4.2. Накопители на магнитных дисках для устройств памяти с прямым доступом

Накопители на магнитных дисках в настоящее время выполняются с круглыми несъемными носителями, называются жесткими дисками и обозначаются HDD¹. По конструкции различают дисковые накопители (далее дисководы) с подвижными и неподвижными головками считывания/записи, а также дисководы с одной пластиной (диском) и дисководы с несколькими пластинами (рис. 4.2).

а)	б)
в)	г)
Рис. 4.2. Жёсткий диск с одной пластиной (а), с двумя пластинами (б), с одной перемещающейся головкой (в) и с несколькими неподвижными головками (г)

На рис. 4.2,а показан дисковод с одной односторонней пластиной и одной головкой записи/считывания. Головка расположена на рычаге, который перемещает головку от периферии к центру диска. На рис. 4.2,б показан дисковод с двумя двухсторонними пластинами, т.е. магнитный слой нанесён на обе поверхности каждой пластины. Соответственно дисковод имеет четыре головки записи/считывания, закрепленные на механически связанных рычагах, которые перемещают головки. Диски (рис. 4.2,а и 4.2,б) закреплены на вращающемся шпинделе. Угловая скорость вращения шпинделя доходит до 15000 об/мин.

Единственная головка должна перемещаться по поверхности диска (рис. 4.2,в). Однако существуют дисководы с несколькими фиксированными в пространстве головками (рис. 4.2,в). Современные дисководы имеют головки малых размеров, причём записывающая головка является катушкой провода, по которой протекают импульсы тока, а считывающая – магниторезистором, меняющим своё состояние под действием магнитного поля. Головки имеют малую массу. В начальный момент они соприкасаются поверхностью носителя, однако при запуске диска они отрываются от неё, т.к. вращающийся диск создаёт воздушную подушку.

На поверхности пластины магнитным способом сформатированы концентрические дорожки, имеющие ширину головки записи/считывания (рис. 4.2,в,г). Дорожки разделены промежутками для предотвращения помех. Для многодисковых приводов существует понятие "цилиндр" – множество дорожек, принадлежащих разным поверхностям дисков и имеющих одинаковый диаметр.

Обмен информации дорожками осуществлять нецелесообразно, т.к. блок данных на дорожке получается очень большой по сравнению с размерами хранящихся файлов. Поэтому дорожку разбивают на отрезки, которые называются секторами. На рис. 4.2,а,б показано такое разбиение на примере одной дорожки (остальные не показаны для того, чтобы не загромождать рисунки). Пример формата сектора показан на рис. 4.3 [1]. Назначение частей сектора в целом понятно из их названий. Поле циклического контроля содержит информацию, необходимую для обнаружения ошибок.

Промежуток

Байт синхронизации

Номер дорожки

Номер головки

Номер сектора

Циклический контроль

Промежуток

Байт синхронизации

Данные

Циклический контроль

Рис. 4.3. Формат одного сектора диска Seagate ST 506

В простейшем случае угловые размеры секторов для всех дорожек могут быть одинаковы. Это означает, что плотность записи снижается по мере удаления головки от центра диска. Для того, чтобы устранить этот недостаток, поверхность диска разбивается по радиусу на несколько зон. Для каждой зоны устанавливается своя угловая скорость вращения шпинделя. По мере перемещения головки угловая скорость шпинделя регулируется. Поэтому угловые размеры секторов уменьшаются по мере удаления от центра, но остаются неизменными в пределах зоны.

Несмотря на высокие показатели работы жёстких дисков не прекращаются работы по повышению их быстродействия и отказоустойчивости. Одним из самых перспективных направлений в настоящее время являются RAID-системы, предполагающие создание массивов жёстких дисков. Множество независимых дисководов образуют массив жёстких дисков, который управляется операционной системой как один жёсткий диск большой ёмкости.

Повышение быстродействия достигается приёмом "расслоение", описанным в разделе "Управление памятью" (рис. 4.4). Цилиндры изображают жёсткие диски разных дисководов. Пронумерованные слои изображают секторы дисков или иные единицы пересылки данных.

Рис. 4.4. RAID-массив жёстких дисков

Наличие нескольких независимых дисков позволяет читать одновременно несколько секторов с разных накопителей, т.е. объём пересылаемых за один сеанс обмена данных увеличивается, и как следствие увеличивается быстродействие дисковой системы. Множество секторов, участвующих в сеансе называется лентой.

Дальнейшее повышение производительности достигается кэшированием дисков. Идея кэширования рассмотрена выше.

Массив дисков позволил решить и проблемы защиты от отказа жёстких дисков и защиты от передаваемой информации от искажений. Защита от искажений требует в первую очередь осуществить обнаружение ошибки. Массив дисков позволяет ввести избыточность кодирования и помещать вместе с данными служебную информацию, а также ставить в соответствие одному символу несколько кодовых комбинаций, которые не пересекаются с кодовыми комбинациями близлежащего символа.

Решить проблем защиту от отказа жёсткого диска позволяет приём зеркалирования (рис. 4.5). Зеркалирование предполагает параллельную запись инфор-

Рис. 4.5. RAID-массив с зеркалированием

мации сразу на два диска. Таким образом, один диск является как бы зеркальным отображением другого. На рисунке показаны две пары зеркальных дисков. Наличие двух пар повышает производительность, а наличие зеркал позволяет сохранить данные и программы в случае отказа одного из дисков зеркальной пары.

Описанные идеи легли в основу RAID-массивов 8 основных уровней и 4-х составных уровней, являющихся комбинациями основных. К числу основных уровней относятся RAID-массивы уровней:

• RAID 0 – простой RAID-массив, повышающий производительность;

• RAID 1 – простой RAID-массив с дублированием (зеркалированием);

• RAID 2 – RAID-массив с использованием кода Хэмминга для коррекции и обнаружения ошибок;

• RAID 3 – RAID-массив с параллельной передачей данных и контролем чётности;

• RAID 4 – RAID-массив независимых дисков с диском паритета;

• RAID 5 – RAID-массив независимых дисков с распределённым паритетом;

• RAID 6 – RAID-массив независимых дисков с двумя независимыми распределёнными схемами паритета;

• RAID 7 – RAID-массив оптимизированный для повышения производительности (с кэшированием дисков).

RAID-системы могут быть реализованы программным, аппаратным и комбинированным способом. Программный способ самый дешёвый, но и самый малоэффективный. Он предусматривает реализацию RAID-систем посредством команд операционной системы, позволяет реализовать RAID-системы различных уровней с использованием стандартных дисководов.

Аппаратным способом системы реализуются двумя способами. Первый предусматривает применение стандартных дисководов и специального контроллера. Операционная система общается с ним на уровне обычных команд ввода-вывода. Второй способ предусматривает выполнение RAID-системы в виде отдельного устройства, объединяющее в одном корпусе и массив дисков, и контроллер.

Идея кэширования вполне применима и к дисковым накопителям. Относительно невысокая скорость доступа к данным объясняется тремя причинами:

• необходимы затраты времени на перемещение головки чтения/записи на нужную дорожку;

• существуют затраты времени на погашение вибрации головки;

• необходимы затраты времени на перемещение нужного сектора под головку чтения/записи.

Дисковый кэш – промежуточное звено между магнитным диском и оперативной памятью. Имеет большую ёмкость до 8 Мбайт. Изготавливается по технологиям полупроводниковой памяти. Современные дисководы уже имеют в своём составе дисковый кэш и поддерживают механизм переключения потока данных на прохождение через кэш и мимо кэша.