Накопичувачі інформації (стр. 2 из 3)

Загальний устрій накопичувача

Конструктивно НЖМД складається з двох основних частин – герметизованого блока (HDA) і плати електроніки (PCB). У гермоблоці розташовані всі механічні компоненти (пакет магнітних дисків, насаджений на шпиндель двигуна, магнітні головки з системою позиціювання) а також мікросхема попереднього підсилювача-комутатора, що забезпечує підсилювання сигналу з головок та переключення між ними. Механічні компоненти гермоблоку зображені на рис. 2.

Рис. 2. Компоненти гермоблоку НЖМД.

На платі електроніки, яка розміщується за межами гермоблоку, встановлені мікросхеми, що керують механічними вузлами, кодуванням-декодуванням даних та прийомом-передачею інформації через зовнішній інтерфейс.

Структурна схема накопичувача зображена на рис. 3.

БМГ – блок магнітних головок; ШД – шпиндельний двигун; ПП – попередній підсилювач; КЗЧ – комутатор запису-читання; КГ – кварцовий генератор; ПЗП МП – постійна пам'ять мікропрограм; МБ – менеджер буфера; БОЗП – буферна пам'ять (або кеш-пам'ять НЖМД).

Рис. 3. Структурна схема НЖМД

Поверхня головки звичайно керамічна. У процесі функціонування НЖМД головки «летять» над поверхнею дисків на відстані у десяті долі мікрометра. Привод, що позиціює блок головок, складається з обмотки та постійного магніту, аналогічний за устроєм електродинамічному гучномовцю, тому і отримав назву Voice Coil (звукова котушка). За допомогою «звукової котушки», яка забезпечує безперервне, плавне переміщення головок, позиціювання виконується точніше, ніж за допомогою крокових двигунів, що використовувалися у якості позиціонерів головок НЖМД раніше.

Для запису інформації на ЖМД використовують різні методи частотної модуляції. Інформаційна ємність сучасних НЖМД досягає сотень гігабайт.

Форматування дисків

Вихідний стан будь-якого ЖМД після його виготовлення – це однорідна магнітна поверхня, яку умовно можна уявити як невпорядковану сукупність дібітів – елементарних ділянок, що можуть, за рахунок залишкової намагніченості, зберігати один біт інформації. Зрозуміло, що для організації зберігання інформації, її запису, пошуку та читання, необхідно цю сукупність яким-то чином впорядкувати.

Перш за все, групи дібітів об’єднуються у «інформаційні кільця» -- доріжки або треки (см. рис. 4). Зменшення відстані між доріжками збільшує інформаційну ємність диска, але воно не може бути занадто малим, із-за наявності взаємного впливу один на одного дібітів, які розташовані на сусідніх доріжках. Нумерація доріжок починається з нуля, нульова доріжка завжди розташована з зовнішнього боку диска.

Якщо накопичувач має декілька робочих поверхонь, (тобто на шпинделі розміщений пакет дисків, а в кожного диска можуть використовуватися обидві поверхні), то сукупність усіх доріжок з однаковими номерами називають циліндром. Для кожної робочої поверхні в накопичувачі є своя головка, що забезпечує запис і зчитування інформації.

Для забезпечення точного позиціювання БМГ на необхідну доріжку (циліндр) на поверхню диска наносяться сервісні мітки. Нанесення серворозмітки виконується тільки у заводських умовах і є базовим, найбільш низькорівневим елементом форматування ЖМД.

Взагалі розрізняють два типи форматування магнітних дисків – фізичне (або форматування низького рівня) і логічне (форматування високого рівня). Для жорстких дисків, на відмінність від гнучких, існує і третій етап, що виконується між фізичним та логічним форматуванням – розбивка диска на розділи.

Розглянемо основний вміст операцій, що виконуються на кожному етапі.

Рис. 4. Розмітка та елементи інформаційної структури жорсткого магнітного диска

Форматування низького рівня

Фізичне форматування ЖМД завжди виконується однаково, незалежно від властивостей операційної системи і параметрів форматування високого рівня (які можуть відрізнятися для різних операційних систем).

В процесі форматування доріжки диска розподіляються на сектори (см. рис. 4).

Сектор є мінімальним блоком інформації, що може бути записаний на диск або зчитаний з нього. Нумерація секторів починається з одиниці і прив'язана до індексного маркера.

Кожен сектор має визначену структуру (формат) та фіксований розмір (звичайно, 571 байт, з яких 512 байт доступні для зберігання даних користувача. Типовий формат сектора зображений на рис. 5.

Сектор звичайно складається заголовка (префікса), області даних і завершення (суфікса). Початок сектора визначається спеціальним байтом - адресним маркером (1). Далі йдуть комірки, що містять адресу сектора у спеціальному форматі CHS (2) та його контрольна сума -- для перевірки цілісності адреси (3). Дані користувача розмішуються у окремої області (4), до якої при запису додається декілька десятків байт «надлишкової» інформації, що призначена для корекції помилок читання за допомогою ECC-коду (5). Для перевірки цілісності даних користувача також використовується циклічна контрольна сума (6). Для більш надійного функціонування сектора при нестабільності швидкості обертання диску у структурі сектора є «порожні» області – «байти – пробіли» (7).

Рис. 5. Формат сектора

В процесі форматування низького рівня виконується запис заголовків та завершень секторів, формуються інтервали між секторами та доріжками. Область даних кожного сектора заповнюється довільними (або спеціальними тестовими) наборами даних з формуванням відповідних контрольних сум, а також перевірка читаності кожного сектора шляхом порівняння (верифікації) відповідності вмісту області даних сектора та контрольної суми. У випадку виявлення непоправних помилок зчитування в заголовку сектора робиться позначка про його дефектність.

Форматування ЖМД низького рівня в повному обсязі може бути виконано тільки заводських умовах, або за допомогою спеціальних сервісних програм, що розповсюджуються фірмами-виробниками для сервісних центрів та ремонтних майстерень.

Розбивка диска на розділи

Розбивка диска на розділи дозволяє сполучати на одному НЖМД декілька операційних систем, що мають різні файлові системи. У таблиці 2 наведений перелік файлових систем, які використовують найбільш розповсюджені дискові операційні системи.

Таблиця 2

Операційна система	Файлова система
	File Allocation Table (FAT)	File Allocation Table, 32 bit (FAT-32)	Windows NT File System (NTFS)
MS DOS	+
WINDOWS 9X	+	+
WINDOWS NT (2000, XP)	+	+	+

Різні файлові системи використовують і різні методи розподілу файлів по логічним елементам, що мають назву кластерів. Кластер – це одиничний блок дискової пам’яті, що записується або зчитується як єдине ціле. Кластер складається з одного або декількох секторів (см. рис. 6), найчастіше – з 2ⁿ секторів.

Створення розділів на диску виконується за допомогою програм FDISK (MS DOS, WINDOWS 9X), або DISKPART (WINDOWS XP). Слід пам’ятати, що вбудовані у операційні системи програми FDISK і DISKPART не дозволяють змінювати розміри вже існуючих розділів – тільки створювати або видаляти їх зі знищенням інформації. Для управління розділами без знищення інформації можна користуватися, наприклад, програмою Partition Magic.

Форматування високого рівня

При форматуванні високого рівня операційна система створює логічну структуру диска, тобто структури для роботи файлами. Простір розділу розподіляється на кластери, в кожний розділ (логічний диск) записується завантажувальний сектор тому (Volume Boot Sector – VBS), дві копії таблиці розташування файлів (FAT) і кореневий каталог (Root Directory).

За допомогою цих структур даних операційна система розподіляє дисковий простір, стежить за розташуванням та цілісністю файлів, а також «обходить» дефектні ділянки диску. Таким чином, логічне форматування не знищує повністю інформацію на диску, а тільки очищує зміст розділу та таблиці розташування файлів. Форматування високого рівня виконується командою FORMAT (MS DOS), або аналогічними командами інших операційних систем.

Поняття про S.M.A.R.T.

Сучасні технології виробництва магнітних дисків не дозволяють виготовляти їх без дефектів поверхні. Крим того, у процесі експлуатації відбувається старіння магнітного покриття та зношування механічних частин НЖМД. Тому за останні 10 років виробники НЖМД запропонували набір технологій, що дозволяють не тільки «ховати» дефекти поверхні (bad-сектори), але і виконувати постійний контроль (моніторинг) стану визначених параметрів НЖМД і навіть пророкувати появу помилок та деяких пошкоджень накопичувачів.

Це, зрозуміло, суттєво ускладнило програмну (логічну) організацію НЖМД. По-перше, збільшилась кількість службових програм та інформаційних структур, необхідних для забезпечення функціонування диска. Крім формату низького рівня до службової інформації відносяться серворозмітка, резидентні службові мікропрограми (в тому числі і тестуючи), таблиці конфігурації і настройки НЖМЖ та інше. Частина цих програм та структур записується у ПЗП НЖМД, частина – у спеціальну службову область диску, що звичайно недоступна користувачу. Таким чином, виникла необхідність використання спеціального транслятора фізичного простору ЖМД у логічний – з метою «схову» від користувача деяких спеціальних областей диска. Типова організація логічного простору ЖМД зображена на