2. Накопители на магнитных дисках (мд)

В НМД предусмотрена аналогичная НМЛ возможность последовательного доступа к информации. Накопитель на магнитных дисках сочетает в себе несколько устройств последовательного до­ступа, причем сокращение времени поиска данных обеспечивается за счет независимости доступа к записи от ее расположения относи­тельно других записей.

Технология НМД

Конструкция НМД сложнее, чем у НМЛ, а, следовательно, выше их стоимость. В НМД в качестве носителей данных используется пакет магнитных дисков (или плоттеров), закрепленных на одном стержне, вокруг которого они вращаются с постоянной скоростью. Поверхность магнитного диска, покрытая ферромагнитным слоем, называется рабочей.

Первые подобные устройства (рис. 3.9, а) были оборудованы сменными пакетами МД. Вставленные в кожух с герметически закрывающимся поддоном, они образовывали компактные единицы хранения, именуемые томами. Наиболее распространенными емко­стями томов были 7, 25, 29, 100 Мбайт. Оператор ставил пакет на шпиндель устройства, снимал кожух (при этом пакет автоматически фиксировался на шпинделе) и включал двигатели раскрутки пакета. После достижения определенной скорости вращения осуществляет­ся ввод в пространство между дисками пакета блока магнитных го­ловок («гребенки»). Принцип размещения головок - плавающий, поскольку они удерживаются на необходимом расстоянии от по­верхности диска расходящимися потоками воздуха, возникающими при вращении пакета. В дальнейшем в основном применялись или полноконтактные головки (гибкие диски), или механически фикси­руемые в вакууме на определенном расстоянии от поверхности («винчестер»). Попытки использовать жидкие среды (различные масла) для обеспечения необходимого размещения головок успеха не имели.

Количество магнитных головок равно числу рабочих поверхно­стей на одном пакете дисков (рис. 3.10, а). Если пакет состоит из 11 дисков, то механизм доступа состоит из 10 держателей с двумя магнитными головками на каждом из них. Совокупность дорожек, к которым имеется доступ при фиксированном положении блока, на­зывается цилиндром. Держатели магнитных головок объединены в единый блок таким образом, чтобы обеспечить их синхронное пере­мещение вдоль всех цилиндров. Фиксируя блок механизма доступа на каком-либо из цилиндров, можно сделать переход с одной до­рожки на другую данного цилиндра путем электронного переключе­ния головок.

Любая операция чтения (записи) информации с (на) магнитного диска состоит из трех этапов. На первом этапе происходит механи­ческий подвод магнитной головки к дорожке, содержащей требуе­мые данные. На втором этапе обеспечивается ожидание момента, пока требуемая запись не окажется в зоне магнитной головки. На третьем этапе осуществляется собственно процесс обмена информацией между вычислительной машиной и магнитным диском. Таким образом, общее время, затрачиваемое на операцию записи-считыва­ния, состоит из суммы времен поиска соответствующей дорожки, ожидания подвода записи (так называемое время ротационного за­паздывания) и обмена с ЭВМ. Максимальное значение времени ро­тационного запаздывания равно времени, за которое совершается полный оборот магнитного диска.

Существует несколько способов физического сохранения дан­ных на жестком диске. Обычные жесткие диски используют «верти­кальное» отображение. Данные записываются сначала на одном ци­линдре сверху вниз, затем головки переходят на другой цилиндр и т. д. (рис. 3.11). При «горизонтальном» отображении сначала дан­ные записываются последовательно от цилиндра к цилиндру на по­верхности одного диска, затем также на поверхности следующего платтера и т. д. Такой способ лучше подходит для записи непрерыв­ного высокоскоростного потока данных, например при записи «жи­вого» видео.

Накопители на жестких магнитных дисках

«Винчестер» - это прозвище разработанного в 1973 г. фирмой IBM накопителя на жестком магнитном диске (НЖМД, или HDD - Hard Disk Drive). Есть несколько версий происхождения названия «винчестер». Приведем некоторые: от названия города Winchester в Англии, в котором филиалом фирмы IBM разработан данный тип накопителя; от маркировки первого жесткого диска, сходной с ка­либром знаменитой винтовки Winchester (30/30). Здесь тоже две ле­генды: диск имел емкость 30 Мбайт, время доступа 30 миллисекунд; накопитель состоял из двух дисков по 30 Мбайт каждый.

Конструкция и функционирование устройства. В НЖМД внутри накопителя устанавливается несколько пластин (дисков), или платтеров (см. рис. 3.9, б). Пластины имеют диаметр 5,25 или 3,5 дюйма. В новых разработках пытаются использовать стекло, поскольку оно имеет большее сопротивление и позволит делать диски тоньше, чем алюминиевые аналоги.

Механизм герметически запечатан в корпус с частичным вакуу­мом внутри. Эту конструкцию часто называют главным дисковым аг­регатом (HDA). Среда внутри жесткого диска должна быть очищена от пыли, для этого воздух, попадающий в HDA, пропускается через специальные фильтры. Двигатель, вращающий диск с постоянной скоростью, измеряемой в оборотах в минуту (rpm), включается при подаче питания на диск и остается включенным до снятия питания.

Между пластинами существует расстояние для читающей/записывающей головки, установленной на конце двигающегося рычага. Головка удалена от пластины на долю миллиметра. В первых систе­мах эта дистанция составляла 0,2 мм, на сегодняшний день она сокращена до 0,07 мм. Поэтому малейшее загрязнение может разру­шить головку, сблизив ее с диском, а также повредить магнитное покрытие диска.

Головки рассчитаны таким образом, чтобы касаться диска толь­ко после его остановки, когда питание отключено. При снижении оборотов вращения воздушный поток ослабевает и, когда прекра­щается полностью, головка осторожно касается поверхности диска. Точку касания называют зоной посадки LZ (land zone), которая спе­циально предназначена для касания головки и не содержит данных.

Когда диск форматируют на физическом уровне, он разделяется на секторы и дорожки. Физически дорожки расположены друг над другом и образуют цилиндры, которые затем делятся по секторам. В одном секторе 512 байтов. Сектор - минимальная единица изме­рения размера диска. Все жесткие диски имеют резервные сектора, которые используются его схемой управления, если на диске обна­ружены дефектные секторы.

Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше дан­ных, так как имеют большую длину окружности. Однако в накопи­телях, не использующих метод зонной записи, все цилиндры содер­жат одинаковое количество данных, несмотря на то, что длина ок­ружности внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. В результате теряется пространство внешних дорожек, так как оно используется крайне неэффективно (см. рис. 3.10, б).

Процесс управления плотностью записи называется прекомпенсацией. Для компенсации различной плотности записи используют метод зонно-секторной записи (Zone Bit Recording), где все простран­ство диска делится на зоны (восемь и более), в каждую из которых входит обычно от 20 до 30 цилиндров с одинаковым количеством секторов (рис. 3.10, в).

В зоне, расположенной на внешнем радиусе (младшая зона), записывается большее количество секторов на дорожку (120-96). К центру диска количество секторов уменьшается и в самой стар­шей зоне достигает 64-56. При этом емкость жестких дисков мож­но увеличить приблизительно на 30%.

С увеличением плотности записи на диск возникают трудности при детектировании пиков аналоговых сигналов, поступающих от магнитных головок. В последнее время для устранения этого недос­татка стали применять метод PRLM (Partial Response Maximum Likelihood), в котором используется специальный алгоритм цифро­вой фильтрации входного сигнала.

Для установки дисковых накопителей в системном блоке предусмотрены специальные монтажные отсеки. Габаритные размеры, соответствующие горизонтальному и вертикальному размерам вин­честера, стандартизированы и характеризуются типоразмерами, или форм-фактором (form-factor).

В прошлом контроллер диска не успевал считывать физически смежные секторы, таким образом, диску требовалось совершить полный оборот, прежде чем следующий логический сектор мог счи­таться. Чтобы уменьшить время ожидания, используется фактор че­редования (например, N : 1, когда один сектор считывается, а N про­пускаются). В современных НЖМД применяется интегрированный контроллер и собственный буфер данных для повышения быстро­действия.

Когда компьютер обращается к данным, операционная система с помощью таблицы файловой системы FAT (File Allocation Table) определяет их положение на диске (в каком секторе, на какой до­рожке можно найти запрашиваемые данные).

НЖМД могут содержать от 256 Кбайт до 8 Мбайт кэш-памяти, которая хранит всю информацию о секторах, цилиндрах и предо­ставляет ее в случае необходимости.

Пластины диска могут выходить из равновесия по причине изменения температуры. Во время воспроизведения мультимедиа это может выразиться в виде внезапных пауз в звуке и потерянных видеокадров. Для предотвращения этого устройство постоянно прово­дит температурную калибровку. Если сервоинформация расположе­на среди обычных данных, то термическая калибровка не требуется. Поэтому в большинстве устройств применяют второй вариант.

Характеристики НЖМД. Характеристики жесткого диска очень важны для оценки быстродействия системы в целом. Эф­фективное быстродействие жесткого диска зависит от ряда факторов (табл. 3.8).

Таблица 3.8. Некоторые характеристики НЖМД
Характеристика	Пояснения
Скорость вращения дисков, об/мин, rpm	НЖМД с интерфейсом EIDE имели скорость около 5400 об/мин, SCSI-НЖМД развивает до 7200 об/мин. В 1999 г. Hitachi перешла барьер в 10 000 об/мин, выпустив Pegasus II SCSI-НЖМД. При скорости вращения 12 000 об/мин дан­ные передаются со средним временем ожидания 2,49 мс
Время ожидания, мс	Среднее время доступа к сектору в процессе вращения (время полуоборота)
Время поиска, мс	Итоговое время, необходимое для поиска головкой чтения/записи физического расположения данных на диске
Среднее время доступа дисковода, мс	Интервал между моментом запроса к данным и моментом доступа к ним, изме­ряется в миллисекундах (мс). Время доступа включает фактическое время по­иска, время ожидания и время обработки данных
Скорость передачи диска, Мбайт/с	Скорость, с которой данные передаются на дисковод и считываются с него, за­висит от плотности записи
Скорость передачи данных, Мбайт/с	Data transfer rate (DTR) - это скорость, с которой данные через шины IDE/EIDE или SCSI передаются на ЦП

К концу 2001 г. самые быстрые дисководы работали при среднем времени ожидания менее 3 мс, среднем времени поиска в диапазоне от 3 до 7 мс и максимальной скорости передачи данных в районе 50-60 Мбайт/с для EIDE- и SCSI-дисководов соответственно. Для некоторых типов устройств максимальные значения DTR определя­ются ниже уровня пропускной способности - Ultra ATA/100 и UltraSCSI 160, - которые определены в 100 и 160 Мбайт/с соответ­ственно.

С 1955 г. магнитная запись на жестких дисках постоянно совершенствовалась, чтобы удовлетворять возрастающий спрос. Плотность хранения данных возрастала на 27% в год, а с 1990 г. - на 60% в год. В итоге к концу тысячелетия дисководы способны были хранить информацию в диапазоне 600-700 Мбит/дюйм².

Первые записывающие головки представляли собой железный сердечник, обмотанный проводом, подобно электромагнитам, кото­рые можно часто встретить на уроках физики в начальной школе. В дальнейшем была открыта тонкопленочная индукция (TFI), кото­рая позволила производить головки чтения/записи в больших коли­чествах по технологии, аналогичной полупроводниковым процес­сорам.

Эта технология была стандартом до середины 1990-х гг. К этому времени стало невозможно увеличивать плотность хранения данных, увеличивая чувствительность магнитной головки путем добав­ления TFI-витков на головке, потому что это повышало уровень ин­дуктивности, который ограничивал способность записи данных.

Решение пришло с идеей использования открытого в 1857 г. эф­фекта анизотропного магнитного сопротивления (anisotropic magne-toresistance - AMR), состоящего в том, что сопротивление ферро­магнитного сплава изменяется в магнитном поле.

Возможности повышения емкости и ограничения. Утверждение Б. Гейтса, что «640 Кбайт достаточно для каждого», является наибо­лее известным примером недостатка интуиции при прогнозе воз­можных потребностей. В области технологии жестких дисков, по крайней мере, в течение 15 лет имели место десять различных барь­еров. Одни из них были результатом непредусмотрительного выпус­ка BIOS или ОС, ограничений файловой системы FAT, ошибок в аппаратном или программном обеспечении, другие - связаны не­посредственно со стандартами жестких дисков. Рассмотрим некото­рые из этих барьеров.

Ограничение 528 Мбайт. Ограничение 528 Мбайт было самым печально известным из всех ограничений на вместимость НЖМД, отразившегося на ПК и BIOS, созданных до середины 1994 г. Это произошло из-за ограничения числа адресуемых цилин­дров до 1024.

IDE-накопители определяются BIOS по количеству цилиндров, головок и секторов на дорожке, далее эта информация сохраняется в CMOS. Секторы содержат 512 байт, поэтому размер жесткого дис­ка может быть определен умножением количества цилиндров на число секторов и на 512. BIOS воспринимает максимум 1024 цилин­дра, 255 головок и 63 сектора и в итоге получается 504 Мбайт (если мегабайт трактовать как 1000000 байтов) или 528 Мбайт (если это 1 048 576 байт, как это и есть на самом деле).

Ограничение 8,4 Гбайт связано с общим пространством адресации, которое было определено для BIOS. До 1997 г. большин­ство систем PC имело ограничение на обращение к дисководам объемом 8,4 Гбайт или менее. Причина заключалась в том, что хотя интерфейс АТА использовал 28-битовую адресацию, которая под­держивала мощности дисковода до 2²⁸х 512 бит или 137 Гбайт, стан­дарт BIOS int13h наложил ограничение 24-битовой адресации, та­ким образом, доступ был возможен только к 2²⁴ × 512 байт или 8,4 Гбайт.

Снятие ограничения 8,4 Гбайт состояло в расширении стандарта int13h. Новые возможности поддерживали квадро-слово или 64 бита адресации, что означает доступ к 2⁶⁴ × 512 байт или 9,4 × 10²¹ байт. Это 9,4 Тера-Гигабайтов или больше триллиона дисководов по 8,4 Гбайт. Системы с поддержкой расширенного стандарта BIOS int13h начали создаваться только с середины 1998 г.

Ограничение 137 Гбайт. К началу нового тысячелетия у производителей дисководов и BIOS возникло существенное затруд­нение, так как предел в 137 Гбайт, наложенный интерфейсом АТА, перестал быть недостижимым. Кажется, что лучше поздно, чем ни­когда, хотя стандарты могут быть до конца изучены из предыдущих ошибок. Следующая версия EIDE - протокол (АТА-6), рассмотрен­ный комитетом ANSI осенью 2001 г., использует 48 бит адресного пространства, позволяя работать с максимальным размером адреса в 144 PByte (Petabyte). Это уже в 100 тыс. раз выше, чем текущий барьер и, по сравнению с предыдущим случаем, будет достаточным, по крайней мере, в течение следующих 20 лет.

Файловые системы

Метод, которым данные организованы на жестком диске (здесь он называется том, volume), определен используемой файловой сис­темой (см. также [22]). Файловые системы обычно зависят от опера­ционной системы и большинство из них совместимы с Microsoft Windows.

Файловая система FAT впервые использовалась в MS-DOS (1981 г.). Цель FAT в распределении кластеров памяти в терминах цилиндр/сектор/дорожка - форма адресации, используемая кон­троллером жесткого диска.

FAT содержит данные для каждого файла на НЖМД. Каждый кластер содержит указатель на следующий кластер файла или инди­катор конца файла. На рис. 3.12 показаны три файла: FILE1.TXT использует три кластера; FILE2.TXT - фрагментированный файл, которому требуется три кластера; FILE3.TXT занимает один кластер. В каждом случае таблица размещения файлов содержит указа­тель на первый кластер файла.

Первая реализация системы FAT известна как FAT 12, которая поддерживала максимальный размер раздела в восемь мегабайт. Она была заменена в 1984 г. на FAT 16, которая поддерживала макси­мальный размер раздела в 2 Гбайта. С годами FAT16 подвергалась множеству модификаций, например для работы с именами файлов длиннее, чем стандартное ограничение в 8+3 символа (восемь - для названия, три - для типа или расширения), и т. д.

Главное ограничение системы FAT16 заключалось в том, что она использует ограниченное число кластеров на раздел, это озна­чает, что чем больше жесткий диск, тем больше размер кластера и тем больше неиспользованного пространства на диске. Самым боль­шим ее преимуществом было то, что она совместима с широким ря­дом операционных систем: Windows 95/98/Me, OS/2, Linux и неко­торыми версиями UNIX.

Со времени выхода версии Windows 95 Servise Release 2 (OSR2) ОС Windows поддерживала обе системы - FAT16 и FAT32. Послед­няя расширена по сравнению с FAT16 тем, что предусматривает на­много большее количество кластеров на раздел, что обеспечивает значительно более рациональное использование дискового про­странства, чем FAT16. Тем не менее FAT32 содержит все остальные ограничения FAT16. Кроме того, многие операционные системы, поддерживающие FAT16, не работают с FAT32. Например, Windows NT может работать с данными (хранящимися в FAT32) только через сеть, когда данные хранятся на другом компьютере в сети, с более ранней версией Windows.

С выходом Windows XP в октябре 2001 г. широкое распростра­нение получила NTFS, совершенно иная файловая система по срав­нению с FAT, которая впервые была введена с выходом Win­dows NT в 1993 г. Разработанная для преодоления многих недостат­ков FAT, NTFS также обеспечивает новые возможности в сфере безопасности и кодирования.

Системы FAT16, FAT32 и NTFS используют разные размеры кластера в зависимости от объема, и каждая из них имеет макси­мальное количество кластеров, которое может поддерживаться. Меньший размер кластера позволяет более эффективно использо­вать дисковое пространство, так как незанятое место внутри класте­ра не может быть использовано другими файлами; чем больше кла­стеров поддерживается, тем большие размеры томов или разделов могут быть созданы. В табл. 3.9 приводится сравнение размеров кластеров, используемых ОС Windows при разных объемах диска.

Таблица 3.9. Размеры кластеров различных ФС
Обьем диска (тома)	FAT 16	FAT32	NTFS
7-16 Мбайт	2 Кбайт	Не поддерживается	512 байт
17-32 Мбайт	512 байт	Не поддерживается	512 байт
33-64 Мбайт	1 Кбайт	512 байт	512 байт
65-128 Мбайт	2 Кбайт	1 Кбайт	512 байт
129-256 Мбайт	4 Кбайт	2 Кбайт	512 байт
257-512 Мбайт	8 Кбайт	4 Кбайт	512 байт
513 Мбайт-1 Гбайт	16 Кбайт	4 Кбайт	1 Кбайт
1 - 2 Гбайт	32 Кбайт	4 Кбайт	2 Кбайт
2-4 Гбайт	64 Кбайт	4 Кбайт	4 Кбайт
4-8 Гбайт	Не поддерживается	4 Кбайт	4 Кбайт
8-16 Гбайт	Не поддерживается	8 Кбайт	4 Кбайт
16-32 Гбайт	Не поддерживается	16 Кбайт	4 Кбайт
32 Гбайт-2 Тбайт	Не поддерживается	Не поддерживается	4 Кбайт

Магниторезистивные (MR-) технологии

В 1991 г. IBM разработала технологию AMR, позволяющую создавать MR- (магниторезистивные) головки, работающие в области плотной записи, способствующие развитию характеристик жестких дисков. Новые головки превосходили своих TFI-предшественников тем, что у предшественников элементы чтения записи были разде­лены, позволяя друг другу выполнять свои функции независимо.

«MR-эффект», обнаруженный в 1988 г., состоит в том, что в MR-материале (например, ферроникелевый сплав), электроны про­водимости имеют ограниченную свободу (более частые столкнове­ния с атомами) при их движении под действием магнитного поля. Когда электроны двигаются менее свободно, сопротивление мате­риала выше. Датчики GMR используют представления квантовой механики, где спин (вектор вращения) электрона может иметь два направления - вверх и вниз (рис. 3.13).

Электроны с направлением вращения, параллельным направле­нию магнитного поля, двигаются свободно, производя низкое сопротивление. Наоборот, при движении электронов против действия магнитного поля электроны имеют частые столкновения, создавая более высокое сопротивление. IBM разработала структуры, опреде­ленные как спин-клапаны, в которых одна магнитная пленка закреп­лена (направление магнитного поля определено), а вторая магнит­ная пленка или магнитный датчик имеет свободную магнитную ориентацию. Это очень тонкие пленки, расположенные очень близ­ко друг к другу, позволяя электронам любого направления враще­ния двигаться вперед и назад между ними. Изменения магнитного поля, исходящего от диска, вызывают изменение магнитной пленки датчика, который, в свою очередь, изменяет сопротивление всей структуры. Низкое сопротивление возникает, когда датчик и скреп­ленные пленки ориентированы в одном и том же направлении, в этот момент электроны в обеих пластинах свободно вращаются в одном направлении.

Более высокое сопротивление возникает, когда ориентация магнитного датчика и скрепленных пластин противоположны, потому что движение электронов или направление движения препятствуют ДРУГ другу. Датчики GMR могут использоваться в значительно более высоких величинах плотности данных, чем MR-датчики, потому что относительное изменение сопротивления здесь больше. Поэтому GMR-датчики более чувствительны к магнитным полям диска.

В MR-головках пишущий элемент - обычная TFI-головка, в то время как элемент чтения состоит из тонкой полоски магнитного материала (рис. 3.13). Сопротивление полоски изменяется в присут­ствии магнитного поля, производя сильный сигнал с низким шу­мом, что дает существенное повышение плотности. При чтении MR имеет большую чувствительность, обеспечивая четкость сигнала при прохождении дорожки на поверхности диска. Более того, данная технология обеспечивает работу при плотном расположении боль­шого объема данных на поверхности диска. Такая производитель­ность вызывает свои трудности: необходимо строгое соблюдение мер предосторожности при работе с MR-головками. Кроме того, они чувствительны к загрязнению и подвержены коррозии.

Различные усовершенствования позволяют MR-головкам счи­тывать данные, записанные в 4 раза плотнее и с большей скоро­стью, чем это может сделать TFI-головка. Это означает, что данная технология обеспечивает плотность до 3 Гбит/дюйм².

Технология GMR. GMR-технология (Giant Magneto-Resistive) устройства головки чтения/записи основывается на существующих технологиях TFI и MR и позволяет создавать головки с более высо­кой чувствительностью к переменному магнитному полю диска.

Промышленные версии GMR-дисков имеют плотность записи 4,1 Гбит/дюйм², в лабораторных условиях достигнуты плотности 10 Гбит/дюйм². В этих головках толщина датчика 0,04 мкм. IBM планируется сокращение толщины до 0,02 мкм, что позволит дос­тигнуть плотность хранения 40 Гбит/дюйм².

IBM производит универсальные головки чтения/записи по технологии GMR с 1992 г. Они состоят из тонкой индуктивной плен­ки, пишущего и читающего элемента (рис. 3.14). Элемент чтения состоит из GR- или GMR-датчика между двумя магнитными экра­нами. Магнитные экраны защищают от воздействия внешних маг­нитных полей, поэтому GMR по существу «видит» только магнит­ное поле данных, которые читает.

RAID

В 1980-х гг. мощности дисководов были ограничены и более мощные устройства стоили намного дороже. В качестве альтернати­вы отдельным дорогостоящим и высокопроизводительным устрой­ствам разработчики накопителей начали экспериментировать с на­борами менее дорогих НЖМД меньшей емкости. В 1988 г. появился термин RAID - (Redundant Array Of Inexpensive Disks) избыточный массив недорогих дисков. Такой массив, как предполагалось, должен иметь лучшие показатели, чем индивидуальный НЖМД. Проблема, однако, состояла в том, что среднее время наработки на отказ (MTBF) массива дисков уменьшалось из-за возможности выхода из строя любого устройства. Последующее развитие имело следствием спецификацию шести стандартизированных уровней RAID, чтобы обеспечить баланс защиты данных и работы.

Уровень 0 подразумевает «расщепление данных» без избыточно­сти (размещение блоков каждого файла на различных дисках). Это улучшает работу, но не способствует устойчивости к ошибкам. RAID 0 образует «полосы» (виртуальные дорожки), проходящие в нескольких дисководах, что позволяет параллельно получать данные от нескольких устройств.

Уровень 1 подразумевает зеркальный диск - метод, при котором данные записываются на двух дисках одновременно, так, чтобы если один из дисководов дает сбой, то система могла немедленно переключиться к другому диску без всякой потери данных. RAID 1 имеет лучшие характеристики и устойчивость к ошибкам, но это осуществляется за счет мощности используемых дисководов (здесь дублирование составляет по меньшей мере 100%).

Уровень 3 - аналогичен уровню 0, но при уровне 0 вместимость меньше при том же количестве дисководов. Здесь достигается более высокий уровень целостности данных или устойчивость к ошибке путем выделения одного тома (дисковода), используемого для ис­правления ошибочных данных.

Уровень 5 - наиболее используемый, обеспечивает разделение данных на уровне байта, а также разделяет информацию для ис­правления ошибки. На уровнях 3 и 5 избыточная информация пред­ставляет собой контрольные данные (например, циклические контрольные суммы блоков или биты контроля четности байтов), кото­рые заносятся на выделенный для этих целей избыточный дисковод (избыточность в диапазоне от 10 до 33%).

Рисунок 3.15 иллюстрирует концепцию разделения данных в RAID, блок со значениями 73, 58, 14 и 126 может быть разделен массивом RAID 3, включающим четыре дисковода данных и кон­трольный том, использующий контроль четности.

Такая структура может гарантировать улучшенную работу по сравнению с отдельным дисководом и если размер полосы соответ­ствует типу прикладной программы, то:

• в системах, ориентированных на запросы, с большим потоком транзакций или операций ввода-вывода, где доминируют многократные параллельные запросы к небольшим объемам дан­ных, предпочтительны большие (порядка блока) полосы;

• в системах, ориентированных на данные, где хранятся большие объемы данных, целесообразно использовать небольшие полосы данных (порядка байта). Если запись расположена на мно­жестве нескольких дисководов, то она может быть прочитана по частям, параллельно, что увеличивает скорость передачи данных.

Цены на НЖМД за последние годы значительно снизились, так что теперь уже неуместно говорить как о «недорогих» лишь о дис­ках, составляющих RAID-массив. Поэтому термин RAID сейчас пе­реопределен как массив «независимых (independent) дисков».

Системы SMART

В 1992 г. IBM начала производить 3,5-дюймовые НЖМД, кото­рые могли предсказать сбой при работе, снабженные средством, прогнозирующим отказы (Predictive Failure Analysis - PFA). При этой технологии периодически измеряются определенные характе­ристики работы дисковода, например расстояние от головки до диска и посылаются предупреждения, когда некоторый порог превы­шен. Есть два вида отказов жесткого диска: непредсказуемый и предсказуемый. Непредсказуемые отказы случаются быстро, без за­благовременного предупреждения. Эти отказы могут быть вызваны статическим электричеством, повреждением или тепловыми про­блемами. Фактически 60% отказов двигателя являются механиче­скими, часто вызванными износом двигателя (см. табл. 3.8).

Идея SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Techno­logy - технология самоанализа и информирования) заключается в создании механизма предсказания возможного выхода из строя НЖМД и предотвращения тем самым потери данных. SMART была предложена фирмами COMPAQ и IBM и включена в версию стан­дарта ANSI ХЗТ10.

Для анализа надежности НЖМД используются две группы параметров (здесь и далее подразумевается диск, поддерживающий SMART-технологию). Первая характеризует параметры естественно­го старения жесткого диска:

• количество циклов включения/выключения (старт/стоп);

• количество оборотов двигателя за время работы;

• количество перемещений головок.

Вторая группа параметров информирует о текущем состоянии качества накопителя:

• высота головки над поверхностью диска;

• скорость обмена данными между дисками и кэш-памятью на диске;

• количество переназначений плохих секторов (когда вместо испорченного сектора подставляется свободный исправный);

• количество ошибок поиска;

• количество операций перекалибровки;

• скорость поиска данных на диске.

Типичные дефекты жесткого диска и способы их предсказания приведены в табл. 3.10.

Таблица 3.10. Данные о дефектах жесткого диска
Вид дефекта	Симптом/Чем вызван	Что предсказывает
Большое количество плохих сек­торов	Физические дефекты поверхно­сти, повреждения при транспор­тировке	Количество дефектов поверхно­сти, скорость их роста
Чрезмерный шум	Дефект мотора, повреждения при транспортировке	Диагностика
Значительное количество нерегу­лярных ошибок	Повреждение головки или ее за­грязнение	Частые повторы при обращении к диску, срабатывание схемы ЕСС контроля
Отказ мотора	Не вырабатывается сигнал готов­ности, нет шума вращения дис­ков/ Дефект мотора, повреждения при транспортировке	Повторы включения, увеличение времени набора номинальной скорости вращения
Диск не отвечает (эффект такой же, как при отсутствии диска)	Дефект электроники диска	Ничто не может предсказать ката­строфу в данном случае (к сожа­лению)
Ошибки позиционирования сер­водвигателя	Большое количество ошибок пе­ремещения головок/Повреждения при транспортировке	Ошибки позиционирования, час­тые повторы калибровки
Сбой работы головки, резонанс при ее перемещении	Значительное количество нерегу­лярных ошибок	Рост ошибок при чтении, а также ошибок позиционирования

В силу некоторой ограниченности технологии SMART (пользо­ватель оказывается перед свершившимся фактом - «диск почти сломался, его осталось только заменить») появились расширения способов предотвращения потери данных, разработанных отдельны­ми фирмами-производителями жестких дисков.

Основная идея технологии Data Lifeguard фирмы Western Digital - проверка через каждые 8 ч работы поверхности всего дис­ка, выявление секторов, которые могут стать сбойными, и перенос информации в резервные области диска. Все эти операции выпол­няются в паузах (которые составляют до 90% времени работы диска) и не снижают производительность компьютера. Совместимость с системой SMART полностью сохраняется.

Фирма Quantum применила свою технологию Data Protection System (DPS), которая отличается от Data Lifeguard доступной через Internet программой диагностики, позволяющей выявить возмож­ные дефекты и во многих случаях устранить их.