История жестких накопителей

1.4 История жестких накопителей

По мере развития жестких дисков их максимальная емкость изменялась. Основным лимитирующим фактором являлись доступные на тот момент технологии, но помимо них возникали и другие препятствия, такие как ограничения используемых способов адресации, а также характеристики ПО.

Программное обеспечение времен начала 1990х, такое, как MS-DOS, для работы с жестким диском использовало вызов int 13h, ведущий в ПЗУ BIOS.

Адресация блоков диска в вызове int 13h выглядела как номера цилиндра/головки/сектора — C/H/S. При этом на номер C отводилось 10 бит, на номер H — 8 бит, на номер S — 6 бит (в одном 16-битном слове с C).

Обработчик int 13h в BIOS вписывал эти номера в управляющие регистры контроллера IDE. В этих регистрах на номер C отводилось 16 бит, на номер H — 4 бита (в одном байте с номером устройства на IDE шине и флажком LBA), на номер S — 8 бит.

Совокупность того и другого ограничения приводила к ограничению C/H/S = 10/4/6 бит, то есть 20 бит. Это позволяло адресовать 1М секторов по 512 байт каждый, то есть не более 512МБ.

Это ограничение стало ощутимым во времена 1994—1995, примерно время первых микропроцессоров Pentium.

Для его разрешения была изобретена трансляция значений CHS в коде обработчика int 13h в BIOS. Одним из популярных алгоритмов трансляции был LBA — Linear Block Addressing, в котором C понималось, как старшие биты линейного, обычного целочисленного номера сектора, H — как следующие 8, S — как младшие 6. Несложно догадаться, что в этой трансляции число условных секторов на дорожке понималось как строго 64, число условных головок — как строго 256, а число условных цилиндров — как размер диска, деленный на 8МБ.

Трансляция значений имела некие проблемы, а именно — диск, раз использованный (хотя бы разбитый на разделы, хотя бы с единственным созданным разделом) в какой-то трансляции, мог быть далее использован только в ней. Для смены режима трансляции диска было необходимо повторить создание таблицы разделов, что означало удаление всего содержимого диска.

В подавляющем большинстве случаев для всех дисков устанавливали трансляцию LBA и о ней забывали.

Аппаратный интерфейс регистров стандартного IDE контроллера использует 16 бит для номера C, 4 бита для номера H, и 8 бит для номера S. Всего 28 бит, что позволяет адресовать 256 М секторов по 512 байт — то есть 128 ГБ.

Решение проблемы возможно только на уровне аппаратуры (и обновления драйвера для использования новых возможностей аппаратуры). Оно было разработано в виде отправки адреса в контроллер дважды в определенной последовательности.

Это ограничение было снято достаточно давно в IDE контроллерах, а также в пакетах обновления для ОС Windows 2000 и в пакете обновления 2 для Windows XP. В Windows 2000 также требуется явно разрешить эту поддержку редактированием реестра вручную, кроме того, эта устаревшая ОС не способна разбивать на разделы диски емкостью свыше 128 ГБ ни в каком случае.

1.5 Классификация жестких дисков

Отличительная и неустранимая особенность жёстких дисков как класса оборудования – разброс индивидуальных характеристик. Не существует двух абсолютно одинаковых накопителей. Сошедшие с одного и того же конвейера экземпляры могут заметно различаться по шуму, нагреву и даже производительности, что обусловлено случайными отклонениями в качестве комплектующих и сборки.

В первую очередь влияет механика: магнитные головки, пластины, двигатели и т.п. на сборочную фабрику поступают уже со значительным разбросом параметров. В ходе технологического процесса (а сборка преимущественно ручная, с многоступенчатым контролем) одни разбросы нивелируются, зато другие добавляются, и всё это дает в итоге довольно пёструю картину. Таковы издержки массового производства сложной продукции.

Чтобы сделать состав партий ЖД более однородным, все готовые накопители после выходного тестирования подразделяются на три класса (grade) – A, B и C. Можно сказать, что это высший, первый и второй сорт по принятой ранее классификации.

В класс А включаются отборные экземпляры со стабильными и наиболее высокими характеристиками, порой превосходящими заявленные в спецификации. Производительность у них максимальная, уровень отказов низок, а заводская гарантия может быть продлённой. Цена же сравнительно высока.

Такие диски, как правило, не поступают в свободную продажу, а передаются в рамках долгосрочных контрактов наиболее крупным компьютерным фирмам, для комплектации "брэндовых" машин. Нередко эти фирмы проводят собственное расширенное тестирование, после чего даже перемаркируют диски в своей номенклатуре (для серверного сегмента это вообще обычное дело, равно как и модификация микропрограммы).

Класс В предназначен для рынков развитых стран (Северная Америка, Западная Европа, Япония и некоторые страны Юго-Восточной Азии). Диски этого класса не имеют замечаний при тестировании, однородны по качеству и часто продаются в коробочной упаковке наподобие видеокарт. Помимо самого накопителя, в комплект входят руководство по установке, CD с фирменными утилитами и крепёж. Для дисков справедливы все спецификации, заявленные производителем, а продажная цена близка к рекомендованной.

В класс С включены, как легко понять, все остальные диски. Они поступают на развивающиеся рынки, не имеющие пока большого значения в мировом масштабе, и чувствительные к цене. Таковым является и российский рынок: практически все ЖД, которые можно встретить у нас в продаже, относятся к классу С.

Покупателя такие изделия радуют дешевизной, однако их качество менее стабильное, в частности, сюда включаются урезанные экземпляры (если при тестировании выявляются дефекты по той или иной головке, то она программно отключается с уменьшением ёмкости). Также в класс C попадают ЖД, которые прошли технологический контроль "на троечку" – с теми или иными отклонениями (в их числе замедленное позиционирование, меньшая температурная стабильность, повышенный уровень внутренней коррекции данных и т.п.).

Понятно, что уровень сбоев и отказов в классе С несколько выше, а средний срок жизни – меньше. Ряд второстепенных характеристик, прежде всего шум и нагрев, могут быть хуже заявленных; наблюдается и повышенная чувствительность к условиям эксплуатации. Вместе с тем, эти диски вполне пригодны для эксплуатации, и на них действует стандартная гарантия производителя (впрочем, нередко уменьшаемая неавторизованными продавцами).

Низкоуровневое форматирование

На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются — на них формируются дорожки и секторы.

Ранние "винчестеры" (подобно дискетам) содержали одинаковое количество секторов на всех дорожках. На пластинах современных "винчестеров" дорожки сгруппированы в несколько зон. Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на каждой дорожке внешней зоны секторов больше, и чем зона ближе к центру, тем меньше секторов приходится на каждую дорожку зоны. Это позволяет добиться более равномерной плотности записи и, как следствие, увеличения ёмкости пластины без изменения технологии производства.

Границы зон и количество секторов на дорожку для каждой зоны хранятся в ПЗУ блока электроники.

Кроме того, в действительности на каждой дорожке есть дополнительные резервные секторы. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remaping). Конечно, данные, хранившиеся в нём, скорее всего, будут потеряны, но ёмкость диска не уменьшится. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая в процессе эксплуатации.

Таблицы переназначения секторов также хранятся в ПЗУ блока электроники.

Во время операций обращения к "винчестеру" блок электроники самостоятельно определяет, к какому физическому сектору следует обращаться и где он находится (с учётом зон и переназначений). Поэтому со стороны внешнего интерфейса "винчестер" выглядит однородным.

Блок электроники

В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управление шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа "звуковая катушка", коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood — максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнении принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

Похожие работы

Регулировка охлаждения компьютерных систем

Скачать

96011

16

24

... некий предел, на передней панели корпуса компьютера образуются вихревые турбулентные потоки, которые создают характерный шум (он напоминает шипение пылесоса, но гораздо тише). 2. Регулировка охлаждения компьютерных систем 2.1 Воздушное охлаждение компьютерных систем Для переноса воздуха в системах охлаждения используют вентиляторы. 2.1.1 Устройство вентилятора Вентилятор состоит из ...

Техническая диагностика средств вычислительной техники

Скачать

509004

6

0

... ? 8. Какими программами можно воспользоваться для устранения проблем и ошибок, обнаруженных программой Sandra? Раздел 3. Автономная и комплексная проверка функционирования и диагностика СВТ, АПС и АПК Некоторые из достаточно интеллектуальных средств вычислительной техники, такие как принтеры, плоттеры, могут иметь режимы автономного тестировании. Так, автономный тест принтера запускается без ...

Модернизация системы охлаждения двигателя "Газели"

Скачать

144932

15

26

... изменений   Далее будет предложен и рассмотрен вариант усовершенствования системы охлаждения рассматриваемого в данной работе двигателя ЗМЗ-406 автомобилей ГАЗ 2705, 3221 «ГАЗЕЛЬ». Описание целей и элементов доработки системы охлаждения двигателя ЗМЗ-406 по пунктам приведены ниже. Основные элементы системы и режимы работы приведены на рис. 20…24. 1. Вместо вентилятора и гидронасоса с ...

Автоматизация системы бюджетирования финансовой службы

Скачать

568458

20

78

... для реализации системы бюджетирования Консультационной группы "Воронов и Максимов". Статья о проблемах выбора системы бюджетирования - в проекте "УПРАВЛЕНИЕ 3000". Бюджетный автомат Если вы решитесь на автоматизацию системы бюджетирования компании, перед вами сразу встанут вопросы: что выбрать, сколько платить, как внедрять. Примеряйте! О ЧЕМ РЕЧЬ В “Капитале” на стр. 44, 45 мы рассказали ...