Магнитные диски

Жесткий магнитный диск самое распространенное устройство хранения информации. Физический способ хранения информации – магнитная запись.

Схема конструктивного исполнения накопителя на магнитных дисках:

Головки записи/чтения размещены на подвижном каркасе и перемещаются все вместе. Чтение-запись информации в каждый момент времени производится одной головкой. Данные считанные головкой передаются в контроллер, который через шину данных системной магистрали передает их запросившему устройству или процессору.

На контроллер возлагаются сборка-разборка блоков информации, модуляция-демодуляция сигналов от головок записи – чтения и управления всеми механизмами накопления.

Вращение магнитного носителя дает возможность организовать на нем данные в виде концентрических окружностей, которые называются дорожками. В зависимости от конструкции головки записи-чтения количество дорожек может достигать 2000 и более. Соседние дорожки разделены зазором, который препятствует возникновению ошибок из-за неточности позиционирования головки. В логическом адресе минимального адресуемого блока для записи или считывания с внешнего ЗУ используется понятие цилиндра. Цилиндр – это совокупность дорожек расположенных на каждой из поверхностей дисков на одинаковом расстоянии от центра:

Каждая дорожка в свою очередь разбивается на блоки данных – секторы. В среднем на одной дорожке жесткого магнитного диска размещается от 10 до 100 секторов фиксированной или переменной длины (128, 256, 512, 1024 байт). Сектор имеет сложную структуру, составными элементами которой являются заголовок (идентификатор), область данных и служебная контрольная запись (рис).

В качестве логической единицы хранения операционная система ЭВМ использует кластер. Кластер – это минимальная единица записи/считывания, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.

Пример. Если при размере кластера, равному 2 секторам размер записываемого файла составляет 1040 байт, то файл займет на диске 2 кластера (2048 байт): один кластер будет заполнен полностью (1024 байт), а во втором будет лишь 16 байт. При этом оставшаяся незаполненная часть кластера будет недоступна для записи данных из других файлов.

Разбиение файлов на части с максимальным размером в один кластер позволяет размещать эти части в любом месте диска. Если части файла размещаются не в смежных кластерах, то такие файлы называются фрагментированными, а процесс сборки фрагментированных файлов и их смежное взаиморасположения для быстрого к ним доступа называется дефрагментацией.

Для идентификации начала дорожки и затем положения каждого сектора применяется так называемый индекс – метка в виде служебной информации распознаваемой контроллером диска.

Современные накопители на жестких магнитных дисках для хранения информации используют метод зонной записи. Так как длина дорожек у внешнего кольца диска больше, чем у центра, то на внешних дорожках при одинаковом количестве секторов межсекторные промежутки будут велики, что влечет за собой нерациональное использование дискового пространства. Жесткий диск содержит 10 и более концентрических зон: в каждой зоне дорожка содержит определенное количество секторов, число которых уменьшается ближе к центру.

Накопители на жестких магнитных дисках при высокой плотности хранения информации требуют особых условий для нормальной работы – герметичного корпуса, высокоточного механизма позиционирования головок, высокой скорости вращения магнитного носителя для снижения времени доступа.

Для повышения надежности хранения информации и одновременного увеличения производительности системы хранения данных жесткие диски объединяют в единую систему, называемую массивом RAID (Redundant Arrays of Independent Discs – избыточный массив независимых дисков). В RAID массивах надежность хранения информации обеспечивается за счет избыточности (хранение одинаковых копий информации на разных дисках) и применение корректирующего кода (код Хэмминга) для обнаружения и исправления ошибок. Увеличение производительности массива достигается параллельным считыванием информации одновременно с разных дисков.

Существует ряд уровней RAID массивов и их комбинаций, которые различаются по скорости, надежности и стоимости изготовления.