Винчестер состоит из одного или нескольких алюминиевых или стеклянных дисков - пластин, расположенных друг под другом. Каждый диск состоит из двух поверхностей (см рис.6). Обе поверхности диска покрыты магнитным слоем.
Рис. 6. Винчестер с четырьмя дисками
Первые диски были 50 см в диаметре, сейчас их диаметр составляет от 3 до 12 см, а у портативных компьютеров — меньше 3 см, причем этот параметр продолжает уменьшаться. Головка винчестера, содержащая индукционную катушку, двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку.
Ось, проходящая через центр всех дисков называется шпинделем. У всех винчестеров есть кронштейны. На кронштейнах расположены магнитные головки. Кронштейны скреплены таким образом, что одновременно могут перемещать магнитные головки на разные (но для всех головок одинаковые) расстояния от шпинделя.
На разных расстояниях от шпинделя записываются разные дорожки. Таким образом, дорожки представляют собой ряд концентрических кругов, расположенных вокруг шпинделя. Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее перемещения. На сегодняшний момент диски имеют более 10000 дорожек на см, ширина каждой дорожки составляет от 5 до 10 микрон (1микрон=1/1000 мм). Следует отметить, что дорожка — это не углубление на поверхности диска, а просто кольцо намагниченного материала, которое отделяется от других дорожек небольшими пограничными областями.
Когда через головку проходит положительный или отрицательный ток, он намагничивает поверхность под головкой. При этом магнитные частицы намагничиваются направо или налево в зависимости от полярности тока (то есть от направления тока). Когда головка проходит над намагниченной областью, в ней (в головке) возникает положительный или отрицательный ток, что дает возможность считывать записанные ранее биты. Поскольку диск вращается под головкой, то поток битов может записываться, а потом считываться. Конфигурация дорожки диска показана на рис.7.
Рис. 7. Модель дорожки диска (два сектора)
РИС.1 – ВИД СВЕРХУ
Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины. Каждый сектор обычно содержит 512 байтов (4096 битов) данных. Перед данными располагается преамбула (preamble), которая позволяет головке синхронизироваться перед чтением или записью, то есть дать команду электронной схеме винчестера о том, что головка приблизилась к следующему сектору. После данных идет код с исправлением ошибок (код Хэмминга или чаще код Рида—Соломона, который может исправлять много ошибок, а не только одиночные). Между соседними секторами находится межсекторный интервал. Многие производители указывают размер неформатированного диска, без учета того, что часть места на диске будет при форматировании отведена под преамбулы, коды с исправлением ошибок и межсекторные интервалы. Емкость форматированного винчестера обычно на 15% меньше емкости неформатированного.
Плотность записи битов на концентрических дорожках различная, в зависимости от расстояния от центра диска. Плотность записи зависит главным образом от качества поверхности диска и чистоты воздуха (отсутствие в воздухе пыли, грязи, то есть частиц, которые могут препятствовать намагничиванию поверхности диска). Плотность (линейная плотность) записи современных дисков разнится от 50 000 до 100 000 бит/см. Чтобы достичь высокого качества поверхности и достаточной чистоты воздуха, диски герметично запечатываются, что защищает их от попадания грязи.
Совокупность дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром.
Впервые винчестеры были выпущены фирмой IBM.
Производительность винчестера (скорость чтения / записи данных=скорость передачи информации) зависит от многих факторов:
· времени поиска дорожки;
· времени ожидания сектора;
· время передачи одного сектора;
· времени обработки вспомогательных (служебных – преамбулы, коды исправления ошибок) данных;
· времени рекалибровки механизмов перемещения головок.
Для того, чтобы начать передачу информации, содержащуюся в секторе, надо, во-первых, найти дорожку (track), во-вторых, найти на ней сам сектор.
Среднее время перемещения между двумя последовательными дорожками занимает около 1 мс, а между произвольными дорожками составляет от 5 до 15 мс (миллисекунд, 1 мс=10-3с). Когда головка помещается на нужную дорожку, выжидается некоторое время (оно называется временем ожидания сектора), пока нужный сектор не оказывается под головкой. Большинство дисков вращаются со скоростью 3600, 5400 или 7200 оборотов в минуту. Таким образом, среднее время ожидания сектора составляет от 4 до 8 мс (1 мин=60 сек, 1 оборот диска выполняется за 60:7200=0,008(3) секунды, следовательно, пол-оборота выполняется примерно за 0,004 секунды = 4 миллисекунды). Существуют также диски со скоростью вращения 10800 оборотов в минуту (180 оборотов в секунду).
Время передачи одного сектора (=время передачи информации, содержащейся в одном секторе) зависит от плотности записи и скорости вращения. Оно составляет от 25 до 100 мкс (микросекунд, 1 мкс=10-6с).
Таким образом, время передачи информации в большей степени определяется временем поиска дорожки и временем ожидания сектора, так как время передачи сектора значительно меньше их.
Из сказанного следует, что организация работы с винчестером, в ходе которой происходит считывание информации из разных его частей, является неэффективной. На считывание файла, который физически разбит на блоки, расположенные в разных частях диска, уйдет гораздо больше времени, по сравнению с ситуацией, если бы это файл был сохранен в последовательных секторах на соседних дорожках. Для исправления таких ситуаций, когда файл разбит на “непоследовательные” блоки (файл фрагментирован) служат специальные программы для дефрагментации винчестера). Для увеличения быстродействия работы ЭВМ, пользователь может установить в операционной системе своей ЭВМ программу для дефрагментации (либо эта программа уже есть в составе операционной системы). Эта программа после анализа состояния информации на винчестере выдает пользователю сообщение о том, какая часть файлов фрагментирована. В соответствии с этим пользователь сам решает стоит ли дефрагментироватьь винчестер.
Поскольку диски вращаются со скоростью от 60 до 120 оборотов в секунду, они нагреваются и расширяются, то есть изменяются физические размеры дисков. В результате винчестер должен периодически совершать рекалибровку механизмов перемещения, чтобы компенсировать эти расширения. Поэтому мощность привода, перемещающего кронштейн, периодически меняется. При таких рекалибровках могут возникать трудности с использованием прикладных программ мультимедиа, которые ожидают более или менее непрерывного потока битов. Для работы с прикладными программами мультимедиа некоторые производители выпускают специальные аудио-видеовинчестеры, которые не совершают термических рекалибровок (такие винчестеры приобретаются студиями звукозаписи, телевизионными компаниями для выполнения аудио- и видеомонтажных работ с использованием ЭВМ). Иногда на винчестеры устанавливают специальные системы охлаждения – кулеры (вентиляторы).
Как известно, длина окружности вычисляется по формуле 2·π·r. Следовательно, длина внешних дорожек больше, чем длина внутренних. Изначально производители винчестеров размещали на каждой из дорожек одинаковое количество секторов. Каждый сектор любой из дорожек содержал 512 байтов данных. Значит, чем ближе к центру диска находится дорожка, тем выше плотность записи информации на каждом секторе, то есть больше плотность записи информации на дорожке. А магнитный слой, который наносился на поверхности дисков, изготавливался с учетом максимальной плотности записи. Тем самым перед производителями винчестеров встала задача эффективного использования поверхности дисков в области внешних дорожек.
В настоящее время используется другая стратегия. Цилиндры делятся на зоны (на винчестере их обычно от 10 до 30). Для каждой зоны (группы дорожек на каждом диске) определяется количество секторов, которые могут быть на ней записаны. При продвижении от центра диска число секторов на дорожке в каждой зоне возрастает. Это изменение усложняет процедуру хранения информации на дорожке, но зато повышает емкость диска, что считается более важным. Все секторы при этом имеют одинаковый размер.
С винчестером связан так называемый контроллер — микросхема, которая управляет винчестером. В задачи контроллера входит получение от программного обеспечения таких команд, как READ, WRITE и FORMAT (то есть запись всех преамбул), управление перемещением кронштейна, обнаружение и исправление ошибок согласно коду исправления, преобразование байтов, считываемых из памяти, в непрерывный поток битов и наоборот. Некоторые контроллеры производят кэширование совокупности секторов для дальнейшего потенциального использования (то есть для увеличения быстродействия обмена данными между ОП и винчестером группу секторов считывают в память контроллера, а затем передают уже эти данные из памяти контроллера в ОП). Кроме того, контроллеры устраняют поврежденные секторы. Необходимость этой функции вызвана наличием секторов с поврежденным, то есть постоянно намагниченным, участком. Когда контроллер обнаруживает поврежденный сектор, он заменяет его одним из свободных секторов, которые выделяются специально для этой цели в каждом цилиндре или зоне.