Устройство жестких дисков

Жесткий диск — один из наиболее сложно устроенных компонентов компьютера, хотя принцип его работы достаточно прост: на вращающихся пластинах, покрытых магнитным слоем, записываются концентрические дорожки. Сложности возникают, когда принцип работы жесткого диска реализуется в устройстве размером с ладонь, хранящем гигабайты данных и способном непрерывно работать годами.

Гермоблок

Гермоблок — основная составляющая современного винчестера. Это массивное и жесткое литое основание, на котором смонтированы шпиндель с пакетом пластин и блок головок. Основание закрывается герметичной крышкой. Обычно в книгах подробно рассказывают об устройстве двигателей и приводов, типах и конструк­циях головок и т. д. Однако как только пользователь самостоятельно вскрывает гермоблок (рис. 2.1), то винчестер становится непригодным для работы. К такому же результату приводит и работа большинства сервисных центров.

clip_image002

Рис. 2.1. Гермоблок со снятой крышкой

Внутри корпуса накопителя с огромной скоростью вращается пакет пластин из алюминиевого сплава, расположенных друг над другом. Пакет закреплен на шпин­деле двигателя. Пластины покрыты слоем магнитного материала толщиной в не­сколько микрон. Над поверхностью пластин перемещаются головки, причем зазор между поверхностью пластин и головками составляет всего около 0,05 микрон. Это гораздо меньше, чем размеры самых мелких пылевых частиц, летающих в воздухе. Абразивный эффект любых частиц, попавших в зазор, таков, что головка после нескольких десятков столкновений окончательно выходит из строя, а на поверх­ности пластины при каждом столкновении образуются дефекты магнитного слоя. Разрушение магнитного слоя — это лавинообразный процесс. Дефект покрытия стремительно разрастается, а отлетающие частицы наносят новые выбоины и ско­лы. В результате вскрытия в домашних условиях гермоблока через несколько де­сятков минут работы винчестер может стать практически нечитаемым.

Все манипз^ляции, связанные со вскрытием гермоблока, требуют исключительной чистоты и практически бессмысленны в домашних условиях. Данная книга пред­назначена в основном для тех, кто хочет попробовать свои силы в восстановлении информации, поэтому здесь речь идет о средствах, реально доступных дома или в обычном сервисном центре. О специальных профессиональных средствах будет кратко сказано в разделе «Тяжелая артиллерия» данной главы.

Плата электроники

Плату электроники иногда называют платой контроллера. Под гермоблоком со­временного винчестера закреплена печатная плата, на которой находятся практи­чески все электронные схемы жесткого диска (рис. 2.2). Исключение — миниатюр­ный предварительный усилитель, установленный прямо на блоке головок внутри гермоблока.

clip_image004

Рис. 2.2. Плата электроники винчестера

На торец платы выведены разъемы интерфейса и питания, а также переключатели-джамперы. На плате расположены минимум четыре компонента.

? Схемы управления приводами шпинделя и позиционирования блока головок.

? Основной микропроцессор винчестера, который обеспечивает всю обработку и передачу данных между внешним интерфейсом и блоком головок. Внутри него обычно выделяют:

? цифровой сигнальный процессор (digital signal processor — DSP), отвеча­ющий за считывание и запись информации внутри винчестера;

? схемы интерфейса, поддерживающие обмен данными через внешний интер­фейс – SATA или IDE.

? Микросхема кэш-памяти.

? Микросхема flash-памяти (Flash-ROM, ПЗУ), хранящая микропрограмму (про­шивку) винчестера.

Кроме перечисленных компонентов, на плате присутствуют аналоговые радиоде­тали: конденсаторы, резисторы, полупроводниковые предохранители. Несмотря на то что часто речь идет о ремонте плат электроники, на практике платы обычно заменяются целиком. Конечно, перепаять резистор или предохранитель легко, но из строя они выходят довольно редко. А необходимые микросхемы, которые выхо­дят из строя гораздо чаще, найти непросто. Поскольку эти чипы выпускаются под определенные модели или серии приводов, найти их удается в основном только на такой же плате. Кроме того, каждой серии винчестеров обычно присущи свои кон­кретные дефекты, и сгорают на платах одни и те же детали. Плата от неисправного винчестера вряд ли пригодится. В результате для замены нужна полностью исправ­ная плата.

Плата соединена с гермоблоком одним или двумя разъемами. Нарушение контакта в этих плоских разъемах внешне проявляется как неисправность жесткого диска.

Геометрия и адресация

Внутри диска обычно находится целый пакет пластин, расположенных одна над другой, поэтому дорожки можно представить как цилиндр (Cylinder — С). Поверх­ность каждой стороны каждой пластины обслуживает отдельная головка (Head —Н). Любой диск можно условно разделить на секторы (Sector — S). Таким образом, если представлять, что в одном секторе записан один блок данных, этот блок всегда можно указать сочетанием трех «адресов»: номера цилиндра, номера головки и но­мера сектора — сокращенно CHS (рис. 2.3). Чтобы прочитать или записать опре­деленный блок данных, достаточно сообщить контроллеру жесткого диска эти три значения — головки перейдут на нужный цилиндр, а когда под ними окажется необходимый сектор, определенная головка прочитает или запишет информацию. Чтобы сообщить BIOS размер жесткого диска и то, как к нему следует обращаться, достаточно привести всего три значения: число цилиндров, головок и секторов на этом диске. Размер каждого сектора всегда неизменен: 512 байтов. Такая адресация называется адресацией CHS. Она является наиболее старой, стандартной и уни­версальной. Ее еще называют геометрией жесткого диска.

clip_image006

Рис. 2.3. Цилиндры, головки и секторы

В начале использования жестких дисков их емкость ограничивалась десятками мегабайтов, поэтому речь шла действительно о настоящих физических дорожках (цилиндрах), головках и секторах. Со временем плотность записи на каждой пласти­не возросла во много раз и контроллеры жестких дисков научились пересчитывать эти параметры и представлять BIOS совершенно условную конфигурацию диска, где, например, головок в четыре раза больше, а цилиндров в четыре раза меньше, чем имеется в действительности. Произведение всех трех величин всегда остается та­ким, каким оно является в действительности. Причиной, которая заставила отойти от реальной, физической, геометрии, стала сама история развития компьютерной техники. Производители винчестеров то опережали в своих разработках создателей контроллеров IDE и BIOS материнских плат, то наоборот. Поиски совместимости и компромиссов привели к тому, что сегодня отображаемое число цилиндров, го­ловок и секторов винчестера никак не соответствует настоящему устройству гер­моблока. У современных дисков даже число секторов может быть переменной ве­личиной. Дорожки, расположенные ближе к центру диска, разбиты на меньшее, а находящиеся на периферии — на большее количество секторов.

Адресация ECHS (Extended CHS), или Large, — дальнейшее развитие адресации CHS. Иначе ее называют фиктивной адресацией — количество цилиндров, головок

Уаройаво жеаких дисков 43

и секторов назначается изготовителем винчестера совершенно произвольно и за­писывается в CMOS контроллера.

Наряду с трехмерной адресацией CHS была придумана адресация логических бло­ков LB А — Logical Block Adress. С одной стороны, при этом типе адресации данные считываются логическими блоками, состоящими из нескольких секторов. Соот­ветственно, количество цилиндров делается меньше, а головок — больше, чем в дей­ствительности. С другой стороны, эта адресация линейная: каждому логическому блоку присваивается порядковый номер LBA. За нулевой принимается блок, ко­торый начинается с первого сектора нулевой головки нулевого цилиндра. Далее номера блоков определяются по формуле:

LBA = (CYL. HDS + HD) • SPT + SEC – 1,

где CYL, HD, SEC — номера цилиндра, головки и сектора в пространстве CHS; HDS — количество головок; SPT — количество секторов на дорожке.

ПРИМЕЧАНИЕ

Блоки, цилиндры и дорожки нумеруются, начиная с нуля, а секторы — с первого номера. Такая нумерация сложилась иаорически.

Современные винчестеры, как правило, поддерживают все три типа адресации, а выбор используемого типа остается за BIOS материнской платы. Если в настрой­ках BIOS выбран один из типов адресации, то винчестер за счет внутренней обра­ботки и преобразования данных представляется контроллеру именно таким обра­зом. Если взять три возможные конфигурации одного и того же диска, можно убедиться, что произведение CxHxS остается во всех трех случаях практически неизменным, а умноженное на размер сектора (512 байтов), оно составляет как раз емкость винчестера.

Нужно помнить, что ни количество головок, ни количество физических секторов на «блинах» внутри гермоблока от выбора той или иной адресации не меняется. Электроника винчестера (его микропрограмма) «создает» несуществующие голов­ки и соответствующим образом «подставляет» под них секторы и цилиндры. Этот процесс называют трансляцией адресов, а таблица трансляции обычно хранится во flash-памяти на плате электроники, но может быть записана и на скрытых служеб­ных дорожках.

Если предложить контроллеру автоматически выбрать тип адресации, то он выбе­рет CHS — универсальную адресацию. Если, как было сказано ранее, позволить BIOS выбирать настройки автоматически (auto), то адресация жестких дисков, как правило, происходит именно в CHS.

Организация дорожек и секторов

в действительности данные на пластинах винчестера организованы довольно сложно. Об истинном их расположении «знают» только контроллер и микропро­грамма винчестера. Пока все работает, через интерфейс жесткий диск видится как стандартная матрица блоков или секторов. Если же выходят из строя головки, разрушаются некоторые области пластин и т. д. Поэтому прочитать данные можно лишь штатными средствами такого жесткого диска. Сами специалисты фирм-из­готовителей признают, что все рассуждения на тему сканирования извлеченных из корпуса пластин, считывания остаточной намагниченности оказываются бесполез­ными. Даже теория хранения данных на винчестере оставляет место для неопре­деленности.

Достаточно жестко прописана на поверхности пластин лишь сервоинформация. Это магнитные метки и коды, которые указывают положение дорожек и секторов. Благодаря им головки позиционируются относительно пластин и находят нужные дорожки и секторы. Сервометки записываются на почти готовый винчестер в про­цессе изготовления на специальном оборудовании, после этого их невозможно ни стереть, ни изменить.

Полный объем каждого сектора составляет 571 байт. Из них 512 байтов предназна­чены для записи данных (data), а 59 байтов содержат служебные сведения о внут­реннем номере сектора, контрольные суммы и т. д. Эта информация записывается при низкоуровневом форматировании диска еще на заводе, и доступ к ней через интерфейс предельно ограничен.

При изготовлении пластин на них заранее допускается наличие небольшого коли­чества дефектных участков, иначе рентабельность производства резко снизится. Разумеется, характер и распространенность допустимых дефектов строго регла­ментированы. Кроме того, пластины с размеченными на них дорожками и секто­рами обладают большей емкостью, чем указано в паспорте диска. Этот запасной объем частично используется для хранения служебной информации, а частично для замещения дефектных и поврежденных секторов. После сборки поверхность дисков еще раз проверяется и в ПЗУ на плате электроники записывается карта расположения сбойных секторов, или таблица переназначения.

Процесс переназначения (remapping) сводится к тому, что, когда операционная система выдает запрос на информацию, находящуюся по адресу сбойного сектора, контроллер диска незаметно переадресовывает запрос к одному из запасных сек­торов. Контроллер постоянно обновляет карту дефектов, занося в нее каждый новый обнаруженный сбойный сектор. В современных винчестерах таблица пере­назначения может частично храниться во flash-памяти, а частично записываться на служебные дорожки самого диска. Фактически при обращении к диску контрол­лер пользуется таблицей, состоящей из двух частей. Первая — трансляция адресов, вторая — оперативные уточнения к ней, переназначение. Все это происходит на аппаратном уровне и никак не связано с форматированием, разделами или файло­вой системой. Дефектные секторы совершенно незаметны через интерфейс.

Практический вывод из всего сказанного касается случаев ремонта и замены элек­троники жесткого диска. По общему правилу, заменять плату можно лишь на плату от винчестера той же модели и серии (Model, ID и Part No). Все сведения о формате хранятся в гермоблоке, и после замены платы они должны успешно читаться. После замены платы с установленным на ней ПЗУ может быть перестрое­на или дополнена таблица переназначения секторов.

Похожие посты:

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий