Анализ и оценка современных средств хранения и передачи данных

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. 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.

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. 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, то 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 со 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. 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.

Параметры винчестеров  некоторых серий представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры  винчестеров некоторых серий

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).

Ёмкость винчестера определяется следующими параметрами:

Размер пластины —  параметр, определяющийся, как правило, геометрическими размерами винчестера, обычно диаметр на 1-2 см меньше ширины. Плотность записи на единицу площади — определяется технологией изготовления диска. Указывается обычно в гигабитах на квадратный дюйм или квадратный сантиметр. Обычно диски одной серии имеют одинаковую плотность записи. Объём поверхности — параметр, зависящий от плотности записи и размера пластины.

Рисунок 5 – динамика изменения  максимальной ёмкости дисков.

Количество рабочих  поверхностей — то же, что и количество физических головок. Зависит от конструктивного  исполнения. В пределах серии используется для варьирования ёмкости. Ёмкость — самый динамичный параметр рыночного ассортимента дисков. Ёмкость предлагаемых дисков постоянно растёт (см. Рисунок 5), а цена за единицу постоянно падает. Собственно, жёсткий диск конструктивно приспособлен для установки внутрь устройства. Стандартные разновидности включают в себя винчестеры для стационарных систем, переносных и портативных.

5,25-дюймовый — полностью  вышел из употребления, использовался  в IBM PC XT. 3,5-дюймовый — самый  распространённый вариант для стационарных компьютеров. 2,5-дюймовый — обычный типоразмер для ноутбуков, также используется в некоторых настольных системах Amiga, Set-top box. 1,8-дюймовый — для различных портативных устройств.

Винчестеры могут иметь  различные интерфейсы.  Характеристики различных интерфейсов представлены в таблице 2

Таблица 2 - Характеристики различных интерфейсов.

Винчестеры для носимых  устройств (ноутбуков, плееров и  т. п.) обладают гораздо большей устойчивостью к механическим воздействиям, но при этом более дороги. Внешние винчестеры — это винчестеры, установленные внутрь специального защитного контейнера. Контейнеры выпускаются под 3,5- и 2,5-дюймовые винчестеры. Немаловажное значение имеют скоростные характеристики жёстких дисков:

Скорость вращения шпинделя (англ. rotational speed, spindle speed) обычно измеряется в оборотах в минуту (об/мин, rpm). Она не даёт прямой информации о реальной скорости обмена, но позволяет различать более скоростные от менее. Стандартные скорости вращения: 4800, 5600, 7200, 9600, 10 000, 15 000 об/мин. Медленные обычно используются на ноутбуках и других мобильных устройствах, самые скоростные — в серверах. Время доступа — количество времени, необходимое винчестеру от момента приёма команды до начала выдачи данных по интерфейсу. Обычно указывается среднее и максимальное время доступа. Время позиционирования головок (англ. seek time) — время за которое головки перемещаются и устанавливаются на трек с другого трека. Различают время позиционирования на соседний трек (track-to-track), среднее (average), максимальное (maximum). Скорость передачи данных или пропускная способность — определяет производительность диска при передаче последовательно больших объёмов данных. Эта величина показывает установившуюся скорость передачи, когда головки диска уже на нужном треке и секторе.

Внутренняя скорость передачи данных — скорость передачи данных между контроллером и магнитными головками. Внешняя скорость передачи данных — скорость передачи данных по внешнему интерфейсу. Энергопотребление — немаловажный параметр, особенно в портативных системах. Он определяет необходимые характеристики источника питания и время, которое сможет проработать система от автономного источника питания. Различают энергопотребление в различных режимах: Пиковое энергопотребление — предел энергопотребления, обычно достигается в момент включения и раскручивания дисков. Пиковое энергопотребления должен выдерживать блок питания. Как параметры пикового энергопотребления обычно указывается максимальный ток по шинам питания.

Энергопотребление активного  режима определяется во время активной работы накопителя. Это предельное энергопотребление достигаемое  продолжительное время. Следует  иметь в виду, что практически  вся энергия, потребляемая жёстким диском выделяется в виде тепла, следовательно, энергопотребление рабочего режима определяет также необходимую интенсивность отвода тепла. Основная статья энергопотребления тут — сервопривод головок, мощность которого определяет быстродействие винчестера в случае произвольного доступа, и следовательно, быстрые винчестеры требуют значительного охлаждения. Энергопотребление режима ожидания — во время простоя, когда диск готов выполнять команды. Энергопотребление спящего режима — минимальное энергопотребление включённого винчестера, когда остановлен шпиндельный двигатель. Среднее энергопотребление — интегральный параметр, показывающий, насколько долго сможет проработать диск от батарей.

Другие параметры. Надёжность. Стандартный показатель надёжности — среднее время безотказной работы или среднее время наработки на отказ. Сопротивляемость механическому воздействию — вибро и ударопрочность устройства. Сильно различается ударопрочность накопителя в рабочем и транспортировочном состоянии. В рабочем состоянии винчестеры весьма чувствительны к ударам и вибрации — максимальная перегрузка составляется всего несколько g. В транспортировочном состоянии ударопрочность в десятки-сотни раз выше (40-200 g), тем не менее, эти значения соответствуют всего лишь падению с 20-30 см на бетонную плиту. Винчестеры для портативных устройств обычно более ударопрочны. Уровень шума — скорее эстетический параметр, нежели функциональный.

1.2 Стримеры

Стример или стример (от английского streamer) — это запоминающее устройство, основанное на магнитной ленте с последовательным доступом к данным. По своему принципу действия стример похож на обычный магнитофон.

Применяется для операций резервного копирования и архивирования  данных с жестких дисков на магнитную ленту. Основными преимуществами стримера являются большая ёмкость (до 900 Гб) и невысокая стоимость информационного носителя (картридж), надежность и стабильность работы. К недостаткам стримера относятся низкая скорость доступа к данным из-за последовательного доступа и большие размеры. Накопители на магнитной ленте называют также устройствами внешней памяти последовательного доступа, так как удаленные фрагменты данных могут быть прочитаны только после считывания предшествующих им (менее удаленных) данных. Все файлы, размещенные на сменной кассете, будут сохраняться без каких-либо потерь независимо от того, включен компьютер или нет. В качестве носителей информации применяются сменные кассеты различного размера с магнитной лентой емкостью от 20 Мбайт до 2 Гбайт. На магнитной ленте имеются технологические отверстия. В месте установки кассеты имеется небольшое зеркальце и два фотодатчика (инфракрасный излучатель и инфракрасный приемник). Датчик-излучатель посылает инфракрасный луч на это зеркальце, а датчик приемник принимает отраженный от зеркальца сигнал. Когда кассета вставлена в стример, полотно магнитной ленты перекрывает инфракрасный луч. Вблизи конца ленты луч проходит через технологическое отверстие, отражается и попадает на приемник. Стример останавливает свою работу. Если инфракрасный излучатель или приемник загрязнены, то стример по окончании ленты может не остановиться и тогда произойдет "слет" кассеты накопителя.

Базовые характеристики:

- возможность записи до 160GB данных на одну кассету (при сжатии 2:1);