Кагиров Р.Р. Лекции по Организации ЭВМ
Подождите немного. Документ загружается.
набор данных. Т.е. в данном методе не обязательно даже считать сигнал
целиком, достаточно считать только его часть, после чего контроллер
определит, на что именно похожа эта часть, и декодирует информацию.
Этот метод считывания и декодирования информации позволил поднять
поверхностную плотность записи на 30-40% по сравнению со старой схемой,
использовавшей детектирование всплесков.
EPRML
Революционным шагом явилось создание технологии EPRML — улучшенного
варианта PRML. Сам принцип работы остался тем же, но были улучшены
алгоритмы работы анализирующих схем. Это дало увеличение поверхностной
плотности записи до 70% по сравнению со стандартным PRML методом.
Во всех современных винчестерах используются различные вариации именно
EPRML метода при считывании информации. Таким образом, в любом
современном винчестере происходит вероятностное считывание: информация
никогда не считывается полностью, считывается только ее часть, и именно по
части восстанавливается оригинальный битовый набор.
На верхнем рисунке представлен принцип перевода аналогового сигнала в
цифровой в случае пикового детектирования, на нижнем — в случае PRML
метода считывания информации.
171
Привод головок жесткого диска и система их позиционирования
Все современные жесткие диски используют звуковую катушку в приводе
магнитных головок. Такой тип привода не только адаптирован и не
чувствителен к тепловым расширениям, он еще и намного быстрее и надежнее,
чем привод с использованием шагового двигателя.
На рисунке приведена фотография типичного соленоидного привода головок,
используемого в любом современном накопителе на жестких дисках. На
рисунке магнит был откручен и сдвинут влево от своего оригинального
положения, для того, чтобы было видно звуковую катушку.
Система замкнутой обратной связи, применяемой в таких приводах, называется
системой серво позиционирования. В таких системах позиционирования,
процесс передвижения к цели можно описать по шагам следующим образом:
передвижение к цели, проверка правильности пути, оценка расстояния до цели,
172
поправка движения, и все с начала. Таким образом, передвижение к цели
происходит с поправками, которые могут учитывать различные факторы.
В качестве примера действия сервосистемы, можно взять водителя машины.
Если машина начинает сбиваться с курса, водитель немного поворачивает руль,
если этого не достаточно, то он еще немного поворачивает руль и т.д. Пока
машина вновь не возобновит свое движение по нужной водителю траектории.
Ключевым элементом любой системы с обратной связью, является какое-то
измеряющее устройство. Например, в случае водителя машины — это его глаза.
В накопителе на жестких магнитных дисках, этим элементом является сама
головка чтения/записи, для этого, на магнитных пластинах содержатся
специальные структуры информации, которые позволяют управляющей
электронике знать, где находятся головки в любой момент времени, не
зависимо от того, что делает накопитель. Эти структуры обычно называются
сервометками. Они считываются головками и направляются в блок управления
передвижением головок, где они разбираются, чтобы выяснить точную
позицию головок. Контроллер привода магнитных головок всегда знает точное
положение головок, т.к. все сервометки разные и в них содержатся точные
данные о номере трека, номере сервометки и т.д.
Существует три различных подхода к имплементации сервомеханизма в
жестком диске:
1. Вклиненная серво. В этой реализации, используемой в старых
накопителях, сервоинформация была записана в виде клина на каждой
поверхности накопителя. Это можно представить, как тонкий кусочек
круглого пирога. При этом остальная часть пирога содержит
пользовательские данные. Этот вариант имел существенный недостаток:
сервоинформация была только в одном месте на треке. Это означало, что
позиционирование будет долгим, т.к. для того, чтобы узнать
местонахождение головок, надо было ждать, когда сервоинформация
будет под головками. Время позиционирования таких винчестеров было
очень большим, и, как следствие, производители отказались от данного
применения.
2. Выделенная серво. В этой реализации, для сервоинформации
использовалась выделенная специально для нее поверхность. То есть,
одна поверхность в накопителе всегда содержала только
сервоинформацию, а другие поверхности — всегда только данные. Эта
технология позволила значительно уменьшить время позиционирования.
Но и в этой технологии были свои минусы. Во-первых, для данных
терялась целая поверхность. Во-вторых, головка, читающая
сервоинформацию, не обязательно будет стоять на одной линии с
головками, читающими данные, так что будет необходимо применять
технику компенсации. В-третьих, если поверхность с сервоинформацией
будет теплее или холоднее, чем поверхности, хранящие данные, то будут
173
возникать ошибки позиционирования или ошибки чтения/записи
информации. Чтобы решить последнюю проблему, производители ввели
в работу накопителей термокалибровку. Такие типы сервосистемы
применялись в накопителях вплоть до середины 90-х годов.
3. Встроенная серво. В данной технологии сервоинформация находится
вперемешку с данными. Сервоинформация и данные читаются одними и
теми же головками, и, в отличие от вклиненной серво, нет необходимости
ждать полного оборота пластины, для того, чтобы узнать, где именно мы
сейчас находимся. Этот механизм не дает постоянного знания
сервоинформации, как в выделенной сервоинформации, но и нет
необходимости ждать целого оборота пластины. Также отпала
необходимость в частой термокалибровке, поскольку сервоинформация и
данные находятся на одинаковом расстоянии от центра диска. С ростом
температуры сервоинформация и данные одинаково удаляются от центра.
Все современные накопители на жестких магнитных дисках используют
именно такую технологию.
В современных накопителях, сервоинформация записывается на магнитный
диск во время производства накопителя. Для этого используется специальное
сложное и очень дорогостоящее оборудование, называемое сервоврайтером.
Сервоинформация никогда не меняется на протяжении всего периода службы
жесткого диска. При разработке управляющей электроники для жесткого диска,
производители на аппаратном уровне включают схему блокировки записи,
когда головки находятся над сервоинформацией. Именно эта, записанная на
заводе информация составляет формат низкого уровня. Никто, кроме завода-
изготовителя не может сделать современному жесткому диску формат низкого
уровня. Пользователь не может испортить сервоинформацию, кроме как нанеся
физические повреждения диску.
На рисунке показано отличие между выделенной серво и встроенной серво.
Слева, выделенная серво: одна из пластин (верхняя) содержит только
сервоинформацию, а остальные — ничего, кроме данных. Справа, встроенная
серво: данные находятся вместе с сервоинформацией. Для ясности, на рисунке
справа, показан только один цилиндр. Все цилиндры имеют схожую структуру
и могут различаться только количеством сервометок, в зависимости от
удаления цилиндра от центра диска.
Один или несколько приводов магнитных головок?
174
Существует один вопрос, который часто задают люди, начинающие изучать
жёсткие диски: «Если скорость механического передвижения головок над
поверхностью магнитной пластины относительно мала по сравнению со
скоростью работы других частей жесткого диска, почему бы ни сделать
несколько приводов магнитных головок?»
Что ж, это действительно хороший вопрос. Простое добавление второго
привода головок в накопитель позволит значительно увеличить скорость
работы за счёт одновременного доступа к двум различным частям информации,
особенно в тех случаях, когда она разбросана по поверхности случайно. А
почему бы ни применить четыре привода головок вместо одного?
И действительно, такой накопитель в своё время был построен специалистами
фирмы Conner Peripherals, которая выступала в роли новатора в области
жёстких дисков в конце 80-х и начале 90-х годов прошлого столетия (позже она
была признана банкротом, и её линия продуктов и разработки были поглощены
фирмой Seagate). Этот накопитель на жёстких магнитных дисках назывался
Chinook. Chinook имел двойной набор: два набора головок, два привода, два
слайдера, два коромысла и т.д. Также была дублирована схема управления
приводом головок, что позволило этим двум приводам работать независимо.
Можно сказать, что это были два винчестера в одном! Для того времени, этот
накопитель был самым быстрым среди винчестеров. Но он не получил
широкого распространения, во многом, как следствие большой его цены.
Больше никто не осмеливался повторить этот опыт в массово выпускаемых
накопителях.
Существует несколько причин, по которым экономически не оправданно
выпускать накопитель с больше чем одним приводом головок. Некоторые из
этих причин лежат в области механики, некоторые - в области электроники.
Накопитель, имеющий несколько независимых приводов головок, делает
устройство механической части очень сложным, особенно в современных
форм-факторах накопителей. Количество тепла, которое выделяется в таком
накопителе, увеличено по сравнению с количеством тепла, выделяемым таким
же накопителем, но имеющим только один общий для всех головок привод.
Кроме этого, управляющая электроника, необходимая для координации и
оптимизации процессов перемещения головок, будет очень сложна. А учитывая
скорость изменения применяемых материалов и технологий, процедуру
проектирования такой сложной конструкции надо будет делать постоянно.
Но самая важная причина, по которой эти накопители не получили
практического применения, лежит в области маркетинга. Такой накопитель
стоил бы в полтора-два раза больше, чем аналогичные накопители, но с одним
приводом головок, и многие люди не готовы платить за дополнительное
увеличение производительности. Винчестеры - это сложное устройство, и
175
затраты на разработку и производство могут быть окуплены только в случае
массового производства. Рынок, которому нужны по-настоящему быстрые
накопители, не так огромен, чтобы было оправданно наладить массовый
выпуск накопителей с несколькими приводами головок. Гораздо проще
объединить несколько физических накопителей в один виртуальный, который
будет быстрее и надёжнее. Такая технология называется RAID. Если сравнить
один 200 гигабайтный винчестер с пятью винчестерами по 40 гигабайт каждый,
то получится те же 200 гигабайт емкости, но с пятью независимыми приводами
головок, управляющими электрониками и т.д. Такая структура из 5 винчестеров
по 40 гигабайт будет более надежна, чем накопитель емкостью в 200 гигабайт,
имеющий 5 приводов головок.
Шпиндельный двигатель
Шпиндельный двигатель отвечает за вращение пакета магнитных пластин, что
позволяет считывать с них данные с помощью головок. Он должен
предоставлять стабильное управляемое вращение в течение десятков тысяч
часов.
В течение многих лет жёсткие диски имели одинаковую скорость вращения
пакета магнитных пластин. Последнее десятилетие производители жёстких
дисков постоянно пытаются увеличить скорость вращения шпиндельного
двигателя в целях увеличения скорости доступа и чтения/записи.
Существует несколько ограничений, которым должен удовлетворять
шпиндельный двигатель:
Двигатель должен быть очень качественным, чтобы работать на
протяжении многих тысяч часов и выдерживать тысячи циклов
включения/выключения.
Двигатель должен крутиться без каких-либо вибраций и с постоянной
скоростью.
Двигатель не должен быть источником чрезмерного тепла или звука.
Двигатель не должен потреблять много энергии.
Двигатель должен управляться извне: должна быть подстройка частоты
вращения тем или иным способом.
Чтобы отвечать всем этим требованиям, все современные жёсткие диски
используют сервоуправляемые шпиндельные двигатели постоянного
напряжения. Сервосистема - это система с обратной связью. В ней используется
точно такая же технология, которую мы обсуждали в статьях о звуковой
катушке. В случае шпиндельного двигателя, эта система даёт сигнал при
каждом повороте диска или даже чаще. Таким образом, электроника всегда
знает точное значение частоты вращения шпиндельного двигателя и, в случае
необходимости, корректирует это значение.
176
Все шпиндельные двигатели, используемые в жёстких дисках, разработаны для
работы по принципу прямого контакта. При этом нет никаких передач,
шестерёнок, ремней между самим двигателем и осью, на которой крутятся
пластины. Шпиндель непосредственно состыкован с ротором двигателя.
Пластины жёстких дисков изготавливаются с центральным отверстием, радиус
которого равен радиусу шпинделя. На шпинделе пластины отделяются друг от
друга специальным разделительным кольцом, которое обеспечивает нужное
расстояние между пластинами в пакете для работы магнитных головок.
Работа, которую необходимо делать шпиндельному двигателю, зависит от ряда
факторов:
Размер и количество пластин в пакете магнитных дисков, от которого
зависит то, каким мощным должен быть шпиндельный двигатель.
Скорость вращения шпиндельного двигателя.
Поддержка режима энергосбережения.
Очень важными факторами для современных накопителей являются количество
шума, тепла и вибрации, производимые жёстким диском. Именно эти проблемы
выходят на первые места в силу увеличивающихся скоростей вращения. Эти
факторы были менее заметны при скоростях вращения порядка 3600 оборотов в
минуту, что было стандартом де-факто в прошлом десятилетии. Нынешние
накопители имеют скорости до 15000 оборотов в минуту, и могут быть
довольно шумными в работе. Современные накопители в большинстве случаев
требуют активного охлаждения, разогреваясь до 60-70 градусов. Это не идет на
пользу ни подшипникам, ни самой магнитной поверхности.
Критическим компонентом шпиндельного двигателя в жёстком диске является
подшипник. Большинство старых накопителей использовали обычные
шариковые подшипники. В настоящее время в новых накопителях
используются гидродинамические подшипники. В них роль шариков выполняет
масло. Таким образом снижается шум и нагрев подшипника при вращении. В
теории такие подшипники должны иметь больший срок службы и, тем самым,
увеличивать жизнь накопителя. Однако, вероятность заклинивания таких
подшипников выше, и на практике остановка жидкостных подшипников
встречается значительно чаще, обычных шариковых подшипников.
Скорость шпиндельного двигателя
В процессе развития жёстких дисков, производители всё время пытаются
сделать накопитель более быстрым, чем его предшественник. Повышение
скорости вращения шпиндельного двигателя - это один из способов как
увеличения линейной скорости чтения/записи, так и уменьшения времени
среднего доступа или позиционирования. Данные быстрее пролетают над
головкой, соответственно, уменьшается время простоя головки на треке в
режиме ожидания нужного сектора.
177
Первые жёсткие диски, использовавшиеся в ПК, имели скорость вращения
шпиндельного двигателя, равную 3600 оборотам в минуту. И последующие
десять лет эта скорость оставалась неизменной. Одной из причин выбора
именно этой скорости было использование двигателя переменного тока с
частотой 60 герц (стандарт, принятый в США). Если бы умножим 60 Гц на 60
секунд, мы получим искомое число 3600. В начале девяностых годов прошлого
столетия производители жестких дисков начали экспериментировать с
увеличением скорости вращения шпиндельного двигателя, доведя ее до 5400
оборотов в минуту. И надолго именно эта цифра стала стандартом де-факто для
скорости вращения шпиндельного двигателя. Первыми порог в 7200 оборотов в
минуту взяли жесткие диски с интерфейсом SCSI. Это позволило отточить
технологию, и несколькими годами позже, появились накопители с 7200
оборотов в минуту со стандартным интерфейсом IDE/ATA. В настоящее время,
некоторые производители выпускают жёсткие диски со скоростью вращения
шпиндельного двигателя, равной 10000 оборотов в минуту и интерфейсом IDE/
ATA. Жёсткие диски с интерфейсом SCSI уже несколько лет, как преодолели
рубеж в 15000 оборотов в минуту.
В таблице приведены стандартные скорости и среднее время задержки для
различных скоростей вращения.
Скорость шпиндельного двигателя Среднее время задержки, мс Типичное
применение
3600 8,3 Бывший стандарт, теперь устарел
4200 7,1 Ноутбуки и некоторые накопители для ПК
4500 6,7 IBM Microdrive, Ноутбуки
4900 6,1 Ноутбуки
5200 5,8 Устарел
5400 5,6 IDE/ATA, ноутбуки
7200 4,2 высокоуровневые IDE/ATA, ноутбуки
100003 высокоуровневые IDE/ATA, SCSI
120002,5 SCSI
150002 высокоуровневые SCSI
178
Что такое RAID?
В переводе с английского «RAID» (Redundant Arrays of Inexpensive Disks)
означает «избыточный массив независимых дисков». Этот перевод не совсем
дословный, но именно содержащийся в нем смысл является правильным.
Впервые термин RAID появился в 1987 году, когда исследователям из
Калифорнийского Университета в Беркли удалось создать действующий массив
из нескольких жестких дисков.
Первоначальное предназначение RAID – создание на базе нескольких
винчестеров диска большого объема с увеличенной скоростью доступа. Но
затем к двум основным целям добавилась третья – сохранение данных в случае
отказа части оборудования. Именно эти три кита сделали RAID-массивы столь
востребованными бизнесом и военными. Впрочем, за объем, скорость и
надежность пришлось платить повышением стоимости и сложности систем
хранения данных.
Оказывается, не так просто найти оптимальное решение одновременно по
надежности, емкости и цене. Надо быть готовым к тому, что придется купить
не один, а несколько жестких дисков, и емкость как минимум одного из них не
будет использоваться. Если речь идет о построении более-менее серьезной
системы, потребуется отдельный (лучше специальный) корпус с отдельным (а
то и двумя) блоком питания, плата контроллера и соответствующее
программное обеспечение.
В основе теории RAID лежат пять основных принципов – пять таинственных
слов. Это Массив (Array), Зеркалирование (Mirroring), Дуплекс (Duplexing),
Чередование (Striping) и Четность (Parity).
Массивом называют несколько накопителей, которые централизованно
настраиваются, форматируются и управляются. Логический массив – это уже
более высокий уровень представления, на котором не учитываются физические
характеристики системы. Соответственно, логические диски могут по
количеству и объему не совпадать с физическими. Но лучше все-таки
соблюдать соответствие: физический диск – логический диск. Наконец, для
операционной системы вообще весь массив является одним большим диском.
Зеркалирование – технология, позволяющая повысить надежность системы. В
RAID массиве с зеркалированием все данные одновременно пишутся не на
один, а на два жестких диска. То есть создается «зеркало» данных. При выходе
из строя одного из дисков вся информация остается сохраненной на втором.
179
За такую стопроцентную защиту приходится дорого платить: считайте, что
один винчестер у вас работает просто так, не увеличивая доступную емкость ни
на Мегабайт. При этом нет никакого выигрыша в производительности.
Дуплекс – развитие идеи зеркалирования. В этом случае так же высок уровень
надежности и требуется в два раза больше жестких дисков. Но появляются
дополнительные затраты: для повышения надежности в систему
устанавливаются два независимых RAID контроллера. Выход из строя одного
диска или контроллера не сказывается на работоспособности системы.
Столь дорогое решение используется только во внешних RAID-массивах,
предназначенных для ответственных приложений.
Чередование – отличная возможность повысить быстродействие системы.
Очевидно, если чтение и запись вести параллельно на нескольких жестких
дисках, можно получить выигрыш в скорости. Как это делается? Записываемый
файл разбивается на части определенного размера и посылается одновременно
на все имеющиеся накопители. В таком фрагментированном виде файл и
хранится. Считывается он тоже «по кусочкам».
180