Анатомия винчестера

Программист увидел НЛО:
- У кого-то диск полетел...

Давным-давно, когда компьютеры были еще очень большими, а программисты, работавшие на них, ходили в белых халатах, данные хранились на перфокартах и на магнитных бобинах. Те времена, к счастью, прошли, и теперь даже в домашних компьютерах установлены многогигабайтные жесткие диски. Но одно дело знать размер "винта", а совсем другое - понимать, как он работает. Об этом мы и поговорим в этой статье.

Времена идут, и все меняется. Немало изменений претерпели в течение своей эволюции и дисковые накопители. Одно из первых устройств, которых с натяжкой можно назвать гордым словом "винчестер", было выпущено компанией IBM - оно состояло из нескольких отдельных блоков, а по размерам превосходило современный настольный ПК!

К счастью, прогресс не стоит на месте - сегодня жесткие диски легко умещаются на ладони. А вот внутреннее устройство приводов со времен "программистов в белых халатах" стало гораздо сложнее - и механическая, и электронная части теперь представляют собой маленькое чудо техники. И все же, давайте попробуем разобраться, выяснив для начала, где хранится сама информация.

Крутится, вертится... диск магнитный

Итак, информация, записанная на винчестер, хранится на специальном магнитном диске. Почему именно на диске, а не, скажем, на ленте, как в магнитофоне? Во-первых, магнитный диск обеспечивает несоизмеримо большую плотность записи, благодаря особенностям его покрытия. Он представляет собой пластину из алюминия, керамики или стекла, на которую нанесен слоем высококачественного ферромагнетика. В первых моделях использовали покрытия на основе окислов железа и бариевых ферритов - теперь предпочтение все чаще отдают окиси хрома или металлическим пленочным покрытиям. Они позволяют достичь более высокую плотности записи и увеличить прочность поверхности. Последний параметр особенно важен для винчестеров переносных компьютеров, где велика вероятность ударов.

Вторая причина, по которой отдают предпочтение дискам, а не ленте, связана с простотой поиска информации. Ведь чтобы добраться от начала до конца дорожки в кассете, необходимо ее всю перемотать, тогда как на диске достаточно перейти от его края к центру. Надежность хранения данных - тоже немаловажный параметр: жесткий диск легче защитить от повреждений, нежели ленту.
Наконец, самый главный аргумент в пользу дисков - это скорость обмена данными - "раскрутить" ленту до тех скоростей, с которыми работают винчестеры, едва ли представляется возможным. Заметим, что, в зависимости от модели привода, скорость вращения двигателя может составлять 3600, 4500, 5400, 7200 и более об/мин (у токарного станка и то меньше! ).

Наращивание числа оборотов (спирт здесь ни при чем) разработчикам дается нелегко, особенно если учесть, что количество дисков в некоторых моделях достигает 10 и более! Приходится предъявлять особые требования к механической прочности системы, соответствующей обработке поверхностей ее движущихся частей, их юстировке, самим дискам и магнитным головкам, а также электронике.
Особое место занимает борьба с трением - от этого напрямую зависят долговечность и надежность всей системы в целом. Кроме того, трение ведет к нежелательному разогреву: во-первых, при изменении температуры меняются размеры деталей, что может нарушить их точную подгонку, во-вторых, колебания температурного режима негативно влияют на работу электронных компонент.
А чтобы окончательно убедить Вас хранить информацию на винчестере, а не на кассетах (если кто-то еще сомневается), приведем некоторые цифры. Как известно, толщина магнитофонной ленты составляет несколько миллиметров, плотность записи - примерно одна дорожка на миллиметр. Сравните: компания Seagate (http://www.seagate.com/), известный производитель жестких дисков, полгода назад продемонстрировала плотность в 4000 дорожек на мм! Скорости записи/считывания отличаются не меньше: Килобайты и Мегабайты в секунду.

Магнитные головки

Данные с поверхности диска считываются непосредственно магнитной головкой. На первый взгляд, принцип действия магнитных головок винчестера мало чем отличается от тех, что в обычном магнитофоне. Действительно, при записи головка создает магнитное поле, намагничивая тем самым участок диска - при считывании же, наоборот, поле диска возбуждает сигнал в головке.

Однако магнитным головкам винчестера приходится работать с гораздо большей скоростью, нежели магнитофонным. Поэтому их разработчики столкнулись с необходимостью создания очень тесного контакта между ними и поверхностью носителя. Выход нашли довольно оригинальный - головки "посадили" на воздушную подушку! Все гениальное просто - при вращении дисков внутри корпуса возникает воздушный поток, который, собственно, и приподнимает головки над поверхностью. Однако, такая конструкция требует парковки головок - перемещения их за пределы рабочей области диска (landing zone) во время выключения компьютера. Ведь когда винчестер выключается, диски останавливаются, соответственно исчезает магнитный поток и головки "падают" на поверхность. Поэтому головки нужно отвести в нерабочую область. Пользователи "со стажем", наверное, еще помнят времена, когда перед выключением компьютера приходилось запускать специальную парковочную программу. Теперешним юзерам повезло куда больше - в современных моделях все происходит автоматически.

Однако научить "летать" головки мало, надо еще позаботиться об их устройстве - ведь они должны обеспечивать качественную запись и считывание сигнала. Раньше чаще всего применяли индуктивные головки, обладавшие крупным недостатком - сигнал, снимаемый с них, сильно зависел от скорости вращения диска.

Сегодня в арсенале разработчиков появились уникальные полупроводниковые материалы с так называемым гигантским магниторезистивным эффектом - при небольших изменениях магнитного поля резко изменяется электрическое сопротивление материала. ВMRH (Magneto-Resistive Heads) отсутствуют недостатки, присущие индуктивным головкам, поэтому их начали широко применять для чтения данных. Для записи, к сожалению, они непригодны.

Заметьте, что современные приводы содержат несколько магнитных головок - как правило, по одной на каждую сторону каждого диска. Управлять и следить за всем этим "хозяйством" совсем непросто - для подобных целей в винчестере есть отдельное устройство, которое называется...
Позиционер (head positioner)

От того, насколько оперативно позиционер справяется со своими функциями, в немалой степени зависит общая скорость работы привода. Важнейший параметр - время позиционирования головок (seek time) - во многом зависит именно от этого модуля.
Позиционер состоит из длинных тонких несущих и управляющего электромагнитного привода. Такую систему называют коромыслом. Обмотку привода окружает статор - неподвижный магнит. Когда по обмотке проходит ток - необходимой величины и полярности - коромысло совершает поворот в ту или иную сторону. Подобного рода устройства называют поворотными - головки в них перемещаются по дуге от центра диска к периферии.

Встречаются и линейные позиционеры, позволяющие перемещать головки не по дуге, а по радиусу диска. Несмотря на некоторые преимущества этой конструкции, из-за большой инерционности, низкой устойчивости к ударам и вибрациям линейные позиционеры не получили широкого распространения.

Информация к размышлению

Всю информацию, хранящуюся на диске, условно делят на служебную и пользовательскую. Первая обеспечивает нормальную работу привода и изначально присутствует в любом современном жестком диске - ее записывает завод-изготовитель.
Служебная информация действительно имеет очень важное значение: сейчас и представить себе сложно, что когда-то диски не содержали первоначальной разметки! Ее используют, прежде всего, для позиционирования магнитной головки на дорожку. В нынешних моделях винчестеров на диски записывают специальные сигналы - сервометки (раньше делали иначе: коромысло укрепляли на оси двигателя, который отрабатывал заданный шаг между дорожками). Сервометки служат также для стабилизации скорости вращения шпинделя, кроме того, в каждом HD существует таблица перераспределения запорченных секторов (участок дорожки). На ней и остановимся подробнее.
Хотите Вы того или нет, но ЛёБОЙ жесткий диск не лишен столь устрашающих каждого юзера bad-секторов - технология производства винчестеров пока не позволяет избавиться от них на все 100%. Здесь и приходит на выручку таблица перераспределения: при каждом включении винт считывает ее и просто "не замечает" битых секторов!

А вот новые bad-секторы, - те, которые не помечены в заводской таблице - таят в себе скрытую опасность. Обращаясь к такому сектору, магнитная головка многократно повторяет попытку чтения или записи, при этом возможно разрушение "здоровой" поверхности диска. Это влечет за собой дальнейшее "размножение" запорченных секторов. Таким образом винт постепенно приходит в негодность. Проблему можно решить, обратившись вовремя в ремонтную мастерскую, где Вам соответствующим образом "перепрошьют" таблицу.
Наконец, на диске или в его ПЗУ могут находится параметры накопителя: его серийный номер, модель, производитель и т. п.

Теперь обратим Ваше внимание на некоторые нюансы, связанные с пользовательской информацией. "Добрые" разработчики первого ПК оказали всем нам сомнительную услугу, строго определив количество разрядов, с помощью которых адресовались данные. Когда же появились жесткие диски емкостью более 528 Мб (более чем с 1024 цилиндрами, или более чем с 16 головками, или более чем с 63 секторами на дорожку), компьютеры перестали "видеть" дисковое пространство полностью!
Производители BIOS (Basic Input-Output System) схватились за головы и организовали в последующих версиях поддержку режима LBA (Large Block Adressing). Системы последовательно модернизировали для работы с дисками максимальной емкостью 2.1, 4.2, а затем 8.4 Гб. В результате сегодня в большинстве случаев используют 24-разрядную схему адресации, ограничивающую видимость дискового пространства печально известными 8.4 Гб.

Для работы с накопителями большей емкости в BIOS необходимо использовать уже 28-разрядную схему адресации и поддерживать так называемые расширения INT 13h. Как свидетельствует статистика, лишь 5% произведенных до 1998 года компьютеров удовлетворяют этим требованиям.
Естественно, производители жестких дисков не захотели терять потенциальных покупателей самых емких моделей и создали специальные резидентные утилиты, перехватывающие все обращения к диску и пересчитывающие физические координаты данных. Распространяют их бесплатно, но - нет в мире совершенства! - они работают только с винчестерами родного изготовителя. Есть и универсальная программа, но небесплатная. Приобрести ее можно у самих создателей - компании Ontrack (http://www.ontrack.com/).

Управляющая электроника

Вся механическая часть жесткого диска "запечатана" в с гермоблоке. Кстати, многие почему-то думают, что механические детали накопителя находятся в... вакууме, т. е. в безвоздушном пространстве! Это не так, однако к чистоте воздуха внутри гермоблока предъявляют особые требования. Он проходит очистку с помощью специальных фильтров, ведь даже маленькая пылинка, попавшая в корпус блока дисков и головок, может вызвать серьезные повреждения. Поэтому настоятельно не рекомендуем открывать винт или срывать с него защитные наклейки.
Часть электроники привода находится в блоке механики. Почему? Без этого никак нельзя: сигнал, снимаемый с магнитных головок очень слабый, и если проводники будут слишком длинными, он будет серьезно искажен. Прочитанный сигнал необходимо сразу же усилить - тогда проблема транспортировки исчезнет. С этой функцией успешно справляется предусилитель, расположенный в гермоблоке.

Но здесь мы сталкиваемся с еще одним довольно уязвимым местом винчестера: от предусилителя к позиционеру идет ленточный кабель или набор обычных одножильных проводов, а они довольно часто рвутся. Устранение подобной неисправности, увы, обходится в копеечку.
Остальная электроника винчестера менее уязвима и находится на отдельной плате за пределами гермоблока. По своей структурой она очень напоминает... отдельный компьютер! Действительно, среди основных компонент значатся: центральный процессор, ОЗУ (буфер диска), ПЗУ с программой управления (иногда часть ее записывают в служебную область самого диска), а также DSP (Digital Signal Processor), служащий для обработки считанных сигналов и подготовки записываемых.
На печатных платах многих жестких дисков встречается технологический интерфейсный разъем, с помощью которого их подключают к тестовому оборудованию. В ПЗУ находится специальная программа, позволяющая вести диалог, переназначать дефектные участки, производить ту же первичную разметку и пр.

Вся эта сложная электроника обеспечивает управление приводами головок и дисков. В современных моделях, изготавливаемых в рамках программы Energy Star, обязательно есть устройство для отключения винчестера при отсутствии запросов к нему и других функций энергосбережения.
В завершение упомянем о наиболее часто встречающихся размерах современных винчестеров. Самый распространенный формфактор ширины диска, конечно же, 3.5 дюйма, но можно встретить 1.8 или 5.25 дюймовые модели. Есть несколько категорий накопителей, различающихся по высоте: низкопрофильные (менее одного дюйма), половинной высоты (1.63 дюйма) и полной (3.25 дюйма).
Хочется обратить Ваше внимание и на чрезвычайную чувствительность жестких дисков к различного рода встряскам, толчкам и ударам. Поскольку оси позиционера и шпинделя укрепляют на корпусе самого винчестера, а иногда - дополнительно - и на гермоблоке, надо быть очень осторожным и не делать лишних усилий при завинчивании крепежных винтов. Это может привести к перекосу осей и, как следствие, неправильному позиционированию магнитных головок. А уж такую поломку устранить или очень сложно или вообще невозможно! Не стоит также нагревать приводы (некоторые пользователи, надеясь самостоятельно починить диск, часами нагревали его на солнце) - высокая температуры пагубно влияет на магнитную поверхность. Стоит ли напоминать о недопустимости ударов приводов - вряд ли паление со стола приведет к увеличению емкости винта :-).