Български English [beta]
Здравей, гостенино. (вход, регистрация)
Екип Партньори Ресурси Статистики За контакт
Добави в любимиПредложи статияКонкурсиЗа рекламодатели
Начало
Форум
Към Кратки
Всички статии
 Литература
 Музика
 Филми и анимация
 На малкия екран
 Публицистика
 Популярни
 Кулинария
 Игри
 Спорт
 Творчество
 Други
Ключови думи
Поредици
Бюлетин

Търсене

Сивостен :: Твърдите дискове - конструкция, компоненти и начин на работа (статия) - Хардуер, HDD, Компютри, Технология, Харддиск
Твърдите дискове - конструкция, компоненти и начин на работа

Поредици: Хардуер

Автор: Иван Ж. Атанасов, понеделник, 09 март 2009.

Публикувано в Статии :: Популярни; Предложи Гледна точка

Намали размера на шрифтаУвеличи размера на шрифта

Твърдите дискове, всеки знае, са един от основните компоненти на модерната компютърна система. Известно е, че при отказ всичките данни отиват на кино практически необратимо. Но всъщност колко от потребителите знаят как работи, дали е добър или не? Всеки се интересува дали този модел е здрав, но малко хора си задават въпроса колко е бърз. А дори и да се запитат гледат трансферната скорост на интерфейса и толкоз. Толкова много митове относно крехкостта на този критичен компонент се ширят, че повече няма накъде. А всъщност почти никой не знае условията за аклиматизация и доста устройства са си заминали или поне животът им е паднал чувствително именно от това. Така че, нека си поговорим за твърдите дискове.

Да започнем от мита за крехкостта на харддиска. Виждал съм устройства с отстранени капаци да работят без проблем в продължение на седмици. Случвало ми се е твърд диск да се изтъркаля по стълбите и да продължи да работи още години. Естествено имам опит и с обратното – необратим отказ в следствие на описаните събития. Но важното е, че всъщност повечето модерни дискови устройства са доста устойчиви, така че не е задължително да ги носим в памук и да се притесняваме от всяка дупка по улицата. Естествено също толкова добре е и да не ги млатим с чук, все пак не са наковални.

Вторият интересен момент, който е малко известен, е че всъщност твърдите дискове изискват определен период на аклиматизация. Тъй като не всички модели са херметически запечатани, а дори и да са – вътре пак има въздух, е добре след внасяне отвън да бъдат оставени достатъчно дълго време в покой преди да започне експлоатацията. Защо? Влажността може да се превърне в сериозен проблем, а кондензацията далеч не е изключена. Навремето Seagate бяха публикували една таблица по този въпрос – при температура на предишно съхранение от -4 градуса диска трябва да се аклиматизира тринадесет часа, а при -34 – до двадесет и седем. Виждал съм обаче хора, които взимат устройството от склада, дават го на клиента, който след по-малко от час, прекаран в транспорт при отрицателни температури го включва и... следва рекламация. Която всъщност фирмата не е длъжна да уважи.

След като уточнихме тези немаловажни факти, покрай които масово битува мъглата на заблудата, е време да кажем какво всъщност представлява твърдият диск. Той е енергонезависимо или полупостоянно запаметяващо устройство. Това значи, че след спиране на захранването данните продължават да се съхраняват безпроблемно. Състои се от твърди алуминиеви, стъклени или керамични плочи, които са фиксирани и се въртят заедно от електромотор. Над тях, на петнадесетина нанометра, плават глави за четене и запис, които също са фиксирани и се движат в синхрон от втори електромотор (актуатор).

Освен тях имаме два въздушни филтъра – рециркулационен и барометричен. Първият филтрира малки частици, отделили се по време на работата на устройството. Такива неизбежно има във всяка механична система. Вторият има за цел да пропуска и филтрира въздух навътре и навън от него с цел изравняване на външното и вътрешното налягане. Филтрите са проектирани да вършат работата си коректно през целия живот на харддиска, за разлика от някои по-стари модели, където са се използвали сменяеми такива.

Интересно е да се отбележи, че барометричния филтър е отговорен за това, че харддисковите устройства не могат да се използват при прекалено ниска или прекалено висока надморска височина. Тъй като главите плават върху въздушна възглавница, създадена от въртенето на плочите, налягането е от критична важност, така че ако устройството включва подобен компонент няма смисъл дори да мислите да го използвате над три километра над морското равнище.

След като описахме основните компоненти на един твърд диск, нека кажем нещо за развитието на технологията в исторически план. Първите устройства от този вид имаха капацитет от 5 мегабайта, докато в момента има харддискове способни да съхраняват стотици гигабайти. Което резултира и в относителната цена за съхранение, която от над сто долара за мегабайт е паднала до под десет цента за същия капацитет. Трансферната скорост на данните от физическия носител е нараснала от осемдесетина килобайта на секунда до над шестдесет мегабайта за същия период. А средното време за търсене е намаляло от над осемдесет милисекунди до под три при високопроизводителните твърди дискове.

Това сравнение говори за наистина впечатляващия скок, който технологията е постигнала от първите уинчестъри до наши дни. Но въпреки това можем спокойно да кажем, че принципите на работа са се запазили. Основната физическа конструкция на един твърд диск продължава да се състои от множество подредени един над друг въртящи се дискове, над които плават глави за четене и запис, движещи се радиално над диска от актуатора. Последните все така четат данните от концентрични кръгове по повърхността на плочите, които наричаме пътечки. И тези пътечки се делят както и преди на сегменти (приличащи на парче торта), наречени сектори – всеки от по 512 байта.

Разликите са в скоростите на въртене, които в модерните дискове достигат до петнадесет хиляди оборота в минута, за сметка на три хиляди и шестстотинте оборота в миналото. Също така има по-бърз механизъм за придвижване на главите, по-тънки плочи, което позволява по-ниска височина на плаване на главите и съответно по-голяма гъстота на запис.

На няколко пъти вече споменаваме, че главите плават над плочите. Какво се има предвид – при въртенето на твърдия диск се образува зона на по-високо налягане (въздушна възглавница), върху която „стъпват” те. Тази конструкция позволява много точното позициониране по вертикала на много малко разстояние на главите. При изключване на компютъра, плочите спират да се въртят и когато останат в покой главите падат върху тях. Всъщност най-неприятният отказ, който може да се случи, е преждевременното приземяване на глава върху плоча, тъй като това в комбинация с въртенето причинява непоправими драскотини и необратима загуба на данни. Случва се, когато въздушната възглавница се наруши от силен удар или прашинка и може да доведе дори до пълното разрушаване на устройството.

Казахме, че главите лягат върху плочите при спиране на захранването. Как се предотвратява издраскването на повърхността при този случай? Спокойно, не е необходимо да не спира въртенето, за да осигурите по-дълъг живот на устройството – върху плочите е нанесен специален лубрикант и повърхността е заздравена, за да може да издържат ежедневното издигане и спускане на главите през целия проектен период на работа на устройството. Всъщност именно тези две неща правят възможността за отказ в следствие на сгромолясване на глава достатъчно малко вероятен изход при модерните харддискове.

Като говорим за плаването на главите няма как да не звучи мъгляво. Така че нека погледнем как би изглеждала цялата тази композиция при един малко по-голям мащаб. Представете си плоча с обиколка колкото екватора, която се върти със скорост при ръба от двадесет и седем и половина километра в час. Над нея, на - забележете - пет милиметра плава глава с размерите на тристаметров хълм. Сега навярно разбирате за каква прецизност става дума.

Казахме какво е пътечка – една окръжност съдържаща данни. Самите пътечки обаче са доста големи, за да могат ефективно да се управляват данните върху тях, така че те се разделят на номерирани сектори. В различните дискове секторите са с различен физически размер и при стандартно форматиране – еднакъв капацитет – 512 килобайта. Интересно е да се отбележи, че независимо колко са реално секторите за да могат да се управляват дисковете от BIOS-а се транслират логически за да има всяка пътечка по шестдесет и три сектора. Секторите са номерирани от едно до общия им брой за разлика от цилиндрите и главите, чиято номерация започва от нула. Цилиндър пък наричаме всички пътечки на всички плочи, намиращи се една над друга.

При по-старите дискове секторите включваха служебни данни в началото и в края си – първите с информация за номера на сектора, а вторите с контролната сума за данните. При по-новите устройства има безидентификаторен запис, или с други думи отсъства хедъра (предхождащата сектора служебна информация), което съвсем естествено води до увеличаване на капацитета. Така че, за да има 512 байта данни, един сектор заема 571 байта при идентификаторния запис. Което води до интересния феномен от миналото капацитетът да бъде даван в неформатирания си размер и при реалната употреба да е доста по-малък от указаното.

В наши дни обаче дисковете се форматират от ниско ниво още в завода. Това се прави по няколко причини, но една от основните е, че се използват специални тестови шаблони от записани данни при форматирането, които позволяват съвсем точно да се диагностицира годността на диска и дали има проблеми с него. По този начин се „хващат” проблеми, които е силно вероятно да не изскочат при нормална експлоатация, но индикират някакъв дефект.

Нека отново използваме аналогия, за да обясним по-точно какво всъщност представлява един сектор. Представете си го като страница от книга, която съдържа в горната си част номера на самата себе си, а в долната обяснения под черта и т.н. Безидентификаторния запис пропуска номера на текущата страница, което дава възможност на нея да има повече текст. Всъщност, данните идентифициращи един сектор не са просто едно число, а са няколко числа – номер на цилиндъра, номер на главата и номера на самия сектор. А обясненията под черта са CRC (cyclic redundancy check) - поле за верификация на данните. Нормалните 2 байта обаче не са достатъчни за корекция на грешки, затова се използва доста по-дългия ECC (Error Correction Code), който дава възможност не само за откриване, но и за корекция на същите.

Форматирането остана необяснено, така че може би трябва да поправим този пропуск. Преди да започне запис на потребителски данни на диска трябва да се премине през три стъпки – форматиране от ниско ниво (физическо), разделяне на дялове и форматиране от високо ниво (логическо). Форматирането от ниско ниво представлява разделяне на пътечките на сектори, чрез създаване на интервали. След това следва записването на служебната информация и запълване на областта за данни със специален тестов шаблон. Броят на секторите, на които се дели една пътечка обаче не е случаен – той зависи от контролера на устройството. Но тъй като един и същи контролер често се употребява от няколко производителя, се получава нещо като стандарт и всъщност броят на секторите, на които се дели една пътечка се оказва удивително константен при различните дискове.

Има два начина да се направи това форматиране – стандартен и зонално-битов. Първия дели всяка пътечка на равен брой сектори. Както се досещате, външните пътечки са по-дълги и следователно там имаме разхищение на мястото, тъй като на повече физическо пространство се записва същото количество потребителски данни и това влече по-ниска плътност на записа.

Затова повечето устройства използват зонално-битовия запис. При него цилиндрите се делят на групи, наречени зони, като всяка следваща зона има повече сектори на пътечка, като под следваща разбираме по-външна. Естествено, броят на зоните варира за устройствата, но като правило можем да кажем, че са повече от десет за всяко по-ново такова.

Изниква обаче един проблем – трансферните скорости варират в зависимост от положението на данните. В по-външните части на дисковете има повече сектори, което ще рече, че от там четенето и записа е значително по-бавен, защото плочите все пак се въртят с постоянна скорост. Точно затова, когато искаме да разберем колко е ефективно едно устройство, трябва да гледаме минималните и максимални трансферни скорости от физическия носител, както и средната такава. Важно е да се отбележи, че те при всяко положение са значително по-малки от тези на интерфейса, така че, ако изключим кеширането, той реално не би имал никакво отражение върху скоростта на четене и запис от диска, ако е по-нов от ATA-5 (UDMA-66).

В исторически план зонално-битовото записване не е било винаги доминиращо, както сега. Преди време с отделните от диска контролери това беше невъзможно и се използваше стандартния запис. Защо? При тази постановка не съществува начин устройството да предаде на контролера информацията за зоните, поради липсата на достатъчна стандартизация. При дисковете с вграден контролер обаче всичко е стандартизирано и той може безпроблемно да транслира номерата на физически цилиндър, глава и сектор в логически такива, каквито се изискват, за да може BIOS-а да работи с устройството, тъй като казахме, че той работи с константен брой сектори на пътечка за цялото устройство. Така че, при зонално-битовия запис винаги имаме схема за транслация на секторите, което действително усложнява постановката, но пък дава до над петдесет процента по-висок капацитет.

Втората стъпка, казахме, е разделянето на дялове. По този начин на логическо ниво един диск се превръща в няколко отделни такива, което позволява да се използват различни файлови системи и респективно различни операционни системи на едно и също устройство. Задължително диска има един дял, останалите са опционални. Всъщност заблуда е, че е добре да има множество дялове – най-добре е да има един, максимум два, а заблудата идва от времената, когато битуваше FAT16, която поддържаше едва 2 гигабайта дялове и при осем гигабайта диск би било разхищение да има два дяла с размер от 4 гигабайта общо.

Третата стъпка е логическото форматиране, когато операционната система създава структурите необходими за управление на файловете – файловата система. При нея всъщност просто се създава някаква таблица или друга структура (в зависимост от вида на файловата система), която описва съдържанието на диска. Няма да се спираме подробно на този елемент, тъй като за него вече говорихме подробно в специална статия.

След като разбулихме мъглата около форматирането можем да се върнем върху конструкцията на харддиска. Вече знаем, че основния му компонент са плочите – носителя на информация. Като размер те са се променяли от 5,25 инча до 3,5 инча в наши дни, макар че за някои устройства се използват 2,5, 1,8 и дори едноинчови дискове. Материалът е еволюирал от алуминиево-магнезиева сплав, която осигурява лекота и достатъчно твърдост, до стъклокерамика, която позволява поради по-голямата си твърдост направата на по-тънки плочи и съответно увеличаване на капацитетите на дисковете.

Но това е само основата. Върху нея трябва да се нанесе някакъв слой, който да съхранява магнитния запис. Използват се оксидни, тънкослойни и носители с антиферомагнитно свързване (AFC). Първите могат да бъдат различни съединения, но общото е че се използва железен оксид като активна съставка. Магнитният слой се приготвя в течно състояние и се нанася върху плочите, след което се разнася чрез въртене на висока скорост, като центробежната сила осигурява равномерното разпределение на веществото движещо се от центъра към ръба. След това плочата се изсушава и изглажда. Накрая се нанасят споменатите вече лубриканти и всичко се полира идеално. Дебелината на покритието в този случай е от порядъка на 9 милионни от милиметъра.

С нарастването на капацитета на устройствата обаче слоят магнитен носител трябва да става все по-идеално гладък и все по-тънък. Въпреки вече споменатите почти идеални характеристики постигани с оксидния носител се оказва, че те не са достатъчно добри за индустрията и това води до появата на тънкослойния носител. Той е по-тънък, по-твърд и се формира по-равномерно от оксидния, което позволява по-ниска височина на плаване на главите и съответно по-висока плътност на записа, тъй като с намаляване на разстоянието могат да се четат по-прецизно данните.

Процесът на нанасяне на слоя магнитния пласт при метализираните тънкослойни носители много прилича на процеса на хромиране използван при някои автомобилни производители. Плочите се потапят последователно в бани с различен химически състав и посредством процес наречен галванизиране върху тях се отлага слой кобалтова сплав с дебелина под един микрон.

При пръсканите тънкослойни носители пък кобалтовата магнитна сплав се нанася чрез продължително отлагане (пръскане) в състояние на вакуум. Наподобява методите използвани от полупроводниковата индустрия за отлагане на метален слой върху силиконовата подложка. Необходимостта от идеален вакуум обаче прави процеса доста скъп и в повечето случаи цената не е оправдана на фона на аналогичната, макар и по-ниска дебелина на слоя, и почти равните стойности на твърдост и гладкост постиган от двата процеса.

Ако отворите едно модерно дисково устройство произведено по която и да било от описаните технологии за нанасяне на тънкослойния носител ще забележите, че са лъскави като огледала. Ако имате възможност да ги погледнете под голямо увеличение ще забележите, че са почти идеално гладки. Нещо, което например няма да видите при кафеникавите оксидни носители, където под увеличение се виждат доста добре неравностите.

Въпреки цялата тази идилична идеалност, индустрията не се отказва да търси още по-добри условия, които да позволят все по-ниско плаване на главите и гъстота на записа. Така се появява AFC носителя. Има една граница на плътността, наричана суперпарамагнитна граница, над която гранулите на магнитния носител започват да губят стабилност и записа става ненадежден. Тя се намира някъде около 50-те гигабайта на квадратен инч и имайки предвид, че преди доста години харддисковете подминаха границата от 35 гигабайта на квадратен инч нова технология бе повече от необходима.

Каква е тя – два магнитни слоя, разделени от рутениев пласт с дебелина от едва три атома. Така се постига антиферомагнитно свързване на двата магнитни слоя и резултантната магнитна дебелина се разделя между тези два пласта. Резултатът е следният – използване на по-дебел магнитен слой с по-големи гранули, които обаче функционират по същия начин по-който биха го правили, ако слоят бе два пъти по-тънък, но без да губят стабилност поради по-големия си размер. По този начин границата от петдесет гигабайта на инч бива подмината и новата вече лежи някъде отвъд стоте.

Казахме, че главите лежат на рамена, които се движат едновременно от устройство наречено актуатор. Той отговаря за прецизното позициониране над дадена пътечка и може да бъде с две основни конструкции – с подвижна бобина или стъпков двигател. Вторият обаче има по-бавна скорост на позициониране и голяма температурна чувствителност и не позволява автоматично паркиране на главите при прекратяването на работата. Като цяло надеждността му е слаба и вече е практически излязъл от употреба. Какво представлява – един електрически двигател придвижва рамената на стъпки посредством механични ограничители. Стъпковите двигатели не могат да се позиционират между ограничителите, така че спират на предварително установени позиции. Проблемите са много, но най-големият е когато плочите се нагорещят - те се разширяват и двигателят не позиционира точно главите, тъй като позициите на които може да спре са ограничени от дизайна.

Затова се използва електродинамичен актуатор. При него имаме конструкция от постоянен магнит и бобина. Протичането на ток през нея я кара да се премества спрямо магнита и по този начин се придвижват главите. За точното позициониране се използва индексация (или серво), която позволява прецизно позициониране чрез обратен сигнал. Затова тези системи често се наричат серво-управлявани.

Споменахме, че при стъпковите двигатели няма автоматично паркиране на главите. Става дума за позиционирането на главите в най-вътрешния цилиндър, където лягат след приключване на работата. Преди се използваше специална програма, която при изключване ги завърташе на необходимата позиция, но този процес имаше недостатъка, че при внезапно прекратяване на захранването не сработва. В новите дискове с електродинамичен актуатор при спиране на захранването пружина избутва главите, които от постепенното намаляване на скоростта на въртене на плочите се снижават към тях и лягат на нулевата позиция.

Има два типа механизми от този вид – линейни – където двигателя движи рамената, на които са главите навътре и навън и ротационни – където има ротация на рамото спрямо ос. При първите се елиминира изменението на азимута (ъгъла между позицията на главите и допирателната към даден цилиндърът) на главите поради простата причина, че няма завъртане. Въпреки това има един фатален недостатък – тежест. А нарастването на производителността на устройствата изисква олекотяване на всички механизми вътре в тях, така че линейните електродинамични актуатори практически не се използват в съвременното производство.

При ротационните обаче от ефекта на рамото се получава по-бързо завъртане на главите, отколкото скорост дава самият двигател, и съответно по-бързо позициониране. Обаче грешката причинена от промяната в азимута ограничава площта за четене и писане, защото, за да се ограничи тази грешка, се налага да се добавят ограничения за на крайните движения на механизма. Въпреки това предимствата са повече от недостатъците и това е водещата конструкция на модерните актуатори.

Както споменахме, независимо дали се използва ротационен или линеен електродинамичен механизъм има нужда от серво информация за прецизно позициониране на главите. В случая думата „серво” няма нищо общо с това на волана или спирачката при автомобилите, а става дума за информация, която е записана на плочите и помага на позициониращия механизъм постоянно да се настройва и така да има абсолютно точно позициониране. Различаваме три типа – клиновидно, вградено и посветено.

Серво информацията наричаме сив код. Тя се нанася още при производствения процес от специална машина. По същество тя придвижва главите над дадена позиция и записва информация за същата. Заради необходимостта от абсолютна прецизност машината се направлява от лазерен лъч и позицията се изчислява на база промените в дължината на вълната.

Ранните твърди дискове използваха клиновидно серво. На практика сивия код при него е записан в един серво клин преминаващ през всички цилиндри, предшестващ индексен маркер посочващ началото на всяка пътечка. Явява се обаче проблем, че информацията от серво клина може да бъде прочетена само веднъж на завъртане, което увеличава времето за преместване на главите тъй като за прецизното позициониране се налага тази информация да бъде прочетена няколко пъти.

Вграденото серво елиминира този проблем. При него информацията за позиционирането на главите се записва в началото не на всеки цилиндър, а на всеки сектор. Така всяка пътечка има собствена позиционираща система, а информацията се чете много пъти за едно завъртане, което позволява бързо и ефективно позициониране на главите над пътечката, независимо от физическите промени от промяната на температурата и разширението на плочата или други фактори. Повечето днешни устройства използват именно такова серво.

Третия тип, посветеното серво, дава още по-голяма ефективност на системата, тъй като при него цяла една страна от една плоча е отделена само за сивия код. Така информацията за позицията постъпва постоянно и корекциите са практически мигновени. Проблем е обаче че се губи много капацитет. Лесно можете да разпознаете дали се използва този тип серво тъй като при него броят на главите за четене и запис е нечетен. Причина за това е именно факта, че цяла една страна на една плоча не се използва за потребителски данни и там няма нужда от такава глава.

Останаха два елемента на твърдите дискове – двигателят на шпиндела, който всъщност е най-безинтересен, тъй като е съвсем нормален електродвигател, който върти оста, на която са закрепени плочите. Разлики има само в скоростта на въртене, която е обозначената на диска скорост – 5400, 7200, 10 000 или 15 000 rpm. Най-любопитното при тях е лагеруването. Щом има въртене трябва да има и такова, но ако се използва традиционен лагер се получава и луфт, който е най-малко 0.1 микрона. Въпреки нищожната стойност това пречи да се постигне висока производителност и затова се появява конструкцията с флуидно-динамични лагери. При тях има много гъста смазваща течност между шпиндела и оста на двигателя и именно тя служи за омекотяване на вибрациите и движението, а луфтът се свежда до 0.01 микрона и по-малко. Използването им дава следните ефекти - повишена удароустойчивост, по-нисък шум и по-високи скорости на въртене и плътност на записа.

И накрая стои логическата платка. Преди време контролерите бяха извън самия диск, съвсем отделни от него. Всъщност в момента също са отвън, но са закрепени за него и са проектирани за точно това устройство. Споменахме, че това позволява използването на зонално-битов запис, което е и най-интересният факт около тях. Може би е любопитно все пак да се спомене, че повечето повреди на харддисковете всъщност са повреди именно в логиката му, а не в самото устройство.

По принцип тя може да се подменя, но сравнителни ниските цени на твърдите дискове и сравнително високата сума, която се налага да се отдели за замяната правят подобен ремонт непрактичен в случаите, когато не се търси възстановяване на критична информация от носителя. Но практиката е да не се допуска подобно съхранение на важна информация без реализация на RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) масиви, при които просто се подменя дефектиралия диск.

Същата логическа платка осъществява и интерфейса към дъното, например адаптер за SCSI шината, ATA или SerialATA контролер. И с това най-важните и интересни факти около конструкцията и начина на работа на твърдите дискове се изчерпват и всеки имал търпението да изчете този материал би трябвало да е добил добра представа как работи един от най-важните компоненти в една модерна компютърна система.






Допадна ли ви този материал? (33) (0) 12797 прочит(а)

 Добави коментар 
Ако сте регистрирани във форума можете да коментирате и тук

Име:
Текст:
Код:        

 Покажи/скрий коментарите (4) 



AdSense
Нови Кратки @ Сивостен


Реклама


Подобни статии

Случаен избор


Сивостен, v.5.3.0b
© Сивостен, 2003-2011, Всички права запазени
Препечатването на материали е нежелателно. Ако имате интерес към някои от материалите,
собственост на сп. "Сивостен" и неговите автори, моля, свържете се с редакционната колегия.