Capitolo – 2
Introduzione ai dischi rigidi
Introduzione
Nel mondo informatico moderno, i dischi rigidi hanno dimostrato di essere la parte più importante di un computer. Oggigiorno, il disco rigido è il dispositivo di archiviazione principale più comunemente utilizzato per archiviare tutti i tipi di dati ed è anche uno dei componenti più interessanti di un computer.
Per gli utenti di computer moderni sarebbe molto difficile anche solo immaginare cosa sarebbe la vita informatica senza dischi rigidi, dal momento che la maggior parte di noi oggi archivia miliardi di byte di informazioni sui propri computer.
I primi computer non avevano alcuna memoria. Ogni volta che si voleva eseguire un programma, bisognava immetterlo manualmente. Inoltre, rese impossibile gran parte di ciò che oggi consideriamo informatica, poiché non esisteva un modo semplice per far funzionare un computer con gli stessi dati più e più volte. Ben presto divenne chiaro che, affinché i computer diventassero strumenti davvero utili, era necessario un qualche tipo di archiviazione permanente.
Il primo supporto di memorizzazione utilizzato nei computer era la carta. I programmi e i dati venivano registrati utilizzando fori praticati su nastri di carta o schede perforate. Un lettore speciale utilizzava un raggio di luce per leggere le carte o il nastro. Dove c'era un buco, si leggeva "1", e dove la carta bloccava il sensore, si leggeva "0", o viceversa.
Sebbene si trattasse di un notevole miglioramento, queste carte erano comunque molto scomode da usare. In pratica, dovevi scrivere l'intero programma da zero su carta e farlo funzionare nella tua testa prima ancora di poter iniziare a provare a trasferirlo sulle schede, perché se commettevi un errore, dovevi riperforare molte schede. Era molto difficile visualizzare ciò con cui si stava lavorando.
Il successivo grande passo avanti rispetto alla carta fu la creazione del nastro magnetico. Registrando le informazioni in modo simile a come si registra il suono su nastro, questi nastri magnetici erano molto più flessibili, durevoli e veloci dei nastri di carta o delle schede perforate.
Naturalmente, il nastro è ancora utilizzato nei computer moderni, ma come forma di archiviazione offline o secondaria. Prima dell'avvento dei dischi rigidi, questi ultimi costituivano il principale mezzo di archiviazione per alcuni computer. Il loro principale svantaggio è che devono essere letti in modo lineare; Passare da un'estremità all'altra del nastro può richiedere diversi minuti, rendendo l'accesso casuale poco pratico.
Bene, torniamo al nostro argomento. IBM presentò il primo disco rigido adatto allo sviluppo commerciale. Non era come le unità disco che utilizziamo oggi. Utilizzavano tamburi cilindrici rotanti che memorizzavano schemi magnetici di dati. I tamburi erano grandi e difficili da maneggiare. I primi veri dischi rigidi avevano le testine a contatto con la superficie del disco. Ciò fu fatto per consentire all'elettronica a bassa sensibilità dell'epoca di leggere meglio i campi magnetici sulla superficie del disco, ma le tecnologie di produzione dell'epoca non erano lontanamente sofisticate come quelle odierne ed era impossibile rendere la superficie del disco liscia quanto bastava per consentire alla testina di scivolare dolcemente sulla superficie del disco ad alta velocità mentre era a contatto con esso. Con il passare del tempo, le testine o il rivestimento magnetico sulla superficie del disco si sono usurati.
In quanto scoperta fondamentale della nuova tecnologia IBM, che non richiedeva il contatto con la superficie del disco, divenne la base dei moderni dischi rigidi. Il primo disco rigido di questo tipo fu l'IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), introdotto il 13 settembre 1956. Questo disco rigido poteva memorizzare cinque milioni di caratteri, ovvero circa cinque megabyte, con una velocità di trasferimento dati di 8800 byte al secondo.
Nel 1962, IBM introdusse l'Advanced Disk File 1301. Il risultato più importante di questa innovazione fu la creazione di testine che galleggiavano o volavano sopra la superficie del disco su un cuscinetto d'aria, riducendo così la distanza tra le testine e la superficie del disco da 800 a 250 micropollici.
Nel 1973, IBM introdusse il disco rigido 3340, generalmente considerato il padre del disco rigido moderno, dotato di due dischi separati, uno permanente e uno rimovibile, ciascuno con una capacità di 30 MB. Il modello 3370 di IBM, introdotto nel 1979, è stata la prima unità disco con testine a pellicola sottile. Nello stesso anno, IBM presentò il modello 3310, la prima unità con piatti da 8 pollici, una notevole riduzione delle dimensioni rispetto ai piatti da 14 pollici che erano stati lo standard per oltre un decennio.
Il primo hard disk progettato nel formato da 5,25" utilizzato nei primi PC è stato il Seagate ST-506. Aveva quattro testine e una capacità di 5 MB. IBM ha ignorato l'ST-506 e ha scelto l'ST-412, un'unità da 10 MB nello stesso formato, per l'IBM PC/XT, rendendolo il primo hard disk ampiamente utilizzato nel mondo dei PC e dei PC compatibili.
Nel 1983, Rodime introdusse il modello RO352, il primo disco rigido a utilizzare il formato da 3,5 pollici, che divenne uno degli standard più importanti del settore. Nel 1985, Quantum introdusse l'Hardcard, un disco rigido da 10,5 MB che poteva essere installato su una scheda di espansione ISA per PC originariamente commercializzati senza disco rigido.
Nel 1986, Conner Peripherals presentò il CP340. Fu la prima unità disco a utilizzare un'unità a bobina mobile. Nel 1988, Conner Peripherals introdusse il CP3022, il primo drive da 3,5 pollici ad utilizzare l'altezza ridotta di 1 pollice, oggi definita "low profile" e standard per i moderni drive da 3,5 pollici. Nello stesso anno, PrairieTek introdusse un'unità che utilizzava piatti da 2,5 pollici. Nel 1990, IBM introdusse l'unità disco 681 (Redwing) con una capacità di 857 MB. È stato il primo a utilizzare sia le testine MR che PRML.
Presentata nel 1991, l'unità disco per mainframe Pacifica di IBM è stata la prima a sostituire i supporti in ossido con supporti a film sottile sulla superficie del piatto. Nello stesso anno, il 1820 di Integral Peripherals divenne il primo hard disk con piatti da 1,8", in seguito utilizzato per le unità PC-Card. Nel 1992, Hewlett Packard introdusse il C3013A, che divenne il primo drive da 1,3".
Nella storia dei dischi rigidi si sono verificati numerosi sviluppi che hanno conferito alle unità odierne il design, la forma, le prestazioni e la capacità moderni. È difficile elencarli dettagliatamente in questo libro.
Componenti del disco rigido
Un disco rigido è costituito dai seguenti componenti principali:
- Piatti e supporti per dischi
- Testine di lettura/scrittura
- Slider della testa, leve e azionamento
- Motore mandrino disco rigido
- Connettori e ponticelli
- Scheda logica
- Cache e layout della cache
Componenti del disco rigido
Piatti e supporti per dischi
Ogni disco rigido utilizza uno o più (generalmente più di uno) dischi rotondi e piatti chiamati platter , rivestiti su entrambi i lati con uno speciale materiale multimediale progettato per memorizzare informazioni sotto forma di pattern magnetici. Ogni superficie di ogni platter sul disco può contenere miliardi di bit di dati.
I piatti sono composti da due sostanze principali: un materiale di substrato che costituisce la maggior parte del piatto e gli conferisce struttura e rigidità, e un rivestimento magnetico che trattiene effettivamente gli impulsi magnetici che rappresentano i dati.
La qualità dei piatti e in particolare il rivestimento del loro supporto è fondamentale. La dimensione dei piatti nel disco rigido è il fattore determinante principale delle sue dimensioni fisiche complessive, generalmente chiamate anche fattore di forma dell'unità; la maggior parte delle unità è prodotta in uno dei vari fattori di forma standard per dischi rigidi.
A volte i dischi rigidi sono indicati con una specifica di dimensione. Se qualcuno ha un disco rigido da 3,5 pollici, significa che di solito si riferisce al fattore di forma del disco e, normalmente, il fattore di forma è denominato in base alla dimensione del piatto. I primi dischi rigidi avevano una dimensione nominale di 5,25", ma oggigiorno la dimensione del piatto del disco rigido più comune è 3,5" .
Le unità per laptop sono solitamente più piccole, a causa delle dimensioni ridotte previste e del minor peso. I piatti su queste unità sono solitamente di 2,5" di diametro o meno; 2,5" è il fattore di forma standard, ma unità con piatti da 1,8" e persino da 1,0" stanno diventando più comuni nelle apparecchiature mobili.
Sebbene le unità estendano i piatti per la maggior parte possibile della larghezza del pacchetto unità fisica, per massimizzare la quantità di storage che possono contenere nell'unità, la tendenza generale è verso piatti più piccoli. Ecco i motivi principali per cui le aziende stanno passando a piatti più piccoli anche per le unità desktop:
I piatti rigidi e rigidi sono più resistenti agli urti e alle vibrazioni e sono più adatti per essere accoppiati a mandrini ad alta velocità e altri hardware ad alte prestazioni. Riducendo il diametro del piatto del disco rigido di un fattore due, si quadruplica approssimativamente la sua rigidità.
Le dimensioni ridotte dei piatti riducono la distanza che l'attuatore della testina deve percorrere per spostare le testine da un lato all'altro per eseguire ricerche casuali. Ciò migliora il tempo di ricerca e rende più veloci le letture e le scritture casuali.
Gli ultimi mandrini per dischi rigidi stanno aumentando la velocità per motivi di prestazioni. I piatti più piccoli sono più facili da far girare e richiedono motori meno potenti, oltre a essere più veloci per far girare fino alla velocità da una posizione ferma.
La dimensione più piccola del piatto del disco rigido disponibile oggi è di 1" di diametro. L'incredibile Micro drive di IBM ha un singolo piatto ed è progettato per adattarsi a fotocamere digitali, organizer personali e altre piccole apparecchiature. Le dimensioni ridotte dei piatti consentono al Micro drive di funzionare a batteria, rallentare e riavviare in meno di un secondo.
Da un punto di vista ingegneristico, più piatti significano anche più massa e quindi una risposta più lenta ai comandi di avvio o arresto dell'unità. Ciò può essere compensato con un motore mandrino più potente, ma ciò comporta altri compromessi.
In effetti, la tendenza recente è stata quella di avere unità con meno bracci porta testina e piatti, non di più. La densità areale continua ad aumentare, consentendo la creazione di unità di grandi dimensioni senza utilizzare molti piatti. Ciò consente ai produttori di ridurre il numero di piatti per migliorare il tempo di ricerca senza creare unità troppo piccole per il mercato.
Anche il fattore di forma del disco rigido ha una grande influenza sul numero di piatti in un'unità. Ci sono diversi fattori che sono correlati al numero di piatti utilizzati nel disco. Le unità con molti piatti sono più difficili da progettare a causa della massa aumentata dell'unità mandrino, della necessità di allineare perfettamente tutte le unità e della maggiore difficoltà nel tenere sotto controllo rumore e vibrazioni.
Anche allora, sebbene gli ingegneri degli hard disk volessero mettere molti piatti in un modello particolare, il fattore di forma standard degli hard disk "slimline" è limitato a 1 pollice di altezza, il che limita il numero di piatti che possono essere messi in una singola unità. Naturalmente, gli ingegneri lavorano costantemente per ridurre la quantità di spazio libero richiesto tra i piatti, in modo da poter aumentare il numero di piatti nelle unità di una data altezza.
I pattern magnetici che compongono i tuoi dati sono registrati in uno strato di supporto molto sottile sulle superfici dei piatti del disco rigido; la maggior parte del materiale del piatto è chiamato substrato e non fa altro che supportare lo strato di supporto. Per essere adatto, un materiale di substrato deve essere rigido, facile da lavorare, leggero, stabile, magneticamente inerte, poco costoso e facilmente reperibile. Il materiale più comunemente utilizzato per realizzare i piatti è tradizionalmente una lega di alluminio, che soddisfa tutti questi criteri.
A causa del modo in cui i piatti girano con le testine di lettura/scrittura che fluttuano appena sopra di essi, i piatti devono essere estremamente lisci e piatti, pertanto sono state proposte alternative all'alluminio, come vetro, compositi di vetro e leghe di magnesio. Ora sembra sempre più probabile che il vetro e i compositi realizzati con il vetro saranno il prossimo standard per il substrato del piatto. Rispetto ai piatti in alluminio, i piatti in vetro presentano diversi vantaggi:
- Migliore qualità:
- Rigidità migliorata:
- Piatti più sottili:
- Stabilità termica:
Uno svantaggio del vetro rispetto all'alluminio è la fragilità, soprattutto se molto sottile.
Il materiale del substrato di cui sono fatti i piatti costituisce la base su cui viene depositato il supporto di registrazione effettivo. Lo strato del supporto è un rivestimento molto sottile di materiale magnetico in cui vengono archiviati i dati effettivi. In genere ha uno spessore di soli pochi milionesimi di pollice.
I vecchi dischi rigidi utilizzavano supporti in ossido. I supporti in ossido sono poco costosi da usare, ma presentano anche diversi difetti importanti. Il primo è che si tratta di un materiale morbido e facilmente danneggiabile dal contatto con una testina di lettura/scrittura. Il secondo è che è utile solo per l'archiviazione a densità relativamente bassa. Funzionava bene per i vecchi dischi rigidi con densità di dati relativamente bassa, ma poiché i produttori cercavano di impacchettare sempre più dati nello stesso spazio, l'ossido non era all'altezza del compito: le particelle di ossido diventavano troppo grandi per i piccoli campi magnetici dei nuovi progetti.
Gli hard disk odierni utilizzano supporti a film sottile. I supporti a film sottile sono costituiti da uno strato molto sottile di materiale magnetico applicato sulla superficie dei piatti. Per depositare il materiale del supporto sui piatti vengono impiegate tecniche di fabbricazione speciali.
Rispetto ai supporti in ossido, i supporti a film sottile sono molto più uniformi e lisci. Hanno anche proprietà magnetiche notevolmente superiori, che consentono di contenere molti più dati nella stessa quantità di spazio. Dopo aver applicato il supporto magnetico, la superficie di ogni piatto è solitamente ricoperta da uno strato sottile e protettivo in carbonio. In cima a questo viene aggiunto uno strato lubrificante super sottile. Questi materiali vengono utilizzati per proteggere il disco dai danni causati dal contatto accidentale con le testine o altri corpi estranei che potrebbero entrare nell'unità.
Testine di lettura/scrittura
Le testine sono l'interfaccia di lettura/scrittura per il supporto fisico magnetico su cui i dati sono archiviati in un disco rigido. Le testine svolgono il lavoro di conversione dei bit in impulsi magnetici e di archiviazione sui piatti, per poi invertire il processo quando i dati devono essere riletti. Le testine sono una delle parti più costose del disco rigido per consentire l'aumento delle densità areali e delle velocità di rotazione del disco.
Tuttavia, le testine GMR sono le più diffuse nei dischi rigidi odierni, ma sono state proposte diverse tecnologie per le testine di lettura/scrittura:
- Teste di ferrite
- Teste Metal-In-Gap (MIG)
- Teste a film sottile (TF)
- Teste magneto-resistive anisotropiche (AMR/MR)
- Teste magneto-resistive giganti (GMR)
- Teste Magnetoresistive Colossali (CMR)
Le testine di lettura/scrittura sono un componente estremamente critico nel determinare le prestazioni complessive del disco rigido, poiché svolgono un ruolo così importante nell'archiviazione e nel recupero dei dati. Le nuove tecnologie delle testine sono spesso il punto di innesco per aumentare la velocità e le dimensioni dei moderni dischi rigidi, pertanto le testine di lettura/scrittura sono la parte più sofisticata del disco rigido, che è di per sé una meraviglia tecnologica.
Ogni bit di dati da memorizzare viene registrato sul disco rigido utilizzando uno speciale metodo di codifica che traduce gli zeri e gli uni in schemi di inversioni del flusso magnetico. Ogni piatto del disco rigido ha due superfici utilizzate per memorizzare i dati in genere e c'è normalmente una testina per ogni superficie utilizzata sull'unità. Poiché la maggior parte dei dischi rigidi ha da uno a quattro piatti, la maggior parte dei dischi rigidi ha tra due e otto testine. Alcune unità più grandi possono avere 20 testine o più. Solo una testina può leggere o scrivere sul disco rigido in un dato momento. Un circuito speciale viene utilizzato per controllare quale testina è attiva in un dato momento.
La testina fluttua sulla superficie del disco e svolge tutto il suo lavoro senza mai toccare fisicamente i piatti. La quantità di spazio tra le testine e i piatti è chiamata altezza flottante o altezza di volo o gap della testina. I gruppi testina di lettura/scrittura sono caricati a molla utilizzando l'acciaio a molla dei bracci della testina che fa sì che i cursori premano contro i piatti quando il disco è fermo.
Questo viene fatto per garantire che le testine non si allontanino dai piatti, pertanto mantenere un'altezza di galleggiamento esatta è essenziale per un corretto funzionamento. Quando il disco gira fino alla velocità di funzionamento, l'alta velocità fa sì che l'aria scorra sotto i cursori e li sollevi dalla superficie del disco. La distanza dai piatti alle testine è un parametro di progettazione specifico che è strettamente controllato dai produttori.
Un disco rigido moderno ha un'altezza di galleggiamento di 0,5 micro pollici e persino i capelli umani hanno uno spessore di oltre 2.000 micro pollici, ecco perché è così importante tenere lo sporco lontano dal disco rigido. In realtà è abbastanza sorprendente quanto le testine volino vicine alla superficie dei dischi senza toccarsi. Particelle di polvere, impronte digitali e persino una particella di fumo sono un grosso problema per la testina di un disco rigido.
Struttura di lettura e scrittura dell'unità disco rigido
Quando la densità areale di un'unità viene aumentata per migliorare la capacità e le prestazioni, i campi magnetici vengono resi più piccoli e deboli. Per compensare, le testine devono essere rese più sensibili o l'altezza flottante deve essere ridotta.
Ogni volta che l'altezza flottante viene ridotta, gli aspetti meccanici del disco devono essere regolati per assicurarsi che i piatti siano più piatti, che l'allineamento del gruppo piatti e delle testine di lettura/scrittura sia perfetto e che non ci sia polvere o sporcizia sulla superficie dei piatti. Anche le vibrazioni e gli urti diventano più preoccupanti e devono essere compensati.
Questo è uno dei motivi per cui i produttori si stanno rivolgendo a piatti più piccoli, nonché all'uso di substrati per piatti in vetro. Le testine più recenti come le GMR sono preferite perché consentono un'altezza di volo maggiore rispetto alle testine più vecchie e meno sensibili, a parità di condizioni.
Schianto alla testa
Poiché le testine di lettura/scrittura di un disco rigido galleggiano su uno strato microscopico di aria sopra i piatti del disco stesso, è possibile che le testine possano entrare in contatto con il supporto sul disco rigido in determinate circostanze. Normalmente, le testine entrano in contatto con la superficie solo quando l'unità si sta avviando o arrestando.
Un moderno disco rigido gira 100 volte al secondo. Se le testine toccano la superficie del disco mentre è alla velocità operativa, il risultato può essere la perdita di dati, danni alle testine, danni alla superficie del disco o tutte e tre le cose. Questo è solitamente chiamato crash della testina, due delle parole più spaventose per qualsiasi utente di computer. Le cause più comuni di crash della testina sono la contaminazione che rimane incastrata nel sottile spazio tra la testina e il disco e l'urto applicato al disco rigido mentre è in funzione.
Parcheggio di testa
Quando i piatti non girano, le testine poggiano sulla superficie del disco. Quando i piatti girano, le testine sfregano lungo la superficie dei piatti finché non si raggiunge una velocità sufficiente per sollevarsi e galleggiare sul loro cuscino d'aria. Quando l'unità gira, il processo viene ripetuto al contrario. In entrambi i casi, per un periodo di tempo le testine entrano in contatto con la superficie del disco mentre è in movimento.
Sebbene i piatti e le testine siano progettati tenendo presente che questo contatto si verificherà, è comunque sensato evitare che ciò accada su un'area del disco in cui sono presenti dati.
Per questo motivo, la maggior parte dei dischi riserva una traccia speciale che è designata per essere dove le testine saranno posizionate per decolli e atterraggi. Questa area è chiamata zona di atterraggio, e non vi vengono posizionati dati. Il processo di spostamento delle testine in questa area designata è chiamato parcheggio delle testine.
Quasi tutti i nuovi sistemi operativi hanno una funzione integrata per parcheggiare automaticamente la testina quando è necessario. La maggior parte dei primi dischi rigidi che utilizzavano motori passo-passo non parcheggiavano automaticamente le testine dell'unità, quindi come precauzione di sicurezza venivano scritte molte piccole utility che l'utente avrebbe eseguito prima di spegnere il PC di quei giorni. L'utility avrebbe ordinato al disco di spostare le testine nella zona di atterraggio, e quindi il PC poteva essere spento in sicurezza.
Un parametro nella configurazione del BIOS per il disco rigido indica al sistema quale traccia era la landing zone per il particolare modello di disco rigido. Di solito, era la traccia con numero consecutivo successivo sopra quella con numero più grande effettivamente utilizzata per i dati. Le moderne unità disco rigido azionate da bobina mobile sono tutte auto-parcheggianti. Ora non è necessario parcheggiare manualmente le testine dei moderni dischi rigidi.
Slider per la testa, bracci e attuatori
Quando si accede ai piatti del disco rigido per operazioni di lettura e scrittura utilizzando le testine di lettura/scrittura montate sulle superfici superiore e inferiore di ogni piatto, è ovvio che le testine di lettura/scrittura non fluttuano semplicemente nello spazio. Devono essere tenute in una posizione esatta rispetto alle superfici che stanno leggendo e inoltre devono essere spostate da una traccia all'altra per consentire l'accesso all'intera superficie del disco.
Le teste sono montate su una struttura che facilita questo processo, spesso chiamata gruppo testa o gruppo attuatore o gruppo testa-attuatore. È composta da diverse parti. Le teste stesse sono montate su cursori per teste. I cursori sono sospesi sulla superficie del disco alle estremità dei bracci della testa. I bracci della testa sono tutti fusi meccanicamente in un'unica struttura che viene spostata sulla superficie del disco dall'attuatore.
Slider della testa
Ogni testina del disco rigido è montata su uno speciale dispositivo chiamato slider per testine o semplicemente slider in breve. La funzione dello slider è quella di supportare fisicamente la testina e tenerla nella posizione corretta rispetto al piatto mentre la testina fluttua sulla sua superficie. Le testine di lettura/scrittura del disco rigido sono troppo piccole per essere utilizzate senza essere collegate a un'unità più grande.
Gli slider hanno una forma speciale per consentire loro di scorrere con precisione sul piatto. Poiché le testine di lettura/scrittura del disco rigido si sono ridotte di dimensioni, lo stesso è accaduto agli slider che le supportano. Il vantaggio principale dell'utilizzo di slider piccoli è che riduce il peso che deve essere trascinato sulla superficie dei piatti, migliorando sia la velocità di posizionamento che la precisione. Gli slider più piccoli hanno anche una superficie inferiore per entrare potenzialmente in contatto con la superficie del disco. Ogni slider è montato su un braccio della testina per consentirne lo spostamento sulla superficie del piatto a cui è accoppiato.
Testa Braccia
I bracci della testina sono sottili pezzi di metallo, solitamente di forma triangolare, su cui sono montati i cursori della testina che trasportano le testine di lettura/scrittura. C'è un braccio per testina di lettura/scrittura e tutti sono allineati e montati sull'attuatore della testina per formare un'unica unità.
Ciò significa che quando l'attuatore si muove, tutte le testine si muovono insieme in modo sincronizzato. I bracci stessi sono realizzati in un materiale leggero e sottile, per consentire loro di essere spostati rapidamente dalle parti interne a quelle esterne dell'unità. I design più recenti hanno sostituito i bracci solidi con forme strutturali per ridurre il peso e migliorare le prestazioni.
Le unità più recenti raggiungono tempi di ricerca più rapidi in parte utilizzando attuatori più veloci e intelligenti e bracci porta testina più leggeri e rigidi, consentendo di ridurre il tempo di commutazione tra le tracce. Una tendenza recente nel settore degli hard disk è stata la riduzione del numero di piatti in varie famiglie di unità. Persino alcune unità di punta in varie famiglie ora hanno solo tre o addirittura due piatti, mentre quattro o cinque erano la norma un anno fa circa.
Una ragione di questa tendenza è che avere un gran numero di bracci di testina rende difficile realizzare la guida con una precisione sufficientemente elevata da consentire un posizionamento molto rapido su ricerche casuali. Ciò è dovuto al peso aumentato nel gruppo attuatore dai bracci extra e anche ai problemi di allineamento di tutte le testine.
Attuatore della testa
L'attuatore è una parte molto importante del disco rigido, perché cambiare traccia da una traccia all'altra è l'unica operazione sul disco rigido che richiede un movimento attivo. Cambiare le testine è una funzione elettronica e cambiare i settori implica l'attesa che il numero di settore giusto ruoti e si trovi sotto la testina. Cambiare traccia significa che le testine devono essere spostate e quindi assicurarsi che questo movimento possa essere eseguito in modo rapido e preciso è di fondamentale importanza.
L'attuatore è il dispositivo utilizzato per posizionare i bracci della testina su diverse tracce sulla superficie del piatto su diversi cilindri, poiché tutti i bracci della testina vengono mossi come un'unità sincrona, quindi ogni braccio si muove sullo stesso numero di traccia della sua rispettiva superficie. Gli attuatori della testina sono disponibili in due varietà generali:
- Motori passo-passo
- Bobine mobili
La differenza principale tra i due progetti è che il motore passo-passo è un sistema di posizionamento assoluto, mentre la bobina mobile è un sistema di posizionamento relativo.
Tutti i dischi rigidi moderni utilizzano attuatori a bobina mobile. L'attuatore a bobina mobile non è solo molto più adattabile e insensibile ai problemi termici. È molto più veloce e affidabile di un motore passo-passo. Il posizionamento dell'attuatore è dinamico e si basa sul feedback derivante dall'esame della posizione effettiva delle tracce. Questo sistema di feedback a circuito chiuso è talvolta chiamato anche servomotore o sistema di posizionamento servo ed è comunemente utilizzato in migliaia di applicazioni diverse in cui è importante un posizionamento preciso.
Motore mandrino
Il motore del mandrino o l'albero del mandrino è responsabile della rotazione dei piatti del disco rigido, consentendo al disco rigido di funzionare. Un motore del mandrino deve fornire una potenza di rotazione stabile, affidabile e costante per migliaia di ore di utilizzo spesso continuo, per consentire al disco rigido di funzionare correttamente perché molti guasti dell'unità sono in realtà guasti del motore del mandrino, non dei sistemi di archiviazione dati.
Il motore del mandrino di un disco rigido deve avere le seguenti qualità per durare a lungo e mantenere i tuoi dati al sicuro per lungo tempo:
- Deve essere di alta qualità, in modo da poter funzionare per migliaia di ore e tollerare migliaia di cicli di avvio e arresto senza rompersi.
- Deve funzionare in modo fluido e con vibrazioni minime, a causa delle strette tolleranze dei piatti e delle testine all'interno dell'unità.
- Non deve generare quantità eccessive di calore o rumore.
- Non dovrebbe assorbire troppa energia.
- La sua velocità deve essere regolata in modo che giri alla giusta velocità.
Per soddisfare queste esigenze, tutti i dischi rigidi per PC utilizzano motori mandrino DC servocontrollati. I motori mandrino dei dischi rigidi sono configurati per la connessione diretta. Non ci sono cinghie o ingranaggi utilizzati per collegarli al mandrino del piatto del disco rigido. Il mandrino su cui sono montati i piatti è collegato direttamente all'albero del motore.
I piatti sono lavorati con un foro delle dimensioni esatte del mandrino e sono posizionati sul mandrino con anelli separatori tra loro per mantenere la distanza corretta e fornire spazio per i bracci della testina. La quantità di lavoro che il motore del mandrino deve svolgere dipende dai seguenti fattori:
Dimensioni e numero di piatti: Piatti più grandi e più piatti in un drive significano più massa per il motore da far girare, quindi sono necessari motori più potenti. Lo stesso vale per i drive ad alta velocità.
o Gestione energetica: oggigiorno gli utenti desiderano sempre più dischi rigidi in grado di passare rapidamente dalla posizione di arresto alla velocità di funzionamento, il che richiede anche motori più veloci o più potenti.
Poiché nei dischi rigidi più recenti la velocità del mandrino è considerata un fattore importante, è diventato fondamentale anche controllare la quantità di rumore, calore e vibrazioni generati dai dischi rigidi a causa dell'elevata velocità del mandrino.
Alcune unità più recenti, in particolare i modelli da 7200 e 10.000 RPM, possono fare molto rumore quando sono in funzione. Se possibile, è una buona idea controllare un disco rigido in funzione prima di acquistarlo, per valutarne il livello di rumore e vedere se ti dà fastidio; questo varia molto da individuo a individuo. Il rumore prodotto varia anche in una certa misura a seconda dell'unità individuale, anche nella stessa famiglia. Il calore creato dal motore del mandrino può alla fine danneggiare l'hard disk, motivo per cui le unità più recenti e gli hard disk più recenti stanno prestando maggiore attenzione al loro raffreddamento.
Connettori e ponticelli
Ci sono diversi connettori e jumper in un disco rigido che vengono utilizzati per configurare il disco rigido e collegarlo al resto del sistema. Il numero e i tipi di connettori sul disco rigido dipendono dall'interfaccia dati che utilizza per connettersi al sistema, dal produttore dell'unità e da eventuali caratteristiche speciali che l'unità può possedere.
Le istruzioni per l'impostazione dei jumper comuni sono solitamente stampate direttamente sull'unità. Le unità disco rigido utilizzano una spina di collegamento maschio standard a 4 pin che prende uno dei connettori di alimentazione provenienti dall'alimentatore. Questo connettore in plastica a 4 fili fornisce tensione +5 e +12 all'hard disk.
Esistono due tipi di interfacce, una delle quali solitamente utilizzata dai moderni hard disk:
- IDE/ATA: Ha un connettore rettangolare a 40 pin.
- SCSI: un connettore a forma di D da 50 pin, 68 pin o 80 pin. Tutti questi tre numeri di pin rappresentano un diverso tipo di disco SCSI come:
- Un connettore a 50 pin indica che il dispositivo è SCSI stretto.
- 68 pin indicano SCSI ampio.
- 80 pin indicano un SCSI ampio con collegamento a connettore singolo (SCA).
Connettori e ponticelli
I connettori sulle unità disco rigido sono generalmente sotto forma di una griglia rettangolare di pin 2xN (dove N è 20, 25, 34 o 40 a seconda dell'interfaccia) . La maggior parte degli attuali connettori di interfaccia SCSI sono codificati per impedire l'inserimento errato perché sono a forma di D, questo non è sempre il caso per altre interfacce.
Per questo motivo, è importante assicurarsi che il cavo sia orientato nel modo corretto prima di collegarlo. Il cavo ha una striscia rossa per indicare il filo 1 e il disco rigido utilizza marcatori di una forma o dell'altra per indicare il pin 1 corrispondente.
I dischi rigidi IDE/ATA sono abbastanza standard in termini di jumper. Di solito ci sono solo poche impostazioni di jumper e non variano molto da un'unità all'altra. Ecco le impostazioni di jumper che normalmente troverai in un disco rigido:
Selezione unità: potrebbero esserci due unità, master e slave sullo stesso canale IDE. Un jumper viene normalmente utilizzato per indicare a ciascuna unità se deve funzionare come master o slave sul canale IDE.
Per un singolo drive su un canale, la maggior parte dei produttori indica che il drive deve essere ponticellato come master, mentre alcuni produttori, in particolare Western Digital, hanno un'impostazione separata per un singolo drive rispetto a un master su un canale con uno slave. I termini master e slave sono fuorvianti poiché i drive non hanno realmente alcuna relazione operativa.
Slave Present: alcune unità hanno un jumper aggiuntivo che viene utilizzato per comunicare a un'unità configurata come master che c'è anche un'unità slave sul canale ATA. Questo è necessario solo per alcune unità più vecchie che non supportano la segnalazione standard del canale IDE master/slave.
Selezione cavo: alcune configurazioni utilizzano un cavo speciale per determinare quale unità è master e quale è slave e, quando si utilizza questo sistema, normalmente è abilitato un ponticello di selezione cavo.
Jumper di restrizione delle dimensioni: alcune unità disco rigido più grandi non funzionano correttamente nei computer più vecchi che non hanno un programma BIOS o un supporto per dischi rigidi di grandi dimensioni che le riconoscono. Per aggirare questo problema, alcune unità hanno speciali jumper che, una volta impostati, faranno sì che appaiano di dimensioni inferiori rispetto a quelle reali al BIOS per compatibilità.
Ad esempio, alcuni dischi rigidi da 2,5 GB hanno un jumper che li farà apparire come dischi rigidi da 2,1 GB a un sistema che non supporta nulla oltre i 2,1 GB. Questi sono anche chiamati jumper di limitazione della capacità e variano da produttore a produttore.
Esempio di impostazione del jumper di un modello di disco rigido Seagate Technology
Gli hard disk SCSI hanno controller più sofisticati rispetto agli hard disk IDE/ATA, pertanto gli SCSI hanno in genere molti più jumper che possono essere impostati per controllarne il funzionamento. Tendono anche a variare molto di più da produttore a produttore e da modello a modello nel numero e nei tipi di jumper che hanno.
In genere i ponticelli delle unità SCSI più comuni e importanti sono i seguenti:
ID dispositivo SCSI: ogni dispositivo su un bus SCSI deve essere identificato in modo univoco per scopi di indirizzamento. Le unità SCSI Narrows avranno un set di tre jumper che possono essere utilizzati per assegnare al disco un numero ID da 0 a 7. Le unità SCSI Wide avranno quattro jumper per abilitare numeri ID da 0 a 15. Alcuni sistemi non utilizzano jumper per configurare gli ID dispositivo SCSI.
Ponticelli delle unità SCSI
Termination Activate: i dispositivi alle estremità del bus SCSI devono terminare il bus affinché funzioni correttamente. Se il disco rigido si trova alla fine del bus, l'impostazione di questo jumper causerà la terminazione del bus per un corretto funzionamento. Non tutte le unità supportano la terminazione.
Disabilita avvio automatico: se presente, questo jumper indicherà all'unità di non avviarsi automaticamente quando viene applicata l'alimentazione, ma di attendere invece un comando di avvio tramite il bus SCSI. Di solito, ciò viene fatto per evitare un carico di avvio eccessivo sull'alimentatore. Alcuni produttori invertono il senso di questo jumper; disabilitano l'avvio per impostazione predefinita e forniscono un jumper Enable Auto Start.
Delay Auto Start: questo jumper indica all'unità di avviarsi automaticamente, ma di attendere un numero predefinito di secondi dall'applicazione dell'alimentazione. Viene anche utilizzato per compensare il carico di avvio del motore su sistemi con molte unità.
Stagger Spin: quando un sistema con molti dischi rigidi ha questa opzione impostata per ogni unità, i dischi scaglionano il loro tempo di avvio moltiplicando una costante definita dall'utente per il loro ID dispositivo SCSI. Ciò garantisce che non si avviino contemporaneamente due dischi sullo stesso canale SCSI.
Stretto o largo: alcune unità dispongono di un ponticello per controllare se funzionano in modalità stretta o larga.
Forza SE: consente di forzare le unità Ultra2, Wide Ultra2, Ultra160, Ultra160+ o altre unità SCSI LVD a utilizzare il funzionamento single-ended (SE) anziché LVD (low voltage differential).
Disabilita parità: disattiva il controllo di parità sul bus SCSI, per garantire la compatibilità con gli adattatori host che non supportano questa funzionalità.
Ma non è tutto. Molte unità SCSI hanno alcune funzionalità speciali aggiuntive che vengono abilitate tramite più jumper. Alcune unità hanno sostituito alcuni dei loro jumper con comandi software inviati tramite l'interfaccia SCSI.
Scheda logica
Le unità disco rigido più recenti sono state introdotte con molte funzionalità e velocità più elevate e lo sviluppo è ancora in corso. Per controllare tutte queste funzioni e fornire le funzionalità ad alte prestazioni del disco nel modo avanzato in cui ci si aspetta che siano, tutti i moderni dischi rigidi sono realizzati con una scheda di circuito intelligente integrata nell'unità disco rigido. Questa scheda di circuito è chiamata Hard Disk Logic Board. Una scheda logica utilizza i seguenti componenti importanti per fornire una varietà di funzioni e caratteristiche a un disco rigido:
- Circuito di controllo
- Circuiti di rilevamento, amplificazione e conversione
- Interfaccia Hardware
- Firmware
- Controllo e riordino di comandi multipli
Entrambe le due interfacce più comuni e diffuse oggi per i dischi rigidi dei PC, IDE (Integrated Drive Electronics) e SCSI (Small Computer Systems Interface), utilizzano controller integrati . Il nome più corretto per l'interfaccia IDE è AT Attachment o ATA (Advanced Technology Attachment). I moderni dischi rigidi hanno una scheda logica molto sofisticata che contiene più memoria e processori interni più veloci di un intero PC anche della metà degli anni '80.
La scheda logica esegue diverse funzioni importanti rispetto a prima. Pertanto i circuiti logici devono essere più potenti, per gestire cambiamenti come la traduzione della geometria, funzionalità di affidabilità avanzate, tecnologie di testina più complicate, interfacce più veloci e streaming di dati a larghezza di banda più elevata dal disco stesso.
La scheda logica interna di un disco rigido contiene un microprocessore e una memoria interna, e altre strutture e circuiti che controllano ciò che accade all'interno dell'unità. Alcune delle funzioni più importanti del circuito di controllo dell'unità sono le seguenti:
- Controllo del motore del mandrino, inclusa la verifica che il mandrino funzioni alla velocità corretta.
- Controllo del movimento dell'attuatore su vari binari.
- Gestione di tutte le operazioni di lettura e scrittura.
- Implementazione di funzionalità di gestione dell'alimentazione.
- Gestione della traduzione della geometria.
- Gestione della cache interna e funzionalità di ottimizzazione come il pre-fetch.
- Coordinare e integrare le altre funzioni menzionate in questa sezione, come il flusso di informazioni sull'interfaccia del disco rigido, l'ottimizzazione di richieste multiple, la conversione dei dati da e verso il formato richiesto dalle testine di lettura/scrittura, ecc.
- Implementazione di tutte le funzionalità avanzate in termini di prestazioni e affidabilità.
I moderni dischi rigidi hanno microprocessori interni e la maggior parte di essi ha anche un software interno che li esegue. Queste routine eseguono la logica di controllo e fanno funzionare l'unità. In realtà questo non è realmente software nel senso convenzionale, perché queste istruzioni sono incorporate nella memoria di sola lettura. Questo codice è analogo al BIOS di sistema, routine di controllo di basso livello basate su hardware, incorporate nella ROM. Di solito è chiamato firmware.
Questo è il motivo per cui a volte il Firmware è chiamato il collegamento intermedio tra hardware e software. In molte unità il firmware può essere aggiornato sotto il controllo del software.
Cache e circuiti della cache
La funzione della cache integrata (spesso chiamata anche buffer) di un disco rigido è quella di fungere da buffer tra un dispositivo relativamente veloce e uno relativamente lento. Per i dischi rigidi, la cache viene utilizzata per contenere i risultati delle letture recenti dal disco e anche per pre-recuperare informazioni che probabilmente saranno richieste nel prossimo futuro, ad esempio, il settore o i settori immediatamente successivi a quello appena richiesto.
Pertanto lo scopo di questa cache non è dissimile da altre cache utilizzate nel PC, anche se normalmente non viene considerata parte della normale gerarchia di cache del PC. Dovresti sempre tenere a mente che quando qualcuno parla genericamente di una cache del disco, di solito non si riferisce a questa piccola area di memoria all'interno del disco rigido, ma piuttosto a una cache di memoria di sistema messa da parte per bufferizzare gli accessi al sistema del disco.
L'uso della cache migliora le prestazioni di qualsiasi disco rigido, riducendo il numero di accessi fisici al disco durante le letture ripetute e consentendo ai dati di fluire dal disco senza interruzioni quando il bus è occupato. La maggior parte dei dischi rigidi moderni ha tra 512 KB e 2 MB di memoria cache interna, anche alcune unità SCSI ad alte prestazioni ne hanno fino a 16 MB.
La cache di un disco rigido è importante a causa della differenza sostanziale tra le velocità del disco rigido e dell'interfaccia del disco rigido. Trovare un pezzo di dati sul disco rigido comporta un posizionamento casuale e comporta una penalità di millisecondi poiché l'attuatore del disco rigido viene spostato e il disco ruota attorno al mandrino. Ecco perché i dischi rigidi hanno buffer interni.
Il principio di base dietro il funzionamento di una cache semplice è semplice. La lettura dei dati dal disco rigido viene generalmente eseguita in blocchi di varie dimensioni, non solo un settore da 512 byte alla volta. La cache è suddivisa in segmenti o pezzi, ognuno dei quali può contenere un blocco di dati.
Quando viene fatta una richiesta di dati dal disco rigido, il circuito della cache viene prima interrogato per vedere se i dati sono presenti in uno qualsiasi dei segmenti della cache. Se sono presenti, vengono forniti alla scheda logica senza che sia necessario l'accesso ai piatti del disco rigido. Se i dati non sono nella cache, vengono letti dal disco rigido, forniti al controller e quindi inseriti nella cache nel caso in cui vengano richiesti di nuovo.
Poiché la cache ha dimensioni limitate, ci sono solo un certo numero di pezzi di dati che possono essere conservati prima che i segmenti debbano essere riciclati. In genere il pezzo di dati più vecchio viene sostituito con quello più nuovo. Questo è chiamato caching circolare, first-in, first-out (FIFO) o wrap-around.
Nel tentativo di migliorare le prestazioni, la maggior parte dei produttori di dischi rigidi ha implementato miglioramenti nei circuiti di gestione della cache, in particolare sulle unità SCSI di fascia alta:
Segmentazione adattiva: le cache convenzionali vengono suddivise in un numero di segmenti di uguali dimensioni. Poiché è possibile effettuare richieste per blocchi di dati di dimensioni diverse, ciò può comportare che parte dello spazio di archiviazione della cache in alcuni segmenti venga lasciato inutilizzato e quindi sprecato. Molte unità più recenti ridimensionano dinamicamente i segmenti in base a quanto spazio è richiesto per ogni accesso, per garantire un utilizzo maggiore. Può anche modificare il numero di segmenti. Questo è più complesso da gestire rispetto ai segmenti di dimensioni fisse e può comportare uno spreco se lo spazio non viene gestito correttamente.
Pre-Fetch: la logica della cache di un'unità, basata sull'analisi dei modelli di accesso e utilizzo dell'unità, tenta di caricare in parte della cache dati che non sono stati ancora richiesti ma che prevede saranno richiesti a breve. Di solito, ciò significa caricare dati aggiuntivi oltre a quelli appena letti dal disco, poiché è statisticamente più probabile che vengano richiesti per primi. Se eseguito correttamente, ciò migliorerà in una certa misura le prestazioni.
Controllo utente: le unità di fascia alta hanno implementato un set di comandi che consente all'utente un controllo dettagliato del funzionamento della cache dell'unità. Ciò include consentire all'utente di abilitare o disabilitare la memorizzazione nella cache, impostare la dimensione dei segmenti, attivare o disattivare la segmentazione adattiva e il pre-fetch, ecc.
Sebbene il buffer interno stia ovviamente migliorando le prestazioni, ha anche delle limitazioni. Aiuta molto poco se si effettuano molti accessi casuali ai dati in diverse parti del disco, perché se il disco non ha caricato un pezzo di dati di recente in passato, non sarà nella cache.
Il buffer è anche di scarso aiuto se si sta leggendo una grande quantità di dati dal disco perché normalmente sarà molto piccolo se si sta copiando un file da 50 MB. Ad esempio, su un tipico disco con un buffer da 512 byte una parte molto piccola del file potrebbe essere nel buffer e il resto deve essere letto dal disco stesso.
A causa di queste limitazioni, la cache non ha un impatto così grande sulle prestazioni complessive del sistema come si potrebbe pensare. Quanto aiuti dipende in una certa misura dalle sue dimensioni, ma almeno altrettanto dall'intelligenza dei suoi circuiti; proprio come la logica complessiva del disco rigido. E proprio come la logica complessiva, è difficile determinare in molti casi esattamente come sia la logica della cache su una determinata unità. Tuttavia, la dimensione della cache del disco è importante per il suo impatto complessivo nel migliorare le prestazioni del sistema.
Le letture in cache dal disco rigido e le scritture in cache sul disco rigido sono simili per certi versi, ma molto diverse per altri. Sono identiche nel loro obiettivo generale, che è quello di disaccoppiare il computer veloce dalla meccanica lenta del disco rigido. La differenza fondamentale è che una scrittura comporta una modifica al disco rigido, mentre una lettura no.
Senza la cache di scrittura, ogni scrittura sul disco rigido comporta un calo delle prestazioni mentre il sistema attende che il disco rigido acceda alla posizione corretta sul disco rigido e scriva i dati. Ciò richiede almeno 10 millisecondi sulla maggior parte delle unità, il che è un tempo lungo nel mondo dei computer e rallenta davvero le prestazioni mentre il sistema attende il disco rigido. Questa modalità di funzionamento è chiamata cache write-through.
Quando la cache di scrittura è abilitata e il sistema invia una scrittura al disco rigido, il circuito logico registra la scrittura nella sua cache molto più veloce e quindi invia immediatamente una conferma al sistema operativo per il completamento del processo. Il resto del sistema può quindi procedere per la sua strada senza dover aspettare che l'attuatore si posizioni e il disco giri, e così via. Questo è chiamato cache write-back, perché i dati vengono memorizzati nella cache e riscritti sui piatti solo in seguito. La funzionalità write-back ovviamente migliora le prestazioni.
Poiché la memoria cache è volatile, se si verifica un'interruzione di corrente, il suo contenuto viene perso. Se nella cache ci sono delle scritture in sospeso che non sono ancora state scritte sul disco, vengono perse per sempre e il resto del sistema non ha modo di saperlo perché quando viene comunicato dal disco rigido come completamento. Pertanto, non solo alcuni dati vengono persi, ma il sistema non sa nemmeno quali dati, o addirittura che si sono verificati. Il risultato finale può essere problemi di coerenza dei file, corruzione del sistema operativo e così via. A causa di questo rischio, in alcune situazioni la memorizzazione nella cache di scrittura non viene utilizzata affatto.
Ciò è particolarmente vero per le applicazioni in cui l'elevata integrità dei dati è critica. Tuttavia, a causa del miglioramento delle prestazioni offerto dalla cache di scrittura, questa viene sempre più utilizzata nonostante il rischio, e il rischio viene mitigato tramite l'uso di tecnologia aggiuntiva.
La tecnica più comune è semplicemente assicurarsi che l'alimentazione non si spenga. Per una maggiore tranquillità, le unità migliori che utilizzano la cache di scrittura hanno una funzionalità di write flush che indica all'unità di scrivere immediatamente sul disco qualsiasi scrittura in sospeso nella sua cache. Questo è un comando che verrebbe comunemente inviato prima che le batterie dell'UPS si esaurissero se il sistema rilevasse un'interruzione di corrente o appena prima che il sistema venisse spento per qualsiasi altro motivo.
Geometria del disco rigido di basso livello
Quando parliamo di geometria di basso livello del disco rigido, non ci preoccupiamo molto di conoscere il circuito fisico del disco. Qui discuteremo i termini con cui ci occuperemo ora per comprendere la risoluzione dei problemi del disco e la programmazione del recupero dati di cui sopra.
La geometria del disco rigido di basso livello è solitamente interessata dai seguenti termini:
- Traccia
- Cilindro
- Settore
- Testa o lato
Geometria del disco rigido di basso livello
I piatti di un disco rigido hanno due lati per la registrazione dei dati. Ogni superficie del piatto ha dei cerchi concentrici invisibili, che vengono scritti sulla superficie come informazioni magnetiche durante la formattazione del disco rigido. Questi cerchi sono chiamati tracce. Tutte le informazioni memorizzate su un disco rigido sono registrate in tracce. Le tracce sono numerate, a partire da 0, partendo dall'esterno del piatto e aumentando man mano che si procede verso l'interno.
Per quanto riguarda il numero massimo di tracce e cilindri, ne parleremo in dettaglio nei prossimi capitoli. Tuttavia per ora possiamo ottenere la conoscenza della geometria fisica di basso livello del numero massimo di cilindri, tracce, testine (lati) e settori.
| Nome |
Inizia da |
Limite finale |
Numero totale |
| Cilindri |
0 |
1023 |
1024 |
| Teste |
0 |
255 |
256 |
| Settori |
1 |
63 |
63 |
Sulla superficie del piatto di un disco rigido, i dati vengono accessibili spostando le testine dalla parte interna a quella esterna del disco. Questa organizzazione dei dati consente un facile accesso a qualsiasi parte del disco, motivo per cui i dischi sono chiamati dispositivi di archiviazione ad accesso casuale.
Traccia della geometria del disco rigido di basso livello
Ogni traccia può contenere migliaia di byte di dati e in genere questa capacità di archiviazione è superiore a 5000 byte. Pertanto, se rendiamo una traccia l'unità di archiviazione più piccola sul disco, ciò rappresenterà uno spreco di spazio su disco, perché in questo modo i piccoli file di dimensioni inferiori a 5000 byte sprecheranno la quantità di spazio e in genere è possibile avere un numero di file sul disco che sono molto più piccoli di questa dimensione.
In questo modo, rendendo una traccia l'unità di archiviazione più piccola, i file di piccole dimensioni sprecheranno una grande quantità di spazio. Pertanto, ogni traccia viene suddivisa in unità più piccole chiamate settori. La dimensione di ogni settore è di 512 byte, ovvero un settore può contenere 512 byte di informazioni.
Quindi l'unità di base di archiviazione dati su un disco rigido è il settore. Il nome settore si riferisce a una sezione angolare a forma di torta di un cerchio, delimitata su due lati da raggi e sul terzo dal perimetro del cerchio. Puoi vedere una figura logica che rappresenta i settori su una traccia data di seguito.
Quindi su un disco rigido contenente tracce circolari concentriche, quella forma definirebbe un settore di ogni traccia della superficie del piatto che intercetta. Questo è ciò che viene chiamato un settore nel mondo dei dischi rigidi, ovvero un piccolo segmento lungo la lunghezza di una traccia.
Come da standard, ogni settore di un disco rigido può memorizzare 512 byte di dati utente. Tuttavia, in realtà il settore contiene molto più di 512 byte di informazioni. Sono necessari byte aggiuntivi per le strutture di controllo e altre informazioni necessarie per gestire l'unità, localizzare i dati ed eseguire altre funzioni di supporto.
I dettagli esatti di come è strutturato un settore dipendono dal modello di unità e dal produttore. Tuttavia, il contenuto di un settore di solito include i seguenti elementi generali:
Informazioni ID: convenzionalmente, in ogni settore viene lasciato dello spazio per identificare il numero e la posizione del settore. Questo viene utilizzato per localizzare il settore sul disco e include anche informazioni sullo stato del settore in quest'area. Ad esempio, un bit viene comunemente utilizzato per indicare se il settore è stato contrassegnato come difettoso e rimappato.
Campi di sincronizzazione: vengono utilizzati internamente dal controller dell'unità per guidare il processo di lettura.
Dati: i dati effettivi del settore.
Codici di correzione degli errori (ECC): i codici di correzione degli errori vengono utilizzati per garantire l'integrità dei dati.
Gap: i gap sono fondamentalmente uno o più distanziatori aggiunti quando necessario per separare altre aree del settore o per dare il tempo al controller di elaborare ciò che ha letto prima di leggere altri bit.
Oltre ai settori, ognuno contenente gli elementi descritti, lo spazio su ogni traccia è utilizzato anche per le informazioni servo. La quantità di spazio occupata da ogni settore per gli elementi overhead è importante, perché più bit vengono utilizzati per questa gestione, meno bit possono essere utilizzati per i dati.
Questo è il motivo per cui i produttori di dischi rigidi si sforzano di ridurre la quantità di informazioni di dati non utente che devono essere archiviate sul disco. La percentuale di bit su ogni disco che vengono utilizzati per i dati, al contrario di altre cose come descritto in precedenza, è nota come efficienza di formato. Pertanto, la maggiore efficienza di formato è una caratteristica prevista di un'unità.
Nell'ultimo approccio per ottenere una maggiore efficienza di formato, i campi ID vengono rimossi dal formato del settore e, invece di etichettare ogni settore all'interno dell'intestazione del settore, una mappa del formato viene salvata nella memoria e utilizzata come riferimento quando è necessario individuare un settore.
Questa mappa contiene anche informazioni sui settori che sono stati contrassegnati come non validi e riposizionati in base alla posizione dei settori rispetto alle informazioni servo e così via. Questo approccio non solo migliora l'efficienza del formato consentendo di memorizzare fino al 10% di dati in più sulla superficie di ogni piatto, ma migliora anche le prestazioni. Poiché queste informazioni di posizionamento critiche sono presenti nella memoria ad alta velocità, è possibile accedervi molto più rapidamente.
Struttura del circuito fisico delle unità disco rigido hd hdd
Ogni piatto del disco rigido utilizza due testine (tranne alcuni casi speciali) per registrare e leggere i dati, una per la parte superiore del piatto e una per quella inferiore. Le testine che accedono ai piatti sono bloccate insieme su un gruppo di bracci porta testine, quindi tutte le testine si muovono dentro e fuori insieme, quindi ogni testina è sempre fisicamente posizionata sullo stesso numero di traccia.
Questo è il motivo per cui non è possibile avere una testina sulla pista 0 e un'altra sulla pista 1.000. A causa di questa disposizione, spesso la posizione della pista delle testine non è indicata come numero di pista ma piuttosto come numero di cilindro.
Un cilindro è fondamentalmente l'insieme di tutte le tracce in cui si trovano tutte le testine. Se un disco ha quattro piatti, in generale avrebbe otto testine. Ora supponiamo che abbia il numero di cilindri 720.
Struttura geometrica del circuito fisico del cilindro dei dischi rigidi
Sarebbe composto da otto serie di tracce, una per superficie del piatto con tracce numero 720. Il nome deriva dal fatto che queste tracce formano un cilindro scheletrico perché sono cerchi di uguali dimensioni impilati uno sopra l'altro nello spazio, come mostrato nella figura precedente.
L'indirizzamento dei fattori del disco avviene tradizionalmente facendo riferimento a cilindri, testine e settori (CHS).
Formattazione
Ogni supporto di memorizzazione deve essere formattato prima di poter essere utilizzato. Le utility utilizzate per la formattazione si comportano in modo diverso quando agiscono sui dischi rigidi rispetto a quando vengono utilizzate per i floppy disk. La formattazione di un disco rigido comporta i seguenti passaggi:
Partizionamento:
Questo processo divide il disco in parti logiche che assegnano diversi volumi del disco rigido o lettere di unità.
Il partizionamento del disco rigido è uno dei metodi più efficaci disponibili per organizzare i dischi rigidi. Le partizioni forniscono un livello di organizzazione più generale rispetto a directory e file. Offrono anche maggiore sicurezza separando i dati dai sistemi operativi e dalle applicazioni.
Le partizioni consentono di separare i file di dati, che devono essere sottoposti a backup regolarmente dai file di programma e di sistema operativo. Il partizionamento diventa una necessità per il disco rigido se si desidera caricare più di un sistema operativo nel disco, altrimenti nella maggior parte dei casi è possibile che si possano perdere i dati.
Il primo settore di qualsiasi disco rigido contiene una tabella delle partizioni. Questa tabella delle partizioni ha spazio solo per descrivere quattro partizioni. Queste sono chiamate partizioni primarie. Una di queste partizioni primarie può puntare a una catena di partizioni aggiuntive. Ogni partizione in questa catena è chiamata partizione logica. Discuteremo le basi delle partizioni con approccio logico in dettaglio, nei prossimi capitoli.
Formattazione di alto livello:
Definisce le strutture logiche sulla partizione e posiziona all'inizio del disco tutti i file necessari del sistema operativo. Questo passaggio è anche un comando a livello di sistema operativo.
Il comando FORMAT del DOS, ovvero FORMAT.COM , si comporta in modo diverso quando viene utilizzato su un disco rigido rispetto a quando viene utilizzato su un floppy disk. I floppy disk hanno una geometria semplice e standard e non possono essere partizionati, quindi il comando FORMAT è programmato per formattare automaticamente sia a basso livello che ad alto livello un floppy disk, se necessario, ma nel caso di dischi rigidi, FORMAT eseguirà solo una formattazione ad alto livello.
Una volta completata la formattazione di basso livello, abbiamo un disco con tracce e settori ma niente scritto su di essi. La formattazione di alto livello è il processo di scrittura delle strutture del file system sul disco che consentono al disco di essere utilizzato per archiviare programmi e dati.
Se si utilizza DOS, il comando FORMAT (ovvero FORMAT.COM) svolge il compito, scrivendo sul disco strutture quali le tabelle di allocazione dei file di boot record DOS e le directory radice. La formattazione di alto livello viene eseguita dopo il partizionamento del disco rigido.
Capacità di archiviazione formattata e non formattata
La capacità totale di un disco rigido varia a seconda che si tratti di un disco formattato o non formattato. Una parte dello spazio sul disco rigido è occupata dalle informazioni di formattazione, che contrassegnano l'inizio e la fine dei settori, dai codici ECC (codici di correzione degli errori) e da altre informazioni di servizio. Per questo motivo la differenza può essere piuttosto significativa.
Nelle unità più vecchie, solitamente formattate a basso livello dall'utente, la dimensione era spesso indicata in unità di capacità non formattate.
Prendiamo ad esempio il Seagate ST-412, la prima unità utilizzata nell'IBM PC/XT originale nei primi anni '80. Il numero "12" in questo modello si riferisce alla capacità non formattata dell'unità, pari a 12,76 MB. Il disco formattato ha in realtà una capacità di 10,65 MB.
La capacità non formattata di un disco rigido è in genere superiore del 19% (19 percento) rispetto alla capacità formattata. Poiché nessuno può utilizzare un'unità non formattata, l'unica cosa che conta è la capacità formattata, ed è per questo che le unità moderne vengono sempre formattate a basso livello dai produttori.
La capacità del disco rigido può essere espressa nei seguenti quattro modi:
- Capacità formattata in milioni di byte
- Capacità formattata in megabyte
- Capacità non formattata in milioni di byte
- Capacità non formattata in megabyte
Ora, se ho un disco rigido con C–H–S = 1024*63*63 (ciò significa che l'unità ha numero di cilindri = 1024, numero di testine o lati = 63, numero di settori per traccia = 63) e ogni settore ha 512 byte. La formula che calcolerà la dimensione del disco è la seguente:
Dimensione totale del disco (byte) = (cilindri) X (teste) X (settori) X (byte per settore) |
Secondo questa formula, quando calcoliamo la dimensione di questo disco rigido in byte, sarà uguale a
Dimensioni: 1024 × 63 × 63 × 512
= 2080899072 byte
Ora, se calcolo la dimensione del mio disco in milioni di byte, sarà approssimativamente
= 2080,899072
~ 2081 milioni di byte
Tradizionalmente, la dimensione in milioni di byte è indicata con M. Quindi la dimensione del mio disco in milioni di byte è di circa 2081 M.
Ma quando specifico la capacità del mio disco rigido in megabyte, sarà qualcosa come 1985 e sarà scritto come 1985 Meg.
Quindi la formula generale per calcolare la capacità del disco in milioni di byte sarebbe:
La formula generale per calcolare la capacità del disco in Megabyte sarà la seguente:
