожки на нужной пластине, активировав соответствующую головку;

3) производить чтение всей информации до появления заголовка сектора, номер которого (номер содержится в этом заголовке) совпадает с нужным для операции чтения или записи.

В соответствии с такой схемой нахождения необходимой информации на жестком диске такой метод адресации называется CHS-адресацией (Cylinder-Head-Sector). Стороны и головки, нумеруются с 0. Нумерация дорожек такженачинается с 0.Соответственно цилиндр 0 состоит из самых внешних дорожек всехпластин. Какнистранно,нумерация секторов начинается с 1.

Компьютерные аппаратные средства и программное обеспечение часто работают с цилиндрами. Если данные записаны на диск в одном цилиндре, то они могут быть доступны без передвижения головок чтения/записи. А движения головок медленные, по отношению к вращению диска и переключению между головками. Поэтому хранение информации по цилиндрам значительно увеличивает производительность.

Важным понятием является плотность цилиндра . Плотность цилиндра говорит о числе секторов, содержащихся в цилиндре. Она равна числу секторов на дорожке, умноженному на число сторон пластин. Диски с высокой плотностью цилиндра предпочтительнее, поскольку они могут уместить большой файл на меньшем числе цилиндров. При этом при чтении файла понадобится меньше перемещений головок и дисковод будет работать быстрее. Фирмы-производители увеличивают плотность цилиндра, создавая дисководы с большим числом пластин или используя покрытие и электронику, позволяющие достичь больших плотностей данных, что дает большее число секторов на дорожку.

После физического форматирования жесткого диска, магнитные свойства поверхности пластин могут постепенно ухудшаться. В результате чего, становится все сложней и сложней считывать данные с пораженных областей и записывать данные на пораженные области. Сектора, которые не могут больше использоваться для хранения информации, называются сбойными (bad sectors ).

Пораженные области могут образовываться и в других случаях. Сильные вибрации или сбой механики могут вызвать удар головки чтения/записи об оксидное покрытие и оставить на нем углубление. Импульс вращающихся пластин делает это столкновение весьма энергичным. В месте удара головки данные уже не могут быть записаны, а если это место содержало данные, они оказываются потерянными. Но что еще хуже, частицы магнитного материала при ударе освобождаются и получают возможность свободно блуждать внутри дисковода. Эти частицы могут быть много больше, чем зазор между головками и поверхностями пластин; задев такую частицу, головка подлетит вверх и, упав обратно, разрушит новую порцию данных. Иногда частицы прилипают к головке и нарушают ее магнитное поле.

Большинство современных компьютеров могут определять сбойные сектора. Такие сектора просто помечаются и больше не используются.

2.2. Логическое форматирование

После физического форматирования, жесткий диск должен быть отформатирован логически. Логическое форматирование устанавливает файловую систему на диске, позволяя операционным системам (таким как DOS , OS /2, Windows , Linux ) использовать доступное дисковое пространство для хранения данных и доступа к ним. Различные операционные системы используют различные файловые системы, поэтому тип логического форматирования зависит от операционной системы, которую планируется установить.

3. Гибкий диск

Гибкиедиски работают на том же принципе,что и жесткие,но их устройство несколько иное.Головки чтения-записи слегка прижимаютсяк поверхности диска при закрытии дверцы дисковода. Покрытие диска делается толстым,чтобы противостоять трению головок и предохранительного конверта. Так как гибкие диски являются гибкими, они подвержены деформации; размеры диска постоянно меняются с температурой и влажностью. А поскольку дискеты устанавливаются в дисководе на тонкой ступице, они теряютточнуюцентровку.По этим причинам положения дорожек не определены с такой точностью,как на жестком диске. В дисководах гибких дисков используются позиционеры головок с шаговым двигателем, который не следит за положением дорожек, а просто передвигает головку в место предполагаемого нахождения дорожки.Для преодоления этих недостатков на дискете размещают гораздоменьшедорожек,а ширина дорожки больше.

Почему у гибких дисков не бывает аварии головок?На самом деле гибкие диски как бы находятсявпостоянно аварийном состоянии,так как при их вращении головки все время лежат на поверхности.Но аварияподразумевает приложениебольшого усилия к малому участку поверхности диска, а конструкция дисковода гибких дисков исключает это. Дискета вращается медленно, головки имеют большой размер, а сама дискета гибкая. При воздействии на дисковод усилие, передаваемое головке, не увеличивается за счет вращения дискеты; оно приходится на большую площадь, да и сама дискета подается под ударом головки. В результатепрактически нет повреждения.Хотя аварий дискет и не бывает, они все же подвержены износу от трения головки и предохранительного конверта, В котором находится дискета. Вот почему гибкиедискиненаходятсяпостоянновсостояниивращения.

Как и жесткие диски, гибкие получают основной выигрыш в емкости не от упаковки большегоколичестваданныхна дорожку, а от упаковки большего числа дорожек на дискету. Как это ни парадоксально, чем меньше дискета, тем выше плотность дорожек. Уменьшение диаметра означает уменьшение деформаций дискеты. Втулка в жестком пластиковом конверте может точнее отцентрироватьдискету.Сам конверт делает дискету более плоской при вращении, так что она сильно не отклоняется от головок.

Подводя итог,можно сказать, что основой вторичной памяти остаются жесткие диски. Они работают все быстрее и быстрее и вмещают все больше и больше данных. И в них появляются много приспособлений,увеличивающих их надежность и производительность.К сожалению,они по-прежнему представляют угрозу целостности данных. Так как жесткие диски еще долго будут с нами, вы поступите разумно, хорошенько в нихразобравшись.

Магнитные диски компьютера служат для длительного хранения информации (она не стирается при выключении ЭВМ). При этом в процессе работы данные могут удаляться, а другие записываться.

Выделяют жесткие и гибкие магнитные диски. Однако гибкие диски в настоящее время используются уже очень редко. Гибкие диски были особенно популярны в 80-90-х годах прошлого столетия.

Гибкие диски (дискеты), называемые иногда флоппи-дисками (Floppy Disk), представляют собой магнитные диски, заключенные в квадратные пластиковые кассеты размером 5,25 дюйма (133 мм) или 3,5 дюйма (89 мм). Гибкие диски позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, делать архивные копии информации, содержащейся на жестком диске.

Информация на магнитный диск записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических дорожек. При записи или чтении информации магнитный диск вращается вокруг своей оси, а головка с помощью специального механизма подводится к нужной дорожке.

Дискеты размером 3,5 дюйма имеют емкость 1,44 Мбайт. Данный вид дискет наиболее распространен в настоящее время.

В отличие от гибких дисков жесткий диск позволяет хранить большие объемы информации. Емкость жестких дисков современных компьютеров может составлять терабайты.

Первый жесткий диск был создан фирмой IBM в 1973 году. Он позволял хранить до 16 Мбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров, разбитых на 30 секторов, то он обозначался как 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, этот диск получил прозвище "винчестер".

Жесткий диск представляет собой герметичную железную коробку, внутри которой находится один или несколько магнитных дисков вместе с блоком головок чтения/записи и электродвигателем. При включении компьютера электродвигатель раскручивает магнитный диск до высокой скорости (несколько тысяч оборотов в минуту) и диск продолжает вращаться все время, пока компьютер включен. Над диском "парят" специальные магнитные головки, которые записывают и считывают информацию так же, как и на гибких дисках. Головки парят над диском вследствие его высокой скорости вращения. Если бы головки касались диска, то из-за силы трения диск быстро вышел бы из строя.

При работе с магнитными дисками используются следующие понятия.

Дорожка – концентрическая окружность на магнитном диске, которая является основой для записи информации.

Цилиндр – это совокупность магнитных дорожек, расположенных друг над другом на всех рабочих поверхностях дисков винчестера.

Сектор – участок магнитной дорожки, который является одной из основных единиц записи информации. Каждый сектор имеет свой собственный номер.

Кластер - минимальный элемент магнитного диска, которым оперирует операционная система при работе с дисками. Каждый кластер состоит из нескольких секторов.

Жесткие диски, или, как их еще называют, винчестеры, являются одной из самых главных составляющих компьютерной системы. Об это знают все. Но вот далеко не каждый современный пользователь даже в принципе догадывается о том, как функционирует жесткий диск. Принцип работы, в общем-то, для базового понимания достаточно несложен, однако тут есть свои нюансы, о которых далее и пойдет речь.

Вопросы предназначения и классификации жестких дисков?

Вопрос предназначения, конечно, риторический. Любой пользователь, пусть даже самого начального уровня, сразу же ответит, что винчестер (он же жесткий диск, он же Hard Drive или HDD) сразу же ответит, что он служит для хранения информации.

В общем и целом верно. Не стоит забывать, что на жестком диске, кроме операционной системы и пользовательских файлов, имеются созданные ОС загрузочные секторы, благодаря которым она и стартует, а также некие метки, по которым на диске можно быстро найти нужную информацию.

Современные модели достаточно разнообразны: обычные HDD, внешние жесткие диски, высокоскоростные твердотельные накопители SSD, хотя их именно к жестким дискам относить и не принято. Далее предлагается рассмотреть устройство и принцип работы жесткого диска, если не в полном объеме, то, по крайней мере, в таком, чтобы хватило для понимания основных терминов и процессов.

Обратите внимание, что существует и специальная классификация современных HDD по некоторым основным критериям, среди которых можно выделить следующие:

• способ хранения информации;
• тип носителя;
• способ организации доступа к информации.

Почему жесткий диск называют винчестером?

Сегодня многие пользователи задумываются над тем, почему называют винчестерами, относящимися к стрелковому оружию. Казалось бы, что может быть общего между этими двумя устройствами?

Сам термин появился еще в далеком 1973 году, когда на рынке появился первый в мире HDD, конструкция которого состояла из двух отдельных отсеков в одном герметичном контейнере. Емкость каждого отсека составляла 30 Мб, из-за чего инженеры дали диску кодовое название «30-30», что было в полной мере созвучно с маркой популярного в то время ружья «30-30 Winchester». Правда, в начале 90-х в Америке и Европе это название практически вышло из употребления, однако до сих пор остается популярным на постсоветском пространстве.

Устройство и принцип работы жесткого диска

Но мы отвлеклись. Принцип работы жесткого диска кратко можно описать как процессы считывания или записи информации. Но как это происходит? Для того чтобы понять принцип работы магнитного жесткого диска, в первую очередь необходимо изучить, как он устроен.

Сам жесткий диск представляет собой набор пластин, количество которых может колебаться от четырех до девяти, соединенных между собой валом (осью), называемым шпинделем. Пластины располагаются одна над другой. Чаще всего материалом для их изготовления служат алюминий, латунь, керамика, стекло и т. д. Сами же пластины имеют специальное магнитное покрытие в виде материала, называемого платтером, на основе гамма-феррит-оксида, окиси хрома, феррита бария и т. д. Каждая такая пластина по толщине составляет около 2 мм.

За запись и чтение информации отвечают радиальные головки (по одной на каждую пластину), а в пластинах используются обе поверхности. За которого может составлять от 3600 до 7200 об./мин, и перемещение головок отвечают два электрических двигателя.

При этом основной принцип работы жесткого диска компьютера состоит в том, что информация записывается не куда попало, а в строго определенные локации, называемые секторами, которые расположены на концентрических дорожках или треках. Чтобы не было путаницы, применяются единые правила. Имеется ввиду, что принципы работы накопителей на жестких дисках, с точки зрения их логической структуры, универсальны. Так, например, размер одного сектора, принятый за единый стандарт во всем мире, составляет 512 байт. В свою очередь секторы делятся на кластеры, представляющие собой последовательности рядом находящихся секторов. И особенности принципа работы жесткого диска в этом отношении состоят в том, что обмен информацией как раз и производится целыми кластерами (целым числом цепочек секторов).

Но как же происходит считывание информации? Принципы работы накопителя на жестких магнитных дисках выглядят следующим образом: с помощью специального кронштейна считывающая головка в радиальном (спиралевидном) направлении перемещается на нужную дорожку и при повороте позиционируется над заданным сектором, причем все головки могут перемещаться одновременно, считывая одинаковую информацию не только с разных дорожек, но и с разных дисков (пластин). Все дорожки с одинаковыми порядковыми номерами принято называть цилиндрами.

При этом можно выделить еще один принцип работы жесткого диска: чем ближе считывающая головка к магнитной поверхности (но не касается ее), тем выше плотность записи.

Как осуществляется запись и чтение информации?

Жесткие диски, или винчестеры, потому и были названы магнитными, что в них используются законы физики магнетизма, сформулированные еще Фарадеем и Максвеллом.

Как уже говорилось, на пластины из немагниточувствительного материала наносится магнитное покрытие, толщина которого составляет всего лишь несколько микрометров. В процессе работы возникает магнитное поле, имеющее так называемую доменную структуру.

Магнитный домен представляет собой строго ограниченную границами намагниченную область ферросплава. Далее принцип работы жесткого диска кратко можно описать так: при возникновении воздействия внешнего магнитного поля, собственное поле диска начинает ориентироваться строго вдоль магнитных линий, а при прекращении воздействия на дисках появляются зоны остаточной намагниченности, в которой и сохраняется информация, которая ранее содержалась в основном поле.

За создание внешнего поля при записи отвечает считывающая головка, а при чтении зона остаточной намагниченности, оказавшись напротив головки, создает электродвижущую силу или ЭДС. Далее все просто: изменение ЭДС соответствует единице в двоичном коде, а его отсутствие или прекращение - нулю. Время изменения ЭДС принято называть битовым элементом.

Кроме того, магнитную поверхность чисто из соображений информатики можно ассоциировать, как некую точечную последовательность битов информации. Но, поскольку местоположение таких точек абсолютно точно вычислить невозможно, на диске нужно установить какие-то заранее предусмотренные метки, которые помогли определить нужную локацию. Создание таких меток называется форматированием (грубо говоря, разбивка диска на дорожки и секторы, объединенные в кластеры).

Логическая структура и принцип работы жесткого диска с точки зрения форматирования

Что касается логической организации HDD, здесь на первое место выходит именно форматирование, в котором различают два основных типа: низкоуровневое (физическое) и высокоуровневое (логическое). Без этих этапов ни о каком приведении жесткого диска в рабочее состояние говорить не приходится. О том, как инициализировать новый винчестер, будет сказано отдельно.

Низкоуровневое форматирование предполагает физическое воздействие на поверхность HDD, при котором создаются секторы, расположенные вдоль дорожек. Любопытно, что принцип работы жесткого диска таков, что каждый созданный сектор имеет свой уникальный адрес, включающий в себя номер самого сектора, номер дорожки, на которой он располагается, и номер стороны пластины. Таким образом, при организации прямого доступа та же оперативная память обращается непосредственно по заданному адресу, а не ищет нужную информацию по всей поверхности, за счет чего и достигается быстродействие (хотя это и не самое главное). Обратите внимание, что при выполнении низкоуровневого форматирования стирается абсолютно вся информация, и восстановлению она в большинстве случаев не подлежит.

Другое дело - логическое форматирование (в Windows-системах это быстрое форматирование или Quick format). Кроме того, эти процессы применимы и к созданию логических разделов, представляющих собой некую область основного жесткого диска, работающую по тем же принципам.

Логическое форматирование, прежде всего, затрагивает системную область, которая состоит из загрузочного сектора и таблиц разделов (загрузочная запись Boot record), таблицы размещения файлов (FAT, NTFS и т. д.) и корневого каталога (Root Directory).

Запись информации в секторы производится через кластер несколькими частями, причем в одном кластере не может содержаться два одинаковых объекта (файла). Собственно, создание логического раздела, как бы отделяет его от основного системного раздела, вследствие чего информация, на нем хранимая, при появлении ошибок и сбоев изменению или удалению не подвержена.

Основные характеристики HDD

Думается, в общих чертах принцип работы жесткого диска немного понятен. Теперь перейдем к основным характеристикам, которые и дают полное представление обо всех возможностях (или недостатках) современных винчестеров.

Принцип работы жесткого диска и основные характеристики могут быть совершенно разными. Чтобы понять, о чем идет речь, выделим самые основные параметры, которыми характеризуются все известные на сегодня накопители информации:

• емкость (объем);
• быстродействие (скорость доступа к данным, чтение и запись информации);
• интерфейс (способ подключения, тип контроллера).

Емкость представляет собой общее количество информации, которая может быть записана и сохранена на винчестере. Индустрия по производству HDD развивается так быстро, что сегодня в обиход вошли уже жесткие диски с объемами порядка 2 Тб и выше. И, как считается, это еще не предел.

Интерфейс - самая значимая характеристика. Она определяет, каким именно способом устройство подключается к материнской плате, какой именно контроллер используется, как осуществляется чтение и запись и т. д. Основными и самыми распространенными интерфейсами считаются IDE, SATA и SCSI.

Диски с IDE-интерфейсом отличаются невысокой стоимостью, однако среди главных недостатков можно выделить ограниченное количество одновременно подключаемых устройств (максимум четыре) и невысокую скорость передачи данных (причем даже при условии поддержки прямого доступа к памяти Ultra DMA или протоколов Ultra ATA (Mode 2 и Mode 4). Хотя, как считается, их применение позволяет повысить скорость чтения/записи до уровня 16 Мб/с, но в реальности скорость намного ниже. Кроме того, для использования режима UDMA требуется установка специального драйвера, который, по идее, должен поставляться в комплекте с материнской платой.

Говоря о том, что собой представляет принцип работы жесткого диска и характеристики, нельзя обойти стороной и который является наследником версии IDE ATA. Преимущество данной технологии состоит в том, что скорость чтения/записи можно повысить до 100 Мб/с за счет применения высокоскоростной шины Fireware IEEE-1394.

Наконец, интерфейс SCSI по сравнению с двумя предыдущими является наиболее гибким и самым скоростным (скорость записи/чтения достигает 160 Мб/с и выше). Но и стоят такие винчестеры практически в два раза дороже. Зато количество одновременно подключаемых устройств хранения информации составляет от семи до пятнадцати, подключение можно осуществлять без обесточивания компьютера, а длина кабеля может составлять порядка 15-30 метров. Собственно, этот тип HDD большей частью применяется не в пользовательских ПК, а на серверах.

Быстродействие, характеризующее скорость передачи и пропускную способность ввода/вывода, обычно выражается временем передачи и объемом передаваемых расположенных последовательно данных и выражается в Мб/с.

Некоторые дополнительные параметры

Говоря о том, что представляет собой принцип работы жесткого диска и какие параметры влияют на его функционирование, нельзя обойти стороной и некоторые дополнительные характеристики, от которых может зависеть быстродействие или даже срок эксплуатации устройства.

Здесь на первом месте оказывается скорость вращения, которая напрямую влияет на время поиска и инициализации (распознавания) нужного сектора. Это так называемое скрытое время поиска - интервал, в течение которого необходимый сектор поворачивается к считывающей головке. Сегодня принято несколько стандартов для скорости вращения шпинделя, выраженной в оборотах в минуту со временем задержки в миллисекундах:

• 3600 - 8,33;
• 4500 - 6,67;
• 5400 - 5,56;
• 7200 - 4,17.

Нетрудно заметить, что чем выше скорость, тем меньшее время затрачивается на поиск секторов, а в физическом плане - на оборот диска до установки для головки нужной точки позиционирования пластины.

Еще один параметр - внутренняя скорость передачи. На внешних дорожках она минимальна, но увеличивается при постепенном переходе на внутренние дорожки. Таким образом, тот же процесс дефрагментации, представляющий собой перемещение часто используемых данных в самые быстрые области диска, - не что иное, как перенос их на внутреннюю дорожку с большей скоростью чтения. Внешняя скорость имеет фиксированные значения и напрямую зависит от используемого интерфейса.

Наконец, один из важных моментов связан с наличием у жесткого диска собственной кэш-памяти или буфера. По сути, принцип работы жесткого диска в плане использования буфера в чем-то похож на оперативную или виртуальную память. Чем больше объем кэш-памяти (128-256 Кб), тем быстрее будет работать жесткий диск.

Главные требования к HDD

Основных требований, которые в большинстве случаев предъявляются жестким дискам, не так уж и много. Главное - длительный срок службы и надежность.

Основным стандартом для большинства HDD считается срок службы порядка 5-7 лет со временем наработки не менее пятисот тысяч часов, но для винчестеров высокого класса этот показатель составляет не менее миллиона часов.

Что касается надежности, за это отвечает функция самотестирования S.M.A.R.T., которая следит за состоянием отдельных элементов жесткого диска, осуществляя постоянный мониторинг. На основе собранных данных может формироваться даже некий прогноз появления возможных неисправностей в дальнейшем.

Само собой разумеется, что и пользователь не должен оставаться в стороне. Так, например, при работе с HDD крайне важно соблюдать оптимальный температурный режим (0 - 50 ± 10 градусов Цельсия), избегать встрясок, ударов и падений винчестера, попадания в него пыли или других мелких частиц и т. д. Кстати сказать, многим будет интересно узнать, что те же частицы табачного дыма примерно в два раза больше расстояния между считывающей головкой и магнитной поверхностью винчестера, а человеческого волоса - в 5-10 раз.

Вопросы инициализации в системе при замене винчестера

Теперь несколько слов о том, какие действия нужно предпринять, если по каким-то причинам пользователь менял жесткий диск или устанавливал дполнительный.

Полностью описывать это процесс не будем, а остановимся только на основных этапах. Сначала винчестер необходимо подключить и посмотреть в настройках BIOS, определилось ли новое оборудование, в разделе администрирования дисков произвести инициализацию и создать загрузочную запись, создать простой том, присвоить ему идентификатор (литеру) и выполнить форматирование с выбором файловой системы. Только после этого новый «винт» будет полностью готов к работе.

Заключение

Вот, собственно, и все, что вкратце касается основ функционирования и характеристик современных винчестеров. Принцип работы внешнего жесткого диска здесь не рассматривался принципиально, поскольку он практически ничем не отличается от того, что используется для стационарных HDD. Единственная разница состоит только в методе подключения дополнительного накопителя к компьютеру или ноутбуку. Наиболее распространенным является соединение через USB-интерфейс, который напрямую соединен с материнской платой. При этом, если хотите обеспечить максимальное быстродействие, лучше использовать стандарт USB 3.0 (порт внутри окрашен в синий цвет), естественно, при условии того, что и сам внешний HDD его поддерживает.

В остальном же, думается, многим хоть немного стало понятно, как функционирует жесткий диск любого типа. Быть может, выше было приведено слишком много тем более даже из школьного курса физики, тем не менее без этого в полной мере понять все основные принципы и методы, заложенные в технологиях производства и применения HDD, понять не получится.

Используют два основных метода записи: метод частотной модуляции (ЧМ) и метод модифицированной ЧМ. В контроллере (адаптере) НГМД данные обрабатываются в двоичном коде и передаются в НГМД в последовательном коде.

Способ частотной модуляции является двухчастотным. При записи в начале тактового интервала производится переключение тока в МГ и направление намагниченности поверхности изменяется. Переключение тока записи отмечает начало тактов записи и используется при считывании для формирования сигналов синхронизации.

Способ обладает свойством самосинхонизации . При записи "1" в середине тактового интервала производится инвертирование тока, а при записи "0" - нет. При считывании в моменты середины тактового интервала определяют наличие сигнала произвольной полярности.

Наличие сигнала в этот момент соответствует "1", а отсутствие - "0".

Формат записи информации на гибком магнитном диске

Каждая дорожка на дискете разделена на секторы. Размер сектора является основной характеристикой формата и определяет наименьший объем данных, который может быть записан одной операцией ввода-вывода. Применяемые в НГМД форматы различаются числом секторов на дорожке и объемом одного сектора. Максимальное количество секторов на дорожке определяется операционной системой. Секторы отделяются друг от друга интервалами, в которых информация не записывается. Произведение числа дорожек на количество секторов и количество сторон дискеты определяет ее информационную емкость.

Каждый сектор включает поле служебной информации и поле данных. Адресный маркер - это специальный код, отличающийся от данных и указывающий на начало сектора или поля данных. Номер головки указывает одну из двух МГ, расположенных на соответствующих сторонах дискеты. Номер сектора - это логический код сектора, который может не совпасть с его физическим номером. Длина сектора указывает размер поля данных. Контрольные байты предназначены

Среднее время доступа к диску в миллисекундах оценивается по следующему выражению: где - число дорожек на рабочей поверхности ГМД; - время перемещения МГ с дорожки на дорожку; - время успокоения системы позиционирования.

Конструкция дискет

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД)

Жесткий магнитный диск -это круглая металлическая пластина толщиной 1,5..2мм, покрытая ферромагнитным слоем и специальным защитным слоем. Для записи и чтения используется обе поверхности диска.

Принцип работы

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).

В большинстве накопителей есть 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 расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр. Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.

Частота вращения НЖМД в первых моделей составляла 3 600 об/мин (т.е. в 10раз больше, чем в накопителе на гибких дисках), в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла до 5 400, 5 600, 6 400, 7 200, 10 000 и даже 15 000 об/мин.

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 поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка "столкнется" с диском. 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.

В некоторых наиболее современных накопителях вместо конструкции CSS (Contact Start Stop) используется механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам входить в контакт с жесткими дисками даже при отключении питания накопителя. В механизме загрузки/разгрузки используется наклонная панель, расположенная прямо над внешней поверхностью жесткого диска. Когда накопитель выключен или находится в режиме экономии потребляемой мощности, головки съезжают на эту панель. При подаче электроэнергии разблокировка головок происходит только тогда, когда скорость вращения жестких дисков достигнет нужной величины. Поток воздуха, создаваемый при вращении дисков (аэростатический подшипник), позволяет избежать возможного контакта между головкой и поверхностью жесткого диска.

Поскольку пакеты магнитных дисков содержатся в плотно закрытых корпусах и их ремонт не предусмотрен, плотность дорожек на них очень высока - до 96 000 и более на дюйм (Hitachi Travelstar 80GH). Блоки HDA (Head Disk Assembly - блок головок и дисков) собирают в специальных цехах, в условиях практически полной стерильности. Обслуживанием HDA занимаются считанные фирмы, поэтому ремонт или замена каких-либо деталей внутри герметичного блока HDA обходится очень дорого.

Метод записи данных на жесткий магнитный диск

Для записи на ЖМД используются методы ЧМ, модифицированной частотной модуляции (МЧМ) и RLL -метод, при котором каждый байт данных преобразуется в 16-битовый код.

При методе МЧМ плотность записи данных возрастает вдвое по сравнению с методом ЧМ. Если записываемый бит данных является единицей, то стоящий перед ним бит тактового импульса не записывается. Если записывается "0", а предыдущий бит был "1", то синхросигнал также не записывается, как и бит данных. Если перед "0" стоит бит "0", то синхросигнал записывается.

Дорожки и секторы

Дорожка - это одно "кольцо" данных на одной стороне диска. Дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.

Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка жесткого диска - от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт.

Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля.

При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочая служебная информация, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается.

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс - prefix portion ), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце - заключение (или суффикс - suffix portion ), в котором находится контрольная сумма ( checksum ), необходимая для проверки целостности данных.

Форматирование низкого уровня современных жестких дисков выполняется на заводе, изготовитель указывает только форматную емкость диска. В каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных - это только часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные отводится только 512 байт.

Чтобы очистить секторы, в них зачастую записываются специальные последовательности байтов. Префиксы, суффиксы и промежутки - пространство, которое представляет собой разницу между неформатированной и форматированной емкостями диска и "теряется" после его форматирования.

Процесс форматирования низкого уровня приводит к смещению нумерации секторов, в результате чего секторы на соседних дорожках, имеющие одинаковые номера, смещаются друг относительно друга. Например, сектор 9 одной дорожки находится рядом с сектором 8 следующей дорожки, который, в свою очередь, располагается бок о бок с сектором 7 следующей дорожки и т.д. Оптимальная величина смещения определяется соотношением частоты вращения диска и радиальной скорости головки.

Идентификатор (ID) сектора состоит из полей записи номеров цилиндра, головки и сектора, а также контрольного поля CRC для проверки точности считывания информации ID. В большинстве контроллеров седьмой бит поля номера головки используется для маркировки дефектных секторов в процессе форматирования низкого уровня или анализа поверхности.

Интервал включения записи следует сразу за байтами CRC ; он гарантирует, что информация в следующей области данных будет записана правильно. Кроме того, он служит для завершения анализа CRC (контрольной суммы) идентификатора сектора.

В поле данных можно записать 512 байт информации. За ним располагается еще одно поле CRC для проверки правильности записи данных. В большинстве накопителей размер этого поля составляет два байта, но некоторые контроллеры могут работать и с более длинными полями кодов коррекции ошибок ( Error Correction Code - ЕСС ). Записанные в этом поле байты кодов коррекции ошибок позволяют при считывании обнаруживать и исправлять некоторые ошибки. Эффективность этой операции зависит от выбранного метода коррекции и особенностей контроллера. Наличие интервала отключения записи позволяет полностью завершить анализ байтов ECC (CRC) .

Интервал между записями необходим для того, чтобы застраховать данные из следующего сектора от случайного стирания при записи в предыдущий сектор. Это может произойти, если при форматировании диск вращался с частотой, несколько меньшей, чем при последующих операциях записи.

Формат записи информации на жестком магнитном диске

В НЖМД обычно используются форматы данных с фиксированным числом секторов на дорожке (17, 34 или 52) и с объемом данных в одном секторе 512 или 1024 байта. Секторы маркируются магнитным маркером.

Начало каждого сектора обозначается адресным маркером. В начале идентификатора и поля данных записываются байты синхронизации, служащие для синхронизации схемы выделения данных адаптера НЖМД. Идентификатор сектора содержит адрес диска в пакете, представленный кодами номеров цилиндра, головки и сектора. В идентификатор дополнительно вводят байты сравнения и флага. Байт сравнения представляет одинаковое для каждого сектора число (осуществляется правильность считывания идентификатора). Байт флага содержит флаг - указатель состояния дорожки.

Контрольные байты записываются в поле идентификатора один раз при записи идентификатора сектора, а в поле данных - каждый раз при каждой новой записи данных. Контрольные байты предназначены для определения и коррекции ошибок считывания. Наиболее часто используются полиномные корректирующие коды (зависит от схемной реализации адаптера).

Среднее время доступа к информации на НЖМД составляет

где tn - среднее время позиционирования;

F - скорость вращения диска;

tобм - время обмена.

Время обмена зависит от технических средств контроллера и типа его интерфейса, наличия встроенное буферной кэш-памяти, алгоритма кодирования дисковых данных и коэффициента чередования.

Форматирование дисков

Различают два вида форматирования диска :

• физическое, или форматирование низкого уровня;
• логическое, или форматирование высокого уровня.

При форматировании гибких дисков с помощью программы Проводник (Windows Explorer ) или команды DOS FORMAT выполняются обе операции.

Однако для жестких дисков эти операции следует выполнять отдельно. Более того, для жесткого диска существует и третий этап, выполняемый между двумя указанными операциями форматирования, - разбивка диска на разделы. Создание разделов абсолютно необходимо в том случае, если вы предполагаете использовать на одном компьютере несколько операционных систем. Физическое форматирование всегда выполняется одинаково, независимо от свойств операционной системы и параметров форматирования высокого уровня Тому, или логическому диску, система присваивает буквенное обозначение.

Таким образом, форматирование жесткого диска выполняется в три этапа .

• Форматирование низкого уровня.
• Организация разделов на диске.
• Форматирование высокого уровня.

Форматирование низкого уровня

В процессе форматирования низкого уровня дорожки диска разбиваются на секторы. При этом записываются заголовки и заключения секторов (префиксы и суффиксы), а также формируются интервалы между секторами и дорожками. Область данных каждого сектора заполняется фиктивными значениями или специальными тестовыми наборами данных.

В первых контроллерах ST-506 /412 при записи по методу MFM дорожки разбивались на 17 секторов, а в контроллерах этого же типа, но с RLL -кодированием количество секторов увеличилось до 26. В накопителях ESDI на дорожке содержится 32 и более секторов. В накопителях IDE контроллеры встроенные, и, в зависимости от их типа, количество секторов колеблется в пределах 17-700 и более. Накопители SCSI - это накопители IDE со встроенным адаптером шины SCSI (контроллер тоже встроенный), поэтому количество секторов на дорожке может быть совершенно произвольным и зависит только от типа установленного контроллера.

Практически во всех накопителях IDE и SCSI используется так называемая зонная запись 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. Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую длину окружности.

В накопителях, не использующих метод зонной записи, в каждом цилиндре содержится одинаковое количество данных, несмотря на то что длина дорожки внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. Это приводит к нерациональному использованию емкости запоминающего устройства, так как носитель должен обеспечивать надежное хранение данных, записанных с той же плотностью, что и во внутренних цилиндрах. В том случае, если количество секторов, приходящихся на каждую дорожку, фиксировано, как это бывает при использовании контроллеров ранних версий, емкость накопителя определяется плотностью записи внутренней (наиболее короткой) дорожки.

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. 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).

При использовании метода зонной записи каждая поверхность диска уже содержит 545,63 сектора на дорожку. Если не использовать метод зонной записи, то каждая дорожка будет ограничена 360 секторами. Выигрыш при использовании метода зонной записи составляет около 52%.

Обратите внимание на различия в скорости передачи данных для каждой зоны. Поскольку частота вращения шпинделя 7 200 об/мин, один оборот совершается за 1/120 секунды или же 8,33 миллисекунды. Дорожки во внешней зоне (нулевой) имеют скорость передачи данных 44,24 Мбайт/с, а во внутренней зоне (15) - всего 22,12 Мбайт/с. Средняя скорость передачи данных составляет 33,52 Мбайт/с.

Организация разделов на диске

Разделы, создаваемые на жестком диске, обеспечивают поддержку различных файловых систем, каждая из которых располагается на определенном разделе диска.

В каждой файловой системе используется определенный метод, позволяющий распределить пространство, занимаемое файлом, по логическим элементам, которые называются кластерами или единичными блоками памяти. На жестком диске может быть от одного до четырех разделов, каждый из которых поддерживает файловую систему какого-нибудь одного или нескольких типов. В настоящее время PC-совместимые операционные системы используют файловые системы трех типов.

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 расширения), а объем тома (логического диска) - до 2 Гбайт. Под Windows 9х/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) . Используется с Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 и Windows 2000. В таблицах 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 тольков Windows NT/2000/XP/2003. Длина имен файлов может достигать 256 символов, размер раздела (теоретически) - 16 Эбайт (16^1018 байт). NTFS обеспечивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми системами, например средства безопасности.

После создания разделов необходимо выполнить форматирование высокого уровня с помощью средств операционной системы.

Форматирование высокого уровня

При форматировании высокого уровня операционная система создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносится загрузочный сектор тома (Volume Boot Sector - VBS ), две копии таблицы размещения файлов (FAT ) и корневой каталог ( Root Directory ). С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и даже "обходит", во избежание проблем, дефектные участки на диске. В сущности, форматирование высокого уровня - это не столько форматирование, сколько создание оглавления диска и таблицы размещения файлов.