Принцип цифровой магнитной записи.

Стр 1 из 4Следующая ⇒

Лабораторная работа 5

Исследование накопителя на жестких дисках (НЖД)

Цельработы

Цель работы состоит:

- в определении конфигурации НЖД;

- в изучении и исследовании основных характеристик НЖД;

- в ознакомлении с программами диагностики и тестирования НЖД.

Основные сведения

Накопители на жестких дисках обычно называют винчестерами. Этот термин появился в 1960-х годах, когда IBM выпустила высокоскоростной накопитель с одним несъемным и одним сменным дисками емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из пластин, которые вращались с высокой скоростью, и " парящих" над ними головок, а номер его разработки — 30-30. Такое цифровое обозначение (30-30) совпало с обозначением популярного нарезного оружия Winchester, поэтому термин винчестер вскоре стал применяться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска. Это типичный профессиональный жаргон, на самом деле подобные устройства не имеют с обычными винчестерами(то есть с оружием) ничего общего.

Ни один жесткий диск не сравнится по скорости передачи данных с оперативной памятью. И все же дисковую систему приходится использовать весьма активно. Работа с диском необходима при запуске программ, при работе с виртуальной памятью, при воспроизведении мультимедийных данных. Современные программы, в том числе компьютерные игры, содержат массу различных данных, которые должны быть загружены в память. В связи с этим фактор быстродействия жесткого диска играет весьма важную роль в обеспечении общей эффективности компьютера.

Принцип цифровой магнитной записи.

Принцип работы ЗУ на НЖД, то есть на подвижном магнитном носителе основан на особенности магнитных материалов изменять свое состояние под действием магнитного поля Н в соответствии с петлей гистерезиса:

±Н_к - коэрцитивная сила

±В_r - остаточная магнитная индукция

Рис.1

После снятия магнитного поля носитель остается в одном из состояний ±В_r, на чем и основан принцип запоминания. Чтение записанной информации (также как и запись) производится с помощью магнитной головки чтения, в которой при изменении намагниченности носителя под головкой наводится ЭДС: . Магнитная запись и чтение двоичных сигналов на магнитных носителях производится с помощью двух состояний (состояние размагниченности обычно не используется).

Магнитный носитель - это немагнитный материал покрытый тонким ферромагнитным материалом в виде МЛ или МД. Магнитные домены или битовые ячейки представляют собой чередующиеся участки с различным направлением намагниченности. Плотность магнитной пластины определяется размерами ячеек: чем они меньше, тем выше плотность записи информации.

Конструкция НЖД

Конструктивно НЖД содержит пакет магнитных дисков-пластин, установленных на общей оси. (рис.2.) Частота вращения дисков в первых моделей составляла 3 600 об/мин. Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла до 6 400, 7 200, 10000 об/мин и даже 15 000 об/мин.

Ри2.1.

Рис.2.

Отдельная пластина имеет одну или две рабочие поверхности. Возле каждой поверхности установлена собственная магнитная головка для записи и считывания информации. Головки объединены в пакет и перемещаются синхронно — в любой момент расстояние от каждой из головок до оси вращения пластин одинаково.

Движение головок осуществляется при помощи специального двигателя. У ранних жестких дисков использовался шаговый двигатель, аналогичный тому, который применяется в дисководах гибких дисков, — позиционирование головок на дорожке определялось числом шагов. В современных жестких дисках используется более быстрый линейный двигатель, не имеющий фиксированных положений. Позиционирование головки (то есть, выдача команд на включение и выключение двигателя) производится с использованием серво-меток, расположенных между дорожками с данными.

Пакет головок помещен в герметичный блок, пространство которого изолировано от атмосферы и содержит воздух, очищенный от пыли и влаги. Специальная мембрана служит для выравнивания давления внутри гермоблока. При вращении дисков возле их поверхности образуется тонкая воздушная подушка, на которой и «плавает» магнитная головка. Таким образом, в ходе работы прямого контакта между головкой и поверхностью диска нет, что положительно сказывается на сроке службы прибора. При выключении компьютера контроллер автоматически выполняет парковку головок диска — они уводятся на крайнюю дорожку и ложатся на диск в том месте, где какие-либо данные отсутствуют.

Вместимость жесткого диска зависит от количества пластин и объема данных, помещающихся на одну пластину. У ранних дисков плотность записи была невелика — объем наращивался путем увеличения числа пластин. Нередко встречались «монстры» с 8-12 головками. Современная технология позволила значительно поднять плотность записи — число головок диска обычно не превосходит четырех. Благодаря этому современные диски намного компактнее.

Если положение головок диска фиксировано, то благодаря вращению под головками; оказываются точки, образующие на поверхности диска окружность. Такие окружности называют дорожками — они содержат данные. Благодаря вертикальному расположению головок друг над другом, все дорожки с одинаковым расстоянием от оси вращения, могут быть прочитаны одновременно. Такая совокупность дорожек образует цилиндр. Цилиндр диска однозначно определяется положением пакета головок, а чтобы выбрать конкретную дорожку, необходимо также указать номер рабочей поверхности.

Каждая дорожка состоит из секторов, содержащих конкретные данные. Объем сектора стандартен для всех жестких дисков и составляет 512 байт (рис. 3.)

Рис. 3.Схема физического устройства жесткого диска

У ранних моделей жестких дисков сектора имели фиксированный угловой: размер —ближе к центру диска площадь сектора меньше, чем на периферии. Современные диски используют механизм ZBR (Zone Bit Recording — запись по зонам). Радиальная часть диска разделена на несколько зон (иногда более десятка), внутри которых число секторов на дорожке фиксировано. Однако чем дальше от оси вращения располагается зона, тем больше секторов содержат дорожки (рис.4.).

Рис. 4. Диск с постоянным угловым размером сектора и диск с механизмом ZBR

При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочая служебная информация, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается, и с этим приходится мириться, поскольку для обеспечения нормальной работы накопителя некоторое пространство на диске должно быть зарезервировано для служебной информации.

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс — suffix portion), в котором находится контрольная сумма (checksum), необходимая для

проверки целостности данных. Помимо указанных областей служебной информации, каждый сектор содержит область данных емкостью 512 байт.

Утверждать, что размер любого сектора равен 512 байт, не вполне корректно. На самом деле в каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных — это только часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные отводится только 512 байт. В различных накопителях пространство, отводимое под заголовки (header) и заключения (trailer), может быть разным, но, как правило, сектор имеет размер 571 байт.

Чтобы очистить секторы, в них зачастую записываются специальные последовательности байтов. Заметим, что, кроме промежутков внутри секторов, существуют промежутки между секторами на каждой дорожке и между самими дорожками. При этом ни в один из указанных промежутков нельзя записать " полезные" данные. Префиксы, суффиксы и промежутки — это как раз то пространство, которое представляет собой разницу между неформатированной и форматированной емкостями диска и " теряется" после его форматирования.

Для наглядности представьте, что секторы — это страницы в книге. На каждой странице содержится текст, но им заполняется не все пространство страницы, так как у нее есть поля (верхнее, нижнее, правое и левое). На полях помещается служебная информация, например названия глав (в нашей аналогии это будет соответствовать номерам дорожек и цилиндров) и номера страниц (что соответствует номерам секторов). Области на диске, аналогичные полям на странице, создаются во время форматирования диска; тогда же в них записывается и служебная информация. Кроме того, во время форматирования диска области данных каждого сектора заполняются фиктивными значениями. Отформатировав диск, можно записывать информацию в области данных обычным образом. Информация, которая содержится в заголовках и заключениях сектора, не меняется во время обычных операций записи данных. Изменить ее можно, только переформатировав диск.

Интерфейс

Первый стандарт интерфейса IDE ( integreited digital interfeis) для винчестеров был разработаны компаниями Western Digital и Compaq Computer в 1986 г. Тогда для подключения использовался 40-проводной кабель и имелась возможность одновременного обслуживания двух устройств. Первые IDE-накопители управлялись центральным процессором, отвлекая значительные вычислительные ресурсы, и обладали множеством других недостатков, главный из которых – слишком малая емкость. Несмотря на это, IDE стал очень популярным стандартом и был зарегистрирован Национальным институтом стандартизации США (ANSI), получив название АТА (а также ATAPI).

Первая версия интерфейса, АТА-1, обладала следующими возможностями:

· PIO mode 0, 1 и 2 (до 8, 3 МBps) (программируемый ввод/вывод);

· DMA mode 0, 1 и 2 (до 8, 3 МBps) (одиночная передача в режиме прямого доступа к памяти);

· UDMA mode 0 (до 4, 2 МBps) (групповая передача в режиме прямого доступа к памяти).

Единственным различием между IDE и ATA является то, что IDE определяет спецификацию на электронику винчестеров, а ATA – на интерфейсное соединение между HDD и ПК; тем не менее данные термины используются как слова-синонимы.

Стандарт IDE совершенствовался, обеспечивал все большую эффективность обмена данными с жестким диском.

Появились стандарты PI04 16, 6 Мб/с PI05 33, 3 Мб/с DMAMW-1 13, 3 Мб/с DMAMW-2 16, 6 Мб/С UDMAO 16, 6 Мб/с UDMA1 25 Мб/с UDMA2 33, 3 Мб/с UDMA3 44, 4 Мб/с UDMA4 66, 6 Мб/с UDMA5 100 Мб/с UDMA5 133 Мб/с.

Число в названии стандарта соответствует предельной скорости передачи данных в Мбайт/с. Но, в этом случае, скорость передачи данных уже ограничивается помехами в шлейфе, соединяющем диск и материнскую плату компьютера. Линии данных наводят помехи друг на друга, что не позволяет увеличить их пропускную способность до уровня новых стандартов.

Эта проблема решалась приобретением нового шлейфа с удвоенным числом проводников. Дополнительные проводники располагаются между линиями данных и заземляются. Это снижает уровень помех. Современные НЖД имеют последовательный интерфейс SATA, лишенный указанных недостатков.

SATA (англ. Serial ATA) - последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE), Главным преимуществом SATA перед ATA(IDE) или PATA является использование последовательной шины вместо параллельной. Несмотря на то, что последовательный способ обмена принципиально медленнее параллельного, в данном случае это компенсируется возможностью работы на более высоких частотах за счёт избежания необходимости синхронизации каналов и большей помехоустойчивости кабеля.

Пропускная способность интерфейса SATA1 равна 150 МBps. Работа над SATA продолжалась, в 2004-м появилась вторая версия SATA. Увеличилась пропускная способность (со 150 до 300 МBps).

Спецификация SATA3 представлена в июле 2008 и предусматривает возможность передачи данных на скорости до 6 Гбит/с (600 Мбайт/с).

Большинство жёстких дисков выпускается для двух интерфейсов – SATA и PATA. Их пропускная способность составляет 300 Мбит/с (Serial ATA II) и 133 Мбит/с соотвественно.

На первый взгляд Serial ATA выглядит куда привлекательнее. Как говорится, многомегабайтная разница налицо, однако где преимущество от использования интерфейса с пропускной способностью 300 Мб/с, если стандартный жёсткий диск со скоростью вращения шпинделя 7 200 об./мин. имеет скорость чтения с пластин до 90 Мбит/с. Очередной маркетинг с точки зрения производительности. И всё же Serial ATA имеет конструктивное преимущество в виде тонкого шлейфа, который удобнее прокладывать в корпусе, чтобы он не мешал циркуляции воздушных потоков.

Основным фактором, оказывающим наибольшее влияние на фактическую скорость передачи данных, является скорость вращения жесткого диска. В общем случае скорость передачи данных накопителей, вращающихся с частотой 7 200 об/мин, будет выше, чем у накопителей со скоростью вращения 5 400 об/мин.

Обратите внимание на сравнительные характеристики описанных 120-гигабайтовых дисководов (таблица 1).

Таблица 1

Накопитель	Скорость вращения, об/мин	Скорость передачи интерфейса, Мбайт/с	Средняя скорость передачи носителя, Мбайт/с
IBM 120GXP	7 200		42, 27
Maxtor	5 400		30, 97

Как следует из этой таблицы, более важным показателем эффективности накопителя является средняя скорость передачи данных, величина которой значительно меньше скорости интерфейса, достигающей 133 Мбайт/с.

Дисковод, имеющий более высокую скорость передачи интерфейса (133 Мбайт/с, в отличие от 100 Мбайт/с), в действительности оказывается более медленным (разница фактических скоростей составляет примерно 37%). Среднее количество секторов на дорожке примерно равно, поэтому столь высокая разница между скоростями передачи возникает главным образом из-за более высокой (примерно на 33%) скорости вращения одного из накопителей.

Как следует из этого примера, скорость передачи интерфейса никакого значения не имеет. В сущности, ни один из накопителей не позволяет передавать данные быстрее, чем со скоростью 66 Мбайт/с (даже из внешних цилиндров), причем увеличение скорости передачи интерфейса на производительность накопителя практически не влияет. Это относится, в частности, к SATA.

Производительность интерфейса или пропускная способность интерфейса превращается в ограничивающий фактор при чтении или записи потоковых данных, чаще всего мультимедийных. Быстродействие обеспечивается за счет внутреннего кэширования данных контроллером, производительности интерфейса и скорости вращения диска.

Иными словами, быстрый жесткий диск необходим для воспроизведения или записи высококачественного видео или музыки, при работе с телевизионным тюнером, установленным в компьютере, для использования подключенной к компьютеру цифровой камеры.

Но для более типичных видов компьютерной деятельности эффект от использования наиболее передовых интерфейсов жестких дисков незначителен.

Скорость вращения

Скорость вращения шпинделя является одним из ключевых параметров, определяющих быстродействие накопителя на жёстких дисках. Данный параметр измеряется в оборотах в минуту (RPM или RotatePerMinute) и напрямую связан с линейной скоростью головок чтения/записи. Говоря простым языком, чем быстрее крутится шпиндель, тем больше данных могут считать/записать головки на магнитные пластины. Большинство жёстких дисков, рассчитанных на установку в настольные ПК, имеют скорость вращения шпинделя 7200 об./мин., ноутбучные накопители – 5400 об./мин., старые мобильные накопители – 4200 об./мин. Серверные решения имеют более внушительные характеристики – 10000 или 15000 об./мин. У десктопных решений есть приятные исключения в виде жёстких дисков Western Digital Raptor, у которых скорость вращения пластин составляет внушительные 10000 об./мин.

Если учесть, что чтение данных производится целыми дорожками, этот параметр позволяет оценить максимальную скорость обмена данными с жестким диском. Для этого число оборотов в секунду надо умножить на количество головок диска и на объем данных на дорожке.

Например, пусть скорость вращения диска составляет 7200 об/мин, то есть 120 об/с. Тогда считываемый за секунду объем данных может составлять 60xNxM Кбайт.

Здесь N — число секторов на дорожке, а М — число головок диска.

Эту простую формулу легко использовать для определения максимальных возможностей диска. Например, современные диски часто имеют лишь одну рабочую пластину — то есть две головки. Число секторов на дорожке обычно не сообщается, но, видимо, оно достигает 512. Такой диск при самых благоприятных обстоятельствах может обеспечить предельный ноток данных не более 60 Мбайт/с.

В любом случае интуитивно понятно, что максимальная производительность жесткого диска пропорциональна скорости его вращения. Но в данном контексте ключевым является слово «максимальная». Достичь такой максимальной производительности можно только при выполнении таких операций, которые на протяжении длительного времени требуют последовательного чтения или записи данных. Только в этом случае дорожки записываются (считываются целиком), а накладные расходы минимальны.

Такая ситуация возникает обычно при работе с потоковыми данными, например при воспроизведении видео. Если же данные разбросаны по диску хаотически, скорость чтения данных далека от максимальной и скорость вращения жесткого диска особого значения не имеет.

Кэширование НЖД

Многие периферийные устройства хранения данных используют кэш для ускорения работы, в частности, жёсткие диски используют кэш-память от 1 до 64 Мбайт, устройства чтения CD/DVD/BD-дисков также кэшируют прочитанную информацию для ускорения повторного обращения. Операционная система также использует часть оперативной памяти в качестве кэша дисковых операций (например, для внешних устройств, не обладающих собственной кэш-памятью, в том числе жёстких дисков, flash-памяти и гибких дисков).

Применение кэширования внешних накопителей обусловлено следующими факторами:

1. скорость доступа процессора к оперативной памяти во много раз больше, чем к памяти внешних накопителей;

2. некоторые блоки памяти внешних накопителей используются несколькими процессами одновременно и имеет смысл прочитать блок один раз, затем хранить одну копию блока в оперативной памяти для всех процессов;

3. доступ к некоторым блокам оперативной памяти происходит гораздо чаще, чем к другим, поэтому использование кэширования для таких блоков в целом увеличивает производительность системы;

Объем кэш-памяти большинства современных жёстких дисков составляет 8 и 16 Мбайт.

В теории больший объём кэш-памяти – это хорошо, жёсткие диски хранят в кэше входящие команды и алгоритмы для предварительного кэширования данных, да и очередь команд NCQ (Native Command Queuing) тоже требует некоторого количества памяти. Однако на практике оказывается, что жёсткий диск с 16 Мбайт кэш-памяти не имеет какой-либо существенной прибавки в скорости по сравнению с аналогичной моделью, оснащённой 8 Мбайт.

Технология S M A R T

S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technolodgy) - технология самотестирования разработанная производителями HDD для обеспечения более высокой степени надежности хранения информации. В настоящее время S.M.A.R.T. технологию поддерживают все производители HDD.

Пользователь компьютера оснащенного S.M.A.R.T. HDD и специальной программой S.M.A.R.T. диагностики будет заранее знать о возможном предаварийном состоянии HDD и, следовательно, сможет избежать потери данных хранящихся на винчестере.

Рис.5

На рис. 5 приведен пример таблица атрибутов программы HDtune Pro.

Состояние работоспособности оценивается по нескольким параметрам работы накопителя, которые называются атрибутами надежности - attributes. Каждый атрибут имеет свой номер - ID (идентификатор). Атрибутам надежности соответствуют параметры работы накопителя, которые могут характеризовать его естественный износ и предаварийное состояние:
- количество старт/стопных циклов выполненых накопителем;
- количество оборотов совершенных шпиндельным двигателем;
- количество позиционирований совершенных головками чтения/записи;
- высота полета головки чтения/записи над поверхностью диска;
- скорость передачи данных с магнитных поверхностей в кэш-буффер накопителя;
- время выхода накопителя в готовность;
- подсчет переназначений BAD-секторов;
- подсчет совершенных накопителем ошибок позиционирования;
- подсчет случаев коррекции данных при операциях чтение/запись;
- подсчет повторных рекалибровок накопителя и т.д.

Состав и количество атрибутов надежности определяются самими производителями индивидуально для каждого типа HDD.

Если S.M.A.R.T. в процессе мониторинга накопителя обнаруживает несоответствие параметров, то драйверу диска отправляется предупреждающее сообщение, а драйвер информирует о " нестандартной ситуации" операционную систему. Операционная система оповещает пользователя о необходимости немедленного резервного копирования данных. В этом предупреждающем сообщении может также содержаться информация о типе, производителе, номере накопителя.

Большинство S.M.A.R.T. HDD имеют от 3 до 15 атрибутов надежности. Максимально возможное их количество 30.

Значения атрибутов надежности могут лежать в диапазоне от 1 до 253.

Первоначально атрибуты имеют максимальные значения. По мере износа винчестера или в случае возникновения предаварийного состояния значения атрибутов надежности уменьшаются. Следовательно, высокое значение атрибутов говорит о низкой вероятности выхода накопителя из строя и, соответственно, низкое значение атрибутов - о низкой надежности накопителя и о высокой вероятности выхода его из строя.

Как правило, верхние границы атрибутов надежности имеют значение 100 (IBM, Quantum, Fujitsu) или 253 (Samsung). Но есть и исключения, так у HDD Western Digital моделей WDAC34000, WDAC33100, WDAC31600 первый атрибут надежности имеет максимальное значение 200, а остальные 100.

Для каждого атрибута надежности разработчиками HDD определяется пороговое значение - thresholds. Если хотя бы одно из значений атрибутов меньше, чем соответствующее пороговое значение, значит хранить данные на таком винчестере становится опасно.

Винчестер постоянно обновляет таблицу атрибутов, таким образом, все важные события откладываются в счетчиках накопителях, и остаются там даже во время выключения питания. Более того, винчестер постоянно сравнивает текущее значение каждого атрибута с наихудшим, которое уже имело место, и заносит новые наихудшие значения в специальный журнал.

На основании анализа полученных значений атрибутов и их сравнения с таблицей предельных значений, вычисляется статус о здоровье диска - информация о возможном его скором отказе. Различные программы, получая конкретные цифры из SMART-журналов в различные моменты времени, могут проанализировать динамику изменений, что способно предсказать будущее этого накопителя.

Жизненно важных атрибутов несколько. Значение атрибута ID 01 «Ошибки чтения» (Read Error Rate). Заниженное число говорит о наличии дефектов поверхности или о неисправности в блоке головок.

Ошибки могут появляться и при передаче данных по интерфейсу, об этом говорит строка с ID C7 - «CRC-ошибки UltraDMA» (UltraDMA CRC Error Count). Здесь под подозрение в первую очередь попадает «левый» кабель, либо контроллер SATA.

Причиной также может быть завышенность частоты шины PCI.

Переназначенные секторы (Reallocated Sector Count), ID 05, а точнее их наличие, - это сигнал о проблемах. Суть их в том, что автоматика НЖД «неотзывчивые» ячейки (Bad Blocks) перемаркировывает, замещая их новыми из специальной резервной области (Spare Area). Количество «бэдов» в большинстве случаев быстро увеличивается, а при их росте производительность диска снижается. Часть данных из погибших ячеек становится недоступной, что может сделать ту или иную программу неработоспособной (включая собственно ОС).

На какое-то время винчестера еще хватит, но сейчас самое время спасать данные. Какие сектора признать годными, а какие списанными и подлежащими перемаркировке решает микроконтроллер накопителя, а утилиты только выполняют задачу.

Одной из разновидностей «бэдов» являются еще «живые» ячейки, время доступа к которым значительно дольше, чем у большинства соседей. Система S.M.A.R.T. подсчитает кандидатов на вылет в строке «Секторы на замену» (Current Pending Error Count), ID C5, но если «полубэды» вдруг начинают читаться, число увеличивается. Большое количество попавших на карандаш секторов (маленькое значение параметра) говорит о начавшейся деградации поверхности пластин,.

Если легонько треснуть винчестером об стол, наверняка в будущем появятся ошибки позиционирования (Seek Error Rate), ID 07. Это говорит о неправильной работе блока головок, при критических значениях параметра винт может стать нечитаемым.

Не менее важный параметр - ID 03 «Время раскрутки / остановки шпинделя» (Spin-up Time). В таком точном механическом устройстве, как жесткий диск, долгий выход на нужные обороты говорит о проблемах с двигателем, подшипниками или об общем ухудшении в электроснабжении или о негоризонтальном положении винчестера.

Другая серьезная проблема - невозможность почему-либо раскрутить двигатель и соответствующий счетчик попыток запуска (Spin Retry Count), ID 0A.

Ухудшение остальных параметров тоже нежелательно, и эти процессы вносят свою лепту в снижение скоростей чтения / записи.

Строки с ID 04, 09, ОС - «Число запусков / остановок шпинделя» (Start / Stop Count), «Время работы (часы)» (Power on Hours), «Число включений» (Power Cycle Count) дают информацию о продолжительности эксплуатации диска.

Задания к лабораторной работе и порядок проведения

Задание 1

Задание 2

Содержание отчета.

Отчет должен содержать:

1. Краткие общие сведения о НЖД;

2. Параметры быстродействия;

3. Характеристики;

4. Результаты исследований производительности НЖД;

5. Описание технологии SMART;

6. Анализ результатов исследований производительности НЖД и его состояния.