Жесткие диски (винчестеры), физическое устройство

Магнитный диск у винчестера состоит из одной или нескольких алюминиевых или стеклянных поверхностей, покрытых магнитным слоем. Изначально их диаметр составлял 50 см, сейчас - от 3 до 12 см, у портативных компьютеров - меньше 3 см, причем это значение продолжает уменьшаться. Головка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку. Отметим, что у дискет головка касается поверхности. Когда через головку проходит положительный или отрицательный ток, он намагничивает поверхность под головкой. При этом магнитные частицы намагничиваются направо или налево в зависимости от полярности тока. Когда головка проходит над намагниченной областью, в ней (в головке) возникает положительный или отрицательный ток, что дает возможность считывать записанные ранее биты. Поскольку диск вращается под головкой, поток битов может записываться, а потом считываться. Конфигурация дорожки диска показана на рис. 3.

Рис. 3. Фрагмент дорожки диска (два сектора)

Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины. Каждый сектор обычно содержит 512 байт данных. Перед данными располагается преамбула (preamble), которая позволяет головке синхронизироваться перед чтением или записью. После данных идет код исправления ошибок (Error-Correcting Code, ECC), в качестве которого используется код Хэмминга или чаще код Рида-Соломона, позволяющий исправлять множественные ошибки, а не только одиночные. Между соседними секторами находится межсекторный интервал. Многие производители указывают размер неформатированного диска (как будто каждая дорожка содержит только данные), хотя честнее было бы указывать вместимость форматированного диска, на котором не учитываются преамбулы, ЕСС-коды и межсекторные интервалы. Емкость форматированного диска обычно на 15 % меньше емкости неформатированного.

У всех дисков есть кронштейны, они могут перемещаться туда и обратно по радиусу на разные расстояния от шпинделя, вокруг которого вращается диск. На разных расстояниях от оси записываются разные дорожки. Таким образом, дорожки представляют собой ряд концентрических кругов, расположенных вокруг шпинделя. Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее перемещения. На сегодняшний момент диски имеют от 5000 до 10 000 дорожек на см, то есть ширина каждой дорожки составляет от 1 до 2 микрон (1 микрон = = 1/1000 мм). Следует отметить, что дорожка - это не углубление на поверхности диска, а просто кольцо намагниченного материала, которое отделяется от других дорожек небольшими пограничными областями.

Плотность записи битов на концентрических дорожках различается в зависимости от расстояния от центра диска и зависит главным образом от качества поверхности диска и чистоты воздуха. Плотность записи современных дисков разнится от 50 000 до 100 000 бит/см. Таким образом, при записи в радиальном направлении на единицу площади приходится примерно в 50 раз больше данных, чем в направлении по окружности.

Для повышения плотности производители разрабатывают технологии, в которых "длинное" измерение битов проходит не вдоль окружности диска, а вертикально - оно как бы уходит в глубь материала. Эти технологии обобщенно называются перпендикулярной записью, и уже очень скоро появятся первые коммерческие модели дисков на основе этих технологий.

Большинство магнитных дисков состоит из нескольких пластин, расположенных друг под другом, как показано на рис. 4. Каждая поверхность снабжена кронштейном и головкой. Кронштейны скреплены таким образом, что одновременно могут перемещаться на разные расстояния от оси. Совокупность дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром. В современных моделях дисков для ПК устанавливается от 6 до 12 пластин, содержащих от 12 до 24 рабочих поверхностей.

Рис. 4. Винчестер с четырьмя дисками

Производительность диска зависит от многих факторов. Чтобы считать или записать сектор, головка должна переместиться на нужное расстояние от оси. Этот процесс называется поиском. Среднее время поиска между дорожками, взятыми наугад, составляет от 5 до 10 мс, а поиск между смежными дорожками - менее 1 мс. Когда головка помещается на нужное расстояние от центра, выжидается некоторое время (оно называется временем ожидания сектора), пока нужный сектор не окажется под головкой. Большинство дисков вращаются со скоростью 5400, 7200 или 10 800 оборотов в минуту. Таким образом, среднее время ожидания сектора (половина оборота) составляет от 3 до 6 мс. Время передачи информации зависит от плотности записи и скорости вращения. При скорости передачи от 20 до 40 Мбайт в секунду11 время передачи одного сектора (512 байт) составляет от 13 до 26 мкс. Следовательно, время поиска и время ожидания сектора определяет время передачи информации. Ясно, что считывание секторов из разных частей диска неэффективно.

Следует упомянуть, что из-за наличия преамбул, ЕСС-кодов, промежутков между секторами, а также из-за того, что определенное время затрачивается на поиск дорожки и ожидание сектора, существует огромная разница между скоростью передачи данных для случаев, когда необходимые данные разбросаны в разных частях диска и когда они находятся в одном месте и считываются последовательно. Максимальная скорость передачи данных в первом случае достигается в тот момент, когда головка располагается над первым битом данных. Однако такая скорость работы может сохраняться только на одном секторе. Для некоторых приложений, например мультимедиа, имеет значение именно средняя скорость передачи за некоторый период с учетом необходимого времени поиска и времени ожидания сектора.

Из формулы для вычисления длины окружности c = 2πr следует, что суммарная длина внешних дорожек больше, чем длина внутренних. Поскольку все магнитные диски вращаются с постоянной угловой скоростью независимо от того, где находятся головки, возникает очевидная проблема. Раньше при производстве дисков изготовители создавали максимально возможную плотность записи на внутренней дорожке, и при продвижении от центра диска плотность записи постепенно снижалась. Если дорожка содержит, например, 18 секторов, то каждый из них занимает дугу в 20⁰, и не важно, на каком цилиндре находится эта дорожка.

В настоящее время используется другая стратегия. Цилиндры делятся на зоны (на диске их обычно от 10 до 30). При продвижении от центра диска число секторов на дорожке в каждой зоне возрастает. Это усложняет процедуру хранения информации на дорожке, но зато повышает емкость диска, что считается более важным. Все секторы имеют одинаковый размер. Схема диска с пятью зонами изображена на рис. 2.17.

С диском связан так называемый контроллер - микросхема, которая управляет диском. Некоторые контроллеры содержат целый процессор. В задачи контроллера входит получение от программного обеспечения таких команд, как READ, WRITE и FORMAT (то есть запись всех преамбул), управление перемещением кронштейна, обнаружение и исправление ошибок, преобразование байтов, считываемых из памяти, в непрерывный поток битов и наоборот. Некоторые контроллеры производят буферизацию и кэширование нескольких секторов на случай их дальнейшего использования, а также пропускают поврежденные секторы. Необходимость последней функции вызвана наличием секторов с поврежденным, то есть постоянно намагниченным, участком. Когда контроллер обнаруживает поврежденный сектор, он заменяет его одним из свободных секторов, которые выделяются специально для этой цели в каждом цилиндре или зоне.