Накопители на жестких магнитных дисках. Основные характеристики

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в эпоху информационного общества важнейшей ценностью становится информация. От обладания той или иной информацией зависит успешность функционирования предприятий всех форм собственности, жизнедеятельность человека и функционирование всех систем на планете. С момента внедрения компьютерных систем в деятельность человека прошло уже более полувека, но вопросы надёжности носителей информации до сих пор остаётся не до конца решёным. Кроме того, совершенствование носителей информации и зависимость государственных и транснациональных компаний от информации, а так же существования нелегального рынка сбыта информации порождает к развитию индустрию негласного получения информации, что в свою очередь ведёт к развитию систем защиты от несанкционированного доступа.
Актуальность темы реферата обусловлена особой значимостью накопителей на жестких магнитных дисках в современных автоматизированных и автоматических системах.
Поэтому объектом исследования является процесс функционирования накопителей на жестких магнитных дисках в компьютерных системах, а его предметом – эффективность функционирования накопителей в компьютерных системах по показателям надёжности.
Целью проводимых исследований является анализ существующих решений в области проектирования накопителей на жестких магнитных дисках, а так же выработка предложений по совершенствованию мероприятий повышения их надёжности и быстродействия.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать основные этапы развития носителей информации, выявить их преимущества и недостатки.
Определить роль накопителей на жестких магнитных дисках в компьютерных системах;
Выявить основные характеристики накопителей, влияющие на надёжность функционирования.
Сделать выводы по полученным результатам.
В настоящее время известно большое количество публикаций, посвящённых анализу рынка накопителей на жестких магнитных дисках. В данную категорию следует, прежде всего, отнести публикации в специализированных компьютерных изданиях, например, журналы chip, Upgrade. Большое число публикаций имеется так же в журнале сетевых решений LAN. Кроме того, многие авторы, пишущие книги на компьютерную тематику, так или иначе, освещают данный вопрос. К ним следует отнести Е.А. Рудометова,А.А. Орлова, Г.Е.Сенкевича, П.В. и В.Г. Соломенчуков, Ю.И. Ревича. Многие сотрудники предприятий занимаются вопросами исследования надёжности функционирования накопителей на жестких магнитных дисках, а так же публикуют статьи по материалам данных исследований.
Быстрое развитие отрасли компьютерных технологий не позволяет сформировать комплексную картину, позволяющую оценить все параметры, характеризующие современные накопители, но вместе с тем позволяет определить тенденции развития устройств данного класса, по крайней пере, на ближайшую перспективу.

РАЗВИТИЕ НОСИТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ
Носители информации в докомпьютерную эпоху
С древних времён информация играла огромную роль в деятельности человека. В соответствии с Ф3-149 «Об информации, информационных технологиях и о защите информации» под термином «информация» понимают сведения (сообщения, данные) независимо от формы их представления. Термин происходит от греческого слова informatio, что означает разъяснение, изложение, осведомлённость. В наиболее общем определении информация представляет собой отражение предметного мира с помощью знаков и сигналов. Под получением информации в таком случае следует понимать получение фактов, сведений и данных о свойствах, структуре или взаимодействии объектов и явлений окружающего мира. В любом виде информация для человека выражает сведения оком-либо или о чём-либо. Она отражает происходящее или прошедшее в нашем мире, при этом информация обязательно должна получить некоторую форму.
С понятием информация тесно связано понятие носителя информации. В книге «Вычислительная техника». Терминология. Справочное пособие [3, с. 65] под носителем информации (носителем данных) понимают материальный объект, предназначенный для хранения данных, а так же материал, в который или на который можно записать данные. Таким образом, данное определение подтверждает неразрывность понятия «Информация» и «Носитель» информации. Рассматривая данный вопрос более подробно, можно прийти к неразрешимому парадоксу о том, что же является первичным, информация или носитель информации. Для решения данного парадокса, обратимся к древности, к одному из самых древних носителей информации: камням и стенам пещер.
Один из носителей информации, отражающий внешний вид некоторого животного представлен на рисунке 1. В распоряжении древних людей имелись достаточно примитивные инструменты, позволяющие им отражать события, происходящие рядом с их местом обитания. Древний человек в качестве носителя информации использовал то, что было под рукой: стены и камни, а так же простейшие пишущие инструменты: уголь, корни

Рисунок 1 Наскальная живопись. Один из древнейших носителей информации.
деревьев и другие принадлежности. Одним из недостатков, присущих данным носителям информации, является их стационарность. Покидая место стоянки, в случае, если это было необходимо, носители информации приходилось оставлять, но, вместе с тем, в процессе фиксации информации в виде наскальных рисунков, параллельно информация фиксировалась в умах людей, что позволяло им воспроизводить её на новом месте обитания. С другой стороны, данный носитель был очень долговечен.
Следующим этапом в развитии носителей информации можно выделить использование глиняных табличек (рис. 2) (VII в. до н.э.).

Рисунок 2 Глиняные таблички. Очередной этап развития носителей информации.
Данный носитель информации имеет преимущества, заключающиеся в более легком перемещении, но вместе с тем, это достаточно хрупкий носитель, и, кроме того, он достаточно сложно поддаётся тиражированию.
Дальнейшим развитием носителей информации стало появление восковых табличек (рис. 3). Это простой в использовании, более лёгкий в тиражировании и компактный носитель информации.

Рисунок 3 Восковые таблички. Новый этап эволюции.
В начале третьего тысячелетия до н.э. в некоторых районах Древнего Египта начинают широко использовать папирус, чему способствовало его широкое распространение. Папирус (рис. 4) представляет собой материал для письма, распространённый в Египте, а позже — во всём античном мире. Широкое распространение получил примерно с седьмого века до н. э. и в широком употреблении был до двенадцатого века, до момента вытеснения его более совершенной бумагой. Во многих европейских языках бумагу именовали папирусом (например, по-английски бумага именуется «paper», что созвучно с «папирус»). Во второй половине двадцатого века технология изготовления папируса была реконструирована, но широкое распространение она получила преимущественно сфере туризма для изготовления сувенирной продукции.

Рисунок 4 Папирус
Пергамент (в работах по истории и источниковедению обычно пергамен) — материал для письма из недублёной сыромятной кожи животных (до изобретения бумаги). Также древняя рукопись на таком материале.

Рисунок 5 Пергамент
Бумага (предположительно от. итал. Bombagia (лат. Bombacium «хлопок», первоисточником же считается иранский) — волокнистый материал с минеральными добавками. Представлен в виде листов для письма, рисования, упаковки и прочего, получаемый из целлюлозы: растений, а также вторсырья (тряпья и макулатуры). Начиная с 1803 года в производстве бумаги используются бумагоделательные машины.

Рисунок 6 Бумага
Берёста, или береста — верхний слой (наружная часть) коры берёзы. Внешняя сторона берёсты обычно белого цвета с сероватым оттенком, реже — розовато-коричневого. Внутренние слои, обращённые к лубу, бывают различных оттенков — от жёлтого до коричневого.

Рисунок 7 Береста
Носители информации в компьютерное время

Рисунок 8 Перфокарта

Рисунок 9 Перфолента

Рисунок 10 Магнитная лента

Рисунок 11 Магнитный диск


Рисунок 12 Дискета 5,25 и 3,5 дюймов

Рисунок 13 Жесткий диск
Когда произносят словосочетание «видеопластинка», прежде всего, имеют в виду Laservision, прототип которой предоставила фирма Philips прототип на Берлинской Радио выставке в 1971 году. Сбыт носителя должен был начаться в 1980 году. Данный носитель впервые имел бесконтактный тип чтения с использованием лазерного луча. Несмотря на то, что данная система имела больший успех по сравнению с прочими носителями, большого ажиотажа на потребительском рынке она не произвела.
Метод считывания, применявшийся в данном носителе, был ориентирован на профессионалов, обрабатывающих через интерактивные приложения движущиеся и статические изображения. Хорошей альтернативной, позволяющей вести обработку информации, в частности аудио и графической, являлись разработки комитета JPEG (например, стандарт Motion Video). Пластинка Laser Vision имеет два формата: диаметр 20 см и 30 см.
Носитель представляет собой диск из плексигласа, покрытый тончайшим отражающим слоем из алюминия, на который нанесено защитное покрытие из специального лака. В отражающем слое делаются мельчайшие углубления, называемые питами (pits); основная поверхность диска именуется land. Углубления, чередующиеся с основным отражающим слоем, располагаются вдоль дорожек, как в обычных виниловых пластинках. Однако, в отличие от них, дорожки начинаются в центре, и увеличение номера происходит от центральной области к краю. Дорожка имеет ширину 0,4 мкм, а расстояние между ними 1,6 мкм. Таким образом, в миллиметровом отрезке, располагающемся по радиусу, имеется 600 дорожек. При сканировании лазерный луч отражается от углубления и от ровной основной поверхности по-разному: от основной поверхности происходит полное отражение света, а в углублениях, из-за явления интерференции света, происходит частичное поглощение света.
Полупрозрачное зеркало производит разделение падающего и отраженного световых лучей. Юстировка лазерного луча выполняется при помощи вспомогательных лучей, отходящих от главного.
При выполнении операции считывания информации возможно применение двух способа: принцип САV (Constant Angular Velocity) — постоянной угловой скорости и принцип CLV (Constant Linear Velocity) — постоянной линейной скорости. При первом методе пластинка имеет постоянную угловую скорость 1500 об/мин. Дорожки расположены кольцеобразно, причем каждая отводится для отдельного изображения независимо от того, где расположена дорожка — внутри пластинки или снаружи. Недостаток, конечно, очевиден — внешние дорожки используются плохо, так как они могли бы содержать значительно больше информации, поскольку они длиннее. Пластинка с записью по принципу постоянной угловой скорости может хранить на одной стороне 54000 изображений для воспроизведения в течение 36 минут.
При работе по принципу постоянной линейной скорости угловая скорость меняется; при чтении внутренних дорожек она равна 1500 оборотов в минуту, а при чтении внешних дорожек всего лишь 500 оборотов в минуту

. При этом способе на пластинке имеется только одна спиралеобразная дорожка — как в звуковой пластинке — от центра наружу. При этом способе считывания могут эффективно использоваться внешние дорожки. Продолжительность времени воспроизведения такой пластинки составляет 60 минут для одной стороны. Недостаток заключается в том, что невозможен прямой доступ к отдельным изображениям; от функций остановки, ускорения и замедления при воспроизведении изображений также следует отказаться.

Рисунок 14 Карты памяти

Рисунок 15 Лазерный диск

НАКОПИТЕЛИ НА ЖЕСТКИХ МАГНИТНЫХ ДИСКАХ
Принципы функционирования и основные характеристики
Накопители на жестких магнитных дисках являются наиболее важными устройствами, предназначенными для хранения информации на компьютере. В разговорной речи более употребителен термин «винчестер». С данным термином связана небольшая занимательная история. Один из жестких дисков, разработанный компанией IBM, имел ёмкость в 30 Мбайт на пластину и обозначался как 30/30. Таким же образом в Америке обозначают ружья-винчестеры – согласно их калибру [8, c.102].
Первые модели накопителей появились в 1973 году и обладали характеристиками, которые не подойдут даже для самого простого компьютера ни по типоразмеру, ни по объёму, ни по интерфейсу. Метод записи информации в первых моделях был схож с методом, используемым в обычном магнитофоне.
Hard Disk (накопитель на жестком магнитном диске, НЖМН) представляет собой устройство хранения данных, состоящее из одной или нескольких гибких пластин, покрытых магнитным материалом, обеспечивающим запись данных. Каждый дисковод жесткого диска имеет свои головки чтения-записи, механизм позиционирования головок и двигатель, заключённые в герметичный корпус для обеспечения защиты от загрязнения. Данная защита позволяет обеспечить парение головок на расстоянии 10-25*10-6 дюйма над поверхностью пластины. Большинство жестких дисков содержат от двух до восьми пластин. Жесткие диски различаются интерфейсами и способами кодирования данных:
ESDI (enhanced small device interface, расширенный интерфейс малых дисковых накопителей) – стандарт, обеспечивающий для жёстких дисков большой ёмкости, дисководов и дискет и приводов магнитных лент связь с процессором на высокой скорости (10 Мбит/сек). Благодаря своим характеристикам скорости и плотности интерфейс ESDI используется как в персональных компьютерах, так и в системах среднего диапазона [4, с. 195].
IDE (integrated device electronics) – интерфейс дисковода, содержащий контроллер непосредственно на диске [4, с. 251].
EIDE (extended integrated device electronics) – улучшенный вариант контроллера дисков с большой скоростью передачи данных, 32-разрядными транзакциями, возможностью обслуживания дисков ёмкостью до 8,4 Гбайт и иногда с прямым доступом к памяти. Такой контроллер так же называют FAST ATA-2. Дисководы EIDE дешевле дисководов SCSI. Функциональные возможности приблизительно схожи [4, с. 185].
SCSI (small computer system interface) – обобщённый стандартный высокоскоростной параллельный интерфейс. Определён комитетом ANSI X3T9.2, как стандарт ANSI X3.131-1986, а позже и ISO/IEC (ISO/IEC9316). Интерфейс SCSI используется для подсоединения микрокомпьютеров к таким периферийным устройствам как диски, компакт-диски и принтеры, а так же к другим компьютерам и локальным сетям. В SCSI физически характеристики (число цилиндров, дорожек и секторов) скрыты виртуальным интерфейсом устройства. Интерфейс SCSI допускает подключение к одному контроллеру до 7 устройств, причём устройству с наибольшим адресом назначается максимальный приоритет. Интерфейс может работать как в асинхронном, так и в синхронном режиме. Исходный стандарт в настоящее время именуется SCSI-I, с целью отличать его от Wide SCSI и Fast SCSI. Кроме того, устройства SCSI могут соединяться цепочками, поэтому один адаптер может поддерживать множество устройств. В данном случае каждое устройство имеет собственный адрес, и последнее – оконечную нагрузку [4, с. 455].
SMD (Storage Module Drive)
Устройство хранения данных SMD (Storage Module Drive) представляет собой семейство жестких дисков, впервые представленные корпорацией Data Control в декабре 1973 года – модель 9760 имела объём 40 Мб в неформатированном виде[1]. Модель 9762 имела ёмкость 80 Мб и была представлена в июне 1974 года, а модели 9764 с объёмом 150 MB, и 9766 с объёмом 300 Мб представлены в 1975 году. Все объёмы приведены для неформатированных дисков. Варианты с объёмами 12, 24 и 48 Мб представлены в 1976 г. Данный интерфейс является усовершенствованным интерфейсом Digital RP0x закреплён в стандарте ANSI X3.91M – 1982.
Интерфейс SMD использует два кабеля: «A» кабель управления и «B» кабель данных. Кабели соединяют контроллер диска и сам диск, а контроллер с диском так же соединён кабелем. Интерфейс обеспечивает скорость передачи около 9,6 Мбит /с. Интерфейс SMD применялся для многих съемных и несъемных носителей (8-ми и 14-дюймовых). В основном получил распространение в мейнфреймах и мини-эвм, а затем был заменен на более производительный интерфейс SCSI.
В июле 1981 года компания выпускает 100000-й диск, а к 1983 году около 25 производителей компьютерных комплектующих поставляли диски с данным интерфейсом. Среди компаний AMPEX, Century Data Systems, CDC, Fujitsu, Hitachi, MICROPOLIS, Pertec, Priam, NEC и Toshiba.
Геометрия диска. Модель 9762 с объёмом 80 Мб имеет пять пластин диаметром 14 дюймов. Верхняя и нижняя пластины предназначены для защиты накопителя и не применяются для хранения данных. Верхняя защитная пластина имеет такой же размер, как и пластины хранения данных, но из-за высокой вероятности возникновения ошибок, было решено отказаться от использования данной пластины для хранения данных. Нижняя пластина имеет несколько больший размер, чем пластины хранения данных. Оставшиеся 3 пластины имеют 5 поверхностей хранения данных и одну поверхность сервоприводов для позиционирования головки.
Модель 9766 с объёмом 300 Мб имеет 12 пластин диаметром 14 дюймов. Верхняя и нижняя пластины опять же являются защитными и не используются для хранения данных. Оставшиеся 10 пластин дают 19 поверхностей данных и одну поверхность сервоприводов для позиционирования головки.
80- и 300 Мб диски имеют 823 цилиндра, а поверхность сервоприводов находится на одной из центральных пластин. Размер и число секторов на дорожку зависит от того, как инициализируется диск.
Диски данной серии требуют калибровки головки чтения/записи для обеспечения обмена информацией между диском и компьютерной системой.
Основными параметрами, характеризующими современные жесткие диски, являются следующие:
Конструкционное исполнение. Жесткий диск заключён в металлический корпус для предотвращения попадания пыли и обеспечения вакуума. Внутри металлического корпуса на оси электродвигателя расположено несколько дисков, изготовленных из алюминия или стекла, на поверхность которых нанесён ферримагнитный слой. Электронные компоненты винчестера (контроллер) размещены на печатной плате с внешней стороны диска. Обычно контроллер открыт для свободного доступа, так как предполагается, что винчестер будет находится внутри системного блока, закрытого стальной крышкой. В ряде случаев для классификации жестких дисков применяют термин «форм фактор», наиболее близким эквивалентом которого в русском языке будет термин «типоразмер» [9, с. 214]. Основные типоразмеры винчестеров представлены в таблице [10, с. 126]:
Размер HDD, дюймы Габаритные размеры, мм
2,5 70x9.5x100
1,8 54x7x70
1 30x5x40
0,8 24x4x30
Объём хранимых данных
В паспортных данных винчестера указывается объём неформатированного дискового пространства Часть информации необходима для служебных нужд, и, кроме того, производители жестких дисков считают, что в 1 Гигабайте 1000 байт. Несмотря на небольшую разницу, при больших объёмах дисков разница может оказаться достаточно внушительной. Кроме того, на объём свободного пространства влияет и кластерная организация в случае, если на компьютере установлена ОС семейства Windows. Более подробно кластерная организация описана в [8].
Крепление диска
Для крепления жесткого диска в корпусе компьютера используют боковые отверстия, расположенные в корпусе компьютера. При креплении винчестера необходимо использовать укороченные винты, так как есть вероятность повреждения электронной платы жесткого диска. Установку винчестера необходимо производить или горизонтально или вертикально по любой плоскости. Требования к креплению винчестера связаны с высокой скоростью вращения пластин, которая в современных моделях может достигать 10000 об/мин. Возникающий при этом гироскопический эффект может привести к разрушению магнитных головок и магнитных блинов. Кроме того, вибрации влияют на точность позиционирования головок, что связано со скоростью доступа к данным. Современные жесткие диски так же чувствительны к вибрациям, что влечёт за собой быстрый выход из строя подшипников и сервомеханизма.
Быстродействие жесткого диска зависит от множества параметров, среди которых и конструкционные особенности и реализация контроллера и параметры интерфейсов подключения. Важнейшими временными характеристиками винчестеров являются следующие:
Время доступа – время от начала операции чтения до момента, когда начнётся чтение данных;
Время поиска – время, которое необходимо для установки головок в нужную позицию (на дорожку, где будут производиться операции чтения/записи данных);
Среднее время поиска – усреднённое время, требуемое для установки головок на случайно заданную дорожку;
Время поиска при переходе на соседнюю дорожку – время перехода головок с 1-й на 2-ю дорожку и т.д. Имеет значение только при работе с большими (не фрагментированными) файлами, поэтому редко указывается. Измеряется в миллисекундах. Типичное значение — около 1,5-3 мс[11, c.162].
На быстродействие винчестера оказывает сильное влияние и то, как размещены секторы на дорожках и соседних сторонах дисков. Если все 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 быстро. При этом, в отличие от обычного магнитофона, данные на ферримагнитном диск записываются в закодированном виде, что позволяет повысить надёжность хранения и уменьшить объем дискового пространства для единиц информации