Срываем покровы

Срываем покровы. Черепичная запись SMR в накопителях WD и Seagate

Содержание статьи

  • Скандальная черепица
  • Реализация SMR у Seagate: привычное зло
  • Реализация SMR от WD: команда Trim, как в SSD
  • Стоит ли покупать диски с SMR
  • Заключение

Оказалось (а точнее — официально подтвердилось), что Western Digital давно и молча продает диски с SMR, наотрез отказываясь раскрыть эту информацию недоумевающим и возмущенным владельцам «рассыпавшихся» RAID-массивов. В чем суть скандала, почему использование черепичной записи вызвало такое возмущение пользователей и в чем различие подходов WD и Seagate? Попробуем разобраться.

Скандальная черепица

Если ты не следишь внимательно за новостями в области средств хранения информации, недавние события могли пройти мимо тебя. Хронология такова.

2 апреля

Все началось с исследования Кристиана Франке (Christian Franke). Он подробно, с выкладками и отчетами, рассказал, что в некоторых дисках WD Red, предназначенных для использования в многодисковых сетевых хранилищах NAS, применяется недокументированная технология SMR (Shingled Magnetic Recording — черепичная запись) и о том, какие именно проблемы возникают из-за этого в рамках массивов. Из-за хорошо известных особенностей технологии использование дисков с SMR совместно с «обычными» дисками (CMR, Conventional Magnetic Recording) приводило к деградации массивов и выпадению из них дисков с SMR. Более того, восстановить такие массивы оказывалось невозможно из-за постоянных повторных выпадений диска с SMR.

Это исследование не было первым, вторым и даже десятым звоночком. Вопросом «не SMR ли это?» пользователи начали задаваться уже давно. Например, в ветке обсуждения на Reddit «WD Red 6tb WD60EFAX SMR? Bad for Existing raid in DS918+ with WD Red 6tb WD60EFRX PMR drives?» уже обсуждалась эта проблема. При желании на том же Reddit можно найти несколько десятков подобных обсуждений.

Все было бы неплохо, если бы производитель упоминал об этой особенности. И даже терпимо, если бы производитель просто ответил «да» на прямой вопрос: используется ли в модели Х технология SMR? Увы, но единственный ответ, который получали пользователи, был таков: «Мы не разглашаем особенности внутреннего функционирования наших дисков конечным потребителям». Вот цитата ответа из техподдержки:

I understand your concern regarding the PMR and SMR specifications of your WD Red drive.

Please be informed that the information about the drive is whether use Perpendicular Magnetic Recording (PMR) or Shingled Magnetic Recording (SMR), is not something that we typically provide to our customers. I am sorry for the inconvenience caused to you.

What I can tell you that the most products shipping today are Conventional Recording (PMR). We began shipping SMR (Shingled Magnetic Recording) at the start of 2017. For more information please refer the link mentioned below.

Вот другой вариант ответа — то же самое, другими словами.

We have received your inquiry whether internal WD Red drive WD40EFAX would use SMR technology. I will do my best here to assist and please accept our sincere apologies for the late reply.

Please note that information on which of our drives use PMR or SMR is not public and is not something that we typically provide to our customers. What we can tell you is that most WD products shipping today are Conventional Recording (PMR) — please see additional information below. However, we began shipping SMR (Shingled Magnetic Recording) at the start of 2017.

Вольный перевод: «Обращаем ваше внимание, что информация об использовании PMR и SMR не является публично доступной и не разглашается нашим клиентам. Однако могу сказать, что большая часть поставляемых WD продуктов использует CMR; ниже — дополнительная информация. Тем не менее в начале 2017 года мы начали отгружать диски с SMR».

Примерно такой ответ получил Кристиан Франке. Кристиан на этом не остановился, получив в результате такой ответ:

Just a quick note. The only SMR drive that Western Digital will have in production is our 20TB hard enterprise hard drives and even these will not be rolled out into the channel.

All of our current range of hard drives are based on CMR Conventional Magnetic Recording.

With SMR Western Digital would make it very clear as that format of hard drive requires a lot of technological tweaks in customer systems.

Yemi Elegunde Enterprise & Channel Sales Manager UK Western Digital® WDC UK, a Western Digital company

В ответе утверждается, что единственный диск WD с SMR — это накопитель на 20 Тбайт, предназначенный для дата-центров. По утверждению представителя WD, все остальные диски WD используют CMR.

Дальнейшие попытки добиться хоть какой-то внятной информации привели к предложению «обсудить проблему с инженерами и специалистами по жестким дискам в телеконференции». Телеконференция, впрочем, так и не состоялась. Пользователи обратились к журналистам.

14 апреля

Итак, Кристиан написал журналистам специализированного издания Blocks & Files. Журналисты разобрались в проблеме и выпустили статью Western Digital admits 2TB-6TB WD Red NAS drives use shingled magnetic recording.

Почему SMR в предназначенных для NAS дисках — это проблема? В статье приводится несколько примеров. В частности, пользователи, которые заменяли вышедшие из строя диски WD Red 6TB на новые модели WD60EFAX, получали атипично длительное время перестроения массивов SHR 1 и RAID 5 (от двух до восьми дней). У некоторых пользователей перестроение и вовсе завершалось с ошибкой: новый диск попросту исключался из массива как неисправный. Очевидно, что новые диски работают в разы хуже в сравнении с предыдущей моделью, а в некоторых случаях не выполняют заявленную задачу вовсе. Обман потребителя в полный рост — но представители Western Digital до сего дня отказывались как-либо комментировать ситуацию.

И вот впервые журналистам удалось получить от Western Digital внятный и конкретный ответ: «Актуальные модели WD Red 2–6 Tбайт компании Western Digital используют drive-managed SMR (DMSMR). Диски WD Red 8–14 Tбайт основаны на CMR. Вы правы в том, что мы не указываем технологию записи в документации на диски WD Red. При тестировании дисков WD Red мы не обнаружили проблем с перестроением RAID из-за технологии SMR».

В свое оправдание WD приводит следующий аргумент: «В типичной среде домашних NAS и NAS для малого бизнеса типичные нагрузки скачкообразны, это оставляет достаточно времени для сбора мусора и других сервисных операций». Журналисты из Blocks & Files возразили, что далеко не все нагрузки в рамках сетевых хранилищ «типичны» с точки зрения производителя. Скандал продолжал развиваться.

15 апреля

Статья попала в точку: у многих пользователей, что называется, наболело. Вызванная в Сети волна публикаций по следам оригинальной статьи побудила Blocks & Files продолжить расследование.

В статье Shingled hard drives have non-shingled zones for caching writes рассказывается о «ленточной» организации черепичного хранилища, как и о том, что у каждого SMR-накопителя есть буфер, использующий классическую запись CMR. Здесь прямая аналогия с современными накопителями SSD: есть медленная TLC или даже QLC NAND, но часть ее используется для буферизации записей в качестве псевдо-SLC-кеша. Так и здесь: в жестких дисках с черепичной записью SMR есть области CMR, использующиеся для ускорения записи. У пользователя, который тестирует диск популярным пакетом CrystalDiskMark, возникает иллюзия нормальности: диск и читает, и пишет данные без каких-либо сюрпризов.

Сюрприз обнаруживается тогда, когда объем записанных данных превышает размер области CMR или весь диск заполняется данными, после чего накопителю приходится на лету «уплотнять» информацию. Такие ситуации в рамках NAS могут возникать как минимум в двух случаях: при перестроении массива класса RAID 5 и подобных, в которых используются контрольные суммы, и при записи большого объема данных (например, создание и сохранение на диск обычной резервной копии). В таких сценариях видимая снаружи скорость записи падает в разы, а то и на один-два порядка. В моих собственных тестах скорость записи при перезаписи заполненного накопителя падала до 1–10 Мбайт/с при записи единственного файла объемом 1,5 Тбайт (резервная копия моей системы). Я нахожу такую скорость неприемлемой.

В той же статье автор рассказал и о том, что происходит при попытке перестроить массив RAID 5/6, если новый диск использует SMR. Огромное количество операций случайного ввода-вывода быстро вызывает переполнение области CMR; контроллер не успевает справиться с нагрузкой, возвращая ошибку отказа в обслуживании. Спустя короткое время (порядка сорока минут) диск полностью уходит в себя, а контроллер RAID исключает его из массива, помечая как неисправный.

Что интересно, ничего подобного не происходит при использовании других типов массивов — RAID 0/1, а также при создании нового массива RAID 5/6. Создается впечатление, что разработчики Western Digital попросту не проверили новые диски в сценарии перестроения массива RAID 5/6, ограничившись простейшими сценариями.

15 апреля

В очередной статье Seagate ‘submarines’ SMR into 3 Barracuda drives and a Desktop HDD журналисты продолжили эксплуатировать тему SMR, рассказав, что подобной практикой занимается и компания Seagate.

Seagate давно использует SMR в своих накопителях 2,5″, архивных Archive и десктопных Barracuda. Компания никогда не скрывала эту информацию. В то же время диски Seagate, предназначенные для работы в NAS (линейки IronWolf и IronWolf Pro), SMR не используют, что, собственно, и подтвердила компания. Таким образом, скандала не получилось: покупатель, который хотя бы минимально интересуется состоянием дел, всегда имеет возможность понять, какой именно диск он покупает и для чего. Особенности SMR описаны Seagate в технической документации к соответствующим накопителям; о них мы еще поговорим, пока же вернемся к хронологии.

16 апреля

На следующий день журналисты выяснили, что и в некоторых дисках Toshiba также используется SMR: Toshiba desktop disk drives have shingles too. Не уверен, что это кому-то интересно: доля накопителей Toshiba в типоразмере 3,5″ исчезающе мала. Впрочем, ознакомиться со списком моделей дисков Toshiba, в которых используется SMR, в любом случае не помешает. На сегодняшний день это 3,5-дюймовые диски Toshiba P300 Desktop PC и DT02 объемом 4 и 6 Тбайт, а также все без исключения 2,5-дюймовые модели поколения MQ04.

20 апреля

В Western Digital определенно напряглись и забеспокоились. В статье SMR in disk drives: PC vendors also need to be transparent опубликован официальный ответ Western Digital, в котором компания уверяет, что никаких проблем у дисков на самом деле нет, если их правильно использовать. Более свежую версию ответа можно прочесть в блоге Western Digital. Из текста можно сделать вывод, что перестроение массивов RAID 5/6 для дисков серии WD Red — неправильное использование, не надо так делать. И вообще, NAS и RAID совершенно не эквивалентные понятия, не надо их путать. Если пользователь хочет приспособить диск для NAS в составе массива RAID 5/6, то пусть берет что-нибудь подороже — например, из линейки Ultrastar DC, или вот WD Gold, или хотя бы WD Red Pro. Честное слово, именно так и написано: If you are encountering performance that is not what you expected, please consider our products designed for intensive workloads. These may include our WD Red Pro or WD Gold drives, or perhaps an Ultrastar drive. Не буду цитировать целиком этот результат работы департамента Western Digital по связям с общественностью, с ним можно ознакомиться по ссылке выше.

21 апреля

Разумеется, основной конкурент — компания Seagate не смогла не прокомментировать ситуацию. В статье Seagate says Network Attached Storage and SMR don’t mix представитель компании подчеркивает, что Seagate никогда не использовала черепичную запись в дисках IronWolf и IronWolf Pro, предназначенных для NAS, и не рекомендует использовать диски с SMR в сетевых хранилищах.

Впрочем, как мы знаем, Seagate тоже не сообщала покупателям десктопных дисков Barracuda о том, что в них используется черепичная запись, — для огромного количества пользователей это стало неприятным сюрпризом.

23 апреля

Журналисты не смогли пройти мимо поста WD. В статье Western Digital implies WD Red NAS SMR drive users are responsible for overuse problems задаются вполне резонные вопросы: а как, собственно, пользователь может — даже в теории! — узнать о потенциальных проблемах, если WD хранила сам факт использования SMR в NAS-накопителях в секрете? И если уж вы обвиняете пользователей в «неправильном» использовании дисков, то, пожалуйста, определите формально «правильные» и «неправильные» сценарии для каждой конкретной модели. Вот в старом WD60EFRX, например, перестроение RAID 5/6 было «правильным» сценарием, а в новой WD60EFAX стало «неправильным» — с этим можно жить, но… Но клиентам об этом сообщить забыли, при этом отказываясь отвечать на заданные недоумевающими пользователями вопросы.

24 апреля

Технология черепичной записи остается в накопителях WD Red, предназначенных для NAS, но производитель после беспрецедентного давления общественности нехотя и с оговорками согласился больше не устраивать из этого секрета. Теперь ты можешь сделать информированный выбор: покупать «старую» модель WD Red без SMR или «новую» с SMR. Или уйти к конкуренту, который не использует SMR в накопителях для NAS вовсе. Или взять наполненный гелием диск объемом от 8 Тбайт.

А пока общественность торжествует, давай посмотрим на то, как же обстоит дело с дисками, использующими технологию черепичной записи, можно ли считать их абсолютным злом, или в некоторых сценариях экономия оправданна.

Продолжение доступно только участникам

Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте

Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку! Подробнее

Вариант 2. Открой один материал

Заинтересовала статья, но нет возможности стать членом клуба «Xakep.ru»? Тогда этот вариант для тебя! Обрати внимание: этот способ подходит только для статей, опубликованных более двух месяцев назад.

Олег Афонин

Эксперт по мобильной криминалистике компании «Элкомсофт»

Что такое жесткий диск

Содержание статьи:

Жесткий диск – это устройство для записи, автономного хранения и считывания информации, используемой компьютером (сюда относится система Windows, сопутствующие ей программы). Также на нем хранятся документы, игры, видео, фото пользователя.

Устройство жесткого диска

Конструкция устройства жесткого диска — стандартна. Основной элемент — диски, изготовленные из алюминия, керамики или стекла (их может быть от 1 до 10). В просторечии они иногда называются пластинами или блинами. Диски покрыты тонким слоем ферромагнитного вещества, который и делает возможным запись и хранение информации. Для защиты слоя его сверху покрывают одним или (в дорогих моделях) несколькими слоями разного состава.

Блины надеты на подвижную ось (шпиндель), и зафиксированы сверху прижимным кольцом. Необходимые зазоры между дисками обеспечивают разделительные кольца, изготовляемые из полимеров или немагнитных сплавов. Кроме колец, между дисками находятся пластиковые или алюминиевые подковообразные пластины-сепараторы. Их назначение — оптимизация воздушных потоков внутри гермозоны и снижение уровня сопутствующих шумов. Считается, что алюминиевые сепараторы лучше справляются с задачей (они заодно охлаждают разогретый вращающимися дисками воздух).

Внутри корпуса находится двигатель, который раскручивает шпиндель и разгоняет до нужной скорости диски. Он управляется и питается через контактную площадку.

Для каждой «рабочей» поверхности диска есть одна (и только одна) магнитная головка, которая крепится на так называемом слайдере. Миниатюрная пластинка (слайдер) позволяет головке «планировать» над поверхностью диска. Слайдер крепится на пружинной подвеске. Несколько головок соединяются в блок (БМГ). Он установлен на кронштейне, в просторечии — «коромысле» с помощью подшипника, обеспечивающего их плавное перемещение. Конструкцию двигает привод БМГ, состоящий из катушки и двух мощных магнитов. Движение контролируют два ограничителя БМГ. Фиксатор обеспечивает неподвижность головок в зоне парковки.

Ток, поступающий с головок, настолько слаб, что для его усиления прямо на БМГ расположен чип, называемый предусилителем. Как понятно уже из названия, он усиливает сигнал (который сам не дойдет до платы управления, затухнув в пути) и посылает его через кабель на контактную площадку.

Все вышеописанное помещается в металлический корпус — короб, наглухо закрытый крышкой с резиновой прокладкой. Открывать его следует только в исключительных случаях — сбить тонкую настройку внутренних элементов винчестера очень легко.

Корпус называется гермоблоком («банкой» на профессиональном жаргоне). Иногда так называют емкость со всем содержимым. Короб не является полностью герметичным и имеет небольшое отверстие для выравнивания давления. Поскольку для правильного функционирования жесткого диска необходим очень чистый воздух, отверстие закрыто многослойным фильтром. Часто в фильтр добавляют силикагель — это помогает регулировать влажность внутри гермозоны.

Другой фильтр, называемый циркуляционным, расположен на пути воздушных потоков и собирает микроскопические частицы металла и смазки, неизбежно образующиеся в процессе работы любого, даже самого тонкого, устройства.

На внешней стороне корпуса находится плата управления, координирующая работу винчестера. Посредине платы находится процессор, который иногда еще называют микроконтроллером. Новые модели, как правило, состоят из двух частей: самого процессора, выполняющего необходимые расчеты и устройства чтения и записи. Устройство (или по-другому «канал») получая сигнал с головок, преобразует его в двоичный код. В режиме записи оно наоборот, превращает данные в аналоговый код. Процессор также управляет другими компонентами платы через порты ввода и вывода. С начинкой гермозоны он сообщается через контактную площадку.

Здесь же находится стандартный чип памяти, часть которой занята прошивкой. Следующий чип — контроллер, управляет двигателем, вращающим шпиндель с дисками, и блоком головок. Он также контролирует расположенные на плате источники питания, которые поставляют энергию процессору.

На плате установлена автономная флэш-память (в ней находится часть прошивки). После включения компьютера контроллер загружает ее и начинает выполнять полученные команды.

Датчики вибрации (на плате их может быть от двух и больше), улавливают сотрясения и передают данные контроллеру. Последний должен немедленно остановить диски и вернуть головки на парковочное место. Увы, помогает не всегда.

Другое, более надежное защитное устройство на плате — ограничитель напряжения. При его перепадах жертвует собой и сгорает.

Как работает жесткий диск

Рассмотрим детальнее особенности, как работает жесткий диск.

После включения контроллер загружает из флэш-памяти часть хранящейся там информации. Обработав ее, отдает приказ о запуске двигателя в гермозоне. Движок раскручивает до нужной скорости шпиндель и закрепленные на нем диски. Когда над блинами образуется достаточно сильный поток воздуха, контроллер дает команду о перемещении блока головок, которые зависают на высоте 10 нанометров над их поверхностью. «Полет» регулируется слайдерами и пружинными подвесками.

Работа головок начинается со считывания информации о состоянии диска с «нулевой дорожки». Если диск серьезно поврежден, винчестер не запустится. После проверки начинается обработка данных.

В режиме записи каждая головка генерирует электромагнитное поле, изменяющее вектор намагниченности на ферромагнитном покрытии диска. Считывая информацию, головка улавливает изменение в магнитном поле и передает соответствующие сигналы в предусилитель. Оттуда они попадают на контактную пластину, далее — в процессор, где и расшифровываются.

После завершения работы диски перестают вращаться, а головки выводятся в парковочную зону. Обычно так называется внешний край блинов. В некоторых моделях роль парковки выполняют специальные пластины вне дисков.

Виды жестких дисков

Рассмотрим детальнее основные виды жестких дисков.

HHD. Информация, поступающий на винчестер, записывается на диски, покрытые слоем ферромагнитного вещества. Устройство выгодно отличает дешевизна и большой объем памяти.

SSD. В отличии от магнитных жестких дисков, SSD работает по принципу заполнения микросхем памяти. Плюсы: надежность, ударопрочность, бесшумность, низкое энергопотребление, очень высокая скорость передачи информации. Недостатки: высокая цена, ограниченное количество циклов записи, удаленная информация не восстанавливается.

Форм-фактор

Жесткие диски обычно делят на две категории в зависимости от диаметра:

  • 3,5 дюйма — устанавливается в домашних компьютерах и обладает относительно большой памятью (до 10 Тб);
  • 2,5 дюйма — применяется в ноутбуках, медиаплеерах, портативных внешних дисках.

Преимущества: малый диаметр, быстродействие, экономное потребление энергии.

Недостаток: скромный объем памяти.

Интерфейс

Существует три вида разъемов для подключения винчестера к материнской плате на родном или постороннем компьютере.

IDE. Устройства подключаются через шлейф, причем передача идет в одном направлении (параллельно), менять его приходится вручную, переключая перемычки на шлейфе. Имеет слабую пропускную способность (133 Мб/сек).

SATA. Относительно новый интерфейс. Быстрее подключается (отдельным шлейфом) просто настраивается. Обмен информацией значительно быстрее. Диски с таким интерфейсом потребляют меньше энергии.

SCSI. Диски похожи на собратьев с интерфейсом IDE, но вращаются на большей скорости (до 15 000 оборотов). Это убыстряет получение данных, увеличивая также риск поломки. Диски этого типа имеют дополнительный контролер, управляющий обменом информации.

Внешний жесткий диск

Внешний жесткий диск — это переносное устройство для хранения информации, подключаемое к компьютеру через USB, USB-C или же при помощи более современных и скоростных интерфейсов (eeSATA, Fire-Vire, Thunderbolt). Представляет собой собственно хранитель информации в комплекте с платой-переходником и источником питания. Защищен пластиковым или металлическим корпусом.

Внешние жесткие диски предназначены для:

  • очистки компьютера от ненужных в данное время файлов;
  • разгрузки оперативной памяти;
  • долгосрочное хранения информации;
  • переноса больших объемов информации между устройствами.

Характеристики жесткого диска

Рассмотрим основные характеристики жесткого диска детальнее.

Размер. Имеет значение для внутренних дисков. В ПК ставятся HDD диаметром 3,5, в ноутбуках — 2,5 дюйма.

Тип разъема. Определяет скорость передачи информации с винчестера на материнскую плату и наоборот. Сейчас широко используется стандарт SATA. Для переносных дисков обычно подходит разъем USB.

Память. Минимальный объем выпускаемых сейчас дисков — 500 Гб, максимальный — 14 Тб.

Скорость. Количество оборотов шпинделя в секунду определяет время, за которое система находит и обрабатывает информацию. SSD

Время доступа. Те несколько миллисекунд, за которые головка находит свое место над диском и начинает считывать или записывать информацию. Измеряется среднее время.

Оперативная память. Зарезервирована для выполнения необходимых операций, основные из них — поиск, чтение и запись информации.

Уровень шума. Звуки, которые издает винчестер во время работы, измеряются в децибелах. Естественно, подержанный диск «гудит» громче, чем новый.

Надежность. Количество часов, которое может проработать диск без выключения. Трудно проверяемая величина, приходится верить разработчикам на слово.

Сопротивляемость. Способность жесткого диска не ломаться под воздействием давления и ударов. Измеряется во включенном, а затем в выключенном состоянии.

Почему жесткий диск называют винчестером

Согласно наиболее распространенной версии, жесткий диск называют винчестером, благодаря инженерам компании IBM, впервые выпустившей устройство современного типа (пластины и считывающие головки в герметическом корпусе). В разговорах между собой разработчики называли испытательную модель «30-30» — подразумевая конструкцию из двух модулей по 30 MB. Кеннет Хотон, руководивший проектом, в шутку назвал новый диск «винчестером» из-за аналогии с винтовочным патроном 30-30 Winchester, соответствующей фирмы. Патрон в свое время произвел революцию в оружейном деле, превзойдя по характеристикам все аналоги (именно благодаря ему бледнолицые сумели завоевать прерии).

Диск стал столь же популярен за счет быстродействия и низкой цены: в изобретении IBM, в отличии от дисков других фирм, магнитные головки не выводились за диски после окончания работы. Это ускорило их работу, упростило и удешевило привод головок, сам диск стал компактнее.

Фирма на этом не остановилась: новые технологии позволили отказаться от съемных дисков, их стационарные аналоги оказались проще, надежнее и дешевле. Стандартные (в то время) магнитные диски 14 дюймов в диаметре были заменены на «блины» в 8, затем 5 1/4 дюйма. Последние были использованы во входящих в моду персональных компьютерах.

Изначально такие диски стоили дорого и устанавливались как дополнительное внешнее устройство для самых топовых моделей ПК, но фирмы-производители сумели добиться значительного удешевления винчестера. Уже в начале девяностых он встраивается в каждый компьютер.

Череда усовершенствований и бурная деятельность IBM на рынке ПК привела к тому, что название «винчестер» вошло в обиход пользователей, На Западе оно не прижилось и вышло из употребления еще в прошлом веке, но пришлось по душе жителям СНГ. Оно используется как в технической литературе, так и в сленге программистов. Последние несколько сократили термин: теперь жесткий диск в народе именуют «винт», «винч», или по-свойски — «веник».

Производители жестких дисков

Список производителей жестких дисков более чем скромен. Сейчас на рынке представлена продукция лишь 3 компаний: Toshiba, WD, Seagate. Остальные (а их было свыше 200) отказались от невыгодного производства, влились в состав других фирм или разорились.

Toshiba — старая и уважаемая фирма. Почти все выпускаемые ею жесткие диски предназначены для домашних ПК и отличаются хорошим качеством. Сделав ставку на массовое производство, компания сумела снизить цены и оторваться от конкурентов. Ее продукция — хороший выбор для недорогих компьютеров.

Seagate — американская фирма, рабочие мощности которой перенесены в Таиланд и Китай. На качестве сборки это не отразилось. Плюсом жестких дисков компании является более высокая скорость записи и считывания информации. Цены в среднем выше, чем у конкурентов.

WD — компания из Калифорнии, конструкторские бюро которой находится в солнечном штате, а заводы — по всему миру. После поглощения Hitachi стала лидером отрасли. Получив в результате слияния дополнительные мощности, компания начала производить сразу несколько дополнительных линеек (в настоящее время их 6). Наибольшей популярностью пользуются недорогие диски серии Blue, предназначенные для офисных и домашних компьютеров.

Как выбрать жесткий диск

Перед покупкой стоит вспомнить о функциях вашего компьютера. Если ПК используется лишь для работы с офисными документами и вечерних просмотров фильмов, достаточно выбрать жесткий диск с минимальным объемом памяти (сейчас это 500 Гб). О быстродействии диска тоже можно не беспокоиться.

Если пользователь привык скачивать игры и фильмы из интернета, ему понадобится диск до 1 Тб. Настоящим геймерам и киноманам даже этого может оказаться недостаточно.

Перед приобретением «объемного», а значит, дорогого диска лучше убедиться в возможностях BIOS. Без расширения UEFI он просто не видит диски емкостью свыше 2 Тб.

Игроманам и специалистам, работающим с графическими и видеофайлами, стоит обратить внимание на скорость обработки информации (в технических характеристиках эти данные не указывается, но их результаты тестирования можно найти в интернете). Возможно, что в погоне за скоростью придется перейти с привычного магнитного на гораздо более дорогой, но «шустрый» SSD.

Неисправности жесткого диска

Случайное или ошибочное форматирование дисков, повреждения файловой системы, повреждение разделов в диске относят к логическим ошибкам. Такие неисправности жесткого диска «лечатся» программными методами и нет необходимости вмешиваться в устройство винчестера.

Аппаратные сбои требуют ремонта внутренних элементов и не всегда есть гарантия успеха.

Повреждение поверхности диска. Могут быть результатом износа либо ударов головки о поверхность, попадания на диск частиц пыли после разгерметизации корпуса. Чтение информации обычным способом с таких участков невозможно. Существует вероятность разрушения головки из-за трения и последующего перегрева. Ремонт невозможен, можно попытаться считать информацию при помощи специальных программ и перенести на резервный носитель.

Неисправность контроллера. Обычно является следствием короткого замыкания из-за попадания на поверхность платы влаги или пыли. Ремонтируется перепайкой части контактов, заменой поврежденных микросхем или самой платы.

Неисправности двигателя. Основных причин две: повреждение обмоток вращающего шпиндель двигателя и заклинивание самого шпинделя. В первом случае есть возможность заменить двигатель без разбалансировки дисков. Во втором — пытаются расклинить вал, что получается не всегда. В случае неудачи диски перемещают в донорский корпус, после чего могут возникнуть проблемы с балансировкой.

Неисправности головок. Иногда при внезапном выключении напряжения головки не успевают уйти в парковочную зону и опускаются на диск. Его поверхность и слайдеры «слипаются» и при повторном включении диск не запустится. Для отделения головок существуют специальные съемники. После операции на поверхности диска остаются нечитаемые «пятна», а сами головки могут быть повреждены.

Причиной разрушения головок могут быть удары о поверхность диска, попадание между головкой и диском частиц пыли, сильное сотрясение. В случае поломки одной или нескольких головок проводится попытка считывания информации при помощи оставшихся. Таким способом возможно восстановить от 20 до 70% объема памяти. Метод подходит для считывания лишь небольших файлов.

Причиной выхода из строя всего блока головок чаще всего становится сгорание предусилителя. Для восстановления памяти проводится пересадка ББМБМГ. Процедура ювелирная и дорогая.

Внешние запоминающие устройства

Метод записи данных на гибкий магнитный диск

Используют два основных метода записи: метод частотной модуляции (ЧМ) и метод модифицированной ЧМ. В контроллере (адаптере) НГМД данные обрабатываются в двоичном коде и передаются в НГМД в последовательном коде.

Способ частотной модуляции является двухчастотным. При записи в начале тактового интервала производится переключение тока в МГ и направление намагниченности поверхности изменяется. Переключение тока записи отмечает начало тактов записи и используется при считывании для формирования сигналов синхронизации.

Способ обладает свойством самосинхонизации. При записи «1» в середине тактового интервала производится инвертирование тока, а при записи «0» — нет. При считывании в моменты середины тактового интервала определяют наличие сигнала произвольной полярности.

Наличие сигнала в этот момент соответствует «1», а отсутствие — «0».

Формат записи информации на гибком магнитном диске

Каждая дорожка на дискете разделена на секторы. Размер сектора является основной характеристикой формата и определяет наименьший объем данных, который может быть записан одной операцией ввода-вывода. Применяемые в НГМД форматы различаются числом секторов на дорожке и объемом одного сектора. Максимальное количество секторов на дорожке определяется операционной системой. Секторы отделяются друг от друга интервалами, в которых информация не записывается. Произведение числа дорожек на количество секторов и количество сторон дискеты определяет ее информационную емкость.

Каждый сектор включает поле служебной информации и поле данных. Адресный маркер — это специальный код, отличающийся от данных и указывающий на начало сектора или поля данных. Номер головки указывает одну из двух МГ, расположенных на соответствующих сторонах дискеты. Номер сектора — это логический код сектора, который может не совпасть с его физическим номером. Длина сектора указывает размер поля данных. Контрольные байты предназначены

Среднее время доступа к диску в миллисекундах оценивается по следующему выражению: где — число дорожек на рабочей поверхности ГМД; — время перемещения МГ с дорожки на дорожку; — время успокоения системы позиционирования.

Конструкция дискет

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД)

Жесткий магнитный диск -это круглая металлическая пластина толщиной 1,5..2мм, покрытая ферромагнитным слоем и специальным защитным слоем. Для записи и чтения используется обе поверхности диска.

Принцип работы

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый).

В большинстве накопителей есть два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр. Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.

Частота вращения НЖМД в первых моделей составляла 3 600 об/мин (т.е. в 10раз больше, чем в накопителе на гибких дисках), в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла до 5 400, 5 600, 6 400, 7 200, 10 000 и даже 15 000 об/мин.

При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка «столкнется» с диском. Последствия этого могут быть разными — от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные «взлеты» и «приземления» головок, а также более серьезные потрясения.

В некоторых наиболее современных накопителях вместо конструкции CSS (Contact Start Stop) используется механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам входить в контакт с жесткими дисками даже при отключении питания накопителя. В механизме загрузки/разгрузки используется наклонная панель, расположенная прямо над внешней поверхностью жесткого диска. Когда накопитель выключен или находится в режиме экономии потребляемой мощности, головки съезжают на эту панель. При подаче электроэнергии разблокировка головок происходит только тогда, когда скорость вращения жестких дисков достигнет нужной величины. Поток воздуха, создаваемый при вращении дисков (аэростатический подшипник), позволяет избежать возможного контакта между головкой и поверхностью жесткого диска.

Поскольку пакеты магнитных дисков содержатся в плотно закрытых корпусах и их ремонт не предусмотрен, плотность дорожек на них очень высока — до 96 000 и более на дюйм (Hitachi Travelstar 80GH). Блоки HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков) собирают в специальных цехах, в условиях практически полной стерильности. Обслуживанием HDA занимаются считанные фирмы, поэтому ремонт или замена каких-либо деталей внутри герметичного блока HDA обходится очень дорого.

Метод записи данных на жесткий магнитный диск

Для записи на ЖМД используются методы ЧМ, модифицированной частотной модуляции (МЧМ) и RLL -метод, при котором каждый байт данных преобразуется в 16-битовый код.

При методе МЧМ плотность записи данных возрастает вдвое по сравнению с методом ЧМ. Если записываемый бит данных является единицей, то стоящий перед ним бит тактового импульса не записывается. Если записывается «0», а предыдущий бит был «1», то синхросигнал также не записывается, как и бит данных. Если перед «0» стоит бит «0», то синхросигнал записывается.

Дорожки и секторы

Дорожка — это одно «кольцо» данных на одной стороне диска. Дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.

Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка жесткого диска — от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт.

Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля.

При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочая служебная информация, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается.

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion ), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс — suffix portion ), в котором находится контрольная сумма ( checksum ), необходимая для проверки целостности данных.

Форматирование низкого уровня современных жестких дисков выполняется на заводе, изготовитель указывает только форматную емкость диска. В каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных — это только часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные отводится только 512 байт.

Чтобы очистить секторы, в них зачастую записываются специальные последовательности байтов. Префиксы, суффиксы и промежутки — пространство, которое представляет собой разницу между неформатированной и форматированной емкостями диска и «теряется» после его форматирования.

Процесс форматирования низкого уровня приводит к смещению нумерации секторов, в результате чего секторы на соседних дорожках, имеющие одинаковые номера, смещаются друг относительно друга. Например, сектор 9 одной дорожки находится рядом с сектором 8 следующей дорожки, который, в свою очередь, располагается бок о бок с сектором 7 следующей дорожки и т.д. Оптимальная величина смещения определяется соотношением частоты вращения диска и радиальной скорости головки.

Идентификатор (ID) сектора состоит из полей записи номеров цилиндра, головки и сектора, а также контрольного поля CRC для проверки точности считывания информации ID. В большинстве контроллеров седьмой бит поля номера головки используется для маркировки дефектных секторов в процессе форматирования низкого уровня или анализа поверхности.

Интервал включения записи следует сразу за байтами CRC ; он гарантирует, что информация в следующей области данных будет записана правильно. Кроме того, он служит для завершения анализа CRC (контрольной суммы) идентификатора сектора.

В поле данных можно записать 512 байт информации. За ним располагается еще одно поле CRC для проверки правильности записи данных. В большинстве накопителей размер этого поля составляет два байта, но некоторые контроллеры могут работать и с более длинными полями кодов коррекции ошибок ( Error Correction Code — ЕСС ). Записанные в этом поле байты кодов коррекции ошибок позволяют при считывании обнаруживать и исправлять некоторые ошибки. Эффективность этой операции зависит от выбранного метода коррекции и особенностей контроллера. Наличие интервала отключения записи позволяет полностью завершить анализ байтов ECC (CRC) .

Интервал между записями необходим для того, чтобы застраховать данные из следующего сектора от случайного стирания при записи в предыдущий сектор. Это может произойти, если при форматировании диск вращался с частотой, несколько меньшей, чем при последующих операциях записи.

Формат записи информации на жестком магнитном диске

В НЖМД обычно используются форматы данных с фиксированным числом секторов на дорожке (17, 34 или 52) и с объемом данных в одном секторе 512 или 1024 байта. Секторы маркируются магнитным маркером.

Начало каждого сектора обозначается адресным маркером. В начале идентификатора и поля данных записываются байты синхронизации, служащие для синхронизации схемы выделения данных адаптера НЖМД. Идентификатор сектора содержит адрес диска в пакете, представленный кодами номеров цилиндра, головки и сектора. В идентификатор дополнительно вводят байты сравнения и флага. Байт сравнения представляет одинаковое для каждого сектора число (осуществляется правильность считывания идентификатора). Байт флага содержит флаг — указатель состояния дорожки.

Контрольные байты записываются в поле идентификатора один раз при записи идентификатора сектора, а в поле данных — каждый раз при каждой новой записи данных. Контрольные байты предназначены для определения и коррекции ошибок считывания. Наиболее часто используются полиномные корректирующие коды (зависит от схемной реализации адаптера).

Среднее время доступа к информации на НЖМД составляет

где tn — среднее время позиционирования;

F — скорость вращения диска;

tобм — время обмена.

Время обмена зависит от технических средств контроллера и типа его интерфейса, наличия встроенное буферной кэш-памяти, алгоритма кодирования дисковых данных и коэффициента чередования.

Форматирование дисков

Различают два вида форматирования диска:

  • физическое, или форматирование низкого уровня;
  • логическое, или форматирование высокого уровня.

При форматировании гибких дисков с помощью программы Проводник ( Windows Explorer ) или команды DOS FORMAT выполняются обе операции.

Однако для жестких дисков эти операции следует выполнять отдельно. Более того, для жесткого диска существует и третий этап, выполняемый между двумя указанными операциями форматирования, — разбивка диска на разделы. Создание разделов абсолютно необходимо в том случае, если вы предполагаете использовать на одном компьютере несколько операционных систем. Физическое форматирование всегда выполняется одинаково, независимо от свойств операционной системы и параметров форматирования высокого уровня Тому, или логическому диску, система присваивает буквенное обозначение.

Таким образом, форматирование жесткого диска выполняется в три этапа.

  • Форматирование низкого уровня.
  • Организация разделов на диске.
  • Форматирование высокого уровня.
Форматирование низкого уровня

В процессе форматирования низкого уровня дорожки диска разбиваются на секторы. При этом записываются заголовки и заключения секторов (префиксы и суффиксы), а также формируются интервалы между секторами и дорожками. Область данных каждого сектора заполняется фиктивными значениями или специальными тестовыми наборами данных.

В первых контроллерах ST-506 /412 при записи по методу MFM дорожки разбивались на 17 секторов, а в контроллерах этого же типа, но с RLL -кодированием количество секторов увеличилось до 26. В накопителях ESDI на дорожке содержится 32 и более секторов. В накопителях IDE контроллеры встроенные, и, в зависимости от их типа, количество секторов колеблется в пределах 17-700 и более. Накопители SCSI — это накопители IDE со встроенным адаптером шины SCSI (контроллер тоже встроенный), поэтому количество секторов на дорожке может быть совершенно произвольным и зависит только от типа установленного контроллера.

Практически во всех накопителях IDE и SCSI используется так называемая зонная запись с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные содержат большее число секторов, чем близкие к центру. Один из способов повышения емкости жесткого диска — разделение внешних цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами. Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую длину окружности.

В накопителях, не использующих метод зонной записи, в каждом цилиндре содержится одинаковое количество данных, несмотря на то что длина дорожки внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. Это приводит к нерациональному использованию емкости запоминающего устройства, так как носитель должен обеспечивать надежное хранение данных, записанных с той же плотностью, что и во внутренних цилиндрах. В том случае, если количество секторов, приходящихся на каждую дорожку, фиксировано, как это бывает при использовании контроллеров ранних версий, емкость накопителя определяется плотностью записи внутренней (наиболее короткой) дорожки.

При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, причем по мере продвижения к внешнему краю диска дорожки разбиваются на все большее число секторов. Во всех цилиндрах, относящихся к одной зоне, количество секторов на дорожках одинаковое. Возможное количество зон зависит от типа накопителя; в большинстве устройств их бывает 10 и более. Скорость обмена данными с накопителем может изменяться и зависит от зоны, в которой в конкретный момент располагаются головки. Происходит это потому, что секторов во внешних зонах больше, а угловая скорость вращения диска постоянна (т.е. линейная скорость перемещения секторов относительно головки при считывании и записи данных на внешних дорожках оказывается выше, чем на внутренних).

При использовании метода зонной записи каждая поверхность диска уже содержит 545,63 сектора на дорожку. Если не использовать метод зонной записи, то каждая дорожка будет ограничена 360 секторами. Выигрыш при использовании метода зонной записи составляет около 52%.

Обратите внимание на различия в скорости передачи данных для каждой зоны. Поскольку частота вращения шпинделя 7 200 об/мин, один оборот совершается за 1/120 секунды или же 8,33 миллисекунды. Дорожки во внешней зоне (нулевой) имеют скорость передачи данных 44,24 Мбайт/с, а во внутренней зоне (15) — всего 22,12 Мбайт/с. Средняя скорость передачи данных составляет 33,52 Мбайт/с.

Организация разделов на диске

Разделы, создаваемые на жестком диске, обеспечивают поддержку различных файловых систем, каждая из которых располагается на определенном разделе диска.

В каждой файловой системе используется определенный метод, позволяющий распределить пространство, занимаемое файлом, по логическим элементам, которые называются кластерами или единичными блоками памяти. На жестком диске может быть от одного до четырех разделов, каждый из которых поддерживает файловую систему какого-нибудь одного или нескольких типов. В настоящее время PC-совместимые операционные системы используют файловые системы трех типов.

FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов). Это стандартная файловая система для DOS, Windows 9х и Windows NT. В разделах FAT под DOS допустимая длина имен файлов — 11 символов (8 символов собственно имени и 3 символа расширения), а объем тома (логического диска) — до 2 Гбайт. Под Windows 9х/Windows NT 4.0 и выше допустимая длина имен файлов — 255 символов.

С помощью программы FDISK можно создать только два физических раздела FAT на жестком диске — основной и дополнительный, а в дополнительном разделе можно создать до 25 логических томов. Программа Partition Magic может создавать четыре основных раздела или три основных и один дополнительный.

FAT32 (File Allocation Table, 32-bit — 32-разрядная таблица размещения файлов). Используется с Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 и Windows 2000. В таблицах FAT 32 ячейкам размещения соответствуют 32-разрядные числа. При такой файловой структуре объем тома (логического диска) может достигать 2 Тбайт (2 048 Гбайт).

NTFS (Windows NT File System — файловая система Windows NT). Доступна тольков Windows NT/2000/XP/2003. Длина имен файлов может достигать 256 символов, размер раздела (теоретически) — 16 Эбайт (16^1018 байт). NTFS обеспечивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми системами, например средства безопасности.

После создания разделов необходимо выполнить форматирование высокого уровня с помощью средств операционной системы.

Форматирование высокого уровня

При форматировании высокого уровня операционная система создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносится загрузочный сектор тома ( Volume Boot Sector — VBS ), две копии таблицы размещения файлов ( FAT ) и корневой каталог ( Root Directory ). С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и даже «обходит», во избежание проблем, дефектные участки на диске. В сущности, форматирование высокого уровня — это не столько форматирование, сколько создание оглавления диска и таблицы размещения файлов.

http://xakep.ru/2020/04/29/hdd-smr/
http://znatoki.org/tehnika/54-chto-takoe-zhestkij-disk.html
http://intuit.ru/studies/courses/3460/702/lecture/14152?page=2

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *