Организация данных на HDD
Информация на жестких дисках закодирована на магнитном материале в виде магнитных доменов с различным направлением намагниченности. Два направления вектора намагниченности представляют биты «0» и «1». В жестких дисках используется технология параллельной записи, когда намагниченность доменов лежит в плоскости поверхности диска. В 2005году фирма Hitachi разработала технологию перпендикулярной записи — в этом случае домены намагничены перпендикулярно плоскости. Что позволило преодолеть ограничение, связанное с супер парамагнитным эффектом — взаимодействием магнитных доменов [5].
Рисунок 4 — Параллельный метод магнитной записи
Технология тепловой магнитной записи, разработанная компанией Seagate и представленная в2006году должна повысить плотность по сравнению с обычной технологией в 100 раз и обеспечить достижения отметки 7,75 Тбит/см2. Ключевым моментом технологии является локальное нагревание записываемого участка лазером, что должно уменьшить его коэрцитивную силу и обеспечить перемагничивание. Этот метод дает возможность использовать менее подверженные супер парамагнитному эффекту материалы.
Рисунок 5 — Пример серворазметки
На предприятии изготовителе на диск записываются сервометки, обеспечивающие синхронизацию вращения дисков, позиционирование головок на нужные треки. Сервометки на поверхности образуют области в виде радиальных лучей из центра диска, которые расположены на равных угловых промежутках. Синхронизационная последовательность, в свою очередь, обеспечивает стабильное вращения диска и точное определение моментов прохождения головкой различных областей на диске. По номеру трека обеспечивается позиционирование головок на нужный трек. Сервометки содержат номер трека и дифференциальные метки [5]. Дифференциальные метки, представляют области противоположной намагниченности, смещенные на пол трека, и предназначены для точного позиционирования головок на трек. Принцип действия заключается в том, что головка расположенная точно над треком, проходя между двумя дифференциальными метками считывает, нулевую намагниченность, при отклонении же головки от середины, она окажется ближе к одной из меток, в результате намагниченность, считанная головкой, будет определяться отклонением ее от середины трека [6]. Сервометки могут быть записаны только на прецизионном технологическом оборудовании. Для записи сервометок используется активатор, который вводится в гермоблок через отверстие и управляющий головками при записи. Повреждение сервометки автоматически означает последующую недоступность трека. На отдельных моделях под сервометки отводилась отдельная поверхность, однако от такого решения отказались, так как это весьма расточительно с одной стороны, с другой стороны механической жесткости недостаточно для точного позиционирования головок на других поверхностях при высокой плотности записи.
Рисунок 6— Логическая структура и разметка поверхности магнитного диска
Во время записи на диск используется самосинхронизирующее кодирование, обычно код с ограничением длинны серий (RLL) или код с максимумом изменений (MTR), обеспечивающее малую избыточность при отсутствии необходимости дополнительных синхрометках. Например, в дисках серии MH от Fujitsu применяется MTR-кодирование 16 в 17 бит с условием не более 3 единиц в серии и не более 2 единиц около границы кода. Чтобы обеспечить надежность применяется помехоустойчивое кодирование, тогда в данные добавляется избыточная информация, обеспечивающая восстановление при потерях части информации или ошибках чтения. Может использоваться код Рида — Соломона, турбо-код и другие коды. Получила распространение технология считывания и декодирования «максимальная правдоподобность при неполном отклике». Данные на диски записываются секторами. Сектор — непрерывный фрагмент трека фиксированной информационной емкости. Стандартные сектора содержат по 512 байт (или 256 16-битных слов) информации. Каждый сектор может быть записан независимо от других, но только целиком. Прерванная запись, в случае пропадания питания, разрушает в секторе информацию. Вместе с каждым сектором вычисляется и записывается контрольная сумма, обеспечивающая проверку сохранности данных. При считывании контрольная сумма сравнивается с записанной, и несовпадение означает, что данный сектор сбойный, он называется — бэд. Возможно несовпадение суммы и в том случае, когда поверхность сектора нормальная. При подобном сбое информация в секторе оказывается потерянной, но при записи на него сектор восстанавливается. Эти сектора называются софт-бэдами. Тем не менее, часто компьютерное программное обеспечение для работы с дисками нередко помечает такие сектора сбойными, и выводят их из использования [7]. Запись и чтение информации с HDD. В процессе записи информации на жесткие магнитные диски головка дисковода с сердечником из магнито-мягкого материала или малая остаточная намагниченность перемещается вдоль магнитного слоя магнито-жесткого носителя, то есть большая остаточная намагниченность. На магнитную головку поступают последовательности электрических импульсов (последовательности логических единиц и нулей), которые создают в головке магнитное поле. В результате последовательно намагничиваются (логическая единица) или не намагничиваются (логический нуль) элементы поверхности носителя. При считывании информации во время движения магнитной головки над поверхностью носителя намагниченные участки носителя вызывают в ней импульсы тока. Последовательности таких импульсов передаются по магистрали в оперативную память компьютера [8]. Адресация данных HDD. Минимальной адресуемой областью данных на жестком диске является сектор. Размер сектора традиционно равен 512 байт. CHS (от англ.Cylinder, Head, Sector— цилиндр, головка, сектор) — система адресации сектора, как минимальной единицы хранения данных в накопителях на жестких магнитных дисках, накопителях на гибких магнитных дисках и т.п., основанная на использовании физических адресов геометрии диска. В этой системе сектор адресуется кортежем из трех координат: цилиндр-головка-сектор (Cylinder, Head, Sector), именно так, как он физически расположен на диске. Контроллер жесткого диска интерпретирует значение в радиус, на который передвигается магнитная головка чтения. С каждой магнитной поверхности магнитного диска чтение производит только одна головка, следовательно, указывая головку, мы также указываем ту поверхность, с которой будет считываться информация. Сектор диска интерпретируется, как диапазон градуса поворот диска. Очевидно, что такая схема плохо подходит к не дисковым устройствам хранения (ленты, сетевые хранилища), потому ее не используют. Схема CHS и ее расширенная версия ECHS использовались на ранних приводах АТА использующих интерфейс ESDI[8]. LBA (от англ.Logicalblockaddressing) — механизм адресации и доступа к блоку данных на жестком или оптическом диске, при котором системному контроллеру нет необходимости учитывать геометрию самого жесткого диска (количество цилиндров, сторон, секторов на цилиндре). Контроллеры современных IDE дисков в качестве основного режима трансляции адреса используют LBA. Привод, способный поддерживать режим LBA, сообщает об этом в информации идентификации привода. Суть LBA состоит в том, что каждый блок, адресуемый на жестком диске, имеет свой номер, целое число, начиная с нуля и т. д. (то есть первый блок LBA = 0, второй LBA = 1). LBA 0 = Цилиндр 0/Головка 0/Сектор 1. Еще одно преимущество метода адресации LBA — то, что ограничение размера диска обусловлено лишь разрядностью. В настоящее время, для задания номера блока используется 48 бит, что при использовании двоичной системы исчисления дает возможность адресовать на приводе (248) 281 474 976 710 656 блоков (то есть, при блоке в 512 байт, 128 ПиБ) [8]. LBA заменяет собой более ранние схемы (CHS и Large), в которых нужно было учитывать физические особенности устройства дисков. Геометрия магнитного диска. С целью адресации пространства поверхности пластин диска делятся на дорожки — концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки — секторы. Адресация CHS предполагает, что все дорожки в заданной зоне диска имеет одинаковое количество секторов. Цилиндр — совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жесткого диска. Номер головки задает используемую рабочую поверхность, а номер сектора — конкретный сектор на дорожке. Для того чтобы использовать адресацию CHS, необходимо знать геометрию используемого диска: общее количество цилиндров, головок и секторов в нём. Первоначально эту информацию требовалось задавать вручную [9]. Зонирование. На пластинах современных HDD дорожки сгруппированы в несколько зон (англ. ZonedRecording). Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако на дорожках внешних зон секторов больше, чем на дорожках внутренних. Это позволило, использовать большую длину внешних дорожек и добиться более равномерной плотности записи, увеличивая емкость пластины при той же технологии производства [9]. Резервные секторы. Для увеличения срока службы диска на каждой дорожке могут присутствовать дополнительные резервные секторы. Если в каком-либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменен резервным. Данные, хранившиеся в нем, при этом могут быть потеряны или восстановлены при помощи ECC, а емкость диска останется прежней. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая — в процессе эксплуатации. Границы зон, количество секторов на дорожку для каждой зоны и таблицы переназначения секторов хранятся в ПЗУ блока электроники. Принцип хранения данных на HDD. Хранение и извлечение данных с диска требует взаимодействия между контроллером жесткого диска, операционной системой и электронными имеханическими компонентами самого накопителя. Операционная система помещает данные на хранение и обслуживает каталог секторов диска, закрепленных за файлами. Если дать системе команду сохранить файл или считать его с диска, она передает ее в контроллер жесткого диска, который перемещает магнитные головки к таблице расположения файлов соответствующего логического диска. Затем операционная система считывает эту таблицу, осуществляя в зависимости от команды поиск свободного сектора диска, в котором можно сохранить вновь созданный файл, или начало запрашиваемого для считывания файла. Информация таблицы размещения файлов поступает из электронной схемы накопителя в контроллер жесткого диска и возвращается операционной системе, после чего система генерирует команду установки магнитных головок над соответствующей дорожкой диска для записи или считывания нужного сектора. Записав новый файл на свободные сектора диска, операционная система возвращает магнитные головки в зону расположения таблицы и вносит в нее изменения, последовательно перечисляя все сектора, на которых записан файл. Поиск данных ОС. После проведения самотестирования специальная программа, содержащаяся в BIOS, начинает поиск загрузчика ОС. Происходит поочередное обращение к имеющимся в компьютере дискам (ГМД, ЖМД, CD) и поиск на определенном месте (в первом, так называемом загрузочном секторе диска) наличия специальной программы MasterBoot (программы-загрузчика ОС). Если системный диск и программа загрузчик оказывается на месте, то она загружается в оперативную память и ей передается управление работой ПК. Программа ищет файлы ОС на системном диске и загружает их в оперативную память в качестве программных модулей. Если системные диски в персональном компьютере отсутствуют, на экране монитора появляется сообщение «Nonsystemdisk», и ПК «зависает», т. е. загрузка ОС прекращается и ПК остается неработоспособным. После окончания загрузки ОС управление передается командному процессору. В случае использования интерфейса командной строки на экране появляется приглашение системы к вводу команд. Приглашение представляет собой последовательность символов, сообщающих о текущем диске и каталоге.
|
