Немного историиНе могу себе представить современный компьютер без устройства хранения информации, тем более в наши времена, когда мультимедийные данные требуют все больше и больше места для хранения. В качестве носителей информации за всю историю компьютеростроения применялась и применяется масса различных устройств, которые делятся на сменные носители информации и постоянные. К сменным можно смело отнести оптические диски, магнитооптические диски, дискеты, ZIP-накопители, стримеры и в последнее время набирающие популярность носители, основанные на флэш-памяти. Роль постоянных источников хранения информации у нас выполняют жесткие диски или – как модно их сейчас называть в народе – винты, веники, винчаки, винчестеры, НЖМД, HDD и так далее.
История развития винчестеров началась в далеком 1956 году, когда фирма IBM выпустила первый в мире винчестер под названием Ramac 305 (картинка выше). Само слово Ramac переводилось как Random Access Method of Accounting and Control (метод с произвольной выборкой расчетов и контроля), Ramac (или, как его еще называли, 350 Disk File) который по сути являлся частью вычислительной машины IBM 305.
Накопитель представлял из себя эдакое чудовище весом в одну тонну, которое состояло из пятидесяти алюминиевых 24-х дюймовых блинов, насаженных на шпиндель. Блины покрывались оксидом железа и находились в гермокамере, а БМГ (блок магнитных головок) приводился в действие рычагами. Работал этот монстр со скоростью вращения шпинделя 1200 rpm (rotation per seconds) и имел емкость по тем временам просто колоссальную в 4.4 Мб! Плотность записи при этом составляла 2000 бит на дюйм квадратный.
(IBM 3310)
В начале 70х компанией IBM был выпущен HDD состоящий из двух пластин размером 14 дюймов, который вмещал на каждую пластину по 30 мегабайт. Перекликающийся с карабином фирмы Winchester 30/30 жесткий диск в народе стали называть Винчестером. Чуть позже, в 1979 году, был выпущен диск IBM 3310 с пластинами 8 дюймов, за ним в 1980 году фирма Seagate выпускает первый диск ST-506 с размером пластин 5.25 дюйма, их-то и начали применять в первых персональных компьютерах.
Современные веникиСамый первый жесткий диск с размером пластин в 3,5 дюйма был представлен народу в 1984 году Шотландской компанией Rodime и назывался он RO352, именно он создал тенденцию к развитию данного форм-фактора.
Форм-фактором обычно называют размер пластин жесткого диска, который в свою очередь тесно связан с основным размером и с областью применения жесткого диска в целом. Самый распространенный ныне форм-фактор это 3.5&, который применяется в большинстве настольных моделей компьютеров, следом за ним идет 2.5& форм-фактор. Этот тип жестких дисков применяется в ноутбуках и портативных устройствах, таких как банкоматы, игровые автоматы и тому подобные устройства. Следом за ноутбучными идут так называемые микродрайвы которые имеют размер 1.8& и 1& (в настоящее время поговаривают о винтах 0.85&). Этот тип носителей устанавливают на mp3-плееры, на смартфоны, и на КПК, а также на различные миниатюрные устройства (автор данной статьи видел даже часы одной известной фирмы с HDD 1&)
При выборе жесткого диска пользователь обычно обращает внимание на объем, который исчисляется в байтах, на скорость вращения шпинделя в оборотах в минуту (rpm), а также на интерфейс подключения, объем кэша, тепловыделение и шумность работы.
Производительность жесткого диска бывает разной, в первом случае можно работать со множеством мелких файлов - здесь сыграет важную роль большой объем кэш-памяти, в другом случае нужно записывать и считывать большие по размеру файлы - в этом случае положительно отразится на производительности высокая плотность записи на пластины, выражаемая в дюймах на сантиметр квадратный.
Также немаловажную роль играет скорость вращения шпинделя двигателя, но она больше влияет на скорость доступа к данным, потому что для быстрого подвода БМГ к нужному сектору (откуда начнется считывание) нужно подождать оборота диска, а на это уходит время, хотя при офисной работе на него обращать особого внимания и не стоит, но при работе диска в режиме Web-сервера этот показатель выходит чуть ли не на первое место. Есть, конечно, жесткие диски, удовлетворяющие всем этим параметрам в той или иной степени, одни из них сразу позиционируются на свой сегмент рынка, другие же просто становятся брэндовым продуктом той или иной фирмы, например жесткий диск Raptor от WD имеет 10 000 оборотов в минуту, 300 Гб емкость, алюминиевый корпус с ребрами для повышенной теплоотдачи и высокую плотность записи, подкрепленную 16-мегабайтным кэшем.
Теперь давайте поговорим об интерфейсах подключения жестких дисков, на мой взгляд эту тему обходить вниманием нельзя, потому что говоря IDE-винт или SATA-винт, мы подразумеваем не что иное как интерфейс накопителя, который в свою очередь включает в себя такие понятия как контроллер и правила обмена данными, эти правила накладывают жесткие рамки на типы кабелей передачи данных, на питание накопителя и конечно же у каждого поколения интерфейса свои правила конфигурации нескольких жестких дисков на материнской плате.
Интерфейсы современных жёстких дисков делятся на два основных типа: IDE и SCSI.
IDEИнтерфейс IDE (Integrated Device Electronic) – понятие слишком пространное, чтобы его как-то конкретизировать. Посудите сами, к этому типу относятся такие стандарты как ATA, Fast ATA, Ultra ATA и EIDE. Вообще такое название вошло в обиход после того как компании Western Digital и Quantum решили встроить в жесткий диск контроллер 16-разрядной ISA шины. После этого разные фирмы начали выпускать собственные версии этого типа контроллера и как итог возникла несовместимость работы двух дисков с различными вариантами контроллеров на одном IDE канале. После такой неразберихи организацией ANSI был утвержден стандарт ATA.
ATA – интерфейс (ATA расшифровывается как Attachment – «прикрепление» к AT-стандарту компьютеров) прошел очень сложный и тернистый путь к тому, каким мы имеем его сейчас практически на каждой материнской плате. Изначально ATA работал только с жесткими дисками в режимах LBA и Block Mode, однако после была добавлена возможность подключения CD-ROM (до этого CD-ROM подключался через вход IDE на звуковой плате, LPT или COM) и был утвержден стандарт ATAPI (PI обозначает Packet Interface – что переводится как пакетная передача данных, ведь CD-ROM передаёт данные в пакетном режиме). Также существовала передача данных в режимах PIO и режимах DMA.
Режим PIO сейчас не применяется, а если применяется, то в исключительных случаях, когда DMA невозможен по причине конфликта устройств на каналах DMA или по причине выхода из строя контроллера. Суть PIO в том, что доступ к памяти компьютера при обмене информацией происходит при помощи CPU – из-за чего повышается его загрузка.
DMA же переводится как Direct Memory Access, то есть прямой доступ к памяти, причём нагрузка на CPU мала, т.к. обмен данными между накопителем и ОЗУ происходит практически без участия CPU.
И PIO-mode, и DMA имели много разновидностей, которые имели свои правила обмена данными и обладали каждый своими скоростными характеристиками. Если вы зайдете в диспетчер устройств своего компьютера и попросите свойства IDE ATA/ATAPI контроллера, то на вкладке Primary Channel и Secondary Channel сможете, сняв галку с чекбокса Let BIOS select transfer mode, посмотреть все доступные режимы передачи данных в которых способен работать ваш контроллер жесткого диска.
Существует несколько разновидностей режимов DMA среди которых значатся такие как: Single-word mode, Multi-word mode, Ultra DMA. Максимальная скорость передачи данных интерфейса ATAPI ограниченна 133 Мб\сек.
Интерфейсные кабели, по которым подключаются ATA-диски к материнской плате, широкие и многожильные и имеют 40/80 жил. Сорокажильные шлейфы применялись вплоть до стандарта Ultra DMA-3, а после него появились шлейфы Ultra DMA-4 с 80-тью жилами, в которых для устранения наводок с соседних жил (называемых Crosstalk) применены сорок промежуточных экранных жил. Если вы поставите жесткий диск с контроллером UltraDMA-5 на 40-жильный шлейф, то он у вас заработает на скорости 33 Мб\сек или будет работать в режиме ATA-66, но с ошибками. Длинна шлейфа IDE оговорена стандартом и не может быть короче 28 см или длинней 45 см – все что выходит за эти рамки, может давать ошибки при передачи данных.
В последнее время обороты стала набирать моддерская волна превращения широких IDE шлейфов в тонкие, путем переделки с помощью лезвия и последующего скручивания обособленных жилок изолентой. Не знаю, стоят ли красота и улучшение циркуляции воздушных потоков системного блока таких издевательств над оборудованием, но скорость передачи данных на таком шлейфе зачастую ощутимо падает из-за возникающих ошибок.
Стандарт ATA также имеет разделение на каналы и устройства. То есть вы при установке жесткого диска или CD/DVD-ROM должны в обязательном порядке джампером на задней панели устройства сконфигурировать свойства канала.
Существуют два канала IDE. В стандартной материнской плате они маркируются как IDE-1 и IDE-2 – посредством этих каналов конфигурируются устройства Master (главный) и Slave (вспомогательный). На каждом устройстве есть наклейка или гравировка положений джамперов для Master, Slave и CS. CS - Cable Select является положением в котором устройства конфигурируются на канале автоматически, но при этом нужен специальный кабель с пробоем 28-го провода.
Также существует правило по которым нельзя устанавливать разные устройства на один канал, например, вы обладаете двумя HDD и двумя оптическими накопителями. Дело в том, что они производят обмен в разных режимах (пакетный и блочный), поэтому блочные (HDD) ставим на IDE-1 Master/Slave a пакетные на IDE-2 Slave/Master. Если у вас на один канал припадает одно устройство, то желательно его «садить» на самый крайний конец шлейфа, во избежание отражающих наводок (аналог терменирования в SCSI)
Среди не очень опытных пользователей бытуют споры на тему ограничения адресации жестких дисков, присущих контроллерам до ATA-5, давайте разберемся по порядку:
Во-первых, адресацией называют то дисковое пространство, к которому контроллер может обратиться и считать/записать данные. Вычисляется она так: число 2 возводим в 28-ю степень и получаем 268435456 секторов, а поскольку один сектор на любом современном жестком диске равен 512 байтам, то умножим получившееся число на 512 и в итоге мы имеем страшенную сумму в 137438953472 байт. Чтобы узнать, сколько же все-таки может адресовать контроллер ATA-5 нам нужно перевести байты в гигабайты. Делается это так: делим полученное число на 1000, на 1000 и еще раз на 1000 и получаем 137,438953472 гигабайт.
Вы запротестуете, мол, «Уважаемый, Вас не учили считать мегабайты?» И будете правы. Дело в том, что по науке все кратно 1024, а не 1000, но не в случае с жесткими дисками. Начиная с продажи первых дисков их емкость считали кратно тысяче, а продавали нам как кратные 1024, и при этом мы теряем наши драгоценные гигабайты. Знаете, сколько получится, если пересчитать по науке? А ровно 128 гигабайт получится, господа! В итоге, по нехитрым подсчетам, выходит что мы теряем девять гигабайт. А платим-то за них все до копеечки! Адресация в 48 бит может позволить контроллеру «заглянуть» аж на 144 экзабайта, товарищи! А один экзабайт у нас сегодня равен 1024 терабайтам! Кстати, не все знают, что такая же карусель происходит с DVD-R/RW дисками – их емкость считают тоже кратно 1000, а мы в итоге имеем не 4.7 Гб, а 4.4 Гб.
S-ATAС ATAPI разобрались, теперь перейдем к уже набравшему обороты интерфейсу SATA. SATA появился а свет в 2003 году на осеннем IDF. Поскольку мы уже рассмотрели, что собой представляет стандарт предыдущего поколения, можно сделать краткий обзор отличий. Первое на что сразу стоит обратить внимание, это на кабель подключения – он теперь не такой широкий, как Parallel ATA, потому и называется Serial ATA, передача происходит не параллельно по каждому проводу, а последовательно. Колодки подключения на материнской плате также изменились, теперь они выглядят весьма элегантно. Сами же диски внешне ничем кроме задней панели не отличаются от своих предшественников. Иллюстрации:
Сам принцип работы SATA очень сильно изменился за счет «умной» работы накопителя в режиме Native Command Queuing (NCQ), позволяющей дисковому накопителю оптимизировать порядок выполнения команды чтения и записи, минимизируя таким образом потери времени, связанные с перемещением и позиционированием головки, также новым накопителям требуется гораздо меньше питания, оно уменьшилось с 3.3 у IDE-винтов до 1.8 вольт у SATA.
Длинна кабеля увеличена и может достигать метра по стандарту, но возможна работа и с более длинными образцами. Следует также отметить, что SATA это шина «горячего» подключения, то есть вы можете в процессе работы компьютера подключать и отключать SATA устройства, но далеко не все бюджетные материнские платы позволяют производить «горячее» подключение. Когда устройство SATA подключено к плате, «умеющей» горячее подключение, в системном трее поселяется значок безопасного отключения устройства, и производить отключение нужно ТОЛЬКО по средством этого способа, отключить системный диск конечно же не получится.
В новом интерфейсе нет разделения на главное устройство (Master) и вспомогательное (Slave), теперь для каждого устройства есть свой канал, которых уже встречается по восемь, и ОС работает с каждым устройством как с главным. Убедиться в этом можно, заглянув в диспетчер устройств – смотрите вкладку «Дисковые устройства». Для старых ОС в момент инсталляции нужно было иметь дискету с драйверами и нажимать F5 в процессе детектирования устройств. Новые реализации Windows XP – а уж тем более Vista справляются – с SATA-винтами запросто.
На сегодняшний момент в продаже есть жесткие диски SATA-1 и SATA-2. У первого передача данных достигает 150 Мб/сек, у второго 300 Мб\сек. на некоторых дисках есть переключатели из режима SATA-2 в режим SATA-1, это когда ваша материнская плата не может работать с дисками данного интерфейса. Стоит заметить, что 150 и 300 Мб/сек – это пропускная способность интерфейса, скорость чтения/записи с пластин редко превышает 80 Мб/сек.
SCSIИнтерфейс SCSI (Small ComputerSystem Interface) – в народе именуемый «скази» (или ласково - «сказик» :)) появился достаточно давно и изначально был нацелен на рынок серверных платформ и решений требующих множества одновременных запросов (web-сервер) и высокой линейной скорости чтения/записи (системы линейного видеомонтажа). Диски с интерфейсом SCSI также внешне похожи на IDE-собратьев, но интерфейс их подключения, а так же механика отличаются довольно ощутимо. Во-первых SCSI – это шина, а не канал, как IDE и SATA и на одной шине SCSI может располагаться до пятнадцати устройств. Принцип подключения и конфигурации SCSI весьма специфичен и сложен, мы не будем углубляться настолько, это разговор для отдельной статьи.
Шлейф для подключения SCSI дисков очень длинный и может достигать 12 метров (!). Поскольку шина SCSI может применяться не только для передачи данных между дисковым накопителем и компьютером, но и для передачи данных между различными устройствами, такими как сканеры, принтеры, а также оптические приводы с интерфейсом SCSI, для этого также существует свой интерфейс, который сильно отличается от дискового и смахивает на LPT.
Скорость передачи данных по современной шине SCSI сейчас колеблется от 160 Мб/сек до 320 Мб/сек, и уже существует шина 640 Мб/сек! Но сегодня SCSI диски и контроллеры остаются очень дорогими и применяются только в Hi-end системах или серверах.
Ну а SAS – это новое поколение и развитие SCSI интерфейса, на ровне с оптоволоконным интерфейсом Fibre Channel, SAS обладает более высокой производительностью и масштабируемостью.
О накопителях SAS (Serial Attached SCSI) говорить не будем, потому как этот тип накопителей предназначен для использования в серверах среднего и высокого уровня, по причине своей дороговизны простому пользователю он недоступен. Стоит отметить что эти накопители работают на скорости 15 000 rpm и требуют принудительного охлаждения.
