дробовики.
заявка на кредит Тинькофф

 +7(921)531-33-05   ул. Виноградова, 20, оф. 7

График работы: Пн.-Пт. 9.00-18.00, Сб. Вс. - выходной

Вторник, 04 декабря 2012 12:39

Принцип работы жесткого диска

Оцените материал
(0 голосов)

Опишем, для начала, как физически устроен жесткий диск. На жестком диске данные хранятся на магнитной поверхности диска. Информация записывается и снимается с помощью магнитных головок (все почти как в магнитофоне). Внутри жесткого диска может быть установлено несколько пластин (дисков), впросторечье именуемые "блинами". Двигатель, вращающий диск, включается при подаче питания на диск и остается включенным до снятия питания.

ПРИМЕЧАНИЕ: Если в разделе Power Management программы Setup из BIOS установлен параметр выключения жесткого диска при отсутствии обращения к нему, то двигатель может быть выключен программой BIOS.

 

Двигатель вращается с постоянной скоростью, измеряемой в оборотах в минуту (rpm). Данные организованы на диске в цилиндрах, дорожках и секторах. Цилиндры - концентрическе дорожки на дисках, расположенные одна над другой. Дорожка затем разделяется на сектора. Диск имеет магнитный слой на каждой своей стороне. Каждая пара головок одета как бы на "вилку", обхватывающую каждый диск. Эта "вилка" перемещается над поверхностью диска с помощью отдельного серводвигателя (а не шагового, как часто ошибочно думают - шаговый двигатель не позволяет быстро перемещаться над поверхностью). Все жесткие диски имеют резервные сектора, которые используются его схемой управления, если на диске обнаружены дефектные сектора.

Скорость вращения диска

Обычно современные жесткие диски имеют скорость вращения от 5400 до 7200 об/м. Чем выше скорость вращения, тем выше скорость обмена данными. Следует только учесть, что при возрастании скорости вращения увеличивается температура корпуса жесткого диска и диски со скоростью 7200 об/мин требуют либо применения корпуса с продуманной для целей отвода тепла конструкцией, либо дополнительного охлаждения внешним вентилятором собственно диска. Вентилятора блока питания для этого недостаточно. Еще более высокооборотные диски со скоростью вращения 10000 об/мин, которые сейчас выпускают уже многие фирмы, требуют обязательного внешнего обдува.

Количество секторов на дорожке

Современные жесткие диски имеют различное количество секторов на дорожке в зависимости от того, внешняя ли это дорожка или внутренняя. Внешняя дорожка длиннее и на ней можно разместить больше секторов, чем на более короткой внутренней дорожке. Данные на чистый диск начинают записываться также с внешней дорожки.

Время поиска/время переключения головок/время переключения между цилиндрами

Время поиска (seek time) минимально только в случае необходимости операции с дорожкой, которая является соседней с той, над которой в данный момент находится головка. Наибольшее время поиска соответственно при переходе с первой дорожки на последнюю. Как правило, в паспортных данных на жесткий диск указывается среднее время поиска (average seek time).

Все магнитные головки диска находятся в каждый момент времени над одним и тем же цилиндром, и время переключения определяется тем, насколько быстровыполняется переключение между головками при чтении или записи.

Время переключения между цилиндрами - это время, требуемое для перемещения головок на один цилиндр вперед или назад.

Все времена указываются в документации на жесткие диски в миллисекундах (ms).

Задержка позиционирования

После того, как головка оказывается над желаемой дорожкой, она ждет появления требуемого сектора на этой дорожке. Это время называется задержкой позиционирования и также измеряется в миллисекундах (ms). Среднее время задержки позиционирования считается как время поворота диска на 180 градусов и, поэтому зависит только от скорости вращения шпинделя диска. Конкретные данные по величине задержки сведены в таблицу.

Скорость вращения, об/мин

Задержка, миллисекунды

3600

.3

4500

6.7

5400

5.7

7200

4.2

10000

3.3

Время доступа к данным

Время доступа к данным по сути - это комбинация из времени поиска, времени переключения головок и задержки позиционирования, измеряется также в миллисекундах (ms). Время поиска, как вам уже известно, это только показатель того, как быстро головка оказывается над нужным цилиндром.До тех пор, пока данные не записаны или считаны,следует добавить время на переключение головок и на ожидание необходимого сектора.

Кэш-память на жестком диске

Как правило, на всех современных жестких дисках есть собственная оперативнаяпамять, называемая кэш-памятью (cache memory) или просто кэшем. Производители жестких дисков часто называют эту память буферной. Размер и структура кэша у фирм-производителей и для различных моделей жестких дисков существенно отличаются. Обычно кэш память используется как для записи данных так и для чтения, но на SCSI дисках иногда требуется принудительное разрешение кэширования записи, так обычно по умолчанию кэширование записи на диск для SCSI запрещено. Есть программы, позволяющие, определить, как установлены параметры кэш-памяти, например ASPIID от фирмы Seagate. Как это многим ни покажется странным, размер кэша не является определяющим для оценки эффективности его работы. Организация обмена данными с кэшем более важна для повышения быстродействия диска в целом.

Некоторые производители жестких дисков, такие как Quantum, используют часть кэша под свое программное обеспечение (для модели Quantum Fireball 1.3 Gb, например, под firmware занято 48 Kb из 128). Как нам кажется, более предпочтителен способ, используемый фирмой Western Digital. Для хранения firmware используются специально отведенные сектора на диске, невидимые для любых операционных систем. По включении питания эта программа загружается в обычную дешевую DRAM на диске и при этом отпадают затраты на микросхему флэш-памяти для хранения firmware. Такой способ позволяет легко исправлять встроенное программное обеспечение жесткого диска, что часто фирма Western Digital и делает.

Размещение данных на диске

О том, что конфигурация диска задается через количество цилиндров, головок и секторов на дорожке, все знают с начала эпохи PC. Хотя еще несколько лет тому назад точное указание в программе SETUP всех этих параметров диска было обязательным, сейчас это не так. Строго говоря, те параметры диска, которые вы видите в разделе SETUP Standart CMOS Setup, как правило, ничего общего не имеют с реальными параметрами диска, причем вы можете заметить, что эти параметры меняются в зависимости от вида трансляции геометрии диска -NormalLBA и LargeNormal - геометрия в соответствии с данной производителем в документации на диск. Не позволяет DOS увидеть более чем 504 Mb (1 Mb - 1048576 байт). LBA - Logical Block Address - эта установка позволяет видеть DOS до 4 Gb. Large используется такой операционной системой, как Unix. Параметры, установленные в SETUP, преобразуются в реальные логикой управления жестким диском. Многие современные операционные системы работают с диском через LBA, минуя BIOS.

Скорость обмена между процессором и диском

Существует несколько способов физического сохранения данных на жестком диске. Определить способ отображения данных на диске можно, только используя различные программы определения быстродействия диска (benchmark). В программу Winbench 97/98 включен High-end тест жесткого диска, где оцениваются не достаточно отвлеченные в настоящее время 2 параметра - скорость передачи данных и время доступа, а проверяется, для каких задач и для каких наиболее популярных программ, активно работающих с диском, диск наиболее пригоден. Этот тест можно получить на сервере фирмы Ziff-Davis.

Вертикальное" отображение

Обычные жесткие диски используют "вертикальное" отображение. Данные записываются сначала на одном цилиндре сверху вниз, затем головки переходят на другой цилиндр и т.д.

"Горизонтальное" отображение.

При "горизонтальном" отображении сначала данные записываются последовательно от цилиндра к цилиндру на поверхности одного диска, затем также на поверхности сдедующего диска и т.д. Такой способ лучше подходит для записи непрерывного высокоскоростного потока данных, например, при записи "живого" видео.

Комбинированный способ отображения, использующий как "вертикальный" так и "горизонтальный" способ.

При тестировании таких дисков видно, что чем дальше от начальных цилиндров, тем хуже параметры диска. Это связано с тем, что на внешних дорожках размещается больше секторов и считывание/запись выполняется быстрее.

В справедливости этого легко убедиться, запустив Winbench 97/98/99, выбрав сначала диск C для теста диска, а затем последний логический диск (желателен диск объемом не менее 1.6 Gb). Разница в оценке быстродействия диска для модели WD AC32500 составила 15%!

Реально диск разделен на зоны, в каждую из которых входит обычно от 20 до 30 цилиндров с одинаковым количеством секторов. Эти зоны также называются "notches".

Чем выше плотность записи на диск, тем выше будет скорость считывания с него. Именно поэтому при оценке параметров диска следует внимательно смотреть на внутреннюю скорость передачи данных. При прочих равных условиях, из двух накопителей равной емкости быстрее будет работать накопитель с меньшим количеством дисков.

Интерфейс (IDE или SCSI)

Сейчас фактически осталось только два действующих интерфейса: IDE (распространенный сейчас в варианте Enhanced IDE - EIDE) и SCSI. На любой материнской плате, выпущенной после 1996 года, можно обнаружить контроллер EIDE. Это, а также существенно более низкая стоимость IDE дисков по сравнению со SCSI объясняет значительное превосходство IDE дисков в количественном выражении над SCSI.

Каждый контроллер EIDE имеет два канала (primary - первичный и secondary - вторичный), к каждому из которых можно подключить до двух устройств (всего четыре). С интерфейсом IDE в настоящее время, кроме жестких дисков, выпускаются также приводы CD-ROM, накопители Iomega Zip, накопители на магнитной ленте. Интерфейс SCSI, как правило, требует отдельного контроллера, так как пока очень незначительное количество материнских плат выпускаются с контроллером SCSI. Сканеры, магнитооптические накопители, устройства записи для CD и т.п. выпускаются как с интерфейсом SCSI, так и с IDE. При принятии решения о покупке жесткого диска с тем или иным интерфейсом, следует учесть главное - если вам не требуется подключение нескольких жестких дисков, ваш компьютер не является сервером или мощной рабочей станцией, ресурсы которой доступны другим пользователям, SCSI диск НЕ ДАСТ НИКАКИХ ОЩУТИМЫХ ПРЕИМУЩЕСТВ по сравнению с EIDE диском. Это правило, естественно, справедливо для одинаковых по физическим характеристикам дисков. Выигрыш будет только в снижении нагрузки на центральный процессор за счет использования процессора SCSI контроллера. Интерфейс SCSI позволяет подключать до 7 устройств, а Wide SCSI до 14 устройств. Существуют также многоканальные SCSI контроллеры, позволяющие подключить и большее количество устройств.

Основной недостаток интерфейса EIDE - отсутствие "интеллекта". Если на одном канале подключены жесткий диск и накопитель CD-ROM, то в случае обращения к CD-ROM процессор будет ожидать завершения операций с CD-ROM, прежде чем сможет обратиться к жесткому диску. Поэтому очевидно, что нельзя к одному каналу EIDE подключать быстрое и медленное устройство одновременно. CD-ROM всегда следует подключать только ко второму каналу. Каналы EIDE в современных контроллерах EIDE, как правило, достаточно независимы друг от друга. Для повышения производительности EIDE были разработаны и стандартизованы режимы PIO (Programming Input Output - программируемый ввод/вывод), single word DMA (обмен одиночными словами в режиме DMA - Direct Memory Access - прямого доступа к памяти) и multi word DMA (обмен несколькими словами в режиме DMA).

SCSI интерфейс имеет несколько разновидностей, которые совместимы друг с другом (достаточно иметь пассивные переходники). 8 бит (50-ти контактный разъем) или 16 бит (68-и контактный разъем для Wide SCSI). Частота шины может быть 5 MHz (SCSI 1), 10 MHz (Fast SCSI), 20 MHz (Fast-20 or Ultra SCSI) or 40 MHz (Ultra-2 SCSI).

Сейчас стал активно внедряться стандарт Ultra2 SCSI LVD, являющийся разновидностью Ultra2 SCSI. Полное название стандарта - Ultra2 SCSI (LVD) Low Voltage Differential Parallel SCSI Interface, т.е. низковольтный дифференциальный параллельный SCSI интерфейс. Этот вариант SCSI существенно отличается от всех своих предшественников по двум параметрам:

  1. Скорость передачи увеличена до 80 MB/s
  2. Максимальная длина соединительного кабеля может достигать 12 метров

Кроме этого, к одному шлейфу можно подключить до 15 устройств. Обратная совместимость, как это принято для SCSI устройств, также выдерживается и устройство с Ultra2 SCSI LVD можно подключить к обычному контроллеру SCSI. С этим интерфейсом выпускаются только жесткие диски в вариантах с 68-контактным разъемом (Wide) и SCA.

Но и скорость в 80 MB/s, как оказалось, не является предельной на сегодняшний день. Уже начинает внедряться производителями как контроллеров, так и жестких дисков следующий вариант SCSI, называемый официально как SPI-3 (SCSI Parallel Interface - 3), неофициально Ultra160/m SCSI. Он разработан на базе Ultra2 SCSI LVD и отличается удвоенной скоростью передачи данных. Каким образом это достигнуто, видно из схематичной временной диаграммы.

ultra160diag.gif (1001 bytes)

По диаграмме ясно, что передача данных синхронизируется как по заднему, так и по переднему фронту сигнала ACK и, тем самым, скорость передачи удваивается по сравнению с Ultra2 SCSI LVD. На обычном SCSI (Ultra2) тактовая частота составляла 40 MHz, частота для данных 20 MHz и можно таким образом передать до 40 MBytes/s (так как за один цикл передается 2 байта), на Ultra2 SCSI LVD частота передачи данных была увеличена до 40 MHz и тем самым скорость обмена возросла до 80 MBytes/s.

Существенным отличием нового стандарта является только 32-х разрядный алгоритм CRC контроля передаваемых/принимаемых данных. Ранее в SCSI использовался только контроль по четности, да и его можно было легко отключить (что часто и делали) в BIOS SCSI контроллера. Новый алогоритм контроля позволяет обнаруживать ошибки в пакетах данных до 32-х бит длиной.

 

Максимально возможная скорость передачи данных для интерфейса SCSI и максимально допустимые длины кабелей

Частота шины SCSI

8 бит
(50-ти контактный разъем)

16 бит
(68-и контактный разъем, Wide SCSI)

Макс. скорость обмена

Макс. длина кабеля

Макс. скорость обмена

Макс. длина кабеля

5 MHz (SCSI 1)

5 MB/s

6 m

N/A*

-

10 MHz (Fast SCSI,
SCSI II)

10 MB/s

3 m

20 MBytes/s

3 m

20 MHz (Fast-20,
Ultra SCSI)

20 MB/s

1.5 m

40 MBytes/s

1.5 m

40 MHz (Ultra-2 SCSI) LVD

N/A

N/A

80 MBytes/s

12 m

40 MHz (Ultra3 SCSI) LVD

N/A

N/A

160 MBytes/s

12 m

*Примечание: N/A - режим отсутствует

 

С массово выпускаемыми в настоящее время жесткими дисками EIDE максимально возможная скорость обмена данными составляет 66.6 MByte/s для режима multi DMA mode 2. Поскольку собственно скорость обмена повышена за счет добавления возможности передачи данных как по переднему, так и по заднему фронту сигнала записи или чтения, совместимость как жестких дисков с UltraDMA/66 с обычным контроллером, так и контроллера UltraDMA/66 с обычным EIDE диском есть без каких-либо проблем.

Стандарты UltraDMA/33 и UltraDMA/66 отличается от предыдущих улучшений IDE не только скоростью обмена. Впервые в них используется механизм обнаружения ошибок с помощью CRC (циклический контрольный код). Это позволяет избежать ошибок при приеме/передаче данных, так как при получении данных с ошибкой пересылка данных повторяется снова.

Первой диски в стандарте UltraDMA/33 выпустила фирма Quantum - Fireball ST (это не удивительно, поскольку она вместе с Intel и явилась автором стандарта). При установке нового диска на компьютер, в случае появления сбоев в работе, следует понизить скорость работы жесткого диска, принудительно установив в SETUP меньший режим PIO. Мы сталкивались с таким явлением на дисках, выпущенных до 1997 года - хотя жесткий диск согласно его документации в mode 4 работать должен, но не работает устойчиво!

Все вновь выпускаемые жесткие диски с 1999 года поддерживают стандартUltraDMA/66, который уже стал фактически новым стандартом на интерфейс IDE жестких дисков.

Максимально возможная скорость передачи данных для интерфейса IDE
(он же ATA)

single word DMA 0

2.1 MByte/s

PIO mode 0

3.3 Mbyte/s

single word DMA 1, multi word DMA 0

4.2 MByte/s

PIO mode 1

5.2 MByte/s

PIO mode 2, single word DMA 2

8.3 MByte/s

Максимально возможная скорость передачи данных для интерфейса EIDE
(он же ATA-2)

PIO mode 3

11.1 MB/s

multi word DMA 1

13.3 MB/s

PIO mode 4, multi word DMA 2

16.6 MB/s

Максимально возможная скорость передачи данных для интерфейса Ultra-ATA (он же ATA-3)
(он же Ultra DMA/33)

multi word DMA 2

33.3 MB/s

Максимально возможная скорость передачи данных для интерфейса Ultra-ATA/66 (он же ATA-4)
(он же UltraDMA/66)

multi word DMA 2

66.6 MB/s

Реально максимальная скорость передачи данных для любого диска не превышает 10 MB/s, так как механические характеристики диска обойти невозможно. Большие значения скоростей относятся к работе с внутренним кэшем жесткого диска. Так как объем кэш-памяти для IDE дисков не превышает 2 MBytes, а объем кэш-памяти для SCSI дисков в большинстве случаев не более 4 MBytes, то скорость обмена данными не является определяющей при оценки производительности жестких дисков.

Интерфейс SCSI дает ощутимый выигрыш в основном только в многозадачной среде, когда несколько программ одновременно добиваются доступа к дискам и в случае необходимости достижения максимальной производительности дисковой подсистемы, так как пока только диски SCSI имеют скорость вращения 10000 об/мин и время доступа 7-8 mc.

Применение SCSI также оправдано при решениях задач, связанных как с высокой нагрузкой на диск так и с существенной загрузкой процессора, например, при обработки больших (по объему) изображений в Adobe Photoshop.

Стоимость высокоскоростных SCSI дисков в 2-3 раза выше лучших дисков IDE такой же емкости. Кроме этого, максимальная емкость SCSI дисков достигает 72 GBytes, в то время как емкость IDE дисков не превышает 36 GBytes. По планам производителей жестких дисков различия в физических параметрах жестких дисков IDE и SCSI будут уменьшаться и SCSI диски будут все более уходить в сферу специальных задач - на сервера и мощные рабочие станции.

Производительность

Оценка производительности диска - это достаточно сложная задача. Существуют десятки различных тестов, оценивающих тем или иным способом производительность дисковой подсистемы. В связи с тем, что наибольшую популярность сейчас получили многозадачные операционные системы, такие как Windows 95/98, Windows NT, OS/2, Lunix, SCO UNIX и т.п., старые тесты под MS-DOS (Norton Sysinfo, VSeek, Checkit, PC Bench...) уже не дают реального представления о качестве работы диска в многозадачных средах. Для оценки работы жесткого диска под Windows 95 или Windows NT, с нашей точки зрения, лучшим является Winbench 97/98/99 и аналогичные тесты тех же авторов, посколько с диском выполняются действия, максимально приближенные к реальным.

Файловые системы

Как уже сообщалось ранее, жесткие диски поступают с завода-изготовителя уже отформатированными. Все программы так называемого низкоуровнего форматирования на самом деле не выполняют физического форматирования жесткого диска, а только полностью уничтожают содержимое диска (что часто тоже требуется). Различные операционные системы же своими программами форматирования создают лишь ЛОГИЧЕСКУЮ структуру диска. В настоящее время наиболее распространены 4 файловые системы - FAT (MS-DOS, Windows 3.X, Windows 95/98), NTFS (Windows NT), FAT32 (Windows 95/98) и HPFS (OS/2).

FAT16

DOS, DOS 7.0 из Windows95 использует FAT для сохранения данных как на жестких дисках, так и гибких. В качестве одного элемента адресации на диске используется кластер, объединяющий несколько секторов. FAT исторически сама старая файловая система с 16-ти разрядной адресацией и максимально возможное количество кластеров на одном логическом диске не превышает 65536. Соответственно максимальный размер одного кластера 32 Kb, так как максимальный размер логического диска 2 Gb. Поэтому один из главных недостатков FAT - большой размер кластера. Дело в том, что при кластере 32 Kb файл с информацией в 1 байт займет на диске 32 Kb. Теоретически можно заполнить логический диск в 2 Gb 65536 файлами по 1 байту, хотя физически диск будет практически пустой. Поэтому при работе с DOS, Windows 95 или Windows NT под FAT рекомендуется разбивать диск на разделы, не превышающие 1 GBytes. Для разбиения/переразбиения диска можно воспользоваться известной программой Partition Magic.

Прочитано 6521 раз
Другие материалы в этой категории: « Как работает ЖК монитор

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

О нас

Любая компьютерная помощь, которую оказывает наш центр, начинается с бесплатного выезда мастера на место оказания помощи, включает бесплатную консультацию, гибкую систему скидок. Мы оказываем компьютерную помощь в выходные и праздники, используем только лицензионные программы. Компьютерная помощь осуществляется нашими специалистами грамотно и оперативно.

Контакты

С нами связаться очень просто. Можно по телефону или по адресу указанному ниже

  • Email : Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Адрес на карте