Hard disk: principiul de funcționare și principalele caracteristici. Cum funcționează un hard disk (HDD) de calculator?

Pagina 2 din 11

PARTEA I. Recuperarea fișierelor de pe hard disk

CAPITOLUL 1. CUM FUNCȚIONEAZĂ UN HARD DISK ȘI CUM SUNT STOCATE DATELE PE EL

Câteva despre designul hard diskului. Dispozitiv HDD partajat

Ce este un hard disk (strict vorbind, un hard disk)? Dacă nu ai avut ocazia să-l vezi, să spunem că din exterior arată ca un singur bloc metalic. În plus, este foarte durabil și complet etanș. Faptul este că tehnologia discului este atât de delicată încât chiar și cea mai mică particule străine care intră înăuntru poate perturba complet funcționarea acestuia. În plus, pentru a preveni o situație de criză, a fost plasat un filtru de curățare pe hard disk. Carcasa hard diskului servește și ca scut împotriva interferențelor electrice. De fapt, un hard disk este format din două părți principale - mecanică și electronică. Baza piesei mecanice este formată din plăci (discuri) având formă rotundă. De fapt, poate exista un singur disc. Totul depinde de capacitatea hard disk-ului ca întreg. Potrivit unei versiuni, hard disk-ul a primit numele „Winchester” datorită companiei care în 1973 a lansat hard disk-ul model 3340, care a combinat pentru prima dată platouri de disc și capete de citire într-o carcasă dintr-o singură piesă. La dezvoltarea acestuia, inginerii au folosit numele intern scurt „30-30”, ceea ce însemna două module (în configurația maximă) de 30 MB fiecare. Kenneth Houghton, managerul de proiect, în concordanță cu denumirea popularei puști de vânătoare „Winchester 30-30”, a propus să numească acest disc „Winchester”. În Europa și SUA, numele „Winchester” a căzut din uz în anii 1990, dar în limba rusă a fost păstrat și a primit statut semi-oficial, iar în argoul informatic a fost redus la cuvintele „vint” (cel mai versiune comună), „vinch” și „matură” . Indiferent de materialul folosit ca bază a discului, acesta este acoperit cu un strat subțire de substanță care poate reține magnetizarea reziduală după expunerea la un câmp magnetic extern. Acest strat se numește stratul de lucru sau magnetic și în el sunt stocate informațiile înregistrate. Cele mai comune tipuri de strat de lucru sunt:
OXID;
film subtire;
dublu antiferomagnetic (AFC)

În prezent, există hard disk-uri formate din patru sau mai multe platouri. Compoziția discurilor poate varia. Sunt realizate din aluminiu, sticlă sau ceramică. Ultimii doi compuși sunt mai practici, dar foarte scumpi și, prin urmare, sunt utilizați pentru a crea hard disk-uri „de elită”. După fabricare, plăcile sunt acoperite cu un strat de material feromagnetic. De la crearea primelor hard disk-uri, aici a fost folosit oxid de fier. Cu toate acestea, această substanță a avut un dezavantaj semnificativ. Discurile acoperite cu acest feromagnet au avut o rezistență redusă la uzură. În acest sens, majoritatea producătorilor folosesc în prezent crom cobalt ca acoperire pentru plăci. Rezistența la uzură a acestei substanțe este cu un ordin de mărime mai mare decât cea a feromagnetului care a fost folosit de ani de zile. În plus, această acoperire este mult mai subțire, deoarece este aplicată prin pulverizare, ceea ce crește semnificativ densitatea de înregistrare. Materialul feromagnetic este aplicat pe ambele părți ale discului, astfel încât datele vor fi, de asemenea, plasate pe ambele părți. Plăcile sunt așezate pe ax la aceeași distanță una de cealaltă, formând astfel un teanc de ele. Sub discuri se afla un motor care le roteste. Capetele de citire/scriere sunt situate pe ambele părți ale platourilor. Ele sunt proiectate astfel încât să se deplaseze de la marginea discului în centrul acestuia. Un motor special dedicat este responsabil pentru acest lucru. Electronica este o placă pe care sunt amplasate diverse elemente „necesare” pentru funcționarea hard disk-ului, precum procesor, program de control, RAM, amplificator de scriere/citire și altele. Fiecare parte a plăcii este împărțită în piste. Ei, la rândul lor, sunt împărțiți în sectoare. Toate pistele de același diametru pe toate suprafețele formează un cilindru. Hard disk-urile moderne au un „cilindru de inginerie”. Conține informații de service (modelul discului, numărul de serie etc.) destinate citirii ulterioare de către un computer.

Anterior, pentru ca discul să fie gata de utilizare, utilizatorul trebuia să efectueze așa-numita formatare de nivel scăzut. A existat chiar și un element corespunzător în BIOS. Acum această marcare se face imediat în timpul producției de hard disk. Faptul este că, cu formatarea la nivel scăzut, informațiile servo sunt înregistrate. Conține semne speciale care sunt necesare pentru a stabiliza viteza de rotație a axului, a căuta capete sectoarele necesare și, de asemenea, pentru a monitoriza poziția capetelor pe suprafața plăcilor. Dacă credeți că sectoarele „rele” de pe un hard disk apar doar în timpul funcționării, atunci vă înșelați. Orice hard disk nou creat are deja un bloc prost. Deci, cu formatarea de nivel scăzut, aceste blocuri sunt detectate și scrise într-un tabel special de reatribuire. Apoi, în timpul funcționării, controlerul de hard disk va înlocui unitățile defecte cu unele funcționale, care sunt rezervate special pentru astfel de scopuri în timpul producției. În hard disk-urile, datele sunt scrise și citite de capete universale de citire/scriere din cercuri concentrice de discuri magnetice rotative (piese) împărțite în sectoare de 512 octeți. O pistă este un „inel” de date pe o parte a discului. O pistă de înregistrare de pe un disc este prea mare pentru a fi folosită ca unitate de stocare. În multe unități, capacitatea sa depășește 100 de mii de octeți, iar alocarea unui astfel de bloc pentru a stoca un fișier mic este extrem de irosită. Prin urmare, piesele de pe disc sunt împărțite în secțiuni numerotate numite sectoare.

Cum funcționează un hard disk

Datorită specificității sale, în timpul funcționării hard disk-ului nu există un contact direct al capetelor magnetice cu suprafața plăcilor. Puteți spune altfel: contactul este „ca moartea”. Designul capetelor este creat astfel încât să vă permită să „planați” deasupra suprafeței plăcilor. Motorul rotește axul cu o astfel de viteză (până la 15.000 rpm) încât se creează un flux puternic de aer din discurile care se rotesc. Acest lucru creează un efect de pernă de aer. Distanța dintre capete și discuri este de o fracțiune de micron. Cu toate acestea, așa cum am menționat mai sus, contactul capetelor cu suprafața este inacceptabil. Dar există întreruperi de curent, spuneți. Da, desigur. Pentru acest caz a fost inventată așa-numita „zonă de parcare”. Și atunci când apare o situație în care viteza de rotație a axului scade sub limita admisă (în timpul funcționării normale sau în modul de urgență când alimentarea este oprită), care este monitorizată în mod constant de procesorul hard disk-ului, capetele sunt relegate chiar în această parcare zona. Zona este situată la axul propriu-zis, unde nu sunt înregistrate informații, astfel încât capetele magnetice se pot „întinde” cu ușurință pe suprafața discului. Cum este „pornit” hard disk-ul? Pe scurt, merge cam așa. De îndată ce hard disk-ul primește putere, procesorul său începe să testeze electronica și, dacă rezultatul este pozitiv, pornește motorul care rotește platourile. Pe măsură ce viteza de rotație crește, se obține un efect de pernă de aer, care ridică capetele magnetice din zona de parcare. Când viteza atinge valoarea cerută, capetele părăsesc zona de parcare și, folosind controlerul, „căută” servo pentru a stabiliza viteza de rotație. Apoi sectoarele „proaste” sunt reatribuite, precum și poziționarea capului este verificată. Dacă munca efectuată este pozitivă, controlerul hard diskului intră în modul de funcționare. Desigur, procesul mecanic al unui hard disk este mai profund atunci când este examinat mai detaliat, dar nu ne propunem să-l descriem în detaliu. Principalul lucru este că înțelegeți principiile de bază ale mecanismului de interacțiune a capetelor cu plăcile. Dacă cineva este interesat de detaliile acestui proces, atunci a fost creată o cantitate imensă de materiale pe acest subiect. Și vom trece la o altă parte a fluxului de lucru pe hard disk - tehnologia de citire/scriere a datelor.

Tehnologii pentru citirea/scrierea datelor pe un hard disk

Citirea/scrierea informațiilor pe disc are loc cu ajutorul capetelor magnetice, al căror principiu de mișcare a fost discutat mai sus. Dacă mai aveți un magnetofon vechi bun, atunci metoda de înregistrare/citire a sunetului pe/de pe o bandă magnetică este identică cu cea pe care o luăm în considerare. Datele sunt transformate în curent electric alternativ, care este furnizat capului magnetic, după care sunt transformate într-un câmp magnetic, cu ajutorul căruia sunt magnetizate zonele dorite ale discului magnetic. Știm deja că platourile de hard disk sunt acoperite cu un strat feromagnetic. O zonă selectată separat a acestei acoperiri poate fi magnetizată într-unul din două moduri posibile. Magnetizarea într-un fel va însemna zero, în alt fel - unu. Această zonă magnetizată separat se numește domeniu. Este un mini-magnet cu o orientare specifică a polilor sud și nord. Prin influențarea unui anumit domeniu cu un câmp magnetic extern (cap magnetic), va accepta această corespondență. Când influența câmpului extern încetează, la suprafață apar zone de magnetizare reziduală. Ele înseamnă informații stocate pe disc. Aș dori să remarc că densitatea de înregistrare a datelor, adică capacitatea discului în sine, depinde de dimensiunea domeniului. De multă vreme se cunosc două tehnologii de înregistrare a informațiilor pe un hard disk: paralel și perpendicular. Deși a doua metodă de înregistrare este mai productivă, este puțin mai complexă din punct de vedere al rezoluției tehnologice. Prin urmare, producătorii au folosit și au îmbunătățit metoda paralelă până când aceasta a atins limita fizică. Dacă descriem pe scurt tehnologia înregistrării paralele, atunci aceasta este după cum urmează. Magnetizarea domeniilor este paralelă cu planul discului. Toată lumea, probabil, s-a jucat cu magneții în copilărie și, prin urmare, știe că se vor atrage unul pe celălalt atunci când sunt întoarse unul spre celălalt cu poli diferiți (albastru și roșu). Și invers, dacă încercați să le apăsați împreună cu părțile de aceeași culoare, atunci o astfel de încercare nu va fi niciodată încununată cu succes. Deci, atunci când se folosește această tehnologie, un câmp rătăcit apare la granițele domeniilor învecinate, luând energia câmpurilor lor magnetice. Ca urmare, particulele exterioare ale domeniilor devin mai puțin stabile, iar influența fluctuațiilor termice asupra ordinii sale magnetice crește. Când se utilizează tehnologia de înregistrare perpendiculară, magnetizarea domeniilor este situată la un unghi de 90° față de planul plăcii. Datorită acestui fapt, efectul de repulsie a domeniilor unipolare vecine dispare, deoarece în acest aranjament particulele magnetizate sunt întoarse unele către altele cu poli diferiți. Acest lucru reduce dimensiunea spațiului inter-domeniu în comparație cu tehnologia de înregistrare paralelă, care crește și capacitatea hard disk-urilor. Cu toate acestea, această metodă de înregistrare necesită utilizarea unei compoziții mai complexe a stratului magnetic. Sub stratul protector subțire se află un strat de înregistrare format dintr-un aliaj oxidat de cobalt, platină și crom. Substratul este format din două straturi de compoziție chimică complexă, numite straturi cuplate antiferomagnetic. Ele fac posibilă eliminarea tensiunilor câmpului magnetic intern. În plus, înregistrarea perpendiculară necesită utilizarea altor etichete magnetice care pot genera un câmp magnetic mai puternic.Densitatea înregistrării perpendiculare este de 500 Gbit/in2. Acest lucru va permite producerea de hard disk-uri cu o capacitate de câțiva terabytes. Cu toate acestea, știința nu stă pe loc, iar dezvoltarea noilor tehnologii este deja în plină desfășurare. Unul dintre ele se numește HAMR (Heat Assistant Magnetic Recording). Această tehnologie este un succesor al înregistrării perpendiculare și are ca scop îmbunătățirea acesteia. În acest caz, înregistrarea are loc cu preîncălzire folosind un laser. Încălzirea are loc într-o picosecundă, temperatura atingând 100 °C. În acest caz, particulele magnetice ale domeniului primesc mai multă energie, astfel încât atunci când se generează un câmp, nu este necesară o intensitate mare. Iar energia ridicată asigură o stabilitate sporită a informațiilor înregistrate. Din nou, utilizarea acestei tehnologii este imposibilă fără utilizarea materialelor cu un nivel ridicat de anizotropie. Cu toate acestea, aliajele potrivite pentru acest scop sunt prea scumpe. În plus, înregistrarea termomagnetică va necesita două capete separate. De asemenea, trebuie să aveți grijă de cum să eliminați căldura de pe discuri. Dar totuși, o motivație uriașă pentru utilizarea înregistrării termomagnetice este faptul că această tehnologie vă permite să obțineți o densitate de înregistrare de până la 1 Tbit/in2.

Cum sunt stocate datele pe un hard disk

Cea mai mică unitate de informație pe care funcționează sistemul de management al hard diskului se numește sector. În marea majoritate a mass-media moderne, un sector este egal cu 512 octeți. Sistemul de adresare a sectorului utilizat în prezent se numește LBA (Logica bloc adresare). În același timp, pentru discuri de capacitate mică sau în scopul compatibilității cu echipamente mai vechi, se poate utiliza sistemul de adresare CHS. Abrevierea CHS înseamnă Cylinder, Head, Sector - cilindru, cap, sector. Din nume, semnificația acestui tip de adresare este clară, deoarece este legată de părți ale dispozitivului hard disk. Avantajul LBA față de CHS este că al doilea are o limitare a numărului maxim de sectoare adresabile, în termeni cantitativi egal cu 8,4 gigabytes, LB A nu are această limitare. Primul sector al hard diskului (sau mai degrabă, zero) se numește MBR (Master Boot Record), sau master boot record. La începutul acestui sector există un cod în care sistemul de bază de intrare/ieșire al computerului transferă controlul la pornire. Acest cod transferă ulterior controlul către încărcătorul sistemului de operare. Tot în sectorul 0 se află și tabelul de partiții ale hard diskului. O secțiune reprezintă o gamă specifică de sectoare. O înregistrare despre partiție este introdusă în tabel, cu numărul sectorului său de pornire și dimensiunea. Pot exista un total de patru astfel de intrări în tabelul de partiții. Partiția a cărei intrare se află în tabelul de partiții al sectorului zero se numește primară. Datorită limitărilor menționate mai sus, pe un disc pot exista maximum patru astfel de partiții. Unele sisteme de operare sunt instalate numai pe volume primare. Dacă este necesar să folosiți mai multe partiții, o intrare despre partiția extinsă este introdusă în tabel. Acest tip de partiție este un container în care sunt create partiții logice. Poate exista un număr nelimitat de volume logice, cu toate acestea, în sistemele de operare Windows, numărul de volume conectate simultan este limitat de numărul de litere ale alfabetului latin. Aceste trei tipuri de partiții au cel mai larg AP, suport printre marea majoritate a sistemelor de operare și cea mai mare distribuție. De fapt, acasă sau la scara computerelor client ale organizațiilor, acestea sunt tipurile de partiții care se găsesc. Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că tipurile de partiții sunt limitate la aceste trei tipuri. Există un număr mare de partiții specializate, dar folosesc și volume primare ca containere. O partiție este doar spațiu alocat pe un disc; Pentru a stoca orice informație în ea pentru a organiza structura de stocare a datelor, trebuie creat un sistem de fișiere. Acest proces se numește formatarea partiției. Există foarte multe tipuri de sisteme de fișiere; sistemele de operare Windows folosesc FAT/NTFS; sistemele de operare bazate pe nucleul Linux utilizează Ext2/3FS, ReiserFS și Swap. Există multe utilitare pentru accesul pe mai multe platforme la diferite sisteme de fișiere din sistemele de operare care nu le suportă nativ (de exemplu, oferind posibilitatea de a accesa partițiile Linux din Windows și invers). Unele sisteme de fișiere, cum ar fi FAT/NTFS, operează pe structuri de date mai mari de pe hard disk numite clustere. Un cluster poate include un număr arbitrar de sectoare. Manipularea dimensiunii clusterului aduce beneficii suplimentare performanței sistemului de fișiere sau consumului de spațiu liber. Astfel, se obține următoarea structură logică de stocare a datelor: hard disk-ul este împărțit în partiții (informațiile despre această partiție sunt stocate în așa-numita înregistrare master boot) - sunt denumite C:, D:, E: etc., pentru fiecare Sistemul de fișiere este instalat pe partiție (ca urmare a formatării partiției). Sistemul de fișiere conține informații despre modul în care spațiul unei partiții (disc logic) este delimitat și unde se află fișierele pe ea. Ei bine, atunci partiția stochează fișiere care sunt împărțite într-un anumit număr de clustere, ocupând fizic un anumit număr de sectoare în care sunt împărțite piesele de pe hard disk. Sistemul de fișiere atribuie propriile adrese tuturor sectoarelor, apoi își stochează fișierele la aceste adrese, înregistrând în tabelul său adresele clusterelor (intervalele de clustere) aparținând anumitor fișiere.

Stocarea informațiilor pe hard disk

Partea 1

1. Introducere

Majoritatea utilizatorilor, atunci când răspund la întrebarea ce este în unitatea lor de sistem, menționează, printre altele, hard disk-ul. Hard disk-ul este dispozitivul pe care datele dvs. sunt cel mai des stocate. Există o legendă care explică de ce hard disk-urile au un nume atât de elegant. Primul hard disk, lansat în America la începutul anilor 70, avea o capacitate de 30 MB de informații pe fiecare suprafață de lucru. În același timp, pușca cu repetare a lui O. F. Winchester, cunoscută pe scară largă în America, avea un calibru de 0,30; Poate că primul hard disk a bubuit ca o mitralieră în timpul funcționării sale sau a mirosea a praf de pușcă - nu știu, dar de atunci au început să numească hard disk-uri hard disk.

În timpul funcționării computerului, apar defecțiuni. Viruși, întreruperi de curent, erori de software - toate acestea pot cauza deteriorarea informațiilor stocate pe hard disk. Deteriorarea informațiilor nu înseamnă întotdeauna pierderea acesteia, așa că este util să știți cum sunt stocate pe hard disk, pentru că apoi pot fi restaurate. Apoi, de exemplu, dacă zona de pornire este deteriorată de un virus, nu este deloc necesar să formatați întregul disc (!), dar, după ce ați restaurat spațiul deteriorat, continuați funcționarea normală, păstrând toate datele dumneavoastră neprețuite.

Pe de o parte, în timpul scrierii acestui articol, mi-am propus să vă spun:

1. despre principiile înregistrării informațiilor pe un hard disk;
2. despre plasarea și încărcarea sistemului de operare;
3. despre cum să împărțiți corect noul hard disk în partiții pentru a utiliza mai multe sisteme de operare.

Pe de altă parte, vreau să pregătesc cititorul pentru al doilea articol, în care voi vorbi despre programe numite boot managers. Pentru a înțelege cum funcționează aceste programe, trebuie să aveți cunoștințe de bază despre lucruri precum MBR, partiții etc.

Destul de cuvinte generale - să începem.

2. Dispozitiv hard disk

Un hard disk (HDD - Hard Disk Drive) este proiectat astfel: pe un ax conectat la un motor electric, se află un bloc de mai multe discuri (clatite), deasupra suprafeței cărora se află capete pentru citirea/scrierea informațiilor. Capetele au forma unei aripi și sunt atașate de o lesă în formă de semilună. În timpul funcționării, ele „zboară” peste suprafața discurilor în fluxul de aer care este creat atunci când aceleași discuri se rotesc. Evident, forța de ridicare depinde de presiunea aerului pe capete. La rândul său, depinde de presiunea atmosferică externă. Prin urmare, unii producători indică un plafon maxim de funcționare (de exemplu, 3000 m) în specificațiile pentru dispozitivele lor. De ce nu un avion? Discul este împărțit în piste (sau piese), care la rândul lor sunt împărțite în sectoare. Două piste echidistante de centru dar situate pe părți opuse ale discului se numesc cilindri.

3. Stocarea informațiilor

Un hard disk, ca orice alt dispozitiv bloc, stochează informații în porțiuni fixe numite blocuri. Un bloc este cea mai mică bucată de date care are o adresă unică pe hard disk. Pentru a citi sau scrie informațiile necesare în locația dorită, este necesar să furnizați adresa blocului ca parametru al comenzii emise controlerului de hard disk. Dimensiunea blocului a fost mult timp standard pentru toate hard disk-urile - 512 octeți.

Din păcate, destul de des există o confuzie între concepte precum „sector”, „cluster” și „bloc”. De fapt, nu există nicio diferență între un „bloc” și un „sector”. Adevărat, un concept este logic, iar al doilea este topologic. Un „cluster” reprezintă mai multe sectoare considerate de sistemul de operare ca un întreg. De ce nu ai abandonat munca simplă cu sectoare? Voi raspunde. Mutarea la clustere a avut loc deoarece dimensiunea tabelului FAT era limitată și dimensiunea discului creștea. În cazul FAT16, pentru un disc de 512 MB, clusterul va fi de 8 KB, până la 1 GB - 16 KB, până la 2 GB - 32 KB și așa mai departe.

Pentru a adresa unic un bloc de date, trebuie să specificați toate cele trei numere (numărul cilindrului, numărul sectorului de pe pistă, numărul capului). Această metodă de adresare a discurilor a fost răspândită și a fost ulterior desemnată prin abrevierea CHS (cilindru, cap, sector). Această metodă a fost implementată inițial în BIOS, așa că au apărut ulterior limitările asociate acesteia. Cert este că BIOS-ul a definit o grilă de adrese de biți din 63 de sectoare, 1024 de cilindri și 255 de capete. Cu toate acestea, dezvoltarea hard disk-urilor la acel moment era limitată la utilizarea a doar 16 capete din cauza complexității producției. Aici a apărut prima limitare a capacității maxime permise de hard disk pentru adresare: 1024 × 16 × 63 × 512 = 504 MB.

De-a lungul timpului, producătorii au început să producă HDD-uri mai mari. În consecință, numărul de cilindri de pe aceștia a depășit 1024, numărul maxim admis de cilindri (din punctul de vedere al vechiului BIOS). Cu toate acestea, partea adresabilă a discului a continuat să fie de 504 MB, cu condiția ca discul să fie accesat folosind BIOS-ul. Această limitare a fost în cele din urmă eliminată prin introducerea așa-numitului mecanism de traducere a adresei, care este discutat mai jos.

Problemele care au apărut cu limitările BIOS-ului în ceea ce privește geometria fizică a discurilor au dus în cele din urmă la apariția unui nou mod de a aborda blocurile de pe disc. Această metodă este destul de simplă. Blocurile de pe un disc sunt descrise de un parametru - adresa liniară a blocului. Adresarea discului a primit liniar abrevierea LBA (adresare bloc logic). Adresa liniară a unui bloc este asociată în mod unic cu adresa sa CHS:

lba = (cyl*CAPE + cap)*SECTOARE + (sector-1);

Introducerea suportului pentru adresarea liniară în controlerele de hard disk a făcut posibil ca BIOS-urile să se angajeze în traducerea adresei. Esența acestei metode este că, dacă creșteți parametrul HEADS în formula de mai sus, atunci vor fi necesari mai puțini cilindri pentru a aborda același lucru. număr de blocuri de discuri.Dar apoi vor fi necesare mai multe capete.Cu toate acestea, au fost folosite doar 16 capete din 255. Prin urmare, BIOS-urile au început să transfere cilindrii în exces în capete, reducând numărul unora și crescând numărul altora. Acest lucru le-a permis să utilizeze întreaga rețea de descărcare a capetelor. Acest lucru a împins limita spațiului pe disc adresabil de BIOS la 8 GB.

Este imposibil să nu spui câteva cuvinte despre Modul Mare. Acest mod de operare este conceput pentru a opera hard disk-uri de până la 1 GB. În modul mare, numărul de capete logice crește la 32, iar numărul de cilindri logici se reduce la jumătate. În acest caz, accesele la capete logice 0..F sunt translate în cilindri fizici pari, iar accesele la capete 10..1F sunt translate în cele impare. Un hard disk partiționat în modul LBA este incompatibil cu modul Large și invers.

Creșterea suplimentară a capacității discului adresabil folosind serviciile BIOS anterioare a devenit fundamental imposibilă. Într-adevăr, toți parametrii sunt utilizați la „bara” maximă (63 de sectoare, 1024 de cilindri și 255 de capete). Apoi a fost dezvoltată o nouă interfață BIOS extinsă, ținând cont de posibilitatea unor adrese de bloc foarte mari. Cu toate acestea, această interfață nu mai este compatibilă cu cea veche, drept urmare sistemele de operare mai vechi, precum DOS, care folosesc interfețe vechi BIOS, nu au putut și nu vor putea depăși limita de 8GB. Aproape toate sistemele moderne nu mai folosesc BIOS-ul, ci folosesc propriile drivere pentru a lucra cu discuri.De aceea, această restricție nu se aplică acestora.Dar trebuie să se înțeleagă că înainte ca sistemul să-și poată folosi propriul driver, trebuie cel puțin să se încarce Prin urmare, în etapa inițială de pornire, orice sistem este forțat să utilizeze BIOS-ul. Acest lucru provoacă restricții privind plasarea multor sisteme peste 8 GB; acestea nu pot porni de acolo, dar pot citi și scrie informații (de exemplu, DOS care funcționează cu discul prin BIOS).

4. Secțiuni sau Partiții

Să trecem acum la plasarea sistemelor de operare pe hard disk. Pentru a organiza sistemele, spațiul de adrese de disc al blocurilor este împărțit în părți numite partiții. Partițiile sunt exact ca un întreg disc, deoarece sunt alcătuite din blocuri învecinate. Datorită acestei organizări, pentru a descrie o secțiune, este suficient să indicați începutul secțiunii și lungimea acesteia în blocuri. Un hard disk poate conține patru partiții primare.

Când computerul pornește, BIOS-ul încarcă primul sector al partiției cap (sectorul de pornire) la adresa 0000h:7C00h și îi transferă controlul. La începutul acestui sector există un bootloader (codul de pornire) care citește tabelul de partiții și determină partiția bootabilă (activă). Și apoi totul se repetă. Adică, încarcă sectorul de boot al acestei partiții la aceeași adresă și îi transferă din nou controlul.

Secțiunile sunt containere pentru tot conținutul lor. Acest conținut este de obicei un sistem de fișiere. Din punct de vedere al discului, un sistem de fișiere se referă la un sistem de marcare a blocurilor pentru stocarea fișierelor. Odată ce un sistem de fișiere a fost creat pe partiție și fișierele sistemului de operare sunt localizate pe acesta, partiția poate deveni bootabilă. Partiția bootabilă are în primul său bloc un mic program care încarcă sistemul de operare. Cu toate acestea, pentru a porni un anumit sistem, trebuie să lansați în mod explicit programul său de pornire din primul bloc. Cum se întâmplă acest lucru va fi discutat mai jos.

Partițiile cu sisteme de fișiere nu trebuie să se suprapună. Acest lucru se datorează faptului că două sisteme de fișiere diferite au fiecare propria idee despre locul în care sunt plasate fișierele, dar atunci când acea plasare cade pe același spațiu pe disc fizic, apare un conflict între sistemele de fișiere. Acest conflict nu apare imediat, ci doar pe măsură ce fișierele încep să fie localizate în locul de pe disc unde se intersectează partițiile. Prin urmare, ar trebui să fiți atenți la împărțirea discului în partiții.

Intersecția secțiunilor în sine nu este periculoasă. Este periculos să plasați mai multe sisteme de fișiere pe partiții suprapuse. Partiționarea unui disc nu înseamnă crearea de sisteme de fișiere. Cu toate acestea, însăși încercarea de a crea un sistem de fișiere gol (adică formatare) pe una dintre partițiile care se intersectează poate duce la erori în sistemul de fișiere al celeilalte partiții. Toate cele de mai sus se aplică în mod egal tuturor sistemelor de operare și nu doar celor mai populare.

Discul este partiționat programatic. Adică, puteți crea o configurație de partiție arbitrară. Informațiile despre partiționarea discului sunt stocate în primul bloc al hard diskului, numit Master Boot Record (MBR).

5.MBR

MBR este facilitatea principală de pornire pe hard disk suportată de BIOS. Pentru claritate, să prezentăm conținutul zonei de încălcare sub forma unei diagrame:

Tot ceea ce este situat la offset 01BEh-01FDh se numește tabel de partiții. Puteți vedea că are patru secțiuni. Doar una dintre cele patru partiții are dreptul de a fi marcată ca activă, ceea ce va însemna că programul de pornire trebuie să încarce primul sector al acelei partiții în memorie și să transfere controlul acolo. Ultimii doi octeți ai MBR trebuie să conțină numărul 0xAA55. Pe baza prezenței acestei semnături, BIOS-ul verifică dacă primul bloc a fost încărcat cu succes. Această semnătură nu a fost aleasă întâmplător. Un test de succes al acestui lucru va stabili că toate liniile de date pot conține atât zerouri, cât și unu.

Programul de pornire caută prin tabelul de partiții, îl selectează pe cel activ, încarcă primul bloc al acestei partiții și transferă controlul acolo.

Să vedem cum funcționează descriptorul de secțiune:

* 0001h-0003h începere tronson
** 0005h-0007h sfârşitul secţiunii

Din punct de vedere al partițiilor de disc, MS-DOS a fost și rămâne cel mai popular până de curând. Preia două dintre cele patru partiții: partiția DOS primară, partiția DOS extinsă. Prima dintre ele, (principală) este o unitate obișnuită DOS C:. Al doilea este un container de unități logice. Toate stau acolo sub forma unui lanț de subpartiții, care se numesc: D:, E:, ... Unitățile logice pot avea și alte sisteme de fișiere străine decât sistemul de fișiere DOS. Cu toate acestea, de regulă, caracterul străin al sistemului de fișiere se datorează prezenței unui alt sistem de operare, care, în general, ar trebui să fie plasat în propria sa partiție (nu DOS extins), dar tabelul de partiții este adesea prea mic pentru astfel de trucuri.

Să remarcăm încă o circumstanță importantă. Când DOS este instalat pe un hard disk gol, nu există alternative în alegerea sistemelor de operare la pornire. Prin urmare, bootloader-ul arată foarte primitiv; nu trebuie să întrebe utilizatorul ce sistem vrea să pornească. Din dorința de a avea mai multe sisteme deodată, este nevoie de a crea un program care să vă permită să selectați un sistem pentru pornire.

6. Concluzie

Sper că am putut să vă ofer informații de bază suficient de clare și detaliate despre dispozitivul hard disk, MBR și PT. În opinia mea, un astfel de set de cunoștințe este suficient pentru „reparații” minore ale stocării informațiilor. În următorul articol vă voi povesti despre programele numite Boot Manager și despre principiile funcționării acestora.

Vă mulțumesc foarte mult pentru ajutorul acordat lui Vladimir Dashevsky

Există două metode principale de înregistrare utilizate: metoda modulării în frecvență (FM) și metoda FM modificată. În controlerul (adaptorul) unității cu float, datele sunt procesate în cod binar și transmise unității cu float în cod serial.

Metoda frecvenței modulația este cu dublă frecvență. La înregistrarea la începutul intervalului de ceas, curentul din MG este comutat și direcția magnetizării suprafeței se schimbă. Comutatorul de curent de scriere marchează începutul ceasului de scriere și este utilizat în timpul citirii pentru a genera semnale de sincronizare.

Metoda are proprietatea auto-sincronizare. Când scrieți un „1” la mijlocul intervalului de ceas, curentul este inversat, dar când scrieți un „0” nu. La citirea în momentele de la mijlocul intervalului de ceas, se determină prezența unui semnal de polaritate arbitrară.

Prezența unui semnal în acest moment corespunde cu „1”, iar absența - „0”.

Format pentru înregistrarea informațiilor pe o dischetă

Fiecare piesă de pe o dischetă este împărțită în sectoare. Dimensiunea sectorului este principala caracteristică a formatului și determină cea mai mică cantitate de date care poate fi scrisă printr-o singură operație I/O. Formatele utilizate în NGMD diferă în ceea ce privește numărul de sectoare pe pistă și volumul unui sector. Numărul maxim de sectoare pe pistă este determinat de sistemul de operare. Sectoarele sunt separate unele de altele prin intervale în care informațiile nu sunt înregistrate. Produsul dintre numărul de piste cu numărul de sectoare și numărul de laturi ale unei dischete determină capacitatea sa de informații.

Fiecare sector include un câmp de informații despre servicii și un câmp de date. Marcator de adresă- acesta este un cod special care este diferit de date și indică începutul unui sector sau câmp de date. Numărul capului indică unul dintre cele două MG-uri situate pe laturile corespunzătoare ale dischetei. Numărul sectorului- acesta este codul logic al sectorului, care poate să nu coincidă cu numărul său fizic. Lungimea sectorului indică dimensiunea câmpului de date. Octeți de control destinat

Timp mediu de acces la disc în milisecunde este estimat prin următoarea expresie: unde este numărul de piste de pe suprafața de lucru a GMD; - timpul deplasării MG-ului de pe pistă la pistă; - timpul de aşezare al sistemului de poziţionare.

Design de dischetă

Unitate de hard disk (HDD)

Disc magnetic dur este o placă metalică rotundă de 1,5..2mm grosime, acoperită cu un strat feromagnetic și un strat protector special. Ambele suprafețe ale discului sunt folosite pentru scriere și citire.

Principiul de funcționare

În hard disk-urile, datele sunt scrise și citite de capete universale de citire/scriere de pe suprafața discurilor magnetice rotative, împărțite în piste și sectoare (512 octeți fiecare).

Majoritatea unităților au două sau trei discuri (permițând înregistrarea pe patru sau șase părți), dar există și dispozitive care conțin până la 11 sau mai multe discuri. Șenile de același tip (localizate identic) pe toate părțile discurilor sunt combinate într-un cilindru. Fiecare parte a discului are propria pista de citire/scriere, dar toate capetele sunt montate pe o tijă comună, sau rack. Prin urmare, capetele nu se pot mișca independent unele de altele și se mișcă doar sincron.

Viteza de rotație a HDD-urilor la primele modele a fost de 3.600 rpm (adică de 10 ori mai mult decât într-o unitate de dischetă), în prezent viteza de rotație a hard disk-urilor a crescut la 5.400, 5.600, 6.400, 7.200, 10.000 și chiar 15.000 rpm.

În timpul funcționării normale a unui hard disk, capetele de citire/scriere nu ating (și nu ar trebui să atingă!) discurile. Dar când alimentarea este oprită și discurile se opresc, ele se scufundă la suprafață. În timpul funcționării dispozitivului, între cap și suprafața discului rotativ se formează un spațiu de aer foarte mic (pernă de aer). Dacă o fărâmă de praf intră în acest spațiu sau are loc un șoc, capul se va „ciobi” cu discul. Consecințele acestui lucru pot fi diferite - de la pierderea mai multor octeți de date până la defecțiunea întregii unități. Prin urmare, în majoritatea unităților, suprafețele discurilor magnetice sunt aliate și acoperite cu lubrifianți speciali, ceea ce permite dispozitivelor să reziste la „decolări” și „aterizări” zilnice ale capetelor, precum și la șocuri mai grave.

Unele unități mai moderne folosesc un mecanism de încărcare/descărcare în loc de design CSS (Contact Start Stop), care împiedică capetele să intre în contact cu hard disk-urile chiar și atunci când alimentarea unității este oprită. Mecanismul de încărcare/descărcare folosește un panou înclinat situat direct deasupra suprafeței exterioare a hard disk-ului. Când unitatea este oprită sau în modul de economisire a energiei, capetele se deplasează la acest panou. Când este furnizată energie, capetele sunt deblocate numai când viteza de rotație a hard disk-urilor atinge valoarea necesară. Fluxul de aer creat la rotirea discurilor (lagăr aerostatic) evită posibilul contact între cap și suprafața hard diskului.

Deoarece pachetele de discuri magnetice sunt conținute în carcase închise ermetic și nu pot fi reparate, densitatea piesei pe acestea este foarte mare - până la 96.000 sau mai mult pe inch (Hitachi Travelstar 80GH). Blocurile HDA (Head Disk Assembly - un bloc de capete și discuri) sunt asamblate în ateliere speciale, în condiții de sterilitate aproape completă. Există doar câteva companii care deservesc HDA-uri, așa că repararea sau înlocuirea oricăror piese din interiorul unității HDA etanșe este foarte costisitoare.

Metoda de scriere a datelor pe un disc magnetic dur

Pentru a scrie într-un LMD, sunt utilizate metodele FM, modulația de frecvență modificată (MFM) și RLL, în care fiecare octet de date este convertit într-un cod de 16 biți.

Cu metoda MFM, densitatea de înregistrare a datelor se dublează în comparație cu metoda FM. Dacă bitul de date care este scris este unul, atunci bitul de ceas care îl precede nu este scris. Dacă este scris un „0”, iar bitul anterior a fost un „1”, atunci nici semnalul de ceas nu este scris, ca bitul de date. Dacă există un bit „0” înainte de „0”, atunci semnalul de ceas este înregistrat.

Piese și sectoare

Urmări- acesta este un „inel” de date pe o parte a discului. Piesele de pe un disc sunt împărțite în secțiuni numerotate numite sectoare.

Numărul de sectoare poate varia în funcție de densitatea pistei și tipul de unitate. De exemplu, o pistă de dischetă poate conține de la 8 la 36 de sectoare, iar o pistă de hard disk poate conține de la 380 la 700. Sectoarele create folosind programe de formatare standard au o capacitate de 512 octeți.

Numerotarea sectoarelor de pe o pistă începe de la unu, spre deosebire de capete și cilindri, care se numără de la zero.

La formatarea unui disc, sunt create zone suplimentare la începutul și la sfârșitul fiecărui sector pentru a-și înregistra numerele, precum și alte informații de serviciu, datorită cărora controlerul identifică începutul și sfârșitul sectorului. Acest lucru vă permite să distingeți între capacitatea discului neformatat și formatat. După formatare, capacitatea discului scade.

La începutul fiecărui sector este scris antetul (sau prefixul). porţiune), care determină începutul și numărul sectorului, iar la sfârșit - concluzia (sau sufix - sufix porţiune), care conține suma de control ( suma de control), necesare pentru verificarea integrității datelor.

Formatarea la nivel scăzut a hard disk-urilor moderne este efectuată din fabrică; producătorul specifică doar capacitatea de format a unității. Fiecare sector poate stoca 512 octeți de date, dar zona de date este doar o parte a sectorului. Fiecare sector de pe un disc ocupă de obicei 571 de octeți, dintre care doar 512 de octeți sunt alocați pentru date.

Pentru a șterge sectoarele, le sunt adesea scrise secvențe speciale de octeți. Prefixe, sufixe și spații- spațiu, care este diferența dintre capacitățile neformatate și formatate ale discului și se „pierde” după formatare.

Procesul de formatare la nivel scăzut determină schimbarea numerotării sectoarelor, determinând ca sectoarele de pe pistele adiacente care au același număr să fie decalate unele de altele. De exemplu, sectorul 9 al unei căi este adiacent cu sectorul 8 al următoarei căi, care, la rândul său, este situat unul lângă altul cu sectorul 7 al următoarei căi și așa mai departe. Valoarea optimă a deplasării este determinată de raportul dintre viteza de rotație a discului și viteza radială a capului.

ID sector constă din câmpuri pentru înregistrarea numerelor de cilindru, cap și sector, precum și un câmp de control CRC pentru a verifica acuratețea citirii informațiilor de identificare. Majoritatea controlerelor folosesc al șaptelea bit din câmpul numărului de cap pentru a marca sectoarele proaste în timpul formatării la nivel scăzut sau analizei suprafeței.

Interval de înregistrare urmează imediat octeții CRC; se asigură că informațiile din zona de date următoare sunt scrise corect. De asemenea, servește la completarea analizei CRC (sumă de control) a ID-ului sectorului.

Câmpul de date poate stoca 512 octeți de informații. În spatele acestuia se află un alt câmp CRC pentru a verifica dacă datele au fost scrise corect. Pe majoritatea unităților, acest câmp are o dimensiune de doi octeți, dar unele controlere pot gestiona câmpuri mai lungi de coduri de corectare a erorilor ( Cod de corectare a erorilor - ECC). Octeții codului de corectare a erorilor scriși în acest câmp permit detectarea și corectarea unor erori la citire. Eficacitatea acestei operațiuni depinde de metoda de corecție selectată și de caracteristicile controlerului. Prezența unui interval de anulare vă permite să finalizați complet analiza octetilor ECC (CRC).

Intervalul dintre înregistrări este necesar pentru a asigura datele din sectorul următor împotriva ștergerii accidentale la scrierea în sectorul anterior. Acest lucru se poate întâmpla dacă, în timpul formatării, discul a fost rotit cu o viteză puțin mai mică decât în ​​timpul operațiunilor de scriere ulterioare.

Format pentru înregistrarea informațiilor pe un disc magnetic dur

HDD-urile folosesc de obicei formate de date cu un număr fix de sectoare pe pistă (17, 34 sau 52) și cu un volum de date de 512 sau 1024 de octeți per sector. Sectoarele sunt marcate cu un marker magnetic.

Începutul fiecărui sector este indicat de un marcator de adresă. Octeții de sincronizare sunt scriși la începutul câmpurilor de identificare și de date, care servesc la sincronizarea circuitului de alocare a datelor al adaptorului HDD. Identificatorul de sector conține adresa discului din pachet, reprezentată prin coduri de cilindru, cap și număr de sector. Octeții de comparație și de semnalizare sunt introduși suplimentar în identificator. Octetul de comparație reprezintă același număr pentru fiecare sector (identificatorul este citit corect). Octetul de steag conține un steag care indică starea pistei.

Octeții de control sunt scrieți în câmpul de identificare o dată când este scris un identificator de sector și în câmpul de date de fiecare dată când se face o nouă scriere de date. Octeții de control sunt proiectați pentru a detecta și corecta erorile de citire. Cele mai utilizate sunt codurile de corecție polinomială (în funcție de implementarea circuitului adaptorului).

Timpul mediu de acces la informații de pe un hard disk este

unde tn este timpul mediu de poziționare;

F - viteza de rotație a discului;

schimb - timp de schimb.

Timpul de schimb depinde de hardware-ul controlerului și de tipul interfeței acestuia, de prezența unui buffer cache încorporat, de algoritmul de codificare a datelor de pe disc și de factorul de intercalare.

Formatarea discurilor

Există două tipuri de formatare a discului:

• formatare fizică sau de nivel scăzut;
• formatare logică sau de nivel înalt.

La formatarea dischetelor utilizând Windows Explorer sau comanda DOS FORMAT, ambele operații sunt efectuate.

Cu toate acestea, pentru hard disk, aceste operațiuni trebuie efectuate separat. Mai mult, pentru un hard disk există o a treia etapă care se realizează între cele două operațiuni de formatare specificate - partiționarea discului. Crearea partițiilor este absolut necesară dacă intenționați să utilizați mai multe sisteme de operare pe un computer. Formatarea fizică se efectuează întotdeauna în același mod, indiferent de proprietățile sistemului de operare și de opțiunile de formatare de nivel înalt.Sistemul atribuie o desemnare a literei unui volum sau unității logice.

Astfel, formatarea unui hard disk se realizează în trei pași.

• Formatare la nivel scăzut.
• Organizarea partițiilor pe disc.
• Formatare la nivel înalt.

Formatare la nivel scăzut

În timpul formatării la nivel scăzut, piesele de pe un disc sunt împărțite în sectoare. În acest caz, se înregistrează anteturile și concluziile sectoarelor (prefixe și sufixe) și se formează intervalele dintre sectoare și piese. Zona de date a fiecărui sector este umplută cu valori fictive sau seturi speciale de date de testare.

În primele controlere ST-506/412 la înregistrarea folosind metoda MFM pistele au fost împărțite în 17 sectoare, și în controlere de același tip, dar cu RLL-codificarea numarului de sectoare a crescut la 26. In drive ESDI o pistă conține 32 sau mai multe sectoare. Unitățile IDE au controlere încorporate și, în funcție de tipul lor, numărul de sectoare variază de la 17 la 700 sau mai mult. Unitățile SCSI sunt unități IDE cu un adaptor de magistrală SCSI încorporat (controlerul este și el încorporat), astfel încât numărul de sectoare de pe o pistă poate fi complet arbitrar și depinde doar de tipul de controler instalat.

Aproape toate unitățile IDE și SCSI folosesc așa-numita înregistrare de zonă cu un număr variabil de sectoare pe pistă. Căile care sunt mai îndepărtate de centru și, prin urmare, mai lungi, conțin un număr mai mare de sectoare decât cele apropiate de centru. O modalitate de a crește capacitatea unui hard disk este de a împărți cilindrii exteriori în mai multe sectoare decât cilindrii interiori. În teorie, cilindrii exteriori pot deține mai multe date, deoarece au o circumferință mai mare.

În unitățile care nu folosesc metoda de înregistrare a zonei, fiecare cilindru conține aceeași cantitate de date, deși lungimea pistei cilindrilor exteriori poate fi de două ori mai mare decât a celor interioare. Acest lucru duce la utilizarea în risipă a capacității de stocare, deoarece suportul trebuie să asigure stocarea fiabilă a datelor înregistrate la aceeași densitate ca în cilindrii interni. Dacă numărul de sectoare pe pistă este fix, așa cum este cazul când se utilizează versiuni anterioare de controlere, capacitatea unității este determinată de densitatea de înregistrare a pistei interne (cea mai scurtă).

În înregistrarea zonelor, cilindrii sunt împărțiți în grupuri numite zone și, pe măsură ce vă deplasați spre marginea exterioară a discului, piesele sunt împărțite într-un număr tot mai mare de sectoare. În toți cilindrii care aparțin aceleiași zone, numărul de sectoare de pe șine este același. Numărul posibil de zone depinde de tipul de unitate; în majoritatea dispozitivelor există 10 sau mai multe. Viteza schimbului de date cu unitatea poate varia și depinde de zona în care se află capetele la un anumit moment. Acest lucru se întâmplă deoarece există mai multe sectoare în zonele exterioare, iar viteza unghiulară de rotație a discului este constantă (adică viteza liniară de mișcare a sectoarelor în raport cu capul la citirea și scrierea datelor pe pistele exterioare este mai mare. decât pe cele interioare).

Când utilizați metoda de înregistrare a zonei, fiecare suprafață de disc conține deja 545,63 sectoare pe pistă. Dacă nu utilizați metoda de înregistrare în zonă, fiecare piesă va fi limitată la 360 de sectoare. Câștigul la utilizarea metodei de înregistrare a zonei este de aproximativ 52%.

Vă rugăm să rețineți diferențele dintre ratele de date pentru fiecare zonă. Deoarece viteza axului este de 7.200 rpm, o rotație este finalizată în 1/120 de secundă sau 8,33 milisecunde. Piesele din zona exterioară (zero) au o rată de transfer de date de 44,24 MB/s, iar în zona interioară (15) - doar 22,12 MB/s. Viteza medie de transfer de date este de 33,52 MB/s.

Organizarea partițiilor de disc

Partițiile create pe un hard disk oferă suport pentru diferite sisteme de fișiere, fiecare dintre acestea fiind situat pe o anumită partiție a discului.

Fiecare sistem de fișiere folosește o metodă specifică pentru a distribui spațiul ocupat de un fișier în unități logice numite clustere sau unități de memorie. Un hard disk poate avea de la una până la patru partiții, fiecare dintre ele acceptând unul sau mai multe tipuri de sisteme de fișiere. În prezent, sistemele de operare compatibile cu PC utilizează trei tipuri de sisteme de fișiere.

FAT (File Allocation Table - tabel de alocare a fișierelor). Acesta este sistemul de fișiere standard pentru DOS, Windows 9x și Windows NT. În partițiile FAT sub DOS, lungimea permisă a numelor de fișiere este de 11 caractere (8 caractere ale numelui în sine și 3 caractere de extensie), iar dimensiunea volumului (discului logic) este de până la 2 GB. În Windows 9x/Windows NT 4.0 și versiuni ulterioare, lungimea permisă a numelor fișierelor este de 255 de caractere.

Folosind programul FDISK, puteți crea doar două partiții FAT fizice pe un hard disk - primar și secundar, și până la 25 de volume logice pot fi create într-o partiție secundară. Partition Magic poate crea patru partiții principale sau trei principale și una suplimentară.

FAT32 (Tabel de alocare a fișierelor, tabel de alocare a fișierelor pe 32 de biți - 32 de biți). Folosit cu Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 și Windows 2000. În tabelele FAT, 32 de celule de alocare corespund numerelor de 32 de biți. Cu această structură de fișiere, dimensiunea volumului (discului logic) poate ajunge la 2 TB (2.048 GB).

NTFS (sistem de fișiere Windows NT - sistem de fișiere Windows NT). Disponibil numai pe Windows NT/2000/XP/2003. Lungimea numelor de fișiere poate ajunge la 256 de caractere, dimensiunea partiției (teoretic) este de 16 EB (16^1018 octeți). NTFS oferă caracteristici suplimentare care nu sunt furnizate de alte sisteme de fișiere, cum ar fi caracteristicile de securitate.

După crearea partițiilor, trebuie să efectuați formatarea la nivel înalt folosind instrumentele sistemului de operare.

Formatare la nivel înalt

Cu formatare la nivel înalt, sistemul de operare creează structuri pentru lucrul cu fișiere și date. Fiecare partiție (disc logic) conține sectorul de pornire al volumului (Volum Sectorul de pornire - VBS), două copii ale tabelului de alocare a fișierelor (FAT) și directorul rădăcină ( Director rădăcină). Folosind aceste structuri de date, sistemul de operare alocă spațiu pe disc, urmărește locația fișierelor și chiar „ocolește” zonele defecte de pe disc pentru a evita problemele. În esență, formatarea la nivel înalt nu înseamnă atât formatare, cât este crearea unui cuprins pentru disc și a unui tabel de alocare a fișierelor.

Dispozitiv cu hard disk

Artyom Rubtsov,R.LAB Legătura dintre terminologia rusă și cea engleză a fost clarificată de Leonid Vorzhev.

Scopul acestui articol este de a descrie structura unui hard disk modern, de a vorbi despre componentele sale principale, de a arăta cum arată și cum se numesc. În plus, vom arăta relația dintre terminologiile rusă și engleză care descriu componentele hard disk-urilor.

Pentru claritate, să ne uităm la o unitate SATA de 3,5 inchi. Acesta va fi un terabyte Seagate ST31000333AS complet nou. Să ne examinăm cobai.

PCB-ul verde cu urme de cupru, conectori de alimentare și SATA se numește placă electronică sau placă de control (Placă de circuit imprimat, PCB). Este folosit pentru a controla funcționarea hard disk-ului. Carcasa neagră din aluminiu și conținutul său sunt numite HDA (Head and Disk Assembly, HDA); experții o numesc și „cutie”. Carcasa în sine fără conținut se mai numește și bloc ermetic (bază).

Acum să scoatem placa de circuit imprimat și să examinăm componentele așezate pe ea.

Primul lucru care vă atrage atenția este cipul mare situat în mijloc - microcontrolerul sau procesorul (Micro Controller Unit, MCU). Pe hard disk-urile moderne, microcontrolerul este format din două părți - unitatea centrală de procesor (CPU), care efectuează toate calculele, și canalul de citire/scriere - un dispozitiv special care convertește semnalul analog care vine de la capete în date digitale în timpul unei citiri. funcționarea și codifică datele digitale într-un semnal analogic în timpul scrierii. Procesorul are porturi de intrare/ieșire (porturi IO) pentru controlul altor componente situate pe placa de circuit imprimat și transmiterea datelor prin interfața SATA.

Cipul de memorie este o memorie DDR SDRAM obișnuită. Cantitatea de memorie determină dimensiunea memoriei cache a hard diskului. Această placă de circuit imprimat are instalați 32 MB de memorie Samsung DDR, ceea ce oferă în teorie discului un cache de 32 MB (și aceasta este exact suma dată în specificațiile tehnice ale hard disk-ului), dar acest lucru nu este în întregime adevărat. Faptul este că memoria este împărțită logic în memorie tampon (cache) și memorie firmware. Procesorul necesită o anumită cantitate de memorie pentru a încărca modulele firmware. Din câte cunoștințele noastre, numai Hitachi/IBM indică dimensiunea reală a memoriei cache în specificațiile tehnice; În ceea ce privește alte discuri, se poate doar ghici despre dimensiunea cache-ului.

Următorul cip este controlerul de control al motorului și al unității principale sau „răsucirea” (controlerul motorului bobinei vocale, controlerul VCM). În plus, acest cip controlează sursele de alimentare secundare situate pe placă, care alimentează procesorul și cipul preamplificator-comutator (preamplificator, preamplificator), situat în HDA. Acesta este principalul consumator de energie de pe placa de circuit imprimat. Controlează rotația axului și mișcarea capetelor. Miezul controlerului VCM poate funcționa chiar și la temperaturi de 100 ° C.

O parte din firmware-ul discului este stocată în memoria flash. Când discul este alimentat, microcontrolerul încarcă conținutul cipului flash în memorie și începe să execute codul. Fără codul încărcat corect, discul nici măcar nu va dori să se rotească. Dacă nu există un cip flash pe placă, înseamnă că este încorporat în microcontroler.

Senzorul de vibrații (senzorul de șoc) reacționează la tremurări care sunt periculoase pentru disc și trimite un semnal despre aceasta către controlerul VCM. VCM parchează imediat capetele și poate opri discul să se rotească. În teorie, acest mecanism ar trebui să protejeze discul de deteriorarea ulterioară, dar în practică nu funcționează, așa că nu scăpați discurile. Pe unele unități, senzorul de vibrații este foarte sensibil, răspunzând la cea mai mică vibrație. Datele primite de la senzor permit controlerului VCM să corecteze mișcarea capetelor. Pe astfel de discuri sunt instalați cel puțin doi senzori de vibrații.

Placa are un alt dispozitiv de protecție - o suprimare a tensiunii tranzitorii (TVS). Protejează placa de supratensiuni. Când există o supratensiune, televizorul se arde, creând un scurtcircuit la masă. Această placă are două televizoare, 5 și 12 volți.

Acum să ne uităm la HDA.

Sub placa sunt contacte pentru motor si capete. În plus, există o mică gaură aproape invizibilă pe corpul discului (gaura de respirație). Servește la egalizarea presiunii. Mulți oameni cred că există un vid în interiorul hard diskului. De fapt, acest lucru nu este adevărat. Acest orificiu permite discului să egalizeze presiunea în interiorul și în afara zonei de reținere. În interior, această gaură este acoperită cu un filtru de respirație, care prinde praful și particulele de umezeală.

Acum să aruncăm o privire în interiorul zonei de izolare. Scoateți capacul discului.

Capacul în sine nu este nimic interesant. Este doar o bucată de metal cu o garnitură de cauciuc pentru a împiedica praful. În cele din urmă, să ne uităm la umplerea zonei de izolare.

Informațiile prețioase sunt stocate pe discuri metalice, numite și platouri. În fotografie puteți vedea clătitele de sus. Plăcile sunt realizate din aluminiu sau sticlă lustruită și sunt acoperite cu mai multe straturi de compoziții diferite, inclusiv o substanță feromagnetică pe care sunt stocate efectiv datele. Între clătite, precum și deasupra vârfului acestora, vedem farfurii speciale numite separatoare sau separatoare. Sunt necesare pentru a egaliza fluxurile de aer și pentru a reduce zgomotul acustic. De regulă, acestea sunt fabricate din aluminiu sau plastic. Separatoarele din aluminiu fac față cu mai mult succes răcirii aerului din interiorul zonei de izolare.

Vedere laterală a clătitelor și a separatoarelor.

Capetele de citire-scriere (capete) sunt instalate la capetele consolelor unității de cap magnetic sau HSA (Head Stack Assembly, HSA). Zona de parcare este zona în care ar trebui să fie capetele unui disc sănătos dacă axul este oprit. Pentru acest disc, zona de parcare este situată mai aproape de ax, așa cum se poate vedea în fotografie.

Pe unele unități, parcarea se face pe zone speciale de parcare din plastic situate în afara plăcilor.

Hard disk-ul este un mecanism de poziționare de precizie și necesită aer foarte curat pentru a funcționa corect. În timpul utilizării, în interiorul hard diskului se pot forma particule microscopice de metal și grăsime. Pentru a curăța imediat aerul din interiorul discului, există un filtru de recirculare. Acesta este un dispozitiv de înaltă tehnologie care colectează și prinde constant particule mici. Filtrul este situat pe calea fluxurilor de aer create de rotația plăcilor.

Acum să scoatem magnetul de sus și să vedem ce se ascunde dedesubt.

Hard disk-urile folosesc magneți de neodim foarte puternici. Acești magneți sunt atât de puternici încât pot ridica de până la 1.300 de ori propria greutate. Deci nu trebuie să puneți degetul între magnet și metal sau alt magnet - lovitura va fi foarte sensibilă. Această fotografie prezintă limitatoarele BMG. Sarcina lor este să limiteze mișcarea capetelor, lăsându-le pe suprafața plăcilor. Limitatoarele BMG de diferite modele sunt proiectate diferit, dar există întotdeauna două dintre ele, sunt folosite pe toate hard disk-urile moderne. Pe unitatea noastră, al doilea limitator este situat pe magnetul de jos.

Iată ce puteți vedea acolo.

Vedem aici și o bobină, care face parte din unitatea de cap magnetic. Bobina și magneții formează unitatea VCM (Voice Coil Motor, VCM). Acționarea și blocul capetelor magnetice formează un poziționator (actuator) - un dispozitiv care mișcă capetele. Piesa de plastic neagră cu o formă complexă se numește zăvor de acţionare. Acesta este un mecanism de protecție care eliberează BMG-ul după ce motorul axului atinge un anumit număr de rotații. Acest lucru se întâmplă din cauza presiunii fluxului de aer. Blocarea protejează capetele de mișcări nedorite în poziția de parcare.

Acum să scoatem blocul magnetic al capului.

Precizia și mișcarea lină a BMG este susținută de un rulment de precizie. Cea mai mare parte a BMG, realizată din aliaj de aluminiu, este de obicei numită suport sau culbutor (braț). La capătul culbutorului există capete pe o suspensie cu arc (Heads Gimbal Assembly, HGA). De obicei, capetele și culbutorii în sine sunt furnizate de diferiți producători. Un cablu flexibil (Flexible Printed Circuit, FPC) merge la placa care se conectează la placa de control.

Să aruncăm o privire mai atentă la componentele BMG.

O bobină conectată la un cablu.

Ținând.

Următoarea fotografie arată contactele BMG.

Garnitura asigură etanșeitatea conexiunii. Astfel, aerul poate intra în unitate doar cu discuri și capete prin orificiul de egalizare a presiunii. Acest disc are contacte acoperite cu un strat subțire de aur pentru a îmbunătăți conductivitatea.

Acesta este un design rocker clasic.

Micile părți negre de la capetele umeraselor cu arc se numesc glisoare. Multe surse indică faptul că glisoarele și capetele sunt același lucru. De fapt, glisorul ajută la citirea și scrierea informațiilor ridicând capul deasupra suprafeței clătitelor. Pe hard disk-urile moderne, capetele se deplasează la o distanță de 5-10 nanometri de suprafața clătitelor. Pentru comparație, un păr uman are un diametru de aproximativ 25.000 de nanometri. Dacă orice particule intră sub glisor, acest lucru poate duce la supraîncălzirea capetelor din cauza frecării și a defecțiunii acestora, motiv pentru care curățenia aerului din interiorul zonei de izolare este atât de importantă. Elementele de citire și scriere în sine sunt situate la capătul glisorului. Sunt atât de mici încât pot fi văzute doar cu un microscop bun.

După cum puteți vedea, suprafața glisorului nu este plată, are șanțuri aerodinamice. Ele ajută la stabilizarea altitudinii de zbor a glisorului. Aerul de sub glisor formează o pernă de aer (Air Bearing Surface, ABS). Perna de aer menține zborul glisorului aproape paralel cu suprafața clătitei.

Iată o altă imagine a glisorului.

Contactele capului sunt clar vizibile aici.

Aceasta este o altă parte importantă a BMG care nu a fost încă discutată. Se numește preamplificator (preamp). Un preamplificator este un cip care controlează capetele și amplifică semnalul care vine la sau de la ele.

Preamplificatorul este plasat direct în BMG dintr-un motiv foarte simplu - semnalul care vine de la capete este foarte slab. Pe unitățile moderne are o frecvență de aproximativ 1 GHz. Dacă mutați preamplificatorul în afara zonei ermetice, un astfel de semnal slab va fi mult atenuat în drum spre placa de control.

Există mai multe piese care duc de la preamplificator la capete (pe dreapta) decât către zona de izolare (pe stânga). Cert este că un hard disk nu poate funcționa simultan cu mai mult de un cap (o pereche de elemente de scriere și citire). Hard disk-ul trimite semnale către preamplificator și selectează capul pe care îl accesează în prezent hard disk-ul. Acest hard disk are șase piste care duc la fiecare cap. De ce atât de multe? O piesă este soltă, încă două sunt pentru elemente de citire și scriere. Următoarele două piste sunt pentru controlul mini-drive-urilor, dispozitivelor piezoelectrice sau magnetice speciale care pot mișca sau roti glisorul. Acest lucru ajută la setarea mai precisă a poziției capetelor deasupra pistei. Ultima cale duce la încălzitor. Încălzitorul este folosit pentru a regla altitudinea de zbor a capetelor. Încălzitorul transferă căldură suspensiei care conectează glisorul și balansoarul. Suspensia este realizată din două aliaje cu caracteristici diferite de dilatare termică. Când este încălzită, suspensia se îndoaie spre suprafața clătitei, reducând astfel altitudinea de zbor a capului. Când este răcit, cardanul se îndreaptă.

Destul de capete, hai să dezasamblam discul în continuare. Scoateți separatorul superior.

Așa arată el.

În fotografia următoare, vezi zona de izolare cu separatorul superior și blocul de cap îndepărtat.

Magnetul inferior a devenit vizibil.

Acum inelul de strângere (clema platourilor).

Acest inel ține blocul de plăci împreună, împiedicându-le să se miște unul față de celălalt.

Clătitele sunt înșirate pe un butuc de ax.

Acum că nimic nu ține clătitele, scoateți clătitele de deasupra. Asta e dedesubt.

Acum este clar cum este creat spațiul pentru capete - există inele de distanță între clătite. Fotografia arată a doua clătită și al doilea separator.

Inelul distanțier este o piesă de înaltă precizie realizată din aliaj nemagnetic sau polimeri. Hai să-l scoatem.

Să scoatem orice altceva din disc pentru a inspecta partea de jos a blocului ermetic.

Așa arată gaura de egalizare a presiunii. Este situat direct sub filtrul de aer. Să aruncăm o privire mai atentă la filtru.

Deoarece aerul care vine din exterior conține neapărat praf, filtrul are mai multe straturi. Este mult mai gros decât filtrul de circulație. Uneori conține particule de silicagel pentru a combate umiditatea aerului.

Cursul nr. 5: Dispozitive de stocare a informațiilor

Plan

1. Hard disk-uri
2. Unități SSD

1. Hard disk-uri

Referință istorică

În timpul dezvoltării hard disk-urilor, șase dimensiuni standard - factori de formă - s-au schimbat.

Figura 1. Dimensiunile HDD

1956 - Unitatea hard disk IBM 350 ca parte a primului computer de producție, IBM 305 RAMAC. Unitatea ocupa o cutie de dimensiunea unui frigider mare și cântărea 971 kg, iar capacitatea totală de memorie a 50 de discuri subțiri acoperite cu fier pur cu un diametru de 610 mm care se rotește în ea era de aproximativ 5 milioane de octeți pe 6 biți (3,5 MB în termeni de octeți de 8 biți).
1980 - primul Winchester de 5,25 inci, Shugart ST-506, 5 MB.
1981 – Shugart ST-412 de 5,25 inchi, 10 MB.
1986 – Standarde SCSI, ATA (IDE).
1991 – capacitate maximă 100 MB.
1995 – capacitate maximă 2 GB.
1997 – capacitate maximă 10 GB.
1998 – Standardele UDMA/33 și ATAPI.
1999 - IBM lansează Microdrive cu capacități de 170 și 340 MB.
2002 – Standard ATA/ATAPI-6 și unități cu o capacitate de peste 137 GB.
2003 – apariția SATA.
2005 – capacitate maximă 500 GB.
– Standardul Serial ATA 3G (sau SATA II), apariția SAS (Serial Attached SCSI).
2006 – aplicarea metodei de înregistrare perpendiculară în drive-urile comerciale.
– apariția primelor hard disk-uri „hibride” care conțin un bloc de memorie flash.
2007 - Hitachi introduce prima unitate comercială de 1 TB.
2009 - bazat pe platouri de 500 GB de la Western Digital, apoi Seagate Technology LLC a lansat modele cu o capacitate de 2 TB.
– Western Digital a anunțat crearea de HDD-uri de 2,5 inci cu o capacitate de 1 TB (densitate de înregistrare - 333 GB pe o singură placă)
– apariția standardului SATA 3.0 (SATA 6G).
2010 – Seagate începe dezvoltarea unui HDD de 3TB.

Definiție HDD și dispozitiv
Unitate de disc sau HDD(Engleză) GreuDiscConduce,HDD), HDD, Winchester, în argou informatic "şurub", greu, Hard disk– un dispozitiv de stocare a informațiilor bazat pe principiul înregistrării magnetice. Este principalul dispozitiv de stocare a datelor în majoritatea computerelor.

În principiu, HDD-ul constă din următoarele blocuri principale:
Unitate electronică include contacte si un microcircuit pe care sunt amplasate: controler de control HDD, conectori de alimentare, bloc jumper, conector pentru cabluri (interfata de conectare).
Bloc mecanic constă din plăci magnetice, ax, culbutor, axe de rotație a culbutorului, servomotor, capete de citire și scriere.
Cadru– aceasta este structura în care se află toate elementele HDD-ului.

Figura 2. Diagrama dispozitivului HDD

Figura 3. Dispozitiv HDD

Principii de stocare a informațiilor pe HDD
Informațiile din HDD sunt înregistrate pe plăci dure (aluminiu, ceramică sau sticlă) acoperite cu un strat de material feromagnetic (oxid de fier), cel mai adesea dioxid de crom. HDD-urile folosesc de la una la mai multe plăci pe o axă.
Datele sunt stocate pe platouri în piste concentrice, fiecare dintre acestea fiind împărțită în sectoare de 512 octeți constând din domenii orientate orizontal. Orientarea domeniilor în stratul magnetic servește la recunoașterea informațiilor binare (0 sau 1). Mărimea domeniilor determină densitatea de înregistrare a datelor în scopul abordării spațiului de suprafață al platourilor de discuri, care sunt împărțite în urme– zone inelare concentrice. Fiecare piesă este împărțită în secțiuni egale - sectoare.

Cilindru– un set de piste distanțate egal de centru pe toate suprafețele de lucru ale platourilor de hard disk. Numărul capului specifică suprafața de lucru care trebuie utilizată (adică calea specifică din cilindru) și numărul sectorului– un sector specific pe pistă.

Organizarea datelor de citire/scriere are loc datorită capetelor de citire/scriere (RW). În modul de funcționare, GZZ-urile nu ating suprafața plăcilor din cauza stratului de flux de aer de intrare format în apropierea suprafeței în timpul rotației rapide. Distanța dintre cap și disc este de câțiva nanometri (în discurile moderne aproximativ 10 nm). Absența contactului mecanic asigură o durată lungă de viață a dispozitivului. Când discurile nu se rotesc, capetele sunt situate la ax sau în afara discului într-o zonă sigură (zona de parcare), unde este exclus contactul anormal al acestora cu suprafața discurilor.

Figura 4. Organizarea platourilor HDD.

Moduri de adresare

Există 2 moduri principale de a adresa sectoare de pe un disc: chiulasă-sector(Engleză) cilindru— cap— sector, C.H.S.) Și adresare bloc liniară(Engleză) liniar bloc adresarea, LBA).

C.H.S.
Cu această metodă, sectorul este adresat prin poziția sa fizică pe disc cu 3 coordonate - numărul cilindrului, numărul capuluiȘi numărul sectorului. În discurile moderne cu controlere încorporate, aceste coordonate nu mai corespund poziției fizice a sectorului de pe disc și sunt „coordonate logice”
Adresarea CHS presupune că toate piesele dintr-o anumită zonă de disc au același număr de sectoare. Pentru a utiliza adresa CHS trebuie să știți geometrie disc utilizat: numărul total de cilindri, capete și sectoare din acesta. Inițial, aceste informații trebuiau introduse manual; în standardul ATA a fost introdusă funcția de detectare automată a geometriei (comanda Identify Drive).

LBA
Cu această metodă, adresa blocurilor de date de pe suport este specificată folosind o adresă liniară logică. Adresarea LBA a început să fie implementată și utilizată în 1994 împreună cu standardul EIDE (Extended IDE). Standardele ATA necesită o corespondență unu-la-unu între modurile CHS și LBA:
LBA = [ (Cilidru * numărul capete + capete) * sectoare/pisă ] + (Sector-1)
Metoda LBA corespunde maparii sectorului pentru SCSI. BIOS-ul controlerului SCSI realizează aceste sarcini în mod automat, adică metoda de adresare logică a fost inițial caracteristică interfeței SCSI.
Caracteristicile HDD

În prezent, se disting următoarele caracteristici HDD:

Interfață(Engleză) interfata) – un ansamblu de linii de comunicație, semnale transmise pe aceste linii, mijloace tehnice care suportă aceste linii de schimb reguli (protocol).
Hard disk-urile produse comercial pot folosi următoarele interfețe:

Capacitate(Engleză) capacitate) - cantitatea de date care poate fi stocată de unitate. De la crearea primelor hard disk, ca urmare a îmbunătățirii continue a tehnologiei de înregistrare a datelor, capacitatea maximă posibilă a acestora a crescut continuu. Capacitatea hard disk-urilor moderne (cu un factor de formă de 3,5 inchi) la începutul anului 2010. ajunge la 2000 GB (2 Terabytes). Cu toate acestea, Seagate a confirmat dezvoltarea unui HDD de 3TB.

Notă: spre deosebire de sistemul de prefixe adoptat în informatică, care indică un multiplu de 1024 de valori (vezi: prefixe binare), atunci când desemnează capacitatea hard disk-urilor, producătorii folosesc valori care sunt multipli de 1000. Astfel, capacitatea unui hard disk marcat ca „200 GB” este de 186,2 GB.

Dimensiunea fizică (factor de formă) (Engleză) dimensiune). Aproape toate unitățile moderne (2001-2008) pentru computere personale și servere au lățimea fie de 3,5, fie de 2,5 inci - dimensiunea suporturilor standard pentru computere desktop și, respectiv, laptopuri. Formatele de 1,8 inchi, 1,3 inchi, 1 inchi și 0,85 inci au devenit, de asemenea, răspândite. Producția de unități cu dimensiuni de 8 și 5,25 inchi a fost întreruptă.

Timp de acces aleatoriu (Engleză) Aleatoriu acces timp) - timpul în care hard disk-ul este garantat să efectueze o operație de citire sau scriere pe orice parte a discului magnetic. Intervalul acestui parametru este mic - de la 2,5 la 16 ms. De regulă, unitățile server au timpul minim (de exemplu, Hitachi Ultrastar 15K147 - 3,7 ms), cele mai lungi dintre cele actuale sunt unitățile pentru dispozitive portabile (Seagate Momentus 5400.3 - 12.5).

Viteza axului (Engleză) ax viteză) - numărul de rotații ale axului pe minut. Timpul de acces și viteza medie de transfer de date depind în mare măsură de acest parametru. În prezent, hard disk-urile sunt produse cu următoarele viteze standard de rotație: 4200, 5400 și 7200 (laptop-uri), 5400, 7200 și 10.000 (calculatoare personale), 10.000 și 15.000 rpm (servere și stații de lucru performante).

Fiabilitate(Engleză) fiabilitate) - definit ca timpul mediu dintre defecțiuni ( MTBF). De asemenea, marea majoritate a discurilor moderne acceptă tehnologia INTELIGENT.

Numărul de operațiuni I/O pe secundă - pentru discurile moderne aceasta este de aproximativ 50 op./s cu acces aleator la unitate și aproximativ 100 op./sec cu acces secvenţial.

Consumul de energie - un factor important pentru dispozitivele mobile.

Nivel de zgomot- zgomotul produs de mecanica acționării în timpul funcționării acestuia. Indicat în decibeli. Unitățile silențioase sunt considerate dispozitive cu un nivel de zgomot de aproximativ 26 dB sau mai mic. Zgomotul constă din zgomotul de rotație a arborelui (inclusiv zgomotul aerodinamic) și zgomotul de poziționare.

Rezistența la impact (Engleză) G— şoc rating) - rezistența unității la supratensiuni sau șocuri bruște de presiune, măsurată în unități de suprasarcină admisă în starea de pornire și oprire.

Rata de transfer de date (Engleză) Transfer Rată) cu acces secvenţial:

• zona discului intern: de la 44,2 la 74,5 MB/s;
• zona exterioară a discului: 60,0 până la 111,4 MB/s.

Volumul tamponului- un buffer este o memorie intermediară concepută pentru a netezi diferențele de viteză de citire/scriere și viteza de transfer pe interfață. Pe discurile din 2009, de obicei variază de la 8 la 64 MB.

Densitatea de înregistrare pe platou (densitatea zonei) depinde de distanța dintre piste (densitatea transversală) și dimensiunea minimă a domeniului magnetic (densitatea longitudinală). Criteriul general este densitatea de înregistrare pe unitate de suprafață a capacității discului sau a platoului. Cu cât densitatea de înregistrare este mai mare, cu atât este mai rapidă rata de transfer de date între capete și buffer (rata internă de transfer de date). Treptat, rezervele de creștere datorate saltului tehnologic menționat mai sus au început să scadă. Până în 2003, capacitatea tipică a platourilor de hard disk a ajuns la 80 GB. În 2004 au apărut discuri cu platouri cu o capacitate de 100 MB, în 2005 - 133 MB, în 2009 - 333 GB

Zona minimă de date adresabilă de pe un hard disk este sector. Mărimea sectorului este în mod tradițional de 512 octeți. În 2006, IDEMA a anunțat o tranziție la o dimensiune a sectorului de 4096 de octeți, care este planificată să fie finalizată până în 2010.

Versiunea finală de Windows Vista, lansată în 2007, avea suport limitat pentru discuri cu această dimensiune de sector.

Tehnologii pentru înregistrarea datelor pe hard disk

Principiul de funcționare al hard disk-urilor este similar cu funcționarea casetofonelor. Suprafața de lucru a discului se mișcă în raport cu capul de citire (de exemplu, sub forma unui inductor cu un spațiu în circuitul magnetic). Atunci când un curent electric alternativ este furnizat (în timpul înregistrării) bobinei de cap, câmpul magnetic alternant rezultat din spațiul capului afectează feromagnetul suprafeței discului și schimbă direcția vectorului de magnetizare a domeniului în funcție de puterea semnalului. În timpul citirii, mișcarea domeniilor la decalajul capului duce la o modificare a fluxului magnetic în circuitul magnetic al capului, ceea ce duce la apariția unui semnal electric alternativ în bobină datorită efectului inducției electromagnetice.

Recent, efectul magnetorezistiv a fost folosit pentru citire și capete magnetorezistive sunt folosite în discuri. În ele, o modificare a câmpului magnetic duce la o modificare a rezistenței, în funcție de modificarea intensității câmpului magnetic. Astfel de capete fac posibilă creșterea probabilității unei citiri fiabile a informațiilor (în special la densități mari de înregistrare a informațiilor).

Metoda de înregistrare în paralel
Biți de informații sunt înregistrate folosind un cap mic, care, trecând peste suprafața unui disc rotativ, magnetizează miliarde de zone orizontale discrete - domenii. Fiecare dintre aceste regiuni este un zero logic sau unul, în funcție de magnetizare.

Densitatea maximă de înregistrare posibilă utilizând această metodă este de aproximativ 23 Gbit/cm². În prezent, această metodă este înlocuită treptat de metoda de înregistrare perpendiculară.

Metoda de înregistrare perpendiculară
Metoda de înregistrare perpendiculară este o tehnologie în care biți de informații sunt stocați în domenii verticale. Acest lucru permite utilizarea câmpurilor magnetice mai puternice și reduce aria de material necesară pentru a scrie 1 bit. Densitatea de înregistrare a mostrelor moderne este de 60 Gbit/cm². Hard disk-urile de înregistrare perpendiculară sunt disponibile pe piață din 2005.

Metoda de înregistrare termică magnetică
Metoda de înregistrare termică magnetică Căldură-asistatmagneticînregistrareHAMR) este în prezent cea mai promițătoare dintre cele existente; în prezent este în curs de dezvoltare activ. Această metodă folosește încălzirea punctuală a discului, care permite capului să magnetizeze zone foarte mici ale suprafeței sale. Odată ce discul este răcit, magnetizarea este „fixată”. Hard disk-urile de acest tip nu au fost încă prezentate pe piață (din 2009); există doar mostre experimentale cu o densitate de înregistrare de 150 Gbit/cm². Dezvoltarea tehnologiilor HAMR se desfășoară de ceva timp, dar experții încă diferă în ceea ce privește estimările densității maxime de înregistrare. Astfel, Hitachi numește limita la 2,3-3,1 Tbit/cm², iar reprezentanții Seagate Technology sugerează că vor putea crește densitatea de înregistrare a suportului HAMR la 7,75 Tbit/cm². Utilizarea pe scară largă a acestei tehnologii ar trebui să fie așteptată în 2011-2012.

Tehnologia RAID

RAID (eng. redundant array of independent/inexpensive disks) matrice redundantă de hard disk independente/neexpensive - o matrice de mai multe discuri controlate de un controler, interconectate prin canale de mare viteză și percepute ca un întreg. În funcție de tipul de matrice utilizată, acesta poate oferi diferite grade de toleranță la erori și performanță. Servește la creșterea fiabilității stocării datelor și/sau la creșterea vitezei de citire/scriere a informațiilor (RAID 0).

RAID 0

RAID 0 („Striping”) este o matrice de discuri de 2 sau mai multe discuri, în care informațiile sunt împărțite în blocuri A n și sunt scrise secvenţial pe hard disk. În consecință, informațiile sunt scrise și citite simultan, ceea ce crește viteza.

Figura 5. Aspect RAID 0

Din păcate, dacă unul dintre discuri se defectează, informațiile se pierd ireversibil, deci sunt folosite fie acasă, fie pentru stocarea unui fișier de paginare sau a unui fișier de schimb.

RAID 1

RAID 1 (Mirroring - „oglindire”). În acest caz, un disc este complet identic cu celălalt, ceea ce garantează funcționarea dacă un disc eșuează, dar spațiul utilizabil este redus la jumătate. Deoarece discurile sunt achiziționate în același timp, în cazul unui lot defect, ambele discuri pot eșua. Viteza de scriere este aproximativ egală cu viteza de scriere pe un disc; este posibil să citiți de pe două discuri simultan (dacă controlerul acceptă această funcție), ceea ce crește viteza.

Figura 6. Aspect RAID 1

Cel mai des este folosit în birourile mici pentru baze de date sau pentru stocarea unui sistem de operare.

RAID 10

RAID 10 (RAID 1+0). Combină principiile RAID 0 și RAID 1. Când este utilizat, fiecare hard disk are propria „pereche de oglindă”, iar jumătate din capacitatea utilizabilă este utilizată. Este operațional atâta timp cât există un disc de lucru din fiecare pereche. Cea mai mare performanță de scriere/rescriere, comparabilă cu RAID 5 în ceea ce privește viteza de citire. Folosit pentru stocarea bazelor de date sub încărcare mare.

RAID 5

RAID 5. În acest caz, toate datele sunt împărțite în blocuri și pentru fiecare set se calculează o sumă de control, care este stocată pe unul dintre discuri - scrisă ciclic pe toate discurile matricei (alternativ la fiecare) și folosită pentru a recupera datele . Rezistent la pierderea a nu mai mult de un disc.

Figura 7. Aspect RAID 5

RAID 5 are performanțe ridicate de citire - informațiile sunt citite de pe aproape toate discurile, dar performanță de scriere redusă - este necesar să se calculeze suma de control. Dar cea mai critică operație este rescrierea, deoarece are loc în mai multe etape:
1) Citiți datele
2) Citirea sumei de control
3) Compararea datelor noi și vechi
4) Scrierea de date noi
5) Scrieți o nouă sumă de control
6) Folosit atunci când sunt necesare volume mari și viteză mare de citire.

RAID 6

RAID 6 (ADG). O continuare logică a RAID 5. Diferența este că suma de control este calculată de 2 ori și, ca urmare, are o fiabilitate mai mare (rezistentă la defecțiunea a mai mult de 2 discuri) și o performanță mai scăzută.

Figura 8. Aspect RAID 6

Organizarea funcționării RAID este asigurată de controlere RAID, care pot fi încorporate în placa de bază, interne (sub formă de placă) sau externe.

Figura 9. Controler RAID intern

Două sau mai multe discuri sunt conectate la controler de pe server sau o carcasă de disc externă este conectată la controler, în funcție de nivelul selectat de toleranță la erori, acesta protejează unul sau mai multe discuri de defecțiuni, menținând în același timp funcționalitatea.

Cu un cache non-volatil și discuri SAS, acesta protejează împotriva problemelor asociate cu întreruperile de curent, cu excepția cazului în care apar daune electrice la echipament. Dar dacă serverul este deteriorat, se poate pierde date.

Protejează datele de:
- probleme hardware - defecțiuni, avarii, defecțiuni ale echipamentelor. Parțial, numai de la defecțiunea hard diskului;
- pene de curent - protejează parțial datele stocate în buffer-ul controlerului în coada de scriere, dar pentru o perioadă limitată de timp și numai dacă pe controler există o baterie.

Nu protejează împotriva:
— defecțiuni software;
- factorul uman;
— probleme de infrastructură (deși toate conexiunile, de regulă, sunt localizate în cadrul serverului);
- accidente;
- dezastre.

Scopul principal al aplicației este de a proteja datele împotriva pierderii în cazul unei defecțiuni a hard diskului; de asemenea, unul dintre motivele implementării este nevoia de performanță sporită a subsistemului de disc.

Controlerele RAID sunt furnizate de multe companii: IBM, DELL, SUN, HP, Adaptec, 3ware, LSI și altele.

Matrice RAID externă

Figura 10.Matrice RAID externă

Primul nivel. Discurile și controlerul sunt plasate într-un sistem extern separat. Unul sau mai multe servere pot fi conectate la o matrice externă folosind diverse interfețe, de exemplu SAS, iSCSI, FC. Aproape toate astfel de sisteme au ventilatoare și surse de alimentare redundante; multe oferă posibilitatea instalării unui controler redundant. Prin ele însele, matricele RAID externe sunt mai puternice și mai fiabile decât controlerele RAID interne și pot fi extinse la mai mult de o sută de discuri (folosind carcase de discuri).

În prezent, multe modele au instrumente avansate de monitorizare și management atât pentru matrice în sine, cât și pentru datele de pe acesta. Instrumentele de monitorizare a stării discurilor anunță în prealabil o posibilă defecțiune; cei mai mulți producători de renume schimbă discurile doar pe baza acestor mesaje, înainte de faptul că nu sunt operaționale. Unele modele au capacitatea de a face instantanee, ceea ce protejează datele și simplifică backupul.

Protejează datele de:
- probleme hardware - parțial, dacă există dublare a tuturor sistemelor.
- Eșecuri software - parțial, unele matrice au funcții pentru crearea de copii instant, care vor ajuta la crearea mai multor instantanee;
- probleme de infrastructură - protejate sub condiția dublării tuturor matricelor din afara serverului;
— întreruperile de alimentare – protejează parțial datele din memoria tampon de scriere a controlerului atunci când există o baterie. Prezența surselor de alimentare redundante garantează o mai mare fiabilitate.

Nu protejează împotriva:
- factorul uman;
- accidente;
- dezastre.

Motivul implementării este fie nevoia de consolidare a resurselor de stocare, gestionarea lor mai simplă, posibilitatea accesului simultan (de exemplu, la crearea unui cluster), fie nevoia de performanță ridicată, fie nevoia de fiabilitate mai mare (duplicarea căilor). către controlor).

Reprezentanți tipici ai clasei: Xyratex 5xxx/6xxx, Dell MD3000, IBM 3XXX, HP MSA 2000.

2. Unități SSD

Figura 11. Unitate SSD

Unitatea solid-state (SSD, solid-state drive) este un dispozitiv de stocare a computerului bazat pe cipuri de memorie controlate de un controler. Unitățile SSD nu conțin piese mecanice în mișcare.

Există două tipuri de unități SSD: SSD-uri bazate pe memorie similară cu RAM-ul computerului și SSD-uri bazate pe memorie flash.

În prezent, unitățile SSD sunt folosite în dispozitive compacte: laptopuri, netbook-uri, comunicatoare și smartphone-uri. Unii producători cunoscuți au trecut complet la producția de unități SSD, de exemplu, Samsung și-a vândut afacerea cu hard disk la Seagate în 2011.

Există hard disk hibride; astfel de dispozitive combină într-un singur dispozitiv o unitate de disc magnetică (HDD) și o unitate SSD relativ mică ca cache (pentru a crește performanța și durata de viață a dispozitivului și pentru a reduce consumul de energie). Până acum, astfel de discuri sunt folosite în principal în dispozitive portabile (laptop-uri, telefoane mobile etc.).

Figura 12. Unitate hibridă Seagate Momentus XT de 500 GB

Figura 13. Unitate hibridă Seagate Momentus XT de 500 GB

Figura 14. Unitatea electronică a unității hibride Seagate Momentus XT 500 GB

Istoria dezvoltării

1978 - compania americană StorageTek a dezvoltat prima unitate semiconductoare modernă (bazată pe memorie RAM).
1982 - Compania americană Cray a introdus o unitate de memorie RAM cu semiconductor pentru supercalculatoarele sale Cray-1 cu o viteză de 100 MBit/s și Cray X-MP cu o viteză de 320 MBit/s, cu o capacitate de 8, 16 sau 32 milioane cuvinte pe 64 de biți.
1995 - Compania israeliană M-Systems a introdus prima unitate de memorie flash cu semiconductor.
2008 - Compania sud-coreeană Mtron Storage Technology a reușit să creeze o unitate SSD cu o viteză de scriere de 240 MB/s și o viteză de citire de 260 MB/s, ceea ce a demonstrat la o expoziție la Seul. Capacitatea acestei unități este de 128 GB. Potrivit companiei, producția de astfel de dispozitive va începe în 2009.
2009 – Super Talent Technology a lansat un SSD de 512 GB, OCZ a introdus un SSD de 1 terabyte.

În prezent, cele mai notabile companii care dezvoltă intens direcția SSD în activitățile lor includ Intel, Kingston, Samsung Electronics, SanDisk, Corsair, Renice, OCZ Technology, Crucial și ADATA. În plus, Toshiba își demonstrează interesul pentru această piață.

Proiectare și exploatare

Unitățile SSD sunt disponibile în două tipuri:

NAND SSD
NAND SSD – unități construite pe baza utilizării ne volatil memorie (NAND SSD), a apărut relativ recent cu un cost mult mai mic (de la 2 dolari SUA per gigabyte) și a început să cucerească cu încredere piața. Până de curând, acestea erau semnificativ inferioare dispozitivelor tradiționale de stocare - hard disk-uri - în viteza de scriere, dar compensau acest lucru cu o viteză mare de regăsire a informațiilor (poziționare inițială). Unitățile SSD sunt acum produse cu viteze de citire și scriere care sunt de multe ori mai mari decât cele ale hard disk-urilor. Se caracterizează prin dimensiuni relativ mici și consum redus de energie.

RAM SSD
SSD-urile RAM sunt unități construite folosind volatil memoria (la fel ca cea utilizată în RAM PC) se caracterizează prin citirea, scrierea și preluarea informațiilor ultra-rapide. Principalul lor dezavantaj este costul lor extrem de ridicat (de la 80 la 800 de dolari SUA per Gigabyte). Ele sunt utilizate în principal pentru a accelera funcționarea sistemelor mari de gestionare a bazelor de date și a stațiilor grafice puternice. Astfel de unități sunt de obicei echipate cu baterii pentru a economisi datele în caz de pierdere a energiei, iar modelele mai scumpe sunt echipate cu sisteme de backup și/sau de copiere online.

Avantaje și dezavantaje
Avantaje, în comparație cu hard disk-urile (HDD):

• fără piese mobile;
• viteză mare de citire/scriere, depășind adesea viteza interfeței hard disk (SAS/SATA II 3 Gb/s, SAS/SATA III 6 Gb/s, SCSI, Fibre Channel etc.);
• consum redus de putere;
• absența completă a zgomotului din cauza absenței pieselor mobile și a ventilatoarelor de răcire;
• rezistență mecanică ridicată;
• gamă largă de temperaturi de funcționare;
• stabilitatea timpului de citire a fișierelor, indiferent de locația sau fragmentarea acestora;
• dimensiuni și greutate reduse;
• Există un potențial mare de modernizare atât în ​​​​unitățile în sine, cât și în tehnologiile lor de producție.
• sensibilitate mult mai mică la câmpurile electromagnetice externe.

Defecte:

• Principalul dezavantaj al SSD-urilor este numărul limitat de cicluri de rescriere. Memoria flash convențională (MLC, celule cu mai multe niveluri, celule de memorie cu mai multe niveluri) vă permite să scrieți date de aproximativ 10.000 de ori. Tipuri de memorie mai scumpe (SLC, Celulă cu un singur nivel, celule cu memorie cu un singur nivel) - de peste 100.000 de ori.Schemele de echilibrare a sarcinii sunt folosite pentru a combate uzura neuniformă. Controlerul stochează informații despre de câte ori blocurile au fost suprascrise și, dacă este necesar, „le schimbă”;
• Problema este compatibilitatea unităților SSD cu versiuni învechite și chiar multe actuale ale familiei de sisteme de operare Microsoft Windows, care nu țin cont de specificul unităților SSD și, în plus, le uzează. Utilizarea mecanismului de schimb pe SSD de către sistemele de operare este, de asemenea, probabil să reducă durata de viață a unității;
• Prețul unui gigabyte de unități SSD este semnificativ mai mare decât prețul unui gigabyte de HDD. În plus, costul SSD-urilor este direct proporțional cu capacitatea acestora, în timp ce costul hard disk-urilor tradiționale depinde de numărul de platouri și crește mai lent pe măsură ce crește capacitatea de stocare.

Microsoft Windows și computerele acestei platforme cu unități SSD.

Windows 7 a introdus o optimizare specială pentru lucrul cu unități SSD. Dacă aveți unități SSD, acest sistem de operare funcționează cu ele diferit decât cu unitățile HDD obișnuite. De exemplu, Windows 7 nu aplică defragmentarea SSD-urilor, tehnologiilor Superfetch și ReadyBoost și altor tehnici de citire anticipată care accelerează încărcarea aplicațiilor de pe HDD-urile obișnuite.

Versiunile anterioare de Microsoft Windows nu au o astfel de optimizare specială și sunt concepute pentru a funcționa numai cu hard disk-uri obișnuite. Prin urmare, de exemplu, unele operațiuni de fișiere Windows Vista, dacă nu sunt dezactivate, pot reduce durata de viață a unității SSD. Operația de defragmentare ar trebui să fie dezactivată, deoarece practic nu are niciun efect asupra performanței unității SSD și doar o uzează și mai mult.

În 2007, ASUS a lansat netbook-ul EEE PC 701 cu o unitate SSD de 4 GB. Pe 9 septembrie 2011, Dell a anunțat primul de pe piață care a echipat laptopurile Dell Precision cu memorie solid-state de 512 GB cu o unitate și 1TB cu două unități pentru modelele de computere M4600 și, respectiv, M6600. Producătorul a stabilit prețul pentru o unitate SATA3 de 512 GB la momentul anunțului la 1.120 USD.

Tablete Acer - modelele Iconia Tab W500 și W501, Fujitsu Stylistic Q550 care rulează Windows 7 - rulează pe o unitate SSD.

Computere Mac OS X și Macintosh cu SSD-uri

Sistemul de operare Mac OS X, începând cu versiunea 10.7 (Lion), oferă complet suport TRIM pentru memoria SSD instalată în sistem.

Din 2010, Apple a introdus calculatoare Air Line echipate în întregime cu memorie solidă bazată pe memorie Flash NAND. Până în 2010, cumpărătorul putea alege un hard disk obișnuit pentru acest computer, dar dezvoltarea ulterioară a liniei în favoarea luminării maxime și a reducerii corpului de computere din această serie a necesitat o abandonare completă a hard disk-urilor convenționale în favoarea solid-state. unități. Cantitatea de memorie inclusă în computerele din seria Air variază de la 64 GB la 512 GB. Potrivit lui J.P. Morgan de la introducerea sa, 420.000 de computere din această serie au fost vândute în întregime pe memorie Flash NAND solid-state.

3. Depozitare magnetică și optică

Autostudiu.