Винчестер

Жесткий диск - один из важнейших компонентов компьютера, т.к. на нем хранятся все пользовательские программы и данные. Ясно, что скорость жесткого диска крайне важна для скорости всей системы: как бы ни был быстр Ваш процессор и память, однако если данные с диска поступают медленно, то процессору и памяти просто нечего обрабатывать. Кроме того, в случае выхода жесткого диска из строя все ваши программы и данные (стоимость которых может быть во много раз выше стоимости самого компьютера) навсегда теряются для Вас. Поэтому факторы скорости и надежности будут нами рассмотрены.

Физическое устройство жесткого диска
Основным компонентом жесткого диска являются одна или несколько пластин, выполненных из алюминия или стекла, покрытые магнитным слоем. Именно на этих пластинах и хранится вся информация, расположенная на жестком диске. Диски закреплены на общей оси и вращаются с достаточно большой скоростью. Кроме того, в корпусе жесткого диска имеется блок магнитных головок, которые осуществляют чтение и запись с поверхностей дисков. Строение диска можно видеть на прилагаемом рисунке. Все головки соединены вместе и не могут двигаться раздельно, поэтому запись и чтение производятся сразу со всех поверхностей всех дисков одновременно.


Диски и головки находятся на металлическом шасси, обеспечивающем жесткость все конструкции, и закрыты крышкой, предохраняющей поверхности дисков и головки от попадания пыли. Крайне важна надежная защита блока дисков и головок: дело в том, что при работе диска, при вращении пластин, создается мощный поток воздуха и магнитные головки при чтении-записи "парят" на поверхностями дисков не касаясь их, а зазор между дисками и головками составляет несколько микрометров! Разумеется, любая пылинка, попавшая в зазор между диском и головкой процарапает диск, сделав его участок непригодным для дальнейшего использования, кроме того, в худшем случае, возможна и поломка головки. Именно поэтому диски изготавливаются в сверх чистых помещениях и блок головок-дисков (называемый на жаргоне "банка") тщательно зарывается при изготовлении и не подлежит вскрытию пользователем.

"Банка" не содержит никакой электроники, она подключается к специальной плате, на которой находится необходимая диску управляющая электроника, и такая совокупность блока дисков-головок и называется "жесткий диск".

Давайте теперь выясним, какими параметрами можно описать производительность жесткого диска. Как и любой другой накопитель данных, жесткий диск характеризуется двумя основными параметрами скорости:

* Время, в течении которого можно получить доступ к необходимому участку диска. Это время включает в себя время, необходимое на поворот дисков таким образом, чтобы нужный участок диска оказался под магнитными головками, и время необходимое на подвод головок. Разумеется, чем меньше время доступа, тем производительнее жесткий диск.
* Скорость последовательного чтения-записи. После того, как доступ получен, производительность определяется тем, как быстро можно производить чтение или запись информации на диск.

Оба эти параметра характеризуют производительность диска. Можно ли считать, что какой - то из них важнее? Бывают ли случаи, когда один из этих параметров является определяющим, а второй менее важен?

Разумеется, оба параметра важны в среднем в равной мере, однако действительно существуют классы задач, когда один из параметров является определяющим. Например, производится запись живого видео на диск. Тогда доступ диску получают один раз, а затем производят последовательную запись на диск. Тогда, разумеется, гораздо важнее скорость записи, в то время как время доступа не является определяющим. И наоборот, производятся операции с множеством мелких файлов: тогда приходится постоянно получать доступ к различным участкам поверхности диска, в то время как скорость чтения отходит на второй план. Пример такой задачи: WEB-сервер. Он обслуживает множество клиентов, выдавая им случайно расположенные на диске мелкие файлы и время доступа в данной задаче является определяющим. Однако, в среднем, в универсальном компьютере, оба параметра скорости крайне важны и пренебрегать никаким из них не следует.

Определив, какими параметрами скорости описывается производительность жесткого диска, теперь давайте выясним, какие же физические факторы диска определяют его производительность.

По сути, таких важнейших факторов, влияющих на производительность жесткого диска два:

* Скорость вращения дисков. Разумеется, чем быстрее вращаются диски, тем быстрее можно получать доступ к диску, тем быстрее диски проходят под магнитными головками, следовательно, тем быстрее можно считывать-записывать данные.
* Плотность записи на диске. Чем плотнее записаны данные, тем больше данных в единицу времени проходит под магнитными головками, следовательно, тем быстрее можно считывать-записывать данные.

Эти два физических параметра диска в основном и определяют производительность устройства. Заметим, что увеличение скорость вращения дисков в банке влияет и на уменьшение времени доступа к диску, (так как тратится меньше времени на подвод нужной части диска к головке), и на увеличение скорости чтения-записи, так как данные быстрее проходят под головками. А увеличение плотности записи практически не уменьшает время доступа, в то время как ускоряет операции чтения записи снова из-за того, что данные быстрее проходят под головками.

Какие скорости вращения диском применяются сегодня, и как узнать из при покупке? На сегодняшний день используются жесткие диски с частотами оборотов 5400 и 7200 оборотов в минуту (RPM, Rotation Per Minutes). Еще недавно диски с оборотами 5400 были уделом домашнего РС, в то время как более производительные 7200 диски применялись в дорогих серверах. Сегодня 7200 RPM все увереннее становится стандартом для домашнего жесткого диска, в то время как 5400 постепенно становится стандартом для дешевых систем. А на рынке производительных систем уже повсеместно применяются диски с 10 000 оборотов в минуту, и, недавно, были представлены серийно производимые диски со скоростью вращения 15 000 оборотов в минуту. Такие диски сегодня совершенно не применяются в домашнем РС - их место - сервера среднего и высшего уровня.

Когда Вы приобретаете жесткий диск, в его документации, прайс-листе продавца, на нем самом обычно отображена скорость вращения дисков и Вы всегда можете выбрать, диск с какой скоростью вращения Вы желаете приобрести. Сегодня рекомендуется, если есть на то финансовые возможности приобретать диски с 7200 RPM.

Второй важнейший физический параметр, влияющий на скорость жесткого диска - поверхностная плотность записи. Иными словами этот параметр показывает, как много бит данных сконцентрировано на поверхности диска. Измеряется этот параметр, соответственно, в единицах информации, отнесенных к единицам площади. Производителями дисков принято измерять эту величину в Гигабитах на квадратный дюйм (Гбит/дюйм2), хотя эта величина, вероятно, для пользующихся метрической системной координат и не наглядна. Чем больше плотность записи, тем больше, как мы уже говорили, скорость чтения-записи с поверхности жесткого диска.

Как узнать это число при покупке диска? Это не просто. Дело в том, что производитель не приводит это число в документации на диск, не приводят его в прайсах и продавцы. Но, тем не менее, способ узнать плотность записи есть. Ведь если разобраться, то нас не интересует абстрактное число Гигабит, записанных на квадратном дюйме. Нас, вообще говоря, интересует любой параметр, описывающий плотность записи, и такой параметр найти проще. Так как все жесткие диски используют сегодня пластины одинакового размера, то на самом деле нам достаточно знать, сколько информации размещено в данном жестком диске на одной пластине, а так как объем жесткого диска, который Вас интересует Вы знаете, то осталось выяснить, сколько же пластин применено в интересующей Вас модели.

Такой информации, впрочем, Вам продавец диска тоже обычно не предоставит. Однако информацию о количестве пластин иногда можно почерпнуть из маркировки модели диска, впрочем это тоже справедливо далеко не всегда. Однако выход все же есть. Стоит только проанализировать, какого объема модели представлены в той серии, один из дисков которой Вы желаете приобрести. Например, вы желаете приобрести некоторую модель жесткого диска некоторой фирмы, Вас интересует диск, емкостью 20 Гбайт. Смотрим в прайс, и видим, что диски такой же серии бывают емкостью 10, 20, 30 и 40 Гбайт. Вы предполагаете, что емкость одной пластины 10 Гбайт, и диски соответственно содержат 1,2,3 и 4 пластины? Не спешите! На самом деле возможен и иной вариант: емкость одной пластины 20 Гбайт, первые два диска имеют одну пластину, вторые два - две пластины. Соответственно, диски емкостью 10 и 20 Гбайт используют не обе стороны имеющихся у них пластин: 10 Гбайтный диск имеет одну пластину и используется только одна ее сторона, 20 Гбайтный диск имеет пару пластин: одна используется с двух сторон, вторая - с одной стороны. Зачем - спросите Вы. Сегментация рынка - если пластины сегодня на 20 Гбайт, то что же, не выпускать теперь из-за этого диски меньшей емкости? Ну а экономическое обоснование состоит в том, что если одна из сторон не используется, то и головку для этой стороны ставить не нужно, а стоимость головок составляет большую часть стоимости всего жесткого диска.

Как же узнать, какова же емкость пластины в приведенном выше примере: 10 или 20 Гбайт? Можно принять во внимание и другие косвенные факты. Можно рассмотреть емкость предыдущих моделей этой же фирмы и исходить из того, что плотность записи на более новой модели безусловно выше, чем на старой. Можно рассмотреть аналогичные модели других фирм, и предположить, что плотность записи аналогичной по времени выхода и цене модели другой фирмы близка. В целом, пользуясь такими косвенными фактами вполне можно установить количество пластин Вашего диска, так как имеющиеся варианты различаются всегда вдвое, то догадаться обычно не сложон. Кроме того, если принять во внимание такой факт: современные диски имеют сегодня пластины емкостью 15-20 Гбайт, то вопросов уже не должно возникать: у современного рассмотренного нами диска емкость одной пластины именно 20, а не 10 Гбайт.

Стоит выбирать для покупки всегда модель самой последней серии некоторой фирмы - у нее плотность записи, а следовательно и скорость чтения-записи выше, чем у предыдущей модели. Более того, модель вчерашнего дня более именитой фирмы вполне вероятно окажется медленнее новой модели менее крутой фирмы, именно благодаря различной плотности записи.

Логическое строение диска
Давайте теперь разберемся с логической структурой диска. Естественно предположить, что минимальная единица записываемой информации - не бит, а гораздо более крупный блок данных. Действительно, если бы каждый бит записывался бы независимо, то необходимо было бы адресоваться к каждому биту на диске в отдельности. Так как бит на современном диске - сотни миллиардов, то пришлось бы адресоваться к огромному числу блоков данных на диске. А это - крайне не эффективно. Поэтому диск разбивают на гораздо более крупные логические части, нежели куски по одному биту.

Каким образом производят подобное разбиение? Каждый диск разбивается на дорожки (Track), концентрические кольца. Кроме того, диск разбивают на секторы, области пересечения секторов и дорожек называют блоками (block), в блоке хранится 512 байт полезной информации. Тогда количество блоков на одной пластине равно произведению количества секторов на количество дорожек. Как учесть тот факт, что диск состоит из некоторого количества пластин? На первый взгляд нужно умножить количество блоков на одной пластине на количество пластин. Однако, если подумать, то правильнее будет сказать, что количество блоков на одной пластине (точнее, на одной стороне!) нужно умножить на количество используемых сторон, а если вспомнить, что количество используемых сторон равно количеству магнитных головок (head) на диске, то получаем итоговую формулу для расчета количества блоков на диске: количество дорожек * количество секторов * количество головок. А емкость диска равна количеству блоков умноженному на объем одного блока, т.е. на 512 байт. Единственное замечание: так как магнитные головки жестко скреплены друг с другом, то запись производится на все дорожки всех сторон одновременно. Следовательно, вместо понятия "дорожка" следует ввести понятие, описывающее все равноудаленные от центра дорожки на всех сторонах всех пластин: совокупность таких дорожек по понятным соображениям называется цилиндром (cylinder).

Итого емкость диска = cylinder * sector * head * 512 byte.

Обращение к каждому блоку на диске (адресация блока) совершенно необходимое для работы с устройством осуществляется посредством задания номера цилиндра, сектора и головки для каждого блока. Т.е. по сути на диске вводится цилиндрическая система координат и каждый блок на диске имеет в этой системе координат свой собственный уникальный адрес, по которому контроллер жесткого диска находит необходимый блок. Такая адресация называется CHS (Cyl, Sect, Hd) или Normal.

Мы рассмотрели очень простую адресацию, на самом деле все гораздо сложнее, есть ряд причин, приводящих к тому, что так адресоваться к блокам на жестком диске нельзя.

Первая причина состоит в том, что идеальное разбиение диска на сектора приводит к тому, что блоки на внутренних цилиндрах будут иметь меньшую площадь, нежели блоки, расположенные на внешних цилиндрах. А так как объем информации в КАЖДОМ блоке одинаковый, то можно заметить, что полезная площадь диска используется неэффективно: внешние блоки занимают слишком большую площадь. Для того, чтобы избежать такого расточительного расходования дискового пространства, применяют зонное деление на сектора. Т.е. на внутренних цилиндрах сектора шире, а на внешних - более узкие, так, чтобы сделать более эффективным использование площади поверхности диска. Однако про такой диск уже нельзя сказать, что он имеет некоторое количество секторов - количество секторов зависит от цилиндра.

Следовательно, рассмотренная нами выше схема адресации уже не может соответствовать реальной геометрии жесткого диска. Для того, чтобы по-прежнему пользоваться введенной системой координат, нужен какой-то механизм ТРАНСЛЯЦИИИ, который смог бы преобразовать реальную геометрию жесткого диска в некоторую идеальную, в которой он имеет фиксированное количество секторов. В таком случае трансляция должна поддерживаться самим диском.

Обращения к диску в рамках описанной системы координат выполняет BIOS контроллера жесткого диска. В силу некоторых причин при написании первых BIOS для РС было зарезервировано явно недостаточное количество бит для хранения информации о цилиндрах, секторах и головках. Первые BIOS поддерживали обращение лишь к 1024 цилиндров, 64 секторам и 16 головкам. Простейший расчет показывает, что в таком случае BIOS может обращаться только к 512 Мбайт жесткого диска! Вот она цена непродуманности. Впрочем такой непродуманности в РС достаточно много, вспомним хотя бы проблему 2000-го года: пожалели зарезервировать лишние 2 байта для хранения информации о годе.

Разумеется, сегодня совершенно никуда не годится поддержка дисков емкостью только 512 Мбайт. Для того, чтобы решить эту проблему следует добавить еще некоторое количество бит для хранения информации о цилиндрах и секторах. Однако это не так просто: необходимые области памяти зарезервированы под другие нужды. Выход тем не менее удалось найти: оказалось возможным добавить некоторое количество бит под хранение информации о головках: BIOS получил возможность обращаться к 256 головкам. Но, естественно, такого количества головок у реального диска быть не может :). Однако, если геометрия жесткого диска и так не соответствует реальной, то какая уже разница, как производить трансляцию - лишь бы она позволяла обратиться к большему количеству блоков на диске. Для того, чтобы использовать большее поддерживаемое количество головок, был разработан метод трансляции, названный LBA - логическая блочная адресация. При такой адресации реальная геометрия диска с большим количеством цилиндров и секторов, заменяется виртуальной, при которой полагается, что у диска меньше цилиндров, но больше головок. Естественно, такая адресация не соответствует реальной геометрии, впрочем в этом и нет острой необходимости, главное, что теперь можно в рамках рассмотренной системы координат обратится к большему количеству блоков. Фактически необходим способ перенумеровать блоки для того, чтобы к ним обращаться, и трансляция LBA призвана решить эту проблему. Для того, чтобы трансляция LBA работала, и диск и BIOS контроллера должны ее поддерживать. Так как количество поддерживаемых головок увеличилось в 16 раз, то и максимальный объем диска, поддерживаемый новой трансляцией стал в 16 раз больше: примерно 8,3 Гбайт. С одной стороны это большой шаг вперед относительно CSH, с другой сторон и такого объема сегодня мало. Но дальнейшее увеличение количества цилиндров, головок и секторов невозможно: дальнейшее обращение к жесткому диску в режиме LBA уже не поддерживает сам BIOS. Но тем не менее выход есть: обращение к цилиндрам, старше 1024 обеспечивают средствами самих операционных систем.

Основной вывод: сегодня применяется только трансляция LBA, а когда объем диска выход за рамки допустимых 8,3 Гбайт, то обращение к остальным цилиндрам производится самой операционной системой. Когда Вы встретитесь с некоторыми диагностическими утилитами для работы с жесткими дисками, Вы обнаружите, что те утилиты, которые работают через BIOS "видят" только 8,3 Гбайт Вашего жесткого диска, а те утилиты, которые работают напрямую с оборудованием, нормально обращаются ко всему объему жесткого диска.

Деление жесткого диска на логические части
Предположим у Вас есть жесткий диск некоторого объема, положим, 20 Гбайт. Всегда ли Вам удобно пользоваться им, как единым хранилищем папок и файлов? Нередко возникает необходимость разделить диск на некоторые независимые логические части и пользоваться этими логическими частями как самостоятельными хранилищами информации. Говорят о разбиении жесткого диска на разделы (partition). Каждому разделу будет присвоена некоторая буква диска, начиная с С:, на каждом таком разделе можно независимо хранить файлы и папки.

На каждом жестком диске может существовать до 4 так называемых первичных (primary) разделов, на каждом таком разделе можно хранить файлы и папки. А как поступить, если Вам необходимо разделить диск на большее количество логических частей? Тогда следует на диске создать так называемый дополнительный (расширенный, extended) раздел. Такой дополнительный раздел на диске может быть только один, и при этом он может существовать только вместо одного из первичных разделов, т.е. при применении расширенного раздела первичных может быть максимум три. В чем же тогда преимущество использования расширенного раздела? Дело в том, что в расширенном разделе не хранят файлы и папки, так хранят логические диски!, и таких логических дисков в расширенном разделе может быть много, ограничение на их количество: сумма первичных разделов и логических дисков в расширенном разделе не должна превышать 32. Итого, если Вам необходимо четыре или менее раздела, Вы можете создать на вашем диске соответствующее количество первичных разделов, если же Вам нужно больше разделов, то можно создать три первичных, дополнительный, а в нем выделить необходимое количество логических дисков. Но так обычно не поступают. Дело в том, что больше одного первичного раздела на одном жестком диске не поддерживается многими операционными системами. Поэтому деление жесткого диска на разделы обычно производят следующим образом: выделяют один первичный раздел, остальное место отводят под дополнительный раздел, который в свою очередь делят на необходимое количество логических дисков.



Кроме того, помимо разделения жесткого диска на разделы, возникает необходимость еще назначить один из разделов активным: только с активного раздела можно загрузить операционную систему и стартовать компьютер. Активным может быть только первичный раздел.

После разбиения на разделы, на получившихся разделах еще нельзя хранить данные. Можно привести следующую аналогию: у Вас есть огород, и вы разграничили его на грядки (разделы), на одной из который посадите огурцы, на другой помидоры и т.д. (будете хранить разные данные). Но перед тем как сажать растения (записывать данные), огород следует вскопать. В рамках же терминологии жесткого диска - раздел следует отформатировать. Форматирование раздела - подготовка его к хранению файлов и папок, форматирование раздела происходит с помощью некоторой файловой системы - договоренности о методах хранения информации на разделах.