Часто задаваемые Hardware вопросы 5 - HDD

 

 Каждый день огромное количество людей на форумах задают множество вопросов, просят помочь или посоветовать продукт в той или иной секции. И наш родной гудгейм (goodgame.ru) - не исключение. В сегодняшнем креативе я попытаюсь рассмотреть широкий спектр наиболее популярных и часто задаваемых hardware вопросов и их последовательные решения. И сегодня пойдёт речь о жёстком диске...

Что такое жесткий диск?

Жесткий диск ( от английского Hard Disk - HDD), или винчестер/винт/хард/харддиск – это устройство для магнитного сохранения данных. Основными элементами жесткого диска является одна или несколько алюминиевых или стеклянных пластин, покрытых ферромагнитным сплавом, на которые записывается информация. В отличие от оперативной памяти, информация на жестком диске остается даже после выключения компьютера.


Название «винчестер», согласно одной из версий, накопитель получил благодаря компании IBM, которая выпустила в 1973 году жесткий диск модели 3340, который впервые в одном неразъемном корпусе объединил пластины диска и головки для считывания. При разработке накопителя инженеры использовали внутреннее обозначение «30-30», которое означало два модуля по 30 МБ при максимальной компоновке.

Руководитель проекта Кеннет Хотон по созвучию с названием популярного охотничьего ружья (в то время) «Winchester 30-30» предложил назвать разрабатываемый диск «винчестером». Впрочем, в США и Европе еще в 1990-х гг. название «винчестер» практически вышло из употребления. А в русском языке оно сохранилось и даже получило полуофициальный статус. В компьютерном сленге оно сократилось до «винт», который является наиболее употребимым вариантом названия.


Что такое SSD?


Твердотельный жесткий диск (Solid State Disk – SSD) разрабатывался с целью заменить жесткий диск - весьма хрупкую деталь в переносных компьютерах. Для производства SSD используют обычные модули флэш-памяти.


Таким образом, SSD состоит из массива флэш-микросхем и контроллера, который обеспечивает взаимодействие с ПК или ноутбуком по протоколу АТА или SATA. SSD-диски сейчас попускаются во всех популярных форм-факторах – 2,2", 1,8", реже – 3,5".


Как работает жесткий диск?


Что же представляет из себя конструкция жесткого диска? Основа винчестера - блок металлических дисков, покрытых специальным веществом, которое способно хорошо хранить воздействие магнитного поля (например, оксидом железа). Современные винчестеры содержат от одного до трех таких дисков. Диски имеют отличную балансировку и очень ровную поверхность, т.к. скорости вращения довольно велики (стандартные скорости - 7200 или 10000 об/мин), а точность позиционирования головок должна быть высокой.


Для записи на диск используются специальные магнитные головки (обычно по две на каждый диск - с обеих сторон диска), способные формировать магнитное поле под воздействием токовых импульсов. Такая магнитная головка намагничивает участок диска магнитным моментом определенной направленности (логический "ноль" или логическая "единица", в зависимости от направленности магнитного момента). Процесс намагничивания происходит путем подачи токового импульса в определенный момент времени, когда магнитная головка позиционирована в нужном месте.


Для чтения с диска используются специальные магниторезистивные головки, которые реагируют на изменение магнитного поля путем изменения силы тока, возбуждаемого в головке. Такой аналоговый сигнал считывается, преобразуется в цифровую форму и подается в компьютерную систему.


Информация на дисках размещается в виде концентрических окружностей - дорожек. Магнитные головки в процессе работы перемещаются с одной дорожки на другую. В современных винчестерах для перемещения магнитных головок используется соленоидный привод. На рисунке ниже представлена схема перемещения головок - они перемещаются вокруг своей оси. На обратной стороне головок закреплена катушка, которая притягивается в ту или иную сторону электромагнитом. Поскольку, диски винчестера вращаются, то, перемещаясь в ту или иную сторону, головка имеет доступ к любой точке диска. После отключения питания, считывающие головки уводятся с поверхности диска и паркуются. Падение головок на поверхность диска не допускается!


 

 



Информация на диске хранится в виде концентрических окружностей. Блок головок является одним целым, и все головки перемещаются одновременно. Каждая головка обслуживает одну сторону одного диска. В любой момент времени все головки находятся над одной и той же дорожкой, но над разными дисками. В вертикальной плоскости такая совокупность дорожек образует цилиндр.

Дорожка делится на сектора. Каждый сектор хранит 512 байт информации. Сектор - минимальный элемент дискового пространства.


Объем максимально возможной хранимой информации винчестера - это произведение трех составляющих: количества цилиндров, количества головок, количества секторов.


С технологической точки зрения проще изготавливать винчестеры с меньшим количеством дисков, но с большей плотностью дорожек на одном диске.


Следует сказать еще о таком нюансе, как физическое размещение цилиндров, головок и секторов, и логическое размещение.


Физического размещения мы коснулись чуть выше. Но, логически (а именно так их "видит" компьютер) программа Setup заносит эти параметры по-другому (обычно указывается на крышке винчестера), и в дальнейшем компьютер оперирует именно с логической разбивкой винчестера. Чтобы согласовать физическое и логическое размещение параметров диска, была создана специальная процедура - трансляция параметров диска. Блок трансляции находится на самом винчестере, и преобразует логические координаты в физические, обеспечивая доступ головок к нужной области физического диска.


При изготовлении дисков не избежать определенного процента браковочных секторов или даже дорожек (лишь бы сам диск обеспечивал нужный объем). При низкоуровневом форматировании, когда дисковое пространство разбивается на логические цилиндры, головки, сектора, такие браковочные участки помечаются и в дальнейшей эксплуатации данного винчестера не учитываются.


Какие основные характеристики жесткого диска?


1) Скорость вращения диска

2) Количество секторов на дорожке
3) Время поиска/время переключения головок/время переключения между цилиндрами
4) Задержка позиционирования
5) Время доступа к данным - ms
6) Кэш-память на жестком диске (объём буфера)
7) Размещение данных на диске
8) Скорость обмена между процессором и диском (чтение/запись)
9) Форм-фактор - Физический размер -> 3.5'', 2.5'', 1.8'', 1.3'', 1'', 0.85''
10) Интерфейс (IDE, SCSI, SATA (2.0 (3GB), 3.0 (6GB), USB 2.0, 3.0)

Как работает SSD?




Для чтения блока данных в винчестере сначала нужно вычислить, где он находится, потом переместить блок магнитных головок на нужную дорожку, подождать пока нужный сектор окажется под головкой и произвести считывание. Причем хаотические запросы к разным областям жесткого диска еще больше сказываются на времени доступа. При таких запросах HDD вынуждены постоянно «гонять» головки по всей поверхности «блинов» и даже переупорядочивание очереди команд спасает не всегда. А в SSD все просто — вычисляем адрес нужного блока и сразу же получаем к нему доступ на чтение/запись. Никаких механических операций — всё время уходит на трансляцию адреса и передачу блока. Чем быстрее флэш-память, контроллер и внешний интерфейс, тем быстрее доступ к данным.


А вот при изменении/стирании данных в SSD накопителе не так все просто. Микросхемы NAND флэш-памяти оптимизированы для секторного выполнения операций. Флеш-память пишется блоками по 4 Кб, а стирается по 512 Кб. При модификации нескольких байт внутри некоторого блока контроллер выполняет следующую последовательность действий:


- считывает блок, содержащий модифицируемый блок во внутренний буфер/кеш;

- модифицирует необходимые байты;
- выполняет стирание блока в микросхеме флэш-памяти;
- вычисляет новое местоположение блока в соответствии с требованиями алгоритма перемешивания;
- записывает блок на новое место.

Но как только вы записали информацию, она не может быть перезаписана до тех пор, пока не будет очищена. Проблема заключается в том, что минимальный размер записываемой информации не может быть меньше 4 Кб, а стереть данные можно минимум блоками по 512 Кб. Для этого контроллер группирует и переносит данные для освобождения целого блока.

Вот тут и сказывается оптимизация ОС для работы с HDD. При удалении файлов операционная система не производит физическую очистку секторов на диске, а только помечает файлы как удаленные, и знает, что занятое ими место можно заново использовать. Работе самого накопителя это никак не мешает и разработчиков интерфейсов этот вопрос раньше не волновал. Если такой метод удаления помогает повысить производительность при работе с HDD, то при использовании SSD становится проблемой. В SSD, как и в традиционных жестких дисках, данные все еще хранятся на диске после того, как они были удалены операционной системой. Но дело в том, что твердотельный накопитель не знает, какие из хранящихся данных являются полезными, а какие уже не нужны и вынужден все занятые блоки обрабатывать по длинному алгоритму.

Прочитать, модифицировать и снова записать на место, после очистки затронутых операцией ячеек памяти, которые с точки зрения ОС уже удалены. Следовательно, чем больше блоков на SSD содержит полезные данные, тем чаще приходится прибегать к процедуре чтение>модификация>очистка>запись, вместо прямой записи. Вот здесь пользователи SSD сталкиваются с тем, что быстродействие диска заметно снижается по мере их заполнения файлами. Накопителю просто не хватает заранее стёртых блоков. Максимум производительности демонстрируют чистые накопители, а вот в ходе их эксплуатации реальная скорость понемногу начинает снижаться.


Раньше в интерфейсе ATA просто не было команд для физической очистки блоков данных после удаления файлов на уровне ОС. Для HDD они просто не требовались, но появление SSD заставило пересмотреть отношение к данному вопросу. В результате в спецификации ATA появилась новая команда DATA SET MANAGEMENT , более известная как Trim . Она позволяет OC на уровне драйвера собирать сведения об удаленных файлах и передавать их контроллеру накопителя.

В периоды простоя, SSD самостоятельно осуществляет очистку и дефрагментацию блоков отмеченных как удаленные в ОС. Контроллер перемещает данные так, чтобы получить больше предварительно стертых ячеек памяти, освобождая место для последующей записи. Это дает возможность сократить задержки, возникающие в ходе работы.

Но для реализации Trim необходима поддержка этой команды прошивкой накопителя и установленным в ОС драйвером. На данный момент только самые последние модели SSD «понимают» TRIM, а для старых накопителей нужно прошить контроллер для включения поддержки этой команды. Среди операционных систем команду Trim поддерживают: Windows 7, Windows Server 2008 R2, Linux 2.6.33, FreeBSD 9.0. Для остальных ОС необходимо инсталлировать дополнительные драйвера и утилиты.

Например, для SSD от Intel существует специальная утилита SSD Toolbox, которая может выполнять процедуру синхронизации с ОС по расписанию. Кроме оптимизации, утилита позволяет выполнять диагностику SSD и просматривать SMART-данные всех накопителей компьютера. С помощью SMART, можно оценить текущую степень износа SSD – параметр E9 отражает оставшееся количество циклов очистки NAND-ячеек в процентах от нормативного значения. Когда величина, уменьшаясь от 100, дойдет до 1, можно ожидать скорое появление «битых» блоков.

Какие основные характеристики SSD?


1) Скорость обмена между процессором и диском (чтение/запись)

2) Форм-фактор - Физический размер -> 3.5'', 2.5'', 1,8"
3) Тип флеш памяти (NAND, RAM SSD)
4) Интерфейс (SATA (2.0 (3GB), 3.0 (6GB), USB (2.0, 3.0)
5) Время доступа к данным - ms

Какие преимущества/недостатки у SSD по сравнению с жёсткими дисками (HDD)?


Преимущества:

1) отсутствие подвижных частей;

2) скорости чтения и записи зачастую вплотную приближаются к пропускной способности интерфейса (SATA II 3 Gb/s, SATA III 6 Gb/s и т. д.) и возможностям применяемых контроллеров;
3) низкая потребляемая мощность;
4)полное отсутствие шума от движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;
высокая механическая стойкость;
5) широкий диапазон рабочих температур;
6) стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
7) малые габариты и вес;
большой потенциал для совершенствования характеристик накопителей и технологий их производства.

Недостатки:

1) цена (существенно выше в пересчёте на единицу объёма)

2) объём по сравнению с HDD
3) ограниченное количество циклов перезаписи (флеш память позволяет переписывать около 10000 раз а дорогорстоящие и улучшенный вид флеш памяти позовляет переписывать около 100000 раз)

Винчестеры каких фирм лучше покупать?


HDD (жесткий диск): Seagate, Western Digital, Samsung, Hitachi..

SSD (твердотельный жесткий диск): Crucial, A-Data, Corsair, Kingston, Intel,OCZ.....

От чего зависит объем винчестера?


От количества пластин, используемых технологий и методов записи.


Что такое метод продольной записи?


Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. При этом вектор намагниченности домена расположен продольно, то есть параллельно поверхности диска. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.


Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². К 2010 году этот метод был практически вытеснен методом перпендикулярной записи.


Что такое перпендикулярная запись?


Перпендикулярная запись — это новая, более прогрессивная технология магнитной записи, в сравнении с широко используемой сейчас технологией продольной записи. Если при продольной записи биты информации сохраняются в располагаемых вдоль дорожки доменах, то при вертикальной - перпендикулярно дорожке. То есть в традиционном способе записи домена как бы лежат на дорожках, а в перпендикулярном - "вбиты" в дорожку подобно гвоздям.


Что такое метод тепловой магнитной записи?


Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, плотность записи которых 150 Гбит/см². Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носителей до 7,75 Тбит/см². Широкого распространения данной технологии следует ожидать в 2011—2012 годах.


Структурированные носители данных?


Структурированный (паттернированный) носитель данных (англ. Bit patterned media), — перспективная технология хранения данных на магнитном носителе, использующая для записи данных массив одинаковых магнитных ячеек, каждая из которых соответствует одному биту информации, в отличие от современных технологий магнитной записи, в которых бит информации записывается на нескольких магнитных доменах.


Такая ориентация доменов позволяет использовать для записи более сильные магнитные поля и снизить занимаемую доменом площадь. В настоящее время плотность записи у современных образцов — 100-150 Гбит/кв. дюйм (15-23 Гбит/кв. см), а в перспективе может достигнуть 400 — 500 Гбит/кв. дюйм (60 — 75 Гбит/кв. см). Предполагается, что совершенствование методов перпендикулярной записи позволит в 10 раз увечить объемы винчестеров. Максимально достижимая плотность записи для продольного метода оценивается в 150 Гбит/кв. дюйм (23 Гбит/кв. см). Жесткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.


Что такое технология NCQ?


Эта технология используется в SATA-винчестерах для повышения быстродействия. NCQ — или Native Command Queuing (встроенная очередь команд) — позволяет накапливать запросы чтения\записи и оптимизировать порядок их выполнения с учетом минимизации количества перемещений головок и их простоя в ожидании нужного сектора. NCQ значительно повышает производительность при одновременной работе нескольких программ, которые используют произвольное чтение данных с винчестера. Технология должна поддерживаться и жестким диском, и SATA-контроллером чипсета.


Что такое мобильные винчестеры?


Внешние жесткие диски, называемые также мобильными, позволяют легко перенести вашу фильмотеку или всю музыку с одного компьютера на другой, прихватить их с собой в отпуск или командировку. Конструктивно такие накопители представляют собой стандартный винчестер, помещенный в небольшой бокс и снабженный USB или FireWire (IEEE-1394) интерфейсом для подключения к компьютеру. Наиболее удобны и мобильны накопители с 2,5 или 1,8 дюймовыми пластинами. Творческие личности могут купить набор «сделай сам», состоящий из дешевого, легкого, прочного корпуса-бокса с интерфейсом USB, куда можно установить любой необходимый или уже имеющийся у вас накопитель.


Можно ли заменить винчестер в ноутбуке?


Замена винчестера — одна из немногих возможностей апгрейда ноутбука. Необходимо подбирать новый SSD/HDD под правильные габаритные размеры и интерфейс (SATA, PATA - у ЖД, SATA, mSATA у SSD). Установка накопителя с меньшей частотой вращения возможна, но нецелесообразна. Повышенная скорость сможет дать некоторое увеличение производительности, но увеличит энергопотребление и тепловыделение, а возможный перегрев некоторых компонентов может привести к непредсказуемым последствиям.


Что такое RAID?


RAID (англ. redundant array of independent disks — избыточный массив независимых жёстких дисков) — массив из нескольких дисков, управляемых контроллером, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени отказоустойчивости и быстродействия. Служит для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи информации (RAID 0).


Какие RAID комбинации (поля) существуют?


RAID 0 представлен как дисковый массив повышенной производительности, без отказоустойчивости.

RAID 1 определён как зеркальный дисковый массив.
RAID 2 зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга.
RAID 3 и 4 используют массив дисков с чередованием и выделенным диском чётности.
RAID 5 используют массив дисков с чередованием и "невыделенным диском чётности".
RAID 6 используют массив дисков с чередованием и двумя независимыми "чётностями" блоков.
RAID 10 — RAID 0, построенный из RAID 1 массивов
RAID 50 — RAID 0, построенный из RAID 5
RAID 60 - RAID 0, построенный из RAID 6

Уровень шума у жестких дисков?


Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.


Для снижения шума от жестких дисков применяют следующие методы:

Программный, c помощью настройки, встроенной в большинство современных дисков, системы AAM. Переключение жёсткого диска в малошумный режим приводит к снижению производительности в среднем на 5-25 %, но делает шум при работе практически неслышным.
Использование шумопоглощающих устройств, закрепления дисков на резиновых или силиконовых шайбах или даже полная замена крепления на гибкую подвеску.

Если часто форматировать жесткий диск, он сломается?


Нет, на срок службы жесткого диска частота форматирования не влияет. Повредить диска может лишь механическое воздействие (например, встряска) во время его работы.


Частое форматирование улучшает производительность жесткого диска?


К сожалению, это не так - частота форматирования на производительность винчестера не влияет.


От частого форматирования быстро износится привод и головки?


Это не так. Дело в том, что форматирование - достаточно плавный процесс, охватывающий сектор за сектором. Вероятность того, что при столь последовательных плавных переходах что-либо может повредиться, ничтожно мала.


От "битых" секторов поможет избавиться низкоуровневое форматирование?


Нет. Форматирование на низком уровне лишь заменяет сбойные секторы секторами с резервных дорожек, которые предусмотрены на любом диске. Восстановить поврежденные участки вышеупомянутый способ форматирования не способен.


Первые признаки битых секторов?


1. Разные зависания, синие экраны, медленная загрузка операционной системы, медленное копирования файлов.

2. Предупреждения ОС о том, что жесткий диск поврежден.
3. В процессе установки Windows при выборе раздела появляется надпись, что невозможно установить Windows в этот раздел

Как проверить жесткий диск на битые сектора?


Для этого я советую использовать такие программы как Виктория или MHDD, но будьте осторожные с этими программами и обязательно читайте руководство к ним, эго так как и программы можно легко скачать с интернета. Этими программами можно так же и закрывать битые сектора.

Будьте очень осторожны, особенно если на жестком диске есть важная информация, так как ее можно легко потерять!

Как вылечить жесткий диск от битых секторов?


1. Для начала советую проверить жесткий диск средством Windows. Для этого Пуск – Выполнить и вводим команду cmd, в окне пишем chkdsk с: /F /R где с буква диска. Проверка будет выполнена после перезагрузки компьютера. В некоторых случаях это помогает. Мне кажется, это поможет только при логическом повреждении, а не при физическом.

2. Второй способ это попробовать программы MHDD, HDD Regenerator и им подобные. Но при использовании таких программ жесткий диск как правило форматируется. Будьте осторожны сохраните информацию с диска.
3. Обратится к специалистам (да да, тоже иногда помогает:)

 4. Купить новый жесткий диск.

Источники, ресурсы, из которых я черпал информацию: русская вики, mobilmag.ru, on-line-teaching.com...

Таак! Ну на этом на сегодня всё, уважаемыe пользователи и читатели, я надеюсь, что данный материал был хоть как-то полезным. В следующий раз рассмотрим Блок питания (БП). Удачи :)