Современные винчестеры
Наиболее важным устройством для хранения данных в персональном компьютере является накопитель на жестких магнитных дисках (Hard Disk Drive, HDD). В разговорной речи и технической литературе прижился термин винчестер, который оказался более популярным. Первые модели винчестеров, выпущенные в 1973 г., обладали техническими характеристиками, которые сегодня не подойдут даже для самого простого компьютера ни по объему данных, ни по габаритам, ни по скорости обмена данными. Правда, их конструкция была очень проста, а используемые технологии магнитной записи мало отличались от тех, которые применялись в обычных магнитофонах. Современные же винчестеры после трех десятков лет развития технологии магнитной записи на жестких дисках представляют собой сложнейшую электромеханическую конструкцию, снабженную собственным процессором, предназначенным для интеллектуального управления процессом записи, чтения и хранения информации. Фактически, винчестер в современном персональном компьютере — это специализированный компьютер, предназначенный для хранения данных. Электроника винчестера сама определяет, какие данные в тот или иной момент могут потребоваться процессору. С помощью специальных программ постоянно контролируется состояние механических элементов винчестера, и при необходимости данные, которым угрожает случайное уничтожение, перезаписываются в другие места на магнитных дисках, а в случае появления предпосылок для катастрофического отказа механики винчестера программа защиты данных самостоятельно предупредит пользователя о необходимости замены винчестера. Если говорить о потребительских характеристиках современных винчестеров, то объем хранимых на магнитных дисках данных теперь измеряется десятками гигабайт, достигая в ряде серийных винчестерах 80 Гбайт на одну пластину. Габариты наиболее популярных серий винчестеров равны обычному приводу 3-дюймовых гибких дисков, а наиболее миниатюрные могут использоваться, например, вместо флэш-карт в цифровых фотоаппаратах. Надежность хранения данных на магнитных дисках винчестера составляет фантастическую величину — примерно один отказ на 100 лет, т. е. винчестер, является самым надежным устройством для хранения информации, превосходя по этому показателю оптические компакт-диски (CD-R). Однако, как показала практика, в реальных условиях эксплуатации винчестер оказался весьма ненадежным хранилищем данных. Это связано с тем, что современный винчестер — устройство очень сложное, а конкуренция заставляет производителей торопиться. В итоге на рынок попадают еще "сырые" изделия, в которых в процессе эксплуатации выявляются слабые места. Особенно это касается сегмента рынка винчестеров, предназначенных для домашнего пользования (обычно, покупка осуществляется по минимальной оценке цена-емкость).
Внутри металлического корпуса на оси электродвигателя расположено несколько дисков, изготовленных из алюминия или стекла, на поверхности которых напылен ферромагнитный слой. Корпус винчестера может быть либо герметичен, либо имеет защищенное фильтром отверстие для наружного воздуха. Большинство электронных компонентов размещаются на печатной плате, которая крепится под корпусом. Обычно блок электроники не закрыт защитной крышкой, т. к. считается, что винчестер будет располагаться в корпусе компьютера. Для классификации винчестеров в ряде случаев применяют термин "форм-фактор", имея в виду габаритные размеры. Правда, под этим термином разработчики могут подразумевать совершенно разные измерения, например, возможность установки в 3,5-дюймовый отсек компьютера, т. к. ранее был популярен 5-дюймовый форм-фактор; толщину винчестера, но чаще этот термин говорит о диаметре вращающихся пластин. Если посчитать объем установленного в компьютере винчестера и сравнить его с паспортными данными на винчестер, то можно заметить, что куда-то пропадает довольно значительное дисковое пространство. Дело тут в том, что в паспортах на винчестер указываются два варианта объема винчестера — первый относится к неформатированному дисковому пространству (т. е. на диске не создана определенная структура для хранения данных), а второй — к форматированному. Например, на винчестер IBM объемом 80 Гбайт можно записать только 76,69 Гбайт пользовательских данных (файловая система FAT), а все остальное остается для служебных нужд. Кроме того, в рекламных целях для единиц измерения объема дискового пространства используется несколько иное соотношение величин. Производители и продавцы винчестеров указывают объем своих изделий в десятичной системе счисления, когда 1000 мегабайт считается равным 1 гигабайту, хотя корректной является двоичная система, в которой 1 килобайт — это 1024 байта, 1 гигабайт — это соответственно 1024 мегабайта и т. д. У старых системных плат и BIOS при использовании современных винчестеров существуют три барьера — 8,4, 32 и 137,4 Гбайт, ограничивающих возможность использования винчестеров большего объема. Проблема лечится перешивкой BIOS, установкой новой операционной системы или использованием дополнительного контроллера IDE. Кроме того, при использовании старых винчестеров и операционных систем имеют место ограничения по объему дискового пространства, равные 528 Мбайт, 2,1, 3,2 и 4,2 Гбайт.
Для крепления винчестера в корпусе компьютера используют либо 4 боковых отверстия с резьбой, либо аналогичные отверстия, но находящиеся на нижней части корпуса. При креплении винчестера необходимо применять укороченные винты, чтобы при их закручивании не задеть контактов на печатной плате контроллера или не вызвать ее смещение, т. к. одно или два боковых отверстия почти всегда находятся в плоскости крепления печатной платы. Следует помнить, что винчестер должен устанавливаться в корпусе компьютера горизонтально или вертикально по любой плоскости. Нежелательно эксплуатировать современный винчестер без жесткого крепления к корпусу компьютера, причем между алюминиевым корпусом винчестера и стальной стенкой отсека корпуса компьютера не должно быть изоляционных мягких прокладок. Не рекомендуется также крепить 3-дюй¬мовый винчестер в 5-дюймовом отсеке с помощью тонких длинных винтов. В первую очередь такие требования возникают из-за того, что при резком перемещении работающего винчестера, пластины которого вращаются со скоростью 5, 7 и 10 тыс. об/мин, подшипники двигателя испытывают значительное воздействие сил гироскопического эффекта, что может привести к разрушению внутренних механических узлов и повреждению магнитных головок и поверхности дисков. Во вторых, вибрация незакрепленного винчестера сильно влияет на точность работы сервомеханизма, который позиционирует головки, а это приводит к уменьшению скорости чтения/записи данных, а в крайних случаях, и к потери данных. Кроме того, только за счет надежного крепления винчестера можно обеспечить приемлемый тепловой режим, т. к. корпус компьютера выполняет для винчестера роль радиатора. Также следует отметить, что современный винчестер оказался очень чувствительным к внешним вибрациям. Так, если на процессоре установлен некачественный (неотцентрованный) кулер, то его вибрация через корпус передается винчестеру. Вследствие повышенной вибрации подшипники шпиндельного двигателя и блока магнитных головок быстро выходят из строя, а сервомеханизм привода хуже отслеживает дорожки.
Быстродействие винчестера — запись и чтение информации — зависит от множества факторов, определяемых как конструкцией винчестера и схемотехникой его контроллера, так и работой интерфейса передачи данных. Например, скорость доступа к информации зависит от геометрии дискового пространства — распределения секторов по дорожкам и сторонам дисков, т. к. винчестер — это механическое устройство, у которого движущиеся части обладают значительной инерцией. А поскольку пользовательские данные обычно разбиты на множество небольших кластеров, которые могут размещаться на диске произвольно, то чтение файла, части которого расположены на разных дорожках, занимает больше времени, чем когда все части файла находятся на одной дорожке или на одном и том же номере дорожки, но на разных сторонах диска. Это происходит потому, что для перемещения головки с одной дорожки на другую требуется значительное время, порядка единиц и десятков миллисекунд, а это весьма большое время для современного компьютера. Например, у очень хороших винчестеров время перехода на соседнюю дорожку составляет около 1 мс, а в среднем (для случайного перехода на другую дорожку) — 8,5 мс. При знакомстве с винчестерами полезно знать и понимать следующие термины:
- время доступа (access time) — время от начала операции чтения до момента, когда начинается чтение данных;
- время поиска (seek time) — время, которое необходимо для установки головок в нужную позицию (на дорожку, где будут производиться операции чтения/записи данных);
- среднее время поиска (average seek time) — усредненное время, требуемое для установки головок на случайно заданную дорожку;
- время поиска при переходе на соседний трек (track-to-track seek time) — время перехода головок с 1-й дорожки на 2-ю и т. д.
На быстродействие винчестера оказывает сильное влияние и то, как размещены секторы на дорожках и соседних сторонах дисков. Если все секторы будут идти друг за другом и параллельно на каждой стороне диска, то скорость доступа к информации будет не слишком велика, т. к. электроника, которая считывает данные с диска, имеет ограниченное быстродействие. При этом, в отличие от обычного магнитофона, данные на ферромагнитный диск записываются в закодированном виде, что позволяет повысить надежность хранения и уменьшить объем дискового пространства для хранения единиц информации. Соответственно, прочитав первый сектор, контроллер должен проверить достоверность считанной информации и лишь потом начать читать следующий сектор, но за это время под головкой будет не второй сектор, а какой-либо следующий. В этом случае приходится ждать, пока диск не сделает целый оборот, чтобы прочитать второй сектор. То же самое относится и к секторам на соседних плоскостях. Для ускорения процесса чтения/записи используется буферизация данных, когда контроллер винчестера читает не один, нужный в данный момент сектор, а целую дорожку. Прочитанные данные сохраняются в буфере объемов в 2 Мбайт, а в некоторых типах винчестерах до 8 Мбайт. Таким образом, при новом запросе на чтение следующего сектора контроллер винчестера сначала проверит наличие нужных данных в буфере, не проводя реального чтения данных с поверхности магнитных дисков. Наиболее интеллектуальные контроллеры могут заранее загружать в буфер данные, используя механизм предсказания. Принудительного охлаждения винчестер в большинстве случаев (для скоростей вращения дисков 5 и 7 тыс. об/мин) не требует, но для повышения надежности работы современных скоростных винчестеров желательно использовать дополнительный вентилятор, который должен обдувать плату контроллера и гермоблок. Для этого ряд фирм выпускает вентиляторы с экраном специальной формы, который может крепиться на корпусе винчестера. Смысл такой рекомендации в том, что нормальная работа винчестера гарантируется при температуре его корпуса не выше 50° (и не ниже 0°!). А в винчестере греются не только вращающиеся диски и двигатель, но и микросхемы управления, которые при непрерывном обращении к винчестеру нагреваются до температуры выше 80°. Частая причина выхода из строя винчестера заключается в том, что микросхема управления двигателем перегревается и выходит из строя, иногда в таких случаях лопается даже пластмассовый корпус микросхемы. Когда же перегреваются вращающиеся диски, с них слетают микроскопические кусочки магнитного слоя, что приводит к появлению большого количества "плохих" секторов. Следует отметить, что проблема охлаждения винчестеров сложилась исторически. Современные корпуса, у которых за многие годы почти не изменилась конструкция, оказались не пригодными для отвода тепла, выделяемого скоростным винчестером. Поэтому, если вы стали обладателем высокопроизводительного винчестера, установка дополнительного охлаждения на него становится обязательной.
Для подключения винчестеров в компьютерах используются несколько типов интерфейсов, но в персональных компьютерах почти всегда применяется 16-разрядный параллельный интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), он же — AT-BUS, ATA1 и его модернизации Ultra ATA с различными тактовыми частотами. Последовательный интерфейс Serial ATA только недавно начал внедряться, и количество моделей винчестеров и системных плат, в которых используется данный интерфейс, невелико. Интерфейс SCSI применяется, в основном, только в серверах, т. к. стоимость винчестеров с SCSI-интерфейсом почти в два раза выше, чем у винчестеров с IDE-интерфейсом. Наибольшего эффекта от применения интерфейса SCSI можно достигнуть только в многозадачных операционных системах, когда надо одновременно выполнять несколько "тяжелых" приложений или при массовых запросах к данным на устройствах хранения. Спецификация IDE определяет, что на системной плате устанавливается контроллер IDE-интерфейса с двумя одинаковыми каналами, к каждому из которых можно подключить до 2 равноправных устройств. То есть в персональном компьютере может одновременно работать до 4 винчестеров (или любых устройств с IDE-интерфейсом, а также с интерфейсом ATAPI, являющимся еще одной модернизацией интерфейса IDE). Заметим, что для увеличения количества подключаемых IDE-устройств можно использовать дополнительные платы IDE-контроллеров, устанавливаемые в слот PCI. До скорости передачи данных в 33 Мбайт/с для IDE-кабеля (шлейфа) применяется 40-жильный плоский кабель. При желании использовать стандарты Ultra ATA/66 и Ultra ATA/100 надо заменить 40-жильный кабель на 80-жильный. Для интерфейса IDE используется кабель с 40-контактными разъемами и длиной не более 46 см (18 дюймов). Практически всегда на нем установлено 3 разъема — один для подключения к системной плате и два для IDE-устройств. Каких-либо перекруток проводов не используется! Следует обратить внимание, что на 80-жильном кабеле также устанавливаются 40-контактные разъемы, а дополнительные 40 проводников заземляются внутри разъема.
