Как устроен винчестер. Часть 2

Приветствую, друзья!

Недавно мы начали знакомиться с устройством электромеханического винчестера. Эта штуковина для хранения данных установлена почти в каждом компьютере! Давайте посмотрим — какова электроника винчестера?

Электроника винчестера расположена на отдельной плате. Она представляет собой микропроцессорную систему управления и включает в себя (на примере винчестера Samsung HD161HJ):

• разъемы питания и интерфейса,
• драйвер (микросхему) управления шпинделем,
• цифровой сигнальный процессор,
• оперативную память

 «Мозг» схемы управления – цифровой сигнальный процессор.

Он осуществляет управление приводом головок, драйвером шпинделя, считыванием и декодированием данных и многие другие операции. Раньше плата электроники включала в себя и микросхему flash памяти, подобную той, в которой хранилась BIOS материнской платы.

В ней хранилось firmware (микропрограмма) винчестера. Точнее говоря, часть ее хранилась в микросхеме, а часть – на информационном диске, в отдельной области, недоступной пользователю и операционной системе.

Можно предположить, что в настоящее время firmware хранится на диске, так как микросхем памяти на плате (по крайне мере, в винчестере HD161HJ) не видно.

SMART и питание винчестера

Винчестер – это умная машина, которая запоминает все события, что с ней были. Эти события хранятся в специальной области памяти.

Запоминается не только число переназначенных секторов, но и число ошибок системы позиционирования, ошибок считывания данных, количество включений и выключений, общее время работы, температура и множество других параметров.

Эту информацию можно увидеть с помощью специальных программ, она используется для построения отчетов SMART. SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) – это система самоконтроля, анализа и отчетности.

Зная параметры SMART, можно предугадывать дальнейшее поведение винчестера.

Некоторые тестирующие программы (например, Viktoria) сразу пишут статус винчестера – Good (хороший) или Bad (плохой). Следует отметить, что при хорошем статусе на винчестере может быть множество дефектных секторов.

Наличие дефектных секторов вызывает сбои и зависания в работе операционной системы или прикладных программ. Иногда система вообще отказывается загружаться!

Наличие таких секторов было проблемой еще самых первых винчестеров. Это неизбежное следствие несовершенной технологии. Сбойный сектор может образоваться и после соприкосновения головки с поверхностью диска.

Поэтому изначально винчестер содержит некое избыточное количество секторов, которые не видны пользователю и операционной системе. При необходимости можно заменить сбойный сектор нормальным из числа резервных. Эта операция называется remap (новая карта секторов).

 Remap выполняется с помощью firmware винчестера и специальных служебных программ (той же Виктории, например).

Для питания винчестера используются два напряжения:

• + 5 В, для питания электроники,
• +12 В, для питания шпинделя (который вращает диски)

Винчестеры форм-фактора 2,5” (те, что используются, в частности, в ноутбуках) питаются единственным напряжением + 5 В.

 Следует отметить, что напряжения в блоке питания компьютера должны находиться в пределах +- 5 %.

 Особенно нежелательно повышение напряжения +12 В. При этом микросхема-драйвер может перегреться и выйти из строя.

Если напряжение +12 В будет ниже нормы, шпиндель, вращающий диски, просто не раскрутится. В моей практике был случай, когда это напряжение (вследствие дефектного блока питания) было снижено до величины +11,35 В. И по звуку было слышно, как периодически запускался и останавливался шпиндель. Работать было невозможно.

Хозяин компьютера уже присматривал себе новый диск, но мы заменили блок питания – и винчестер радостно и быстро загрузил операционную систему.

Интерфейсы винчестеров

В настоящее время существуют следующие виды интерфейсов:

• IDE — Integrated Drive Electronics, встроенный интерфейс накопителей или, другими словами, PATA — Parallel Advanced Technology Attachment, параллельный интерфейс накопителей,
• SATA — Serial Advanced Technology Attachment, последовательный интерфейс накопителей,
• SCSI — Small Computer System Interface, параллельный интерфейс малых вычислительных систем,
• SAS – Serial Attached SCSI, последовательный SCSI

SAS является дальнейшим развитием SCSI, он болем скоростной. Два последних интерфейса используются большей частью в серверах. В бытовых и офисных компьютерах используются IDE и SATA. IDE постепенно сходит со сцены, уступая SATA как более скоростному.

Винчестеры IDE подключаются к материнской плате посредством гибкого ленточного кабеля. К одному концу каналу IDE можно подключить два устройства.

 При этом одно устройство должно быть сконфигурировано как Master (ведущий), другое — как Slave ведомый).

Выбор конфигурации осуществляется с помощью перемычек на самом винчестере. Если оба устройства сконфигурированы как Master или оба как Slave, ни одно из них работать не будет.

Контроллер интерфейса IDE, находящейся на материнской плате, в каждый конкретный момент может работать только с одним устройством канала. Другое в это время простаивает.

Это замедляет работу. Положение спасает второй канал IDE. Оба канала могут работать параллельно. Интерфейс IDE — параллельный, ширина информационной шины -16 бит.

SATA, в отличие от IDE, последовательный интерфейс. Тем не менее, скорость передачи данных у него выше, чем у РАТА. Каждое устройство SATA подключается к отдельному порту на материнской плате. Каждый порт SATA имеет два канала, по одному из них поступают данные от контроллера, расположенного на материнской плате, по второму — от устройства к контроллеру.

Интерфейс SATA пережил несколько спецификаций. Сейчас идет внедрение стандарта SATA 3 со скоростью обмена данными 6 Гбит/с. Все новые винчестеры (как электромеханические, так и SSD) поддерживают это стандарт.

Кабель SATA — это одно из слабых мест компьютера. Бывают кабели с «замочком» и без. Кабели с «замочком» обычно идут в комплекте с материнской платой. «Замочек» (упругая металлическая пластина) дополнительно поджимает контакты кабеля к контактам винчестера.

Соединение получается более надежным.

Разъемы SATA на кабеле и на материнской плате имеют ключи (защиту «от дурака»), так что вставить его наоборот нельзя. Интерфейс IDE также имеет выступ на кабеле.

Способы организации хранения информации

Все информационное пространство каждого диска поделено дорожки и секторы. В первых моделях винчестеров каждая дорожка содержала в себе одинаковое количество секторов. Но при этом длина секторов, располагающихся на крайних дорожках, превышала длину секторов, располагающихся вблизи центра диска.

Плотность записи в этих «длинных» секторах была пониженной, площадь диска использовалась неэффективно.

Потом придумали метод зонной записи, при котором на внешних дорожках располагалось больше секторов, чем на внутренних.

Таких зон — с различным количеством секторов на дорожке — в современных винчестеров имеется несколько.

Винчестеры могут содержать в себе несколько физических дисков. Дорожки с одинаковым номером на каждом диске (или на обеих сторонах диска, если он один) объединены в цилиндр.

При установке в компьютер винчестер сообщает BIOS о количестве головок, цилиндров и секторов.

 Следует отметить, что число головок при этом — это некая абстрактная величина, которая может и не совпадать с реальным количеством.

Управляющая схема винчестера содержит встроенную управляющую программу-firmware, которая управляет всеми механизмами и потоками данных. И эта программа «лучше знает» сколько всего головок и как с ними лучшим образом взаимодействовать. Важно знать общий объем информационного пространства.

 Firmware можно обновить (перезаписывать) с помощью специального оборудования

В заключение отметим, что каждый сектор содержит в себе номер, метки начала и конца и другую служебную информацию. Информационный кластер (операционная система оперирует именно с кластерами, а не с секторами) может содержать в себе один или несколько секторов.

Файл содержит в себе цепочку кластеров, объединенных в одно целое посредством файловой системы.

В третьей части статьи мы узнаем, что такое сервометки, зачем они нужны и более подробно рассмотрим способы организации данных.

Можно еще почитать:

1. Что такое Hardware Monitor.

2. Как отремонтировать материнскую плату компьютера.

До встречи!