Жесткий диск - HDD - Изучение устройства ЭВМ, системного блока РС и подключение к нему оборудования

Жесткий диск - основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, "диск" имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2п поверхностей, где п - число отдельных дисков в группе.

Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных. При высоких скоростях вращения дисков (90 об/с) в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра.

При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись данных на магнитный диск.

Внешний вид и устройство жесткого диска показаны на рис. 16 и 17.

Рис. 16. Внешний вид HDD

Рис. 17. Внешний вид HDD

Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство - контроллер жесткого диска. В прошлом оно представляло собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему поставляются на отдельной плате.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время большинство производителей жестких дисков используют изобретенную компанией IBM технологию с использованием гигантского магниторезистивного эффекта (GMR -- Giant Magnetic Resistance). Теоретический предел емкости одной пластины, исполненной по этой технологии, составляет порядка 20 Гбайт. В настоящее время достигнут технологический уровень 6,4 Гбайт на пластину, но развитие продолжается.

С другой стороны, производительность жестких дисков меньше зависит от технологии их изготовления. Сегодня все жесткие диски имеют очень высокий показатель скорости внутренней передачи данных (до 30-60 Мбайт/с), и потому их производительность в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с материнской платой. В зависимости от типа интерфейса разброс значений может быть очень большим: от нескольких Мбайт/с до 13-16 Мбайт/с для интерфейсов типа EIDE; до 80 Мбайт/с для интерфейсов типа SCSI и от 50 Мбайт/с и более для наиболее современных интерфейсов типа IEEE 1394.

Кроме скорости передачи данных с производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся с частотой 5400 об/мин, среднее время доступа составляет 9-10 мкс, для дисков с частотой 7200 об/мин - 7-8 мкс. Изделия более высокого уровня обеспечивают среднее время доступа к данным 5-6 мкс.

Для связи жесткого диска с контроллером системной платы используются специальные интерфейсы: ATA, Serial ATA и SCSI.

Интерфейс АТА появился в результате воплощения идеи переноса контроллера диска непосредственно к накопителю. Так появился класс устройств IDE (Integrated Device Electronics) -- устройств со встроенным контроллером, имеющих ряд преимуществ перед устройствами с отдельным контроллером:

* За счет минимального удаления контроллера от диска удается существенно повысить быстродействие, поскольку отпадает необходимость передавать высокочастотные сигналы записи и чтения по длинным интерфейсным проводам. * Снимается проблема совместимости накопителей и контроллеров по физическим форматам записи. Обмен с устройствами IDE происходит информационными и управляющими байтами или словами, а не закодированными последовательностями импульсных сигналов.

Для подключения устройств IDE существует несколько разновидностей интерфейса:

АТА (Advanced Technology Attachment) IDE (16-бит), он же AT-BUS - интерфейс подключения к шине компьютера AT. В настоящее время это наиболее распространенный 40-проводной сигнальный и 4-проводной питающий интерфейс для подключения дисковых накопителей к компьютерам класса AT. Для миниатюрных (2,5" и меньших) накопителей используют 44-проводной кабель, по которому передается и питание.

В настоящее время в качестве официального названия интерфейса устройств IDE, ориентированного на подключение к шинам ISA и родственным им, применяют аббревиатуру ATA (AT Attachment - средства подключения к компьютеру AT).

Стандарт АТА-1 определяет оригинальный интерфейс AT Attachment. В спецификации АТА-1 определены и документированы следующие основные свойства:

* 40/44-контактный разъем и кабель; * параметры выбора конфигурации диска -- первичный/вторичный; * параметры сигналов для основных режимов PIO (Programmed I/O) и DMA (Direct Memory Access); * трансляция параметров накопителя CHS (Cylinder Head Sector) и LBA (Large Block Address).

Другими интерфейсами являются.

АТА-2 - расширенная спецификация ATA, включает 2 канала, 4 устройства, PIO Mode 3, multiword DMA mode 1, Block mode, объем диска до 8 Гбайт, поддержка LBA и CHS.

Fast АТА-2 разрешает использовать Multiword DMA Mode 2 (13,3 Мбайт/с), PIO Mode 4.

ATA-3 - расширение, направленное на повышение надежности. Включает средства парольной защиты, улучшенного управления питанием, самотестирования с предупреждением приближения отказа -- SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology).

АТА-4 или Ultra DMA/33 -- версия ATA/IDE со скоростью обмена по шине 33 Мбайт/с.

Устройства ATA IDE, E-IDE, АТА-2, Fast АТА-2, ATA-3 и Ultra DMA/33 электрически совместимы.

АТА-5 (Ultra-ATA/66, 2000 г.);

АТА-6 (Ultra-ATA/100, 2002 г.);

АТА-7 (Ultra-ATA/133, 2004 г.).

ATAPI (ATA Package Interface - пакетный интерфейс ATA) программная спецификация для подключения к интерфейсу ATA накопителей CD-ROM, стриммеров и других устройств, которым недостаточно системы команд ATA, явно ориентированной на дисковые устройства.

ATASPI (ATA Software Programming Interface) - менеджер ввода/вывода для Windows, обеспечивает асинхронные операции обмена с HDD, CD-ROM и стриммерами, использует 32-битный доступ и управление несколькими шинами.

E-IDE (Enhanced IDE) - расширенный интерфейс, реализуемый в адаптерах для шин PCI и VLB, позволяющий подключить до 4 устройств (к двум каналам), включая CD-ROM и стриммеры (ATAPI). Поддерживает PIO Mode 3, multiword DMA mode 1, объем диска до 8 Гбайт, LBA и CHS.

До последнего времени широко применялся четко стандартизованный интерфейс АТА-2. Интерфейс E-IDE с аппаратной точки зрения полностью соответствует спецификации АТА-2. Для передачи сигналов между адаптером шины и жестким диском (контроллером) предназначен 40-контактный ленточный кабель (рис. 18). Чтобы по возможности не допускать искажения формы сигнала, увеличения задержек и уровня помех, длина кабеля не должна превышать 46 см (18 дюймов).

Рис. 18. Интерфейсный кабель АТА

Стандартом в разъеме предусмотрено место для 44 контактов, хотя только первые 40 используются в большинстве дисков АТА формата 3,5 дюйма или больших. Дополнительные четыре контакта (41-44) используются прежде всего на меньших дисках формата 2,5 дюйма, применяемых в портативных компьютерах. (В таких дисководах нет отдельного разъема питания, так что дополнительные контакты в первую очередь предназначены для подачи электропитания к дисководу.)

Новые высокоскоростные интерфейсы IDE наиболее подвержены помехам, возникающим в кабелях, особенно в слишком длинных. В таком кабеле возможно нарушение целостности данных и другие неприятности.

В настоящее время применяется два типа кабелей - 40- и 80-жильные. В обоих используются 40 контактные разъемы, а остальные проводники в 80-жильном кабеле заземлены.

Рис. 19. Внешний вид 40 контактного разъема интерфейса ATA

Такое конструктивное решение позволяет снизить уровень помех в высокоскоростных интерфейсах UltraATA/66 или UltraDMA/66. Новый 80-жильный кабель обратно совместим с 40-жильным, так что лучше использовать именно этот тип кабеля, причем независимо от интерфейса установленного накопителя.

Двухдисковая конфигурация (подключение двух жестких дисков)

Установка двух накопителей IDE в одном компьютере может оказаться проблематичной, так как каждый из них имеет собственный контроллер и оба они должны функционировать, будучи подключенными к одной шине. Поэтому важно иметь метод, позволяющий адресовать каждую конкретную команду только одному контроллеру.

В стандарте АТА предусмотрен способ организации совместной работы двух последовательно подключенных жестких дисков. Статус жесткого диска (первичный или вторичный) определяется либо путем перестановки имеющейся в нем перемычки или переключателя обозначением Master для первичного и Slave для вторичного), либо подачей по одной из линий интерфейса управляющего сигнала CSEL (Cable SELect -- выбор кабеля).

При установке в системе только одного жесткого диска его контроллер реагирует на все команды, поступающие от компьютера. Если жестких дисков два (а следовательно, и два контроллера), то команды поступают на оба контроллера одновременно. Их надо настраивать так, чтобы каждый жесткий диск реагировал только на адресованные ему команды.

Рис. 20. Подключение жесткого диска ATA (IDE)

Именно для этого и служит перемычка (переключатель) Master/Slave и управляющий сигнал CSEL. Большинство накопителей IDE можно сконфигурировать следующим образом:

* первичный (один накопитель); * первичный (два накопителя); * вторичный (два накопителя); * выбор кабеля.

Каждому из контроллеров двух жестких дисков необходимо сообщить его статус - первичный или вторичный. В большинстве новых накопителей используется только один переключатель (первичный/вторичный), а на некоторых еще и переключатель существования вторичного диска (slave present).

На рис. 21 показано расположение описанных переключателей на задней части накопителя. В некоторых современных накопителях можно не устанавливать переключатели, т. е. по умолчанию принимается определенная конфигурация накопителя. Все необходимые для правильной работы накопителя положения переключателей приводятся в документации к накопителю.

Эта конфигурация используется для первого (или единственного) устройства со стандартным кабелем.

Эта конфигурация используется для второго устройства со стандартным кабелем

При использовании этой конфигурации переключатели обоих устройств должны быть установлены в одно положение; выбор первичного и вторичного устройства выполняется автоматически.

Рис. 21. Переключатели накопителя АТА (IDE)

Жесткий диск - HDD - Изучение устройства ЭВМ, системного блока РС и подключение к нему оборудования

Похожие статьи