6.2.8. Надежность

Фирмы- производители жёстких дисков обязательно проверяют надёжность своей продукции. Из партии в несколько тысяч штук выбирают несколько экземпляров и тестируют на длительность непрерывной работы (MTBF, Mean Time Between Failure- наработка на отказ) и количество циклов включения/выключения. У современных жёстких дисков средняя длительность непрерывной работы составляет 1- 1.4 млн. часов, а количество циклов- 30- 50 тыс.

6.3. Интерфейсы жёстких дисков

Под интерфейсом жёсткого диска понимается стандарт, по которому работает контроллер жёсткого диска, это предполагает определённый способ хранения информации на диске, взаимодействие компьютера с жёстким диском и порядок передачи данных. В настоящее время на персональных используются и конкурируют интерфейсы трёх разновидностей - ATA (IDE), SCSI и Serial ATA (SATA).

ATA (IDE)

После того, как IBM выпустила персональный компьютер AT-286, компании Compaq, Western Digital и Imprimus в 1989 году объединили усилия для разработки для разработки жёсткого диска, у которого контроллер буде встроен непосредственно в электронику самого диска. В результате цена жёсткого диска немного возрастала, но стоимость всей дисковой подсистемы (жёсткий диск плюс контроллер) заметно снижалась, к тому же за счёт минимального удаления контроллера от диска повышалось быстродействие дисковой системы. Жёсткий диск нового стандарта подключается к материнской плате с помощью специального плоского ленточного кабеля (шлейфа) длиной до 46 см, имеющего 40 проводников и представляющего собой упрощённый вариант 16-разрядной шины ISA. Шлейф подключается либо в специальный разъём на системной плате, либо с помощью специальной платы-адаптера – к разъёму системной шины (ISA, VESA, PCI). Новый интерфейс получил название ATA (AT Attachment). Однако, разные производители жёстких дисков изготавливали несовместимые друг с другом диски с интерфейсом ATA, поэтому в 1994 году был утверждён стандарт "ATA". Стандартный интерфейс ATA имел следующие возможности:

• Поддержка 2-х устройств, подключаемых к одному каналу ввода-вывода (0- Master, 1- Slave). Этими устройствами могли быть только жёсткие диски.

• Максимальный объём жёсткого диска- 528 Мб.

• Максимальная скорость передачи данных- до 8.3 Мб/с (при этом реальная скорость заметно ниже- примерно 4 Мб/с).

Со временем стандарт ATA перестал удовлетворять возросшим требованиям и в 1996 году был утверждён новый стандарт ATA-2. Возможности ATA-2:

• Два канала ввода-вывода, к каждому можно подключать до 2-х устройств.

• Объём диска до 8.4 Гбайт;

• Максимальная скорость передачи данных- до 16 Мб/с;

• Использование логической адресации блоков (LBA), при которой компьютер оперирует конфигурацией диска (количество головок, дорожек, секторов), отличающейся от реальной, что позволяет работать с дисками большего объёма.

В дальнейшем был разработан стандарт ATAPI, позволяющий напрямую подключать к каналам ввода-вывода ATA другие устройства, отличные от жёстких дисков (CD-ROM, стримеры, ZIP-накопители), и при этом не требовались дополнительные контроллеры, как раньше. ATAPI- устройства можно подключать на один шлейф с жёстким диском без опасения снижения скорости передачи данных. Кроме того, ATAPI предусматривает поддержку жёстким диском технологии S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology)- технологии самонаблюдения и проверки производительности с предупреждением пользователя о приближающемся отказе устройства.

Следующим шагом в развитии интерфейса ATA явился стандарт ATA/ATAPI-4, он же Ultra ATA, Ultra DMA-33, ATA-33. Этот стандарт совместим с предыдущими, и кроме того обеспечивает передачу данных между контроллером жёсткого диска и компьютером со скоростью 33.3 Мб/с. Далее появился стандарт ATA/ATAPI-5, известный также как Ultra DMA/66 с пропускной способностью 66 Мб/с. Для поддержки этого стандарта необходимо установить соответствующий драйвер и использовать кабель-шлейф с большим числом проводников (80 вместо обычных сорока), в котором дополнительные провода не передают информацию – это экранирующие жилы, обеспечивающие стабильность работы дисковой системы. При подключении к диску обычного 40-жильного кабеля устройство будет работать как U-DMA-33.

В 2000 году начался выпуск жёстких дисков с интерфейсом ATA/ATAPI-6 (UDMA/100). Новый интерфейс позволяет подключать к контроллеру устройства, рассчитанные как на работу с U-DMA-66, так и с U-DMA-33 (HDD, CD-ROM, DVD-ROM, CD-RW, ZIP и др.), при этом при подключении на один шлейф двух разноскоростных устройства будут работать в режиме самого медленного. Например, при подключении на один шлейф привода CD-ROM с U-DMA-33 и жёсткого диска c U-DMA-100 оба будут функционировать в режиме U-DMA-33. Для современных ATA-дисков, рассчитанных на работу по интерфейсу U-DMA-100, подключение к контроллеру U-DMA-33 ведёт к снижению производительности на 40- 50% . Между тем, фигурирующая в названиях интерфейсов ATA пропускная способность интерфейса должна превышать максимальную скорость чтения жёсткого диска в 1.5- 2 раза, особенно при подключении одновременно нескольких устройств.

Последним достижением в развитии интерфейса ATA стал стандарт U-DMA-133. В настоящее время устройства, рассчитанные на этот интерфейс, выпускает только компании Samsung, Maxtor и поглощённая ею Quantum. Другие производители жёстких дисков воздерживаются от перехода на этот стандарт, полагая, что максимальная скорость чтения современных жёстких дисков находится в пределах верхней границы пропускной способности интерфейса U-DMA-66 и в настоящий момент вполне достаточен стандарт U-DMA-100, который ещё способен конкурировать с современным стандартом Serial ATA, который сменяет устаревший ATA.

Помимо стандартных интерфейсов ATA (IDE), различные компании предлагали множество своих названий для интерфейсов производимых ими жёстких дисков, эти интерфейсы базируются а стандарте ATA-2 и являются не более чем маркетинговыми названиями: Fast ATA, Enhanced IDE (E-IDE) и т.д. Надо заметить, что часто встречающаяся спецификация E-IDE включает в себя ATA-2, ATAPI и поддержку одновременно 4-х ATA/ATAPI- устройств. В этом нет ничего особенного, поскольку является рядовым случаем для большинства жёстких дисков с интерфейсом ATA.

Serial ATA

В конце 2002 года началось использование на персональных компьютерах жёстких дисков с новым интерфейсом- Serial ATA. В отличии от старого ATA, этот интерфейс не параллельный, а последовательный. Кабель Serial ATA подключаются к компактным семиконтактным разъемам, имеет ширину примерно 8 мм и толщину около 2 мм. Внутри кабеля Serial ATA находятся 2 пары сигнальных проводов (одна пара на прием, другая - на передачу), отделенных тремя проводами заземления. Длина кабеля- до 1 м. Благодаря малой ширине кабеля улучшается циркуляция воздуха внутри системного блока, что способствует отводу тепла. Шлейф имеет всего два разъема, то есть допускает подключение к плате всего одного устройства (от HDD до FDD, DVD-RW и др.). Допускается подключение разъема "вверх ногами", поскольку нет никакой разницы, как именно разъем будет вставлен в материнскую плату и жёсткий диск. Исчезло деление устройств на ведущий и ведомый (Master и Slave), все они  главные, просто подключены к разным портам с точки зрения операционной системы. Интерфейс Serial АТА допускает возможность "горячего" подключения устройств, без выключения компьютера. Еще одно преимущество Serial ATA – более значительная полоса пропускания, чем у Parallel ATA (обычного ATA). Первая версия интерфейса Serial ATA (1.0) обладает пропускной способностью до 1,5 Гбит/с (это около 150 Мбайт/с для полезных данных против 100-130 Мбайт/с у параллельного интерфейса). Вторая, современная версия интерфейса Serial ATA (SATA II) обладает пропускной способностью до 3 Гбит/с.

SCSI

Этот интерфейс был разработан в 1979 году, стандартизирован в 1986, сейчас широко используется наряду с интерфейсом ATA и SATA. Первая версия интерфейса SCSI позволяла подключать до 7 устройств к одному контроллеру, причём эти устройства могли быть разного типа (жёсткие диски, стримеры, CD-ROM). Контроллер SCSI не крепится на диске, как у ATA, а представлен отдельной печатной платой, вставляемой в разъём на материнской плате. Контроллер SCSI имеет встроенный процессор, благодаря чему может одновременно работать с несколькими устройствами, не загружая центральный процессор компьютера низкоуровневыми операциями, но для этого на компьютере должна быть установлена многозадачная операционная система, например Windows.

За годы существования SCSI было разработано несколько его стандартов. Первый стандарт интерфейса SCSI-1 поддерживал 8-разрядную шину, работающую на частоте 5 МГц, максимальная скорость передачи данных составляла 5 Мб/с. Длина кабеля- до 6 м.

В 1992 году был разработан стандарт SCSI-2, предусматривавший возможность использования как традиционной 8-разрядной шины, так и более широкой шины данных – 16 бит и работавший на частоте как 5, так и 10 МГц. К контроллеру SCSI-2 можно подключать также принтеры, сканеры и сетевые адаптеры. Стандарт SCSI-2 предусматривает различные режимы: Wide SCSI, Fast SCSI и Fast-and-Wide SCSI. Контроллеры SCSI-2, поддерживающие ширину шины 16 бит, имеют в названии приставку "Wide", а работающие на частоте 10 МГц- приставку "Fast".

 Характеристики интерфейса SCSI-2

Таблица 6.2.

Название интерфейса	Ширина шины, бит	Количество подключаемых устройств	Мак.длина кабеля, м	Тактовая частота шины	Пропускная способность, Мб/с
Fast SCSI-2	8	7	3	10	10
Wide SCSI-2	16	15	3	5	10
Fast and Wide SCSI-2	16	15	3	10	20

 Стандарт SCSI-3 не был утверждён, но на его основе разработаны несколько усовершенствований интерфейса SCSI.

Интерфейс Ultra 160 SCSI использует удвоение частоты синхронизации при передаче данных. Это технология "double-transition clocking (DTC)", суть которой заключается в использовании для синхронизации обоих фронтов тактового сигнала вместо одного, позволила повысить максимальную скорость передачи данных до 160 Мбайт/с. Этот прием широко применяется и хорошо зарекомендовал себя в таких технологиях, как AGP, Quad Pumped Bus и DDR- память. Удвоение частоты выборки данных при сохранение тактовой частоты шины позволяет использовать те же кабели, разъемы, терминаторы и другое оборудование, что и в устройствах с интерфейсом Ultra2 SCSI, обеспечивая при этом обратную совместимость и менее затратный переход на новую версию интерфейса. Ultra 320 SCSI - это следующий шаг в развитии интерфейса SCSI, который вдвое увеличивает пропускную способность шины данных за счет увеличения тактовой частоты с 40 МГц до 80 МГц по сравнению с предшествующим стандартом (Ultra 160).

 Современные разновидности интерфейса SCSI

Таблица 6.3. 

Название интерфейса	Ширина шины, бит	Количество подключаемых устройств	Мак.длина кабеля, м	Тактовая частота шины	Пропускная способность, Мб/с
Ultra SCSI-2	8	7	1.5	20	20
Ultra-Wide SCSI-2	16	15	1.5	20	40
Ultra2 Wide SCSI	16	15	12	40	80
Ultra3 SCSI (Ultra 160 SCSI), подключается к PCI	16	15	12	40	160
Ultra 320 SCSI, подключается к шине PCI-X 133	16	15	12	80	320

 Жесткие диски SCSI традиционно имеют лучшие характеристики по сравнению с ATA- устройствами (скорость вращения, время доступа, объём кэша), но на персональных компьютерах жёсткие диски с интерфейсом SCSI применяются редко, ввиду дороговизны. Разница в стоимости единицы объема больших ATA- и SCSI-дисков более чем шестикратна, и такое соотношение вполне оправдано. Дорогие диски с интерфейсом SCSI предназначены прежде всего для корпоративных информационных систем и обычно имеют более высокие показатели быстродействия при обработке большого количества запросов. В них используются более надежные компоненты и их лучше тестируют. Использование SCSI- дисков на персональных компьютерах оправдано при монтаже видео или работе с трёхмерной графикой. Материнские платы с интегрированными SCSI- контроллерами не производятся, а быстродействие отдельного PCI-SCSI контроллера ограничивается пропускной способностью шины PCI (132 Мб/с), что ощутимо для современных устройств, поддерживающих стандарт Ultra 160 SCSI. Более производительные внешние контроллеры Ultra 320 SCSI выпускаются лишь для шины PCI-X 133, применяемой не на персональных компьютерах, а на серверах.

Интерфейс ATA практически не уступает SCSI при работе в однозадачной операционной системе (MS-DOS). В многозадачной системе (Windows) проявляются "интеллектуальные способности" архитектуры SCSI, поскольку каждый SCSI- контроллер работает независимо от центрального процессора и компьютер может подавать команды сразу всем жестким дискам. В дисковых системах с интерфейсом АТА контроллеры не могут работать одновременно с несколькими устройствами в полной мере. Контроллеры АТА с двумя жесткими дисками работают "через раз", т.е. в конкретный момент времени активен только один жесткий диск.

Жёсткие диски с интерфейсом ATA и SATA не рассчитаны на длительную эксплуатацию в режиме максимальной нагрузки. Эти сравнительно недорогие диски ориентированы в большей степени на домашние и офисные машины, где их нагрузка непостоянна и редко достигает миаксимального уровня. Для систем, на которые ложится интенсивная работа, рекомендуется подбирать диски с интерфейсом SCSI.