Краткое описание принципов работы жесткого диска

Как работает жесткий диск?  Типы интерфейсов (IDE/SCSI)  Производительность  Файловые системы S.M.A.R.T.  Функция Bus Master  Драйвера поддержки Bus Master  Проблемы, возникающие при работе с драйверами Bus Master

Как работает жесткий диск?

Как правило, всех пользователей интересует один вопрос: "быстрый" ли диск? Ответ на него неоднозначен и требует рассказа о следующих характеристиках:

• Скорость вращения диска
• Количество секторов на дорожке
• Время поиска/время переключения головок/время переключения между цилиндрами
• Задержка позиционирования
• Время доступа к данным
• Кэш-память на жестком диске
• Размещение данных на диске
• Скорость обмена между процессором и диском
• Интерфейс (IDE или SCSI)

 

Опишем, для начала, как физически устроен жесткий диск.

На жестком диске данные хранятся на магнитной поверхности диска. Информация записывается и снимается с помощью магнитных головок (все почти как в магнитофоне). Внутри жесткого диска может быть установлено несколько пластин (дисков), в просторечье именуемые "блинами". Двигатель, вращающий диск, включается при подаче питания на диск и остается включенным до снятия питания.

ПРИМЕЧАНИЕ: Если в разделе Power Management программы Setup из BIOS установлен параметр выключения жесткого диска при отсутствии обращения к нему, то двигатель может быть выключен программой BIOS.

Двигатель вращается с постоянной скоростью, измеряемой в оборотах в минуту (rpm). Данные организованы на диске в цилиндрах, дорожках и секторах. Цилиндры - концентрическе дорожки на дисках, расположенные одна над другой. Дорожка затем разделяется на сектора. Диск имеет магнитный слой на каждой своей стороне. Каждая пара головок одета как бы на "вилку", обхватывающую каждый диск. Эта "вилка" перемещается над поверхностью диска с помощью отдельного серводвигателя (а не шагового, как часто ошибочно думают - шаговый двигатель не позволяет быстро перемещаться над поверхностью). Все жесткие диски имеют резервные сектора, которые используются его схемой управления, если на диске обнаружены дефектные сектора.

 

Скорость вращения диска

 

Обычно современные жесткие диски имеют скорость вращения от 4500 до 7200 об/м. Чем выше скорость вращения, тем выше скорость обмена данными. Следует только учесть, что при возрастании скорости вращения увеличивается температура корпуса жесткого диска и диски со скоростью 7200 об/мин (как правило, это диски SCSI) требуют дополнительного охлаждения внешним вентилятором собственно диска. Вентилятора блока питания для этого недостаточно.

 

Количество секторов на дорожке

 

Современные жесткие диски имеют различное количество секторов на дорожке в зависимости от того, внешняя ли это дорожка или внутренняя. Внешняя дорожка длиннее и на ней можно разместить больше секторов, чем на более короткой внутренней дорожке. Данные на чистый диск начинают записываться также с внешней дорожки.

 

Время поиска/время переключения головок/время переключения между цилиндрами

Время поиска (seek time) минимально только в случае необходимости операции с дорожкой, которая является соседней с той, над которой в данный момент находится головка. Наибольшее время поиска соответственно при переходе с первой дорожки на последнюю. Как правило, в паспортных данных на жесткий диск указывается среднее время поиска (average seek time).

Все магнитные головки диска находятся в каждый момент времени над одним и тем же цилиндром, и время переключения определяется тем, насколько быстро выполняется переключение между головками при чтении или записи.

Время переключения между цилиндрами - это время, требуемое для перемещения головок на один цилиндр вперед или назад.

Все времена указываются в документации на жесткие диски в миллисекундах (ms).

Задержка позиционирования

 

После того, как головка оказывается над желаемой дорожкой, она ждет появления требуемого сектора на этой дорожке. Это время называется задержкой позиционирования и также измеряется в миллисекундах (ms). Среднее время задержки позиционирования считается как время поворота диска на 180 градусов и составляет от 4 мс (для 7200 об/м) до 6 мс (5400 об/м).

 

Время доступа к данным

 

Время доступа к данным по сути - это комбинация из времени поиска, времени переключения головок и задержки позиционирования, измеряется также в миллисекундах (ms). Время поиска, как вам уже известно, это только показатель того, как быстро головка оказывается над нужным цилиндром.До тех пор, пока данные не записаны или считаны,следует добавить время на переключение головок и на ожидание необходимого сектора.

 

Кэш-память на жестком диске

 

Как правило, на всех современных жестких дисках есть собственная оперативная память, называемая кэш-памятью (cache memory) или просто кэшем. Производители жестких дисков часто называют эту память буферной. Размер и структура кэша у фирм-производителей и для различных моделей жестких дисков существенно отличаются. Обычно кэш память используется как для записи данных так и для чтения, но на SCSI дисках иногда требуется принудительное разрешение кэширования записи, так обычно по умолчанию кэширование записи на диск для SCSI запрещено. Есть программы, позволяющие, определить, как установлены параметры кэш-памяти, например ASPIID от фирмы Seagate. Как это многим не покажется странным, размер кэша не является определяющим для оценки эффективности его работы. Организация обмена данными с кэшем более важна для повышения быстродействия диска в целом.

 

Размещение данных на диске

 

О том, что конфигурация диска задается через количество цилиндров, головок и секторов на дорожке, все знают с начала эпохи PC. Хотя еще несколько лет тому назад точное указание в программе SETUP всех этих параметров диска было обязательным, сейчас это не так. Строго говоря, те параметры диска, которые вы видите в разделе SETUP Standart CMOS Setup, как правило, ничего общего не имеют с реальными параметрами диска, причем вы можете заметить, что эти параметры меняются в зависимости от вида трансляции геометрии диска - Normal, LBA и Large. Normal - геометрия в соответствии с данной производителем в документации на диск. Не позволяет DOS увидеть более чем 504 Mb (1 Mb - 1048576 байт). LBA - Logical Block Address - эта установка позволяет видеть DOS до 4 Gb. Large используется такой операционной системой, как Unix. Параметры, установленные в SETUP, преобразуются в реальные логикой управления жестким диском. Многие современные операционные системы работают с диском через LBA, минуя BIOS.

 

Скорость обмена между процессором и диском

 

Существует несколько способов физического сохранения данных на жестком диске. Определить способ отображения данных на диске можно, только используя различные программы определения быстродействия диска (benchmark). В программу Winbench 97 сейчас включен High-end тест жесткого диска, где оцениваются не достаточно отвлеченные в настоящее время 2 параметра - скорость передачи данных и время доступа, а проверяется, для каких задач и для каких наиболее популярных программ, активно работающих с диском, диск наиболее пригоден. Этот тест можно получить на сервере фирмы Ziff-Davis.

" Вертикальное" отображение

Обычные жесткие диски используют "вертикальное" отображение. Данные записываются сначала на одном цилиндре сверху вниз, затем головки переходят на другой цилиндр и т.д.

"Горизонтальное" отображение.

При "горизонтальном" отображении сначала данные записываются последовательно от цилиндра к цилиндру на поверхности одного диска, затем также на поверхности сдедующего диска и т.д. Такой способ лучше подходит для записи непрерывного высокоскоростного потока данных, например, при записи "живого" видео.
 

"Комбинированное" отображение

Комбинированный способ отображения, использующий как "вертикальный" так и "горизонтальный" способ.

При тестировании таких дисков видно, что чем дальше от начальных цилиндров, тем хуже параметры диска. Это связано с тем, что на внешних дорожках размещается больше секторов и считывание/запись выполняется быстрее.

В справедливости этого легко убедиться, запустив Winbench 97, выбрав сначала диск C для теста диска, а затем последний логический диск (желателен диск объемом не менее 1.6 Gb). Разница в оценке быстродействия диска составила около 15%!

Реально диск разделен на зоны, в каждую из которых входит обычно от 20 до 30 цилиндров с одинаковым количеством секторов. Эти зоны также называются "notches".

Интерфейс (IDE или SCSI)

Сейчас фактически осталось только два действующих интерфейса: IDE (распространенный сейчас в варианте Enhanced IDE - EIDE) и SCSI. На любой материнской плате, выпущенной после 1996 года, можно обнаружить контроллер EIDE. Это, а также существенно более низкая стоимость IDE дисков по сравнению со SCSI объясняет значительное превосходство IDE дисков в количественном выражении над SCSI.

Каждый контроллер EIDE имеет два канала (primary - первичный и secondary - вторичный), к каждому из которых можно подключить до двух устройств (всего четыре). С интерфейсом IDE в настоящее время, кроме жестких дисков, выпускаются также приводы CD-ROM, накопители Iomega Zip, накопители на магнитной ленте. Интерфейс SCSI, как правило, требует отдельного контроллера, так как пока очень незначительное количество материнских плат выпускаются с контроллером SCSI. Сканеры, магнитооптические накопители, устройства записи для CD и т.п. выпускаются пока только с интерфейсом SCSI. При принятии решения о покупке жесткого диска с тем или иным интерфейсом, следует учесть главное - если вам не требуется подключение нескольких жестких дисков, ваш компьютер не является сервером или рабочей станцией, ресурсы которой доступны другим пользователям, SCSI диск НЕ ДАСТ НИКАКИХ ПРЕИМУЩЕСТВ по сравнению с EIDE диском. Это правило, естественно, справедливо для одинаковых по физическим характеристикам дисков. Интерфейс SCSI позволяет подключать до 7 устройств, а Wide SCSI до 14 устройств. Существуют также многоканальные SCSI контроллеры, позволяющие подключить и большее количество устройств.

Основной недостаток интерфейса EIDE - отсутствие "интеллекта". Если на одном канале подключены жесткий диск и накопитель CD-ROM, то в случае обращения к CD-ROM процессор будет ожидать завершения операций с CD-ROM, прежде чем сможет обратиться к жесткому диску. Поэтому очевидно, что нельзя к одному каналу EIDE подключать быстрое и медленное устройство одновременно. CD-ROM всегда следует подключать только ко второму каналу. Каналы EIDE в современных контроллерах EIDE, как правило, достаточно независимы друг от друга. Для повышения производительности EIDE были разработаны и стандартизованы режимы PIO (Programming Input Output - программируемый ввод/вывод), single word DMA (обмен одиночными словами в режиме DMA - Direct Memory Access - прямого доступа к памяти) и multi word DMA (обмен несколькими словами в режиме DMA).

SCSI интерфейс имеет несколько разновидностей, которые совместимы друг с другом (достаточно иметь пассивные переходники). 8 бит (50-ти контактный разъем) или 16 бит (68-и контактный разъем для Wide SCSI). Частота шины может быть 5 MHz (SCSI 1), 10 MHz (Fast SCSI), 20 MHz (Fast-20 or Ultra SCSI) or 40 MHz (Ultra-2 SCSI).

1. Скорость передачи увеличена до 80 MB/s
2. Максимальная длина соединительного кабеля может достигать 12 метров

Кроме этого, к одному шлейфу можно подключить до 15 устройств. Обратная совместимость, как это принято для SCSI устройств, также выдерживается и устройство с Ultra2 SCSI LVD можно подключить к обычному контроллеру SCSI.  С этим интерфейсом выпускаются только жесткие диски в вариантах с 68-контактным разъемом и SCA.

*Примечание: N/A - режим отсутствует

С массово выпускаемыми в настоящее время контроллерами и жесткими дисками EIDE максимально возможная скорость обмена данными составляет 16.6 MByte/s для режима multi DMA mode 2. Сейчас  разработан и внедрен новый стандарт на 33.3 MByte/s, называемый Ultra DMA/33. Поскольку собственно скорость обмена повышена за счет добавления возможности передачи данных как по переднему, так и по заднему фронту сигнала записи или чтения, совместимость как жестких дисков с UltraDMA/33 с обычным контроллером, так и контроллера UltraDMA/33 с обычным EIDE диском есть без каких-либо проблем.

Стандарт UltraDMA/33 отличается от предыдущих улучшений IDE не только скоростью обмена. Впервые в нем используется механизм обнаружения ошибок с помощью CRC (циклический контрольный код). Это позволяет избежать ошибок при приеме/передаче данных, так как при получении данных с ошибкой пересылка данных повторяется снова.

Первой диски в этом стандарте выпустила фирма Quantum - Fireball ST (это не удивительно, поскольку она вместе с Intel и явилась автором стандарта). При установке нового диска на компьютер, в случае появления сбоев в работе, следует понизить скорость работы жесткого диска, принудительно установив в SETUP меньший режим PIO. Мы сталкивались с таким явлением на диках, выпущенных до 1997 года - хотя жесткий диск согласно его документации в mode 4 работать должен, но не работает устойчиво!

Реально максимальная скорость передачи данных для любого диска не превышает 10 MB/s. Большие значения скоростей относятся к работе с внутренним кэшем жесткого диска. Так как объем кэш-памяти для IDE дисков не превышает 256 Kb, а объем кэш-памяти для SCSI дисков не более 1 Mb, то скорость обмена данными не является определяющей при оценки производительности жестких дисков.

Интерфейс SCSI дает ощутимый выигрыш только в многозадачной среде, когда несколько программ одновременно добиваются доступа к дискам и в случае необходимости достижения максимальной производительности дисковой подсистемы, так как пока только диски SCSI имеют скорость вращения 7200 об/мин и время доступа 7-8 mc. Стоимость таких дисков в 2-3 раза выше лучших дисков IDE такой же емкости. Кроме этого, максимальная емкость SCSI дисков достигает 23 Gb, в то время как емкость IDE дисков не превышает 8,4 Gb.

Производительность

Оценка производительности диска - это достаточно сложная задача. Существуют десятки различных тестов, оценивающих тем или иным способом производительность дисковой подсистемы. В связи с тем, что наибольшую популярность сейчас получили многозадачные операционные системы, такие как Windows 95, Windows NT, OS/2, Lunix, SCO UNIX и т.п., старые тесты под MS-DOS (Norton Sysinfo, VSeek, Checkit, PC Bench...) уже не дают реального представления о качестве работы диска в многозадачных средах. Для оценки работы жесткого диска под Windows 95 или Windows NT, с нашей точки зрения, лучшим является Winbench 97 и аналогичные тесты тех же авторов, посколько с диском выполняются действия, максимально приближенные к реальным.

 

Файловые системы

 

Как уже сообщалось ранее, жесткие диски поступают с завода-изготовителя уже отформатированными. Все программы так называемого низкоуровнего форматирования на самом деле не выполняют физического форматирования жесткого диска. Различные операционные системы же своими программами форматирования создают лишь ЛОГИЧЕСКУЮ структуру диска. В настоящее время наиболее распространены три файловые системы - FAT (MS-DOS, Windows 3.X, Windows 95 - first release), NTFS (Windows NT) и HPFS (OS/2).

 

FAT16

 

DOS, DOS 7.0 из Windows95 использует FAT для сохранения данных как на жестких дисках, так и гибких. В качестве одного элемента адресации на диске используется кластер, объединяющий несколько секторов. FAT исторически сама старая файловая система с 16-ти разрядной адресацией и максимально возможное количество кластеров на одном логическом диске не превышает 65536. Соответственно максимальный размер одного кластера 32 Kb, так как максимальный размер логического диска 2 Gb. Поэтому один из главных недостатков FAT - большой размер кластера. Дело в том, что при кластере 32 Kb файл с информацией в 1 байт займет на диске 32 Kb. Теоретически можно заполнить логический диск в 2 Gb 65536 файлами по 1 байту, хотя физически диск будет практически пустой. Поэтому при работе с DOS, Windows 95 или Windows NT под FAT рекомендуется разбивать диск на разделы, не превышающие 512 Mb. Для разбиения/переразбиения диска можно воспользоваться известной программой Partition Magic

FAT32

Но те преимущества, которые дает FAT32, как правило, перевешивают недостатки. В команде format новой ОС есть недокументированный ключ z, с помощью которого можно создать логический диск с кластером от 1024 байт. Синтаксис команды: размер кластера 512 format диск: /z:n, где n - множитель для 512 (собственно 512 байт и параметр n=1 запрещены), поэтому n можеть быть равен 2, 4, 6 и т.д. Желательно только понимать, что при кластере в 1 Kb на диске объемом 3000 Mb будет 3 миллиона кластеров и процесс, скажем, дефрагментации диска может занять часы... Разумно уменьшить размер кластера на том логическом диске, который используется для хранения программ и оставить его 4 Kb (размер кластера по умолчанию для Windows 95 OSR2) на остальных.

S.M.A.R.T.

Эта аббревиатура все чаще встречается при указании технических характеристик жестких дисков. Что она означает?
Идея S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technolodgy - технология самоанализа и информирования) технологии заключается в создании механизма предсказания возможного выхода из строя жесткого диска и предотвращения тем самым потери данных. S.M.A.R.T. была предложена фирмами COMPAQ и IBM несколько лет тому назад и сейчас включена в версию стандарта ANSI X3T10. Сейчас S.M.A.R.T. технология используется в программе BIOS от фирмы AWARD Software.
        Для анализа надежности жесткого диска используются две группы параметров (здесь и далее подразумевается жесткий диск, поддерживающий S.M.A.R.T. технологию). Первая характеризует параметры естественного старения жесткого диска:

• количество циклов включения/выключения (старт/стоп)
• количество оборотов двигателя за время работы
• количество перемещений головок

• 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

Функция Bus Master (дословно Хозяин Шины, ранее по ГОСТ в нашей стране - задатчик на шине) введена в контроллеры EIDE с приходом процессоров Pentium. Что это такое? Классический способ приема данных от какого-либо устройства следующий - процессор выполняет команду чтения порта, считывает байт или слово данных в свой регистр, после чего переписывает этот байт или слово в память, затем повторяет эту процедуру до тех пор, пока вся необходимая информация не будет считана из устройства в память. Если бы процессору больше нечего было делать, то этот способ всех бы устраивал. Но с появлением многозадачных операционных систем стало слишком накладно использовать процессор для операций ввода/вывода. Поэтому контроллеры внешних устройств (EIDE в частности) стали оборудоваться как бы собственными процессорами ввода/вывода.

Что происходит в этом случае? Процессор программирует контроллер EIDE, указывая ему, откуда он должен взять данные и куда в память их положить. После получения этих указаний контроллер захватывает управление шиной PCI и шиной доступа к памяти и выполняет операции по считыванию данных с жесткого диска или CD-ROM непосредственно в память с помощью контроллера прямого доступа в память (DMA - Direct Memory Access). При таком способе обмена данных процессор свободен после выдачи команд контроллеру EIDE и может заниматься любыми другими делами. Надо только понимать, что процессор может в это время не получить доступ к шине PCI и основной памяти.

Функция Bus Master делает интерфейс EIDE SCSI-подобным. Если доступ к диску выполняет только одна, запущенная в данный момент программа, то значительного выигрыша в производительности не будет. Но достаточно запустить несколько приложений, работающих с диском, как заметное повышение производительности будет очевидным. Это легко проверить, запустив одновременно, например, два Winbench 97 с тестом диска с Bus Master драйверами или без оных. В контроллерах IDE из наборов микросхем фирмы Intel, ранее называемых Triton, встроена функция Bus Muster. Intel называет эти контроллеры PIIX (Pci Isa Ide aXcelerator). Пока Intel выпустил 3 таких контроллера 80371FB (PIIX), 82371SB (PIIX3) и 82371AB (PIIX4). Последний из них входит в набор Intel 430TX - это первый Intel контроллер IDE с поддержкой режима Ultra DMA/33. Сейчас, в основном, используется 82371AB, включая и материнские платы на Pentium II. На платах с набором 80440BX применяется микросхема 82371EB, функционально ничем не отличающаяся от 82371AB, но допускающий обращение к нему со стороны процессора с частотой 100 MHz       

Драйвера Bus Master под все наборы микросхем

• Intel Bus Master Driver (оригинал от Intel)
• ASUS Bus Master Driver

Богатая коллекция различных драйверов находится на сайтеTHE DRIVERS HEAD QUARTERS.

 Большинство проблем возникает с накопителями CD-ROM и старыми жесткими дисками. Поэтому после установки драйверов проверьте фукционирование системы (сохраните в какой-либо программе файлы, перепешите файлы с диска на диск и т.д.). Рекомендуется также проверить CD-ROM на чтение CD-ROM дисков и воспроизведение аудио дисков. CD-ROM рекомендуется всегда устанавливать как master на втором IDE канале.

В случае использования материнской платы на наборе 430TX и установкой под Windows NT 4.0 соответствующих драйверов происходил crash системы при использовании CD-ROM приводов Samsung, неустойчивая работа с CD-ROM Panasonic модели CR-583 (8-ми скоростной) и т.д. Единственный привод, с которым не было никаких проблем - DR-444 Pioneer. Мы не можем утверждать, что виноваты накопители - может быть, виноваты драйверы (мы тестировали на драйверах от Intel и Triones - результаты были одинаковы), мы просто констатируем факт. 24-х скоростные и выше CD-ROM уже не имеют проблем с драйверами Bus Master.

Множество проблем обсуждаются на сайте BMdrivers.com. Особенно актуальны эти проблемы для пользователей Windows 95 OSR2, в которую Microsoft встроила поддержку Bus Master, но как это часто бывает, с многочисленными ошибками. Ссылки на "заплатки" к Windows 95 OSR2 также есть на этом сайте.

Попытка отказаться от ограничений классической FAT и видоизменить ее была тихо предпринята фирмой Microsoft в версии Windows 95 OEM service Release 2 (v.4.00.1111&DOS 7.1 - также 950b). В этом варианте Windows 95 FAT стала 32-х разрядной. Из 32 бит 4 были зарезервированы. Таким образом, максимальный размер раздела в этом варианте становится 2 Tb (2048 Gb), а раздел в 8 Gb получает кластер размером всего 4 Kb. Кроме этого, корневая директория диска не имеет фиксированного размера, что снимает ограничения на количество файлов и директорий в корневом каталоге. При этом приложения DOS не могут работать с файлами более 2 Gb, а 32-x разрядные приложения Windows могут работать с файлами до 4 Gb

 

Все это было бы замечательно, если бы не некоторые но:

- кроме как DOS 7.1 и Windows 95 v.950b (даже NT 4.0!) эту прекрасную систему никто не видит;
- любые дисковые утилиты, не написанные специально под FAT32, будут "творить чудеса" с ней;
- попытка работы с FAT32 программами, которые ее не понимают, может привести к гибели данных на диске;
- утилиты для работы со SCSI дисками также должны быть разработаны под FAT32;
- производительность дисковой подсистемы по чуть меньше с FAT32 по сравнению с FAT16. Вторая группа параметров уже информирует о текущем состоянии качества накопителя. К этим параметрам относятся: Значения всех параметров (как и собственное программное обеспечение накопителя), как правило, хранятся на специальных дорожках диска, не видимых со стороны компьютера или, что бывает значительно реже, в энергонезависимой памяти.У производителей жестких дисков достаточно много степеней свободы, так как именно они присваивают граничные значения (thresholds) всем параметрам. Если хотя бы один параметр ушел за граничные значения, то накопитель желательно заменить. Конечно, пока механизм наблюдения за накопителем не будет встроен в операционную систему, трудно ожидать массового использования технологии S.M.A.R.T. Подробнее об этом (и обо всем, что связано с IDE) можно узнать из соответствующих документов на посвященном IDE стандартам сайте.

 

Функция Bus Master

 

Драйвера поддержки Bus Master

 

Функция Bus Master включается только специальными драйверами под соответствующую операционную систему. Для примера мы предлагаем ссылки на драйверы для Windows 95, OS/2 и Windows NT. С нашей точки зрения, наилучшими драйверами Bus Master являются драйверы, разработанные фирмой Triones. Эти драйверы разработаны не только для Windows 95/NT и OS/2, но и для Novell, SCO Unix, MS-DOS. К сожалению, продукт Triones не является public domain или shareware. Комплект драйверов Triones поставляется вместе с некоторыми материнскими платами, например, фирм Gigabyte, DataExpert, Acer.

 

Проблемы, возникающие при работе с драйверами Bus Master

 

Если вы обнаружили неприятные эффекты, например "зависание" компьютера при попытке сохранить файл, невозможность проигрывания аудио дисков и т.п., то следует удалить драйвера Bus Master.