Сравнительный анализ и характеристик НГМД и НЖМД

В компьютере предусмотрена возможность с помощью специальной системной программы условно разбивать один диск на несколько. Такие диски, которые не существуют как отдельное физическое устройство, а представляют лишь часть одного физического диска, называют логическими дисками. Логическим дискам присваиваются имена, в качестве которых используются буквы латинского алфавита С:,D:,E:,F: и т.д.

Кроме внутреннего жесткого диска, установленного в системном блоке, в персональном компьютере могут использоваться накопители на сменных жестких дисках, которые, как правило, имеют автономное внешнее исполнение.

Хранение и извлечение данных с диска требует взаимодействия между операционной системой, контроллером жесткого диска и электронными и механическими компонентами самого накопителя.

Электроника жесткого диска спрятана в нижней части винчестера. Она расшифровывает команды контроллера жесткого диска и передает их в виде изменяющегося напряжения на шаговый двигатель, перемещающий магнитные головки к нужному цилиндру диска. Кроме того, она управляет приводом шпинделя, стабилизируя скорость вращения пакета дисков, генерирует сигналы для головок при записи, усиливает эти сигналы при чтении и управляет работой других электронных узлов накопителя. Плата электроники современного накопителя на жестких магнитных дисках представляет собой самостоятельный микрокомпьютер с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и прочими традиционными атрибутами присущими компьютеру. На плате могут располагаться множество переключателей и перемычек, однако не все из них предназначены для использования пользователем. Как правило, руководства пользователя описывают назначение только перемычек, связанных с выбором логического адреса устройства и режима его работы, а для накопителей с интерфейсом SCSI - и перемычки, отвечающие за управление резисторной сборкой (стабилизирующей нагрузкой в цепи)[10].

 

2. Характеристики НЖМД.

 

Рассмотрим параметры, характеризующие накопители на жестких дисках:

 Емкость

Емкость является важнейшей характеристикой НЖМД. Собственно говоря, эти накопители и появились вследствие необходимости ввести в состав ПК быстродействующие запоминающие устройства большой емкости.

В документации на НЖМД можно встретить два термина, относящиеся к их полной емкости: неформатированная и форматированная емкость. Неформатированная емкость — это количество байтов данных, которое можно разместить на всех дорожках всех рабочих поверхностей дисков, если всю длину дорожки использовать только для данных, т.е. если данные не обрамлять никакой служебной информацией (не использовать формат записи). Форматированная емкость — это суммарное количество байтов данных, которое можно поместить в отведенные для данных поля всех секторов на всех дорожках. Пользователя, конечно же, интересует форматированная емкость НЖМД, т.к. именно она является для него полезной, доступной для размещения программ и данных. Форматированная емкость НЖМД численно представляет из себя произведение следующих величин: размер сектора в байтах, количество секторов на дорожке (при постоянном их числе на всех дорожках), количество рабочих поверхностей дисков (число головок чтения-записи), число цилиндров. При этом нужно учитывать, что число доступных для пользовательских программ цилиндров на один меньше, чем это указано в документации на НЖМД. Дело в том, что последний (самый внутренний) цилиндр используется исключительно

для целей диагностики. Для проверки правильности выполнения команд записи и форматирования различные тестовые программы используют именно этот цилиндр. Так, например, накопитель ST225 фирмы Seagate Technology имеет 615 цилиндров (0-614). Диагностическим является 614-й цилиндр. Для пользовательских программ доступны цилиндры 0-613.

Скоростные параметры.

Наряду с емкостью, быстродействие является важнейшей характеристикой НЖМД. При работе с динамическими таблицами, базами данных или использовании системы автоматизированного проектирования (САПР), быстродействующий накопитель значительно повысит продуктивность вашей работы. Вместе с быстродействием центрального процессора и оперативной памяти быстродействие НЖМД определяет эффективную производительность ПК в целом.

Среднее время доступа к данным (Average Access Time) - это среднее время, за которое головка перемещается к нужной дорожке диска, устанавливается на нее и начинает считывать данные. Любая прикладная программа, часто обращающаяся к данным, хранящимся в разных местах жесткого диска (например, база данных), будет работать гораздо эффективнее, если накопитель имеет малое время доступа. Измеряется время в миллисекундах и составляет в настоящее время 8-11 мс. Данный параметр улучшается медленно, так как совершенствовать механику трудно. Иногда время чтения меньше времени записи. Параметр обязательно сообщается в торговых предложениях. Для конкретного диска его можно оценить утилитами, например, Norton SI, Checkit.

Среднее время доступа определяется тем, как организовано хранение данных на диске и насколько быстро перемещаются головки чтения-записи. В подавляющем большинстве НЖМД имеется несколько дисков. Обычно данные хранятся на обеих сторонах диска, причем на каждую сторону приходится своя головка чтения-записи[22].

После того, как контроллер инициирует перемещение головок, они начинают двигаться к требуемому цилиндру. По окончании этого процесса, должно пройти некоторое время, прежде чем станет возможным запись или чтение информации с требуемой дорожки. Это время называется временем успокоения и необходимо для прекращения механических колебаний головок, вызванных перемещением.

Время, затрачиваемое на перемещение блока головок к нужному цилиндру и успокоение их в новом положении, называют временем установки или временем поиска. Среднее время установки представляет собой усредненный результат большого числа измерений этого времени при перемещении головок между различными цилиндрами. В каталогах фирм-производителей НЖМД этот параметр называется Average Seek Time. Для того, чтобы определить среднее время установки головок, изготовители дисковых систем памяти обычно проверяют свои накопители с помощью многочисленных тестов.

После успокоения головок на требуемом цилиндре контроллер начинает поиск заданного сектора для того, чтобы производить запись или чтение данных. При этом он последовательно считывает идентификаторы всех секторов, проходящих под выбранной головкой до тех пор, пока не появится ожидаемый сектор. Поскольку в данном случае взаимодействуют несколько асинхронных процессов и после успокоения под головкой может оказаться сектор с любым номером, то время ожидания нужного сектора каждый раз будет другим. В идеальном случае под головкой сразу после успокоения окажется начало требуемого сектора, в наихудшем случае окажется, что этот сектор только что "проехал" и придется ждать целый оборот пакета дисков. Время, необходимое для подхода нужного сектора к головке, называется временем ожидания, усредненное его значение — средним временем ожидания (Average Latency Time)[22].

Среднее время доступа имеет значение, например, когда архивируется целый набор файлов, так как в это время головки интенсивно перемещаются от файла к файлу.

Скорость вращения (Rotational Speed, Spindle Speed) - скорость вращения дисков, измеряемая в оборотах в минуту (RPM - Rotational Per Minute). Параметр относится к основным, так как пропорционально скорости вращения диска растет скорость обмена данными между винчестером и шиной данных системной платы. Для дисков пользовательских компьютеров сейчас скорость вращения составляет 5400 и 7200 об/мин. Более высокооборотные диски (10000 об/мин и более) имеют SCSI-интерфейс. Они очень дороги и предназначены для серверов.

С ростом скорости вращения появляются проблемы вибрации, шума и нагрева. Наилучшим решением в ближайшее время будет использование гидродинамических подшипников, впервые внедренных фирмой Seagate.

При скорости 5400 об/мин никаких специальных мер по охлаждению применять не нужно. При скорости 7200 об/мин диск нужно устанавливать посередине хорошо вентилируемого корпуса и обеспечивать свободное пространство для лучшего тепло отвода. При скорости вращения 10 000 об/мин применяют обдув диска отдельным вентилятором.

Перегрев диска приводит к температурным расширениям механики и, как следствие, ухудшает распознавание дорожек. Это вызывает замедление работы (что недопустимо для работы с аудио- и видеоинформацией в реальном времени).

В связи с этим, например, компания Quantum постоянно принимает меры по увеличению плотности записи, что позволяет получить ту же скорость доступа к данным, но при меньших оборотах.

Внутренняя скорость обмена (Internal Data Rate) - скорость обмена между поверхностью диска и буфером (Media to Buffer). Измеряется в мегабитах в секунду. Порядок чисел - 200 Мбит/с, или 20 Мбайт/с. Однако это пиковая скорость, реальная - 10-12 Мбит/с. В эту скорость неявно входят как множители скорость вращения и линейная плотность записи. К сожалению, данный параметр редко указывается в предложениях, несмотря на то, что отражает реальную скорость жесткого диска. Измеряется он, например, утилитой Norton SI.

Внешняя скорость обмена {Data Transfer Rate Buffer-to-Host) - это скорость обмена между буфером и контроллером канала (Host). Определяется интерфейсом, поддерживаемым диском (а также чипсетом со стороны системной платы). Она с запасом превосходит скорость считывания данных с диска, поэтому не очень существенна.

Среднее время перехода на соседнюю дорожку (Track-To-Track Seek Time) имеет значение только при работе с большими (не фрагментированными) файлами, поэтому редко указывается. Измеряется в миллисекундах. Типичное значение - около 1,5-3 мс[21].

Параметры надежности

 

 Стойкость к ударам (Shock resistance). В механике под ударом понимается кратковременное воздействие значительной внешней силы. Стойкость к ударам, после которых устройство остается работоспособным, определяется ускорением {g - 9,8 м/с2), а также временем воздействия.

Стойкость к ударам бывает двух типов: во время работы диска и в выключенном состоянии. Раньше диски были слабо защищены и любой удар приводил к тяжелым последствиям. В настоящее время они выдерживают удары не менее 10 g при работе и 100 g в выключенном состоянии. Падение диска на жесткий материал с высоты 10 см равнозначно воздействию в 70 g .

Существуют интересные фирменные технологии защиты. Примером является антиударная система Quantum Shock Protection System (SPS), защищающая диск при транспортировке.

Технология SMART. Название этой технологии часто записывают через точки: S.M.A.R.T. Сокращение от английского Self Monitoring Analysis Reporting Technology - самомониторинг и информирование о состоянии диска.

Это технология самоконтроля диска, и содержание ее заключается в том, что на основные компоненты (двигатели, головки, поверхности и т.д.) крепятся датчики. Информацию от датчиков постоянно обрабатывают процедуры из firmware-диска. В результате этого в самом диске накапливается и запоминается статистика. При включении компьютера программа из BIOS системной платы или ОС должна просмотреть статистику и сравнить с заранее установленными пороговыми значениями контролируемых параметров (например, число плохих секторов). Как только контролируемый параметр выходит за допустимые пределы, выдается сигнал на дисплей. В результате своевременно и точно выдаются предупреждение и диагностика, позволяющие принять меры (ремонт или замена) и не потерять драгоценные данные.

Технология была разработана компанией Compaq и первоначально называлась SntelliSafe. В настоящее время известна версия SMART II, которая является частью стандарта АТА -2 (EIDE). Слабостью SMART является ее пассивность - она оповещает, но не лечит. Поэтому в настоящее время получили распространение фирменные расширения стандарта, позволяющие автоматизировать поддержку работоспособности жесткого диска. Примером является технология Data.Lifeguard компании Western Digital. Через каждые несколько часов работы она тестирует поверхность диска в фоновом режиме и исправляет ошибки, вплоть до переписывания информации в резервный сектор.

Среднее время безотказной работы (Mean Time Between Failure, MTBF)  - это среднее время между двумя соседними сбоями. В настоящее время  данный показатель достигает 300, 400 и 500 тысяч часов, а у лучших моделей и 800 тысяч[20].

Параметр второстепенен для пользователя, так как предполагает, что диск включен постоянно. А такая ситуация бывает только на серверах. На самом деле время жизни диска на порядок меньше (около 5 лет), чему способствует операция включения/выключения. Гарантированное число включений также не имеет особого значения для пользователя, так как их число достаточно велико - 40-50 тысяч. Полезно понимать разницу между сроком гарантии и временем наработки на отказ - жесткий диск заменят, но бесценные данные пропадут.

Архитектурные параметры

 

Число пластин. Винчестер строится обычно на основе 1-4 пластин (реже больше). В принципе, чем меньше пластин при одинаковой емкости устройства, тем лучше; во-первых, выше плотность записи и не надо форсировать число оборотов; во-вторых, меньше деталей, а значит, выше надежность. У современных дисков емкость пластины превысила 2,5 Гбайт.

Размер кэша (Buffer Size). Кэш является аппаратным и выполняется обычно на модулях типа DRAM, иногда он называется буфером, но это настоящий кэш со своей таблицей[19].

Для получения требуемых данных в буфер считывается вся дорожка, где они располагаются, а затем из буфера извлекаются только нужные данные.

Размер кэша обязательно сообщается в торговых предложениях. До недавнего времени размер кэша был 128 Кбайт, сейчас используется кап размером 512 Кбайт, причем для IDE-дисков (раньше -исключительно для SCSI).

Тип головок. В настоящее время для большинства жестких дисков применяют головки типа GR, а для более совершенных моделей используют головки типа MGR, которые способствуют более высокой плотности записи.

До 80-х годов основа дисков изготавливалась из алюминиевого сплава (с небольшим добавлением магния). По мере возрастания требований к емкости и размерам накопителей в качестве основного материала для дисковых пластин стал использоваться композиционный материал из стекла и керамики.

3. Физическая организация данных в НЖМД

 

Как было сказано выше, поверхность диска разбивается на концентрические кольца, именуемые дорожками. Дорожки, в свою очередь, разделены на участки, называемые секторами. Количество секторов на дорожках, как правило, одно и то же. Однако, некоторые изготовители НЖМД с целью повышения его емкости за счет более эффективного использования поверхности дисков, организуют разное количество секторов на дорожках: на внешних — больше, на внутренних — меньше. Это делается только в накопителях, конструктивно совмещенных с контроллером (использующих интерфейс IDE или SCSI). Такой метод повышения емкости получил название Zoned-Bn Recording. При этом поступающие в контроллер логические номера цилиндров, дорожек и секторов преобразовываются им в конкретные физические номера, которые совершенно безразличны для пользователя. Примером таких НЖМД могут служить накопители серии С2230 фирмы Hewlett-Packard, имеющие 72 физических сектора во внешней зоне, 60 — в средней и 48 — во внутренней[8].