Винчестер
Современные винчестеры
Наиболее важным устройством для длительного хранения данных в персональном компьютере является накопитель на жестких магнитных дисках (Hard Disk Drive, HDD). В разговорной речи и технической литературе прижился термин винчестер, который оказался наиболее популярным.
Первые модели винчестеров, выпущенные в 1973 г., обладали техническими характеристиками, которые сегодня не подойдут даже для самого простого компьютера ни по объему данных, ни по габаритам, ни по скорости обмена данными. Заметим, их конструкция была очень проста, а используемые технологии магнитной записи мало отличались от тех, которые применялись в обычных магнитофонах. Современные же винчестеры после трех десятков лет развития технологии магнитной записи на жестких дисках представляют собой сложнейшую электромеханическую конструкцию, снабженную собственным процессором, предназначенным для интеллектуального управления процессом записи, чтения и хранения информации.
Фактически винчестер в современном персональном компьютере — это специализированный компьютер, предназначенный для хранения данных. Электроника винчестера сама определяет, какие данные в тот или иной момент могут потребоваться процессору. С помощью специальных программ постоянно контролируется состояние механических элементов винчестера, и при необходимости данные, которым угрожает случайное уничтожение, перезаписываются в другие места на магнитных дисках, а в случае появления предпосылок для катастрофического отказа механики винчестера программа защиты данных самостоятельно предупредит пользователя о необходимости замены винчестера.
Если говорить о потребительских характеристиках современных винчестеров, то объем хранимых на магнитных дисках данных теперь измеряется десятками и сотнями гигабайт, достигая в ряде серийных винчестеров 80 Гбайт на одну пластину. Серийно выпускаются винчестеры в 400 Гбайт. Возможность хранить такой огромный массив данных создает еще одну нишу для использования винчестеров — использование в видеомагнитофонах вместо традиционных кассет с магнитной лентой.
Габариты наиболее популярных серий винчестеров равны обычному приводу 3,5-дюймовых гибких магнитных дисков, но наметилась тенденция использования более малогабаритных форм-факторов (2,5 и 1 дюйма). Наиболее миниатюрные винчестеры выполняются в размерах флэш-карты типа Compact Flash, что позволяет использовать их, например, в цифровых фотоаппаратах.
Надежность хранения данных на магнитных дисках винчестера составляет фантастическую величину — примерно один отказ на 100 лет, т. е. винчестер является самым надежным устройством для хранения информации, превосходя по этому показателю лазерные компакт-диски (CD-R). Однако, как показала практика, в реальных условиях эксплуатации винчестер оказался весьма ненадежным хранилищем данных. Это связано с тем, что современный винчестер — устройство очень сложное, а конкуренция заставляет производителей торопиться. В итоге на рынок попадают еще "сырые" изделия, у которых в процессе эксплуатации выявляются слабые места. Особенно это касается сегмента рынка винчестеров, предназначенных для домашнего пользования (обычно покупка осуществляется по минимальной оценке "цена-емкость").
Конструкция винчестера
На рис. 6.1 показан внешний вид двух моделей современных винчестеров. Внутри металлического корпуса на оси электродвигателя расположено несколько дисков (рис. 6.2), изготовленных из алюминия (или стекла), на поверхности которых напылен ферромагнитный слой. Корпус винчестера может быть либо герметичным, либо иметь защищенное фильтром отверстие для наружного воздуха.
Большинство электронных компонентов управления винчестером размещается на печатной плате (рис. 6.3), которая крепится под корпусом. Обычно блок электроники не закрыт защитной крышкой, т. к. считается, что винчестер будет располагаться в корпусе компьютера. У ряда моделей винчестеров блок электроники закрыт стальной крышкой, которая дополнительно играет роль радиатора.
Рис. 6.1. Внешний вид винчестера: а — Quantum; б — Samsung
Рис. 6.2. Внутреннее устройство винчестера
Рис. 6.3. Контроллер винчестера
Для классификации винчестеров в ряде случаев применяют термин форм-фактор, имея в виду габаритные размеры. Правда, под этим термином разработчики могут подразумевать совершенно разные измерения, например, возможность установки в 3,5-дюймовый отсек компьютера, т. к. ранее был популярен 5,25-дюймовый форм-фактор; толщину винчестера, но чаще этот термин говорит о диаметре вращающихся пластин.
Объем данных
Если посчитать объем установленного в компьютере винчестера и сравнить его с паспортными данными на винчестер, то можно заметить, что куда-то пропадает довольно значительное дисковое пространство. Дело тут в том, что в паспортах на винчестер указываются два варианта объема винчестера — первый относится к неформатированному дисковому пространству (т. е. на диске не создана определенная структура для хранения данных), а второй — к форматированному. Например, на винчестер IBM объемом 80 Гбайт можно записать только 76,69 Гбайт пользовательских данных (файловая система FAT), а все остальное остается для служебных нужд.
Кроме того, в рекламных целях для единиц измерения объема дискового пространства используется несколько иное соотношение величин. Производители и продавцы винчестеров указывают объем своих изделий в десятичной системе счисления, когда 1000 Мбайт считается равным 1 Гбайт, хотя корректной является двоичная система, в которой 1 Кбайт — это 1024 байта, 1 Мбайт — это соответственно 1024 Кбайта и т. д.
Примечание
Для старых системных плат и BIOS при использовании современных винчестеров существуют три барьера — 8,4; 32 и 137,4 Гбайт, ограничивающих возможность использования винчестеров большего объема. Проблема лечится перешивкой BIOS, установкой новой операционной системы или использованием дополнительного контроллера IDE. Кроме того, при использовании старых винчестеров и операционных систем имеют место ограничения по объему дискового пространства, равные 528 Мбайт; 2,1; 3,2 и 4,2 Гбайт.
Крепление винчестера
Для крепления винчестера в корпусе компьютера используют либо 4 боковых отверстия с резьбой, либо аналогичные отверстия, но находящиеся на нижней части корпуса. При креплении винчестера необходимо применять укороченные винты, чтобы при их закручивании не задеть контактов на печатной плате контроллера или не вызвать ее смещение, т. к. одно или два боковых отверстия почти всегда находятся в плоскости крепления печатной платы.
Следует помнить, что винчестер должен устанавливаться в корпусе компьютера горизонтально или вертикально по любой плоскости.
Нежелательно эксплуатировать современный винчестер без жесткого крепления к корпусу компьютера, причем между алюминиевым корпусом винчестера и стальной стенкой отсека корпуса компьютера не должно быть изоляционных мягких прокладок. Не рекомендуется также крепить 3,5-дюймовый винчестер в 5,25-дюймовом отсеке с помощью тонких длинных винтов. В первую очередь такие требования возникают из-за того, что при резком перемещении работающего винчестера, пластины которого вращаются со скоростью 5, 7 или 10 тыс. об./мин, подшипники двигателя испытывают значительное воздействие сил гироскопического эффекта, что может привести к разрушению внутренних механических узлов, повреждению магнитных головок и поверхности дисков. Во-вторых, вибрация незакрепленного винчестера сильно влияет на точность работы сервомеханизма, который позиционирует головки, а это приводит к уменьшению скорости чтения/записи данных, а в крайних случаях и к потере данных. Кроме того, только за счет надежного крепления винчестера можно обеспечить приемлемый тепловой режим, т. к. корпус компьютера выполняет для винчестера роль радиатора. Также следует отметить, что современный винчестер оказался очень чувствительным к внешним вибрациям. Так, если на процессоре установлен некачественный (неотцентрованный) кулер, то его вибрация через корпус передается винчестеру. Вследствие повышенной вибрации подшипники шпиндельного двигателя и блока магнитных головок быстро выходят из строя, а сервомеханизм привода хуже отслеживает дорожки.
Временные параметры
Быстродействие винчестера — запись и чтение информации — зависит от множества факторов, определяемых как конструкцией винчестера и схемотехникой его контроллера, так и работой интерфейса передачи данных. Например, скорость доступа к информации зависит от геометрии дискового пространства — распределения секторов по дорожкам и сторонам дисков, т. к. винчестер — это механическое устройство, у которого движущиеся части обладают значительной инерцией. А поскольку пользовательские данные обычно разбиты на множество небольших кластеров, которые могут размещаться на диске произвольно, то чтение файла, части которого расположены на разных дорожках, занимает больше времени, чем когда все части файла находятся на одной дорожке или на одном и том же номере дорожки, но на разных сторонах диска. Это происходит потому, что для перемещения головки с одной дорожки на другую требуется значительное время, порядка единиц и десятков миллисекунд, а это весьма большое время для современного компьютера. Например, у средних винчестеров время перехода на соседнюю дорожку составляет около 1 мс, а в среднем (для случайного перехода на другую дорожку) — 8,5 мс.
При знакомстве с винчестерами полезно знать и понимать следующие термины:
r время доступа (access time) — время от начала операции чтения до момента, когда начинается чтение данных;
r время поиска (seek time) — время, которое необходимо для установки головок в нужную позицию (на дорожку, где будут производиться операции чтения/записи данных);
r среднее время поиска (average seek time) — усредненное время, требуемое для установки головок на случайно заданную дорожку;
r время поиска при переходе на соседнюю дорожку (track-to-track seek time) — время перехода головок с 1-ой дорожки на 2-ю и т. д.
На быстродействие винчестера оказывает сильное влияние и то, как размещены секторы на дорожках и соседних сторонах дисков. Если все секторы будут идти друг за другом и параллельно на каждой стороне диска, то скорость доступа к информации будет не слишком велика, т. к. электроника, которая считывает данные с диска, имеет ограниченное быстродействие. При этом в отличие от обычного магнитофона, данные на ферромагнитный диск записываются в закодированном виде, что позволяет повысить надежность хранения и уменьшить объем дискового пространства для хранения единиц информации. Соответственно, прочитав первый сектор, контроллер должен проверить достоверность считанной информации и лишь потом начать читать следующий сектор, но за это время под головкой будет не второй сектор, а какой-либо следующий. В этом случае приходится ждать, пока диск не сделает целый оборот, чтобы прочитать второй сектор. То же самое относится и к секторам на соседних плоскостях.
Для ускорения процесса чтения/записи используется буферизация данных, когда контроллер винчестера читает не один, нужный в данный момент сектор, а целую дорожку. Прочитанные данные сохраняются в буфере объемом в 2 Мбайт, а в некоторых типах винчестеров до 8 Мбайт. Таким образом, при новом запросе на чтение следующего сектора контроллер винчестера сначала проверит наличие нужных данных в буфере, не проводя реального чтения данных с поверхности магнитных дисков. Наиболее интеллектуальные контроллеры винчестера могут заранее загружать в буфер данные, используя механизм предсказания.
Принудительного охлаждения винчестер в большинстве случаев (для скоростей вращения дисков 5 и 7 тыс. об./мин) не требует, но для повышения
 |
надежности работы современных скоростных винчестеров желательно использовать дополнительный вентилятор, который должен обдувать плату контроллера и гермоблок. Для этого ряд фирм выпускает вентиляторы с экраном специальной формы (рис. 6.4), который может крепиться на корпусе винчестера, а также салазки с вентиляторами, предназначенные для установки в 5,25-дюймовый отсек.
Рис. 6.4. Устройство для охлаждения винчестера
Необходимость использования принудительного охлаждения диктуется тем, что нормальная работа винчестера гарантируется при температуре его корпуса не выше 50°С (и не ниже 0°С!). А в винчестере греются не только вращающиеся диски и двигатель, но и микросхемы управления, которые при непрерывном обращении к винчестеру нагреваются до температуры выше 80°С. Кроме того, частая причина выхода из строя винчестера заключается в том, что силовая микросхема управления двигателем перегревается и выходит из строя (иногда в таких случаях лопается даже пластмассовый корпус микросхемы). Когда же перегреваются вращающиеся диски, с них слетают микроскопические кусочки магнитного слоя, что приводит к появлению большого количества "плохих" секторов.
Примечание
Следует отметить, что проблема охлаждения винчестеров сложилась исторически. Современные корпуса, у которых за многие годы почти не изменилась конструкция, оказались непригодными для отвода тепла, выделяемого скоростным винчестером. Поэтому, если вы стали обладателем высокопроизводительного винчестера, установка дополнительного охлаждения на него становится обязательной.
Интерфейс IDE
Для подключения винчестеров в компьютерах используются несколько типов интерфейсов, но в персональных компьютерах до сих пор чаще применяется 16-разрядный параллельный интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), он же — AT-BUS, ATA (AT Attachment) и его модернизации Ultra ATA с различными тактовыми частотами.
Примечание
интерфейс SCSI (Small Computer System Interface) применяется, в основном, только в серверах, т. к. стоимость винчестеров с SCSI-интерфейсом почти в два раза выше, чем у винчестеров с IDE-интерфейсом. Наибольшего эффекта от применения интерфейса SCSI можно достигнуть только в многозадачных операционных системах, когда надо одновременно выполнять несколько "тяжелых" приложений или при массовых запросах к данным на устройствах хранения.
Спецификация IDE определяет, что на системной плате устанавливается контроллер IDE-интерфейса с двумя одинаковыми каналами, к каждому из которых можно подключить до 2 равноправных устройств. Таким образом, в персональном компьютере может одновременно работать до 4 винчестеров (или любых других устройств с IDE-интерфейсом, а также с интерфейсом ATAPI (ATA Package Interface), являющимся еще одной модернизацией интерфейса IDE). Заметим, что для увеличения количества подключаемых IDE-устройств можно использовать дополнительные платы IDE-контроллеров, устанавливаемые в слот PCI.
В последнее время на современных системных платах устанавливается только один разъем для IDE-интерфейса, что обусловлено переходом на использование более производительного последовательного интерфейса SATA (Serial ATA).
До скорости передачи данных в 33 Мбайт/с включительно для IDE-интерфейса применяется 40-жильный плоский кабель. При желании использовать стандарты Ultra ATA/66, Ultra ATA/100 и Ultra ATA/133 надо заменить 40-жильный кабель на 80-жильный (рис. 6.5).
Для интерфейса IDE используется кабель с 40-контактными разъемами (рис. 6.6) и длиной не более 46 см (18 дюймов). Практически всегда на нем установлено 3 разъема — один для подключения к системной плате и два для IDE-устройств.
Каких-либо перекруток проводов не используется!
 |
Следует обратить внимание, что на 80-жильном кабеле также устанавливаются 40-контактные разъемы, а дополнительные 40 проводников заземляются внутри разъема.
Рис. 6.6. Кабель интерфейса IDE
Интерфейс SATA
Интерфейс IDE за почти двадцатилетнюю историю практически не изменился, оставаясь укороченной версией системной шины IBM PC AT, и лишь периодически подвергался модернизации для увеличения скорости обмена между винчестером и системной платой. В настоящее время стал популярным новый тип интерфейса — последовательный Serial ATA или иначе SATA (уровни логических сигналов всего 0,5 В). Переход на последовательный интерфейс вызван, в первую очередь, проблемами с синхронизацией параллельных сигналов интерфейса, т. к. простейший протокол обмена через интерфейс IDE не обеспечивает надежную передачу данных на высоких тактовых частотах.
Последовательный интерфейс SATA положил конец всем тем проблемам, которые свойственны интерфейсу IDE. В первую очередь — это согласование производительности и разрядности шины PCI и накопителей на жестких магнитных дисках. Кроме того, внутреннее пространство в корпусе персонального компьютера кардинально освобождается от двух IDE-шлейфов, которые создают массу хлопот — их сложно подключать, т. к. приходится работать наощупь, а большие их габариты мешают нормальному охлаждению процессора и микросхем, установленных на системной плате, и т. п.
На рис. 6.7 показано, как подключаются устройства с последовательным интерфейсом SATA. Вместо громоздкого плоского кабеля с 80 проводниками используется тонкий коаксиальный провод длиною до 1 м, по которому данные передаются в виде отдельных битов с разницей в уровнях напряжения всего 0,5 В. Интересно, что, наконец, подвергся модификации разъем питания, в котором предложено использовать 5 линий (дополнительное напряжение 3,3 В предназначено для будущих устройств, которые, возможно, скоро появятся).
 |
Немаловажным достоинством интерфейса SATA является и то, что уменьшаются габариты разъемов. В совокупности со всем остальным это позволяет начать действительно реальный процесс сокращения габаритов системных блоков персональных компьютеров. Сравнение двух стандартов показано на рис. 6.8, а на рис. 6.9 приведены фотографии винчестеров со стороны интерфейсных разъемов.
Рис. 6.7. Подключение устройств с интерфейсом SATA
 |
Power Data
 |
Рис. 6.8. Сравнение стандартов IDE и SATA
Рис. 6.9. Винчестеры корпорации Hitachi с интерфейсом (гермоблок открыт): а — IDE; б — SATA
Обратите внимание, что "стандарт" SATA начал уже модернизироваться, соответственно, читайте документацию на системную плату и винчестер, если хотите получить максимальную производительность.
Поскольку стандарт SATA еще не слишком пока распространен (процесс распространения пошел, но инерция пользователей еще долго будет заставлять покупать традиционные винчестеры), то выпускаются винчестеры, у которых на корпусе дополнительно установлен традиционный разъем питания. В остальных случаях используют переходники. Назначение
 |
контактов информационного разъема SATA показано на рис. 6.10.
Рис. 6.10. Информационный разъем SATA на системной плате
Производители винчестеров
Разработка и производство современных винчестеров по технической сложности мало уступают процессоростроению. И там и тут борьба идет уже за доли микрон, а разработчикам приходится сталкиваться со сложными проблемами, среди которых надежность хранения данных, скорость записи/чтения, потребляемая энергия, проблемы совместимости разнородных материалов. Но разработчикам винчестеров, кроме всего прочего, приходится решать задачу совмещения мощного скоростного электромотора, вращающего металлический или стеклянный диск с записанными на нем данными, с высокоточной системой позиционирования магнитных головок, где существенную роль играют доли микрон. Причем изменение температуры окружающей среды всего на один градус меняет геометрические размеры элементов привода на величину, которая сравнима с размерами информационных дорожек.
Вначале, когда информационные объемы винчестеров составляли несколько сот мегабайт, в производстве винчестеров пробовали свои силы многие фирмы. Но развитие твердотельной электроники, когда в одну микросхему стало возможно запихнуть столько же данных, как и на жесткий диск, заставило производителей винчестеров вынужденно начать серьезную гонку за повышением плотности записи. Теперь современный винчестер может содержать сотни гигабайт данных, а по скорости работы вполне успешно соперничать с оперативной памятью старых компьютеров. И все это — следствие совершенствования технологии изготовления винчестеров, внедрения новых изобретений. Правда, такую технологическую гонку смогли выдержать не все фирмы, в итоге "на плаву" остались только крупнейшие производители, остальные были поглощены более удачными конкурентами или прекратили существование. Далее приведен список производителей винчестеров, которые держат рынок такой продукции не только в России, но и во всем мире:
r Western Digital Corporation (https://www.wdc.com);
r Maxtor (https://www.maxtor.com);
r Samsung (https://samsungelectronics.com);
r Seagate Technology (https://www.seagate.com);
r Toshiba (https://www.toshiba.com/);
r Hitachi (https://www.hitachi.com).
Следует также упомянуть о двух корпорациях, которые ранее выпустили очень много моделей винчестеров, но сейчас занимаются только узкоспециализированной продукцией (в данном случае в области винчестеров):
r Fujitsu Computer Products (https://www.fcpa.com);
r IBM (https://www.storage.ibm.com).
Сейчас очень трудно советовать, какой винчестер купить, т. к. каждая из перечисленных фирм в свое время "отличилась", отоварив своих покупателей непроверенной и "сырой" продукцией. Сначала, видимо, надо отметить компанию Fujitsu, которая за 2001—2002 гг. выпустила огромное число бракованных винчестеров. Компания Seagate, наиболее популярная в начале компьютерной эпохи в России, только в 2003 г. снова обрела признание пользователей, а сейчас ее продукция опять пользуется огромным успехом. Гигант IBM отметился тем, что винчестеры со стеклянными дисками оказались не такими надежными, как рекламировалось, т. к. оказались малопригодны для массового использования. Как выяснилось, игольчатые разъемы контроллера таких винчестеров расшатывались, и поэтому терялся электрический контакт. Компания Western Digital "отличилась" тем, что длительное время продавала восстановленные винчестеры, причем в России они выдавались за новые. Таким образом, у каждой фирмы оказался свой грех, как следствие желания получить прибыль любой ценой. Но, увы, электромеханические устройства не терпят суеты, соответственно, пользователи, наученные горьким опытом, вынужденно теперь страхуются от аварийных ситуаций, устанавливая второй винчестер или постоянно резервируя данные на различных внешних устройствах.
Далее приведены краткие сведения об основных производителях винчестеров, а в конце главы собраны основные данные о винчестерах, производимых в настоящее время.
Сравнение винчестеров
В таблицах, приведенных в этой главе, показаны сравнительные характеристики производящихся на данный момент винчестеров. В них сведены такие характеристики, как емкость накопителя, размер кэша, среднее время ожидания и поиска дорожки.
Следует напомнить, что технические данные получены путем тестирования собственной продукции самими же фирмами-производителями. А раз так, то следует понимать, что методики тестирования и квалификации у каждой компании свои, поэтому результаты испытаний изделий могут серьезно отличаться от тех, которые получаются у сторонних тестирующих организаций.
В частности, например, на винчестерах фирмы Maxtor емкость приведена не в гигабайтах, а "условных единицах", под которой подразумевают 1000 000 байт (напомним, что в 1 Кбайт — 1024 байт, в 1 Мбайт — 1024 Кбайт, и т. д.). Объем кэш-памяти винчестеров IBM и некоторых Hitachi указан, например, как 2 или 8 Мбайт, однако из этих мегабайт следует вычесть еще несколько сотен килобайт, отведенных процессором винчестера для микропрограммы (не следует забывать, что винчестер — это тоже маленький специализированный компьютер со своим процессором и оперативной памятью).
Еще больше вопросов оставляют результаты виброиспытаний. Следует помнить, что ударопрочность, особенно в рабочем режиме, зависит от того, в каком положении в какой момент произошел удар, а также в каком направлении пришелся удар. Ведь от того, какая операция выполнялась, двигались ли головки, у центра они были или нет и прочее, зависит виброустойчивость. В целом, в реальной эксплуатации, приходится больше полагаться на "везучесть" того или иного винчестера встретить и отразить конкретный "удар судьбы".
Даже такой параметр, как частота вращения, казалось бы, а тоже может быть неоднозначным. Мы все привыкли, что она может быть либо 5400 либо 7200 об./мин, а вот винчестер ST340015A, производства компании Seagate вращается с частотой 5800 об./мин.
Внешняя скорость передачи — это скорее даже не показатель скорости винчестера, а только его интерфейса. Все прекрасно понимают, что один и тот же винчестер, сменив традиционный параллельный интерфейс АТА на SATA, не получит прироста в скорости 50%. Максимум и то только в пиках, или при сильной фрагментации данных или команд, интерфейс SATA может дать только до 10% прибавки в производительности, но не в скорости работы.
Количество дисков или головок чтения/записи даже в моделях одной серии не говорит однозначно об объеме накопителя. Так, например, винчестеры WD600JD и WD400JD, производства фирмы Western Digital имеют одинаковое количество головок и являются представителями одной и той же серии, однако емкость отличается на 50%. Такая разница достигается умышленным изменением плотности записи на диск. Это может сказаться как на скорости чтения, так и на долговечности винчестера.
Но самыми хитрыми сравниваемыми параметрами следует считать среднее время ожидания, время доступа среднее и время доступа полное, т. к. именно здесь методика тестирования играет ключевую роль. Так, среднее время доступа можно посчитать, как среднее арифметическое из некоторого (очень большого) количества случайных выборок, а можно и как среднее статистическое. Следует отметить, что особенно три последних параметра следует сравнивать с наибольшей осторожностью.