Конструкция жёсткого диска

Дифференциальные метки, представляющие области противоположной намагниченности, смещённые на 1/2 трека, предназначены для точного позиционирования головок на трек. Принцип их действия заключается в том, что головка расположенная точно над треком, проходя между двумя дифференциальными метками считывает, нулевую намагниченность, при отклонении же головки от середины, она окажется ближе к одной из меток, в результате намагниченность, считанная головкой будет определяться отклонением её от середины трека.

Сервометки могут быть записаны только на прецизионном технологическом оборудовании. Для записи сервометок используется актюатор, вводящийся в гермоблок через отверстие и управляющий головками при записи. Повреждение сервометки автоматически означает последующую недоступность трека.

На отдельных моделях под сервометки отводилась отдельная поверхность, однако от такого решения впоследствии отказались, так как это весьма расточительно с одной стороны, с другой стороны механической жёсткости БМГ недостаточно для точного позиционирования головок на других поверхностях при высокой плотности записи.

Логический уровень

Логическая структура и разметка поверхности магнитного диска.

При записи на диск используется самосинхронизирующее кодирование, обычно код с ограничением длинны серий (RLL) или код с максимумом измений (MTR), обеспечивающее малую избыточность при отсутствии необходмости в дополнительных синхрометках. Например в дисках серии MH от Fujitsu применяется MTR-кодирование 16 в 17 бит с условием не более 3 единиц в серии и не более 2 единиц около границы кода. Для обеспечения надёжности также применяется помехоустойчивое кодирование — в данные добавляется избыточная информация, обеспечивающая восстановление при потерях части информации или ошибках чтения. Может использоваться код Рида — Соломона, турбо-код и др. Получила распространение технология считывания и декодирования «максимальная правдоподобность при неполном отклике».

Данные на диски записываются секторами. Сектор — это непрерывный фрагмент трека фиксированной информационной ёмкости. Стандартные сектора содержат по 512 байт (или 256 16-битных слов) информации. Каждый сектор может быть записан независимо от других, но только целиком. Прерванная запись, например, в случае пропадания питания, разрушает информацию в секторе.

Вместе с каждым сектором вычисляется и записывается контрольная сумма, обеспечивающая проверку сохранности данных. При считывании посчитанная контрольная сумма сравнивается с записанной, и несовпадение означает, что данный сектор сбойный, он называется — бэд. Возможно несовпадение суммы и в том случае, когда поверхность сектора нормальная. При подобном сбое информация в секторе оказывается потерянной, но при записи на него сектор восстанавливается. Такие сектора называются софт-бэдами. Тем не менее часто компьютерное программное обеспечение для работы с дисками нередко помечает такие сектора сбойными и выводят их из использования.

Транслятор, сокрытие дефектов

Сектора адресуются тремя числами — номером поверхности, номером трека и номером сектора в треке.

На старых винчестерах номера поверхности, трека и сектора задавались непоседственно через внешний интерфейс. Интерфейс ATA (IDE) сохранил этот исторический метод адресации, называемый CHS (Cylinder, Head, Sector — цилиндр ≈ трек, головка, сектор). Более современные модели используют логическую адресацию, в которой все сектора независимо от их физического положения на дисках пронумерованы последовательными числами. Винчестеры, работающие с логической адресацией могут имитировать физическую адресацию для совместимости. Логическая адресация обусловлена усложнением функционирования контроллера, связанным с более высокой плотностью записи и появлением разных сервисных функций, логическую адресацию определяет модуль микропрограммы винчестера, называемый транслятором, включающий в себя таблицы и алгоритмы преобразования.

Зонно-секционная запись (англ. ZBR — zoned bit recording) использует тот факт, что внешние треки имеют большую длину, нежели внутренние, (примерно раза в два) и на них можно поместить больше информации. Диск разбивается на цилиндрические зоны с различным количеством секторов на трек. В среднем диск разбивается на 10-20 зон.

Современные жёсткие диски также обеспечивают автоматическое сокрытие дефектов. Практически невозможно произвести совершенно свободную от дефектов магнитную поверхность, поэтому часть дефектов изначально скрыта уже на только сошедшем с конвейера винчестере — пропущены некоторые сектора, треки. Для этого внутри хранятся специальные списки заводских дефектов (P-list и TrackSkip). Со стороны компьютера это совершенно не заметно. Стандартными средствами можно лишь попробовать примерно определить их по мелким изъянам графика времени доступа. Также производится сокрытие дефектов, появляющихся во время работы винчестера, при невозможности записи в какой-либо сектор он заносится в список сбойных секторов (так называемый G-list) и информация записывается в резервную область. Такая процедура называется перемещением, или ремапом (англ. remap). Современные диски включают в себя достаточно сложную систему слежением за состоянием поверхности, включающую в себя не только аварийное перемещение, но и обнаружение потенциально сбойных участков.

Области дискового пространства

Всё пространство диска разбито на две области — пользовательскую и служебную. Пользовательская область предназначена для данных записываемых извне по интерфейсу и, кроме того, включает резерв для перемещения сбойных секторов. Служебная область содержит данные, необходимые для работы микропрограммы контроллера — программные модули, паспорт диска, таблицы транслятора и другие. Повреждение служебной области — частая причина выхода винчестеров из строя.

Разделы и файловые системы

Пользовательское пространство винчестера может состоять из одного или нескольких разделов, на каждом из которых может быть произвольная файловая система. Данная функциональность обеспечивается на уровне операционной системы компьютера и никак не связана с какими либо особенностями функционирования жёстких дисков. Тип таблицы разделов зависит от компьютерной платформы:

                   на IBM-PC используется формат MBR;

                   на Amiga — RDB;

                   на Mac — собственный формат или GUID Partition Table;

Функционирование винчестера

Включение и выключение

После подачи питания на винчестер, процессор контроллера начинает исполнение микропрограммы, находящейся в собственном ПЗУ. Эта программа обеспечивает элементарное самотестирование контроллера. После чего включается и раскручивается шпиндельный двигатель. При достижении достаточной скорости вращения, когда головки оторвутся от поверхности дисков, происходит разблокировка сервопривода головок и они распарковываются. После распарковки головок контроллер считывает необходимые для работы данные, и если они считались нормально, винчестер готов к работе.

При определённых условиях возможна неполная инициализация накопителя. У практически всех винчестеров есть «безопасный режим» (Safe mode), но он существует исключительно для технологических целей.

При пропадании питания производится автоматическая парковка головок. Технологические методы парковки довольно разнообразны. Она может обеспечиваться за счёт энергии вращения дисков (шпиндельный двигатель используется в качестве генератора), заряда конденсаторов. Наиболее же распространённый метод — при пропадании напряжения на катушке сервопривода под действием электромагнитных сил головки сами переходят в запаркованное положение. Выключение двигателя и парковка возможны также посредством команды через интерфейс.

Обмен данными

Всё время работы винчестер обеспечивает выполнение команд, передаваемых по интерфейсу. В основе обмена данными с винчестером лежат две команды — чтение и запись информации. Это единственные необходимые команды. Обе команды содержат параметры, определяющие номер сектора и количество секторов.

При поступлении команды на запись жёсткий диск производит приём данных по интерфейсу, вычисляет транслятором координаты физической области, позиционирует головки и записывает информацию на поверхность, после чего производит проверку записи и, в случае необходимости, производит перемещение сбойных секторов. Также производится запись информации во внутренний кэш диска.

По команде чтение сначала проверяется наличие нужных данных во внутреннем кэше. В случае их обнаружения данные просто передаются по интерфейсу из кэша. Если данные в кэше не найдены, как и при записи, производится трансляция номера сектора, после чего производится считывание данных с поверхности, исправление ошибок и проверка правильности считывания. При неправильном считывании как правило производятся повторные попытки, а если и они не удались, но контроллер посылает по интерфейсу сигнал отказа. Часто данные и диска считываются треком целиком, даже если нужен всего один сектор. В этом случае дополнительно считавшиеся данные также попадают в кэш, что приводит к ускорению работы при последовательном считывании данных маленькими порциями.

Команда проверка производит действия, подобные чтению, но не передаёт данные по шине. Посредством её можно проводить сканирование поверхности диска на предмет бэдов достаточно быстро.

Оставшаяся с времён дисков с физической адресацией команда позиционирование может обрабатываться современными винчестерами произвольным образом. Винчестер может как реально позиционировать головки, так и отвечать по интерфейсу успешным завершением, не производя никаких действий.

Защита информации

Для защиты данных многие винчестеры позволяют блокировать доступ посредством пароля.

Парольная защита появилась в спецификации ATA-3. Защита позволяет установить пароль на доступ ко всему диску сразу, до ввода пароля винчестер будет определяться драйвером, но отвергать любые операции чтения-записи.

Спецификация ATA предоставляет два уровня защиты, названные «высокий» и «максимальный», разница заключается в том, что на высоком уровне защиты её можно снять посредством «мастер-пароля», зашитого производителем, а на максимальном — только стереть весь диск. Тем не менее многие жёсткие диски возможно взломать манипуляциями посредством служебных команд.

Самодиагностика, SMART

Простейший случай диагностики — выдача отказов чтения и записи на повреждённые области. Это способны делать все винчестеры. Практически все винчестеры (кроме довольно старых) также способны следить за своим состоянием, и сообщать о возможных неполадках. В стандарт IDE, начиная с ATA-3, включена спецификация SMART (англ. self-monitoring analysis and report technology — технология самоотслеживания, анализа и отчётности), позволяющая следить за множеством параметров функционирования диска и, по возможности предупредить неожиданный выход накопителя из строя. Эти параметры включают в себя общее количество динамических ошибок чтения с поверхности, качество сигнала на головках, температурный режим, общее время работы, количество запусков и остановок шпиндельного двигателя, и другие, не менее важные параметры.

Технологические режимы

Существует несколько режимов работы винчестера, которые нормально не используются при обычной эксплуатации. Способы включения этих режимов, функционирование жёсткого диска в этих режимов полностью определяется производителем жёстких дисков. Есть одно исключение — режим низкоуровневого форматирования, попавший в стандарты IDE, но на самом деле означающий простое стирание данных.

Серворазметка — технологический режим, который может быть задействован только на специальном оборудовании с прецизионным механизмом перемещения головок — серворайтере (англ. servo-writer). В этом режиме головки винчестера приводятся толкателем серворайтера и на диск наносятся сервометки. Совокупность сервометок называется также — серворазметка. Во многом этот режим преемник низкоуровневого форматирования, хотя низкоуровневое форматирование производилось самим винчестером. [3]

Низкоуровневое форматирование (англ. low level format) — режим разметки поверхности, существовавший на старых винчестерах. На последующих моделях команда низкоуровневого форматирования могла вывести из строя, и позже стала выполнять функции простого стирания всей информации, аналогично записи.

Сэлфскан (англ. selfscan) — важный технологический режим, использующийся на заводе изготовителе или ремонте накопителя. Сэлфскан — очень длительный процесс (несколько часов), в течение которого винчестер производит проверку всей поверхности, определение дефектных областей, настойку паспорта, адаптивов и других параметров.

Безопасный режим (англ. safe mode) или режим неполной инициализации — специальный режим, использующийся при ремонте накопителя. Это режим неполной инициализации, когда выполняется только микропрограмма из ПЗУ контроллера, а механика не включается и данные с дисков не считываются. Используется при повреждении информации на сервисной области.

Характеристики и разновидности винчестеров

Информационная ёмкость

Ёмкость жёсткого диска является самым важным его параметром. Она определяет количество информации, которое может быть на него записано. Ёмкость измеряется в байтах и их кратных единицах: мегабайт, гигабайт. При этом производители используют приставки степени 1000, то есть 1 гигабайт ёмкости винчестера это ровно 1 миллион байт. Это противоречит компьютерной традиции использовать степени 1024, поэтому может вводить в заблуждение — диск, обозначенный как 100-гигабайтный отображается на компьютере как 93-гигабайтный (хотя правильнее его называть 93-гибибайтным).