Гибкий.ру Будущее развитие
Скорость продвижения поверхностной плотности была аналогична закону Мура (удваивается каждые два года) до 2022 года: 60% в год в течение 1988-1996, 100% в течение 1996-2003 годов и на 30% в течение 2003-2022 гг. Гордон Мур (1997) заметил, что рост не может продолжаться вечно.
Поверхностную плотность является инверсией размера бит ячейки, так что увеличение плотности записи соответствует уменьшению размера бит ячейки. В 2022 году производство настольных 3 ТБ HDD (с четырьмя пластинами) имели бы поверхностную плотность около 500 Гбит / дюйм 2, которые составили бы к битовой ячейки, содержащей около 18 магнитных зерен (11 по 1,6 зерна).
Некоторые новые технологии магнитного хранения в настоящее время разрабатываются, чтобы преодолеть или, по крайней мере, притухнуть эту трилемму и тем самым поддерживать конкурентоспособность жестких дисков относительно продуктов, таких как флэш-память на основе твердотельных накопителей (SSD).
В 2022 году компания Seagate представила одну такую технологию, черепичной магнитной записи (SMR). Кроме того, SMR приходит с конструктивными сложностями, которые могут привести к снижению производительности записи. Другие новые технологии записи, что, по состоянию на 2022 год, по-прежнему остаются в стадии разработки, включают в себя термоассистируемую магнитную запись (Hamr), микроволновую магнитной записи (MAMR), двумерную магнитной записи (TDMR).
Темпы роста плотности записи упала ниже ставки закона Мура 40% в год, а также замедление, как ожидается, сохранится по крайней мере до 2020 г. В зависимости от предположений о целесообразности и сроках этих технологий, срединному прогнозу наблюдателями отрасли и аналитики на 2020 год и последующий период роста плотности записи составляет 20% в год в диапазоне 10-30%.
Достижим предел технологии Hamr в сочетании с БПР и SMR может быть 10 Тбит / дюйм2, который был бы в 20 раз выше, чем 500 Гбит / дюйм2 представлено 2022 производство настольных жестких дисков. По состоянию на 2022 г. производство Hamr жестких дисков было отложено на несколько лет, и, как ожидается, в 2022 году они требуют другую архитектуру, с модернизированными средствами и головок чтения / записи, новые лазеры и новые оптические датчики ближнего поля.
Диски массовых серий
Требуется: высокая емкость при низкой стоимости.
Желательно: высокая производительность на линейных и случайных операциях.
Нежелательно: высокое энергопотребление.
Совокупность этих требований быстро позволяет понять, почему все диски массовых серий у разных производителей одинаковые. Действительно — для получения максимальной емкости и высокой производительности на последовательных операциях требуется увеличивать диаметр дисков, поэтому в этом классе он всегда максимальный и регулируется не особенностями технологии, а сторонними факторами.
Например, долгие годы (да и сейчас пока еще) типичным диаметром пластин для массовых дисков было 3,5 дюйма, однако все больший рост популярности ноутбуков, возможно, приведет к существенному увеличению доли дисков на 2,5 дюйма, переориентации промышленности на них и «отмиранию» более крупных винчестеров (как это было в свое время с моделями на 5,25″).
Хотя производители будут сопротивляться этому всеми силами — недаром они иногда даже пытаются идти против течения с тем или иным успехом. Достаточно вспомнить серию Quantum Bigfoot: пятидюймовые винчестеры, которые начали выпускаться уже во времена тотального господства меньших форм-факторов. Ну и что?
Большой диаметр пластин помогал им иметь достаточную емкость даже при одном диске (что сильно упрощало и удешевляло механику) и неплохую скорость выполнения последовательных операций даже при низкой частоте вращения. Все испортили только медлительные случайные операции, из-за которых диски слабо годились для применения в компьютере в единственном числе.
В общем, опередили они свое время — вот сейчас во времена массового использования видеотек на жестких дисках очень многие не отказались бы от пятидюймового монстрика терабайт эдак на 10 (что при нынешнем уровне технологий вполне достижимо для таких моделей), который будет использоваться как раз только для хранения и воспроизведения мультимедийных файлов (т. е. будет либо вторым в компьютере, либо вообще станет основой для стационарного ВЖД).
Почему производители не увеличивают количество дисков в этих моделях? На самом деле, увеличивают: несколько лет назад типичным было применение всего двух пластин, ныне же три-четыре для старших моделей в линейках — стандарт де-факто. Но слишком ускорять такой процесс не получается, поскольку, во-первых, ограничены внешние размеры, а во-вторых, многодисковые винчестеры требуют применения более сложной (и дорогой!) механики.
По тем же причинам очень медленно растет со временем и «оборотистость» таких накопителей: дорого в производстве и не слишком-то нужно (на емкости не сказывается, а скорость последовательных операций лучше наращивать при помощи плотности записи). В общем, по всем этим причинам на сегодняшний день стандартным вариантом для массовых жестких дисков стал следующий: пластины диаметром 3,5 дюйма, общим количеством до четырех (пять в некоторых моделях одного производителя), вращающиеся со скоростью 7200 оборотов в минуту.
Накопители на жестких и гибких магнитных дисках
Внешние запоминающие устройства.
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) определяют один из основных ресурсов компьютера – объем внешней памяти для длительного хранения программного обеспечения и данных. Поскольку практически вся информация хранится и накапливается в этих устройствах, то их называют накопителями.
К основным характеристикам ВЗУ обычно относят:
1. максимальный объем хранимой информации;
2. скорость передачи информации;
3. среднее или максимальное время доступа.
Все эти характеристики во многом определяются одной – плотностью записи информации на магнитном носителе.
Первая в истории дисковая система хранения данных – RАМАС (Random Ассеss Меthоd of Ассоunting and Control) – была анонсирована IВМ 13 сентября 1956 года. На 50 дисках диаметром 24 дюйма можно было хранить 5 Мб данных! Время доступа составляло 1с.
Принцип действия накопителей на магнитных дисках (НМД) основан на магнитной записи – воспроизведении сигнала на магнитном носителе.
Накопитель на жестких магнитных дисках – это пакет дисков (1-5), которые представляют собой керамические, стеклянные или алюминиевые (чаще всего) пластины, на которые нанесен слой ферромагнетика (феррит бария, изотропный оксид бария, сплавы хрома, кобальт и т.п.).
Любой ферромагнетик отличается тем, что, попав во внешнее магнитное поле, намагничивается и становится магнитом. Если учесть, что магнитное поле имеет полярность, соответствующую направлению движения тока, то, подавая на головку то положительное, то отрицательное напряжение, можно создавать точечные участки с магнитными полями различной полярности (домены), которые будут соответствовать единицам или нулям.
Запись данных на жесткий диск компьютера осуществляется следующим образом. Контроллер жесткого диска получает с системной шины очередную порцию байт и делит их на отдельные биты. Биты записываются последовательно путем подачи на головку чтения-записи положительного (для 1) или отрицательного (для 0) напряжения, в результате чего на диске появляются намагниченные зоны той или иной полярности.
Обратная операция — чтение. При чтении головка отключается от внешнего питания, а проносящиеся с большой скоростью мимо нее магнитные домены в точном соответствии с законом Фарадея возбуждают в ней слабый положительный или отрицательный ток, который интерпретируется контроллером жесткого диска или как единица, или как ноль. Дальше контроллер пакует последовательность единиц и нулей в группы и передает на шину порциями по 16 бит (IDE-шина – 16-битная).
На рисунке представлена упрощенная кинематическая схема механической части НЖМД. В герметичном металлическом корпусе (на рис. не показан) с большой скоростью вращается пакет дисков 1. Головки чтения – записи 2 закреплены на подвижном позиционере 3, который вращается вокруг оси 5. Балансир 4 обеспечивает динамическую балансировку коромысла с головками, необходимую для минимизации времени перемещения головок.
Кроме того, балансир является частью электромагнитной системы точного позиционирования головок, которая обеспечивает их расположение на требуемом цилиндре – совокупности пространства на всех дисках, доступного для чтения – записи без перемещения головок.
Цилиндр — условный термин. На самом деле никаких цилиндров, как реальных физических объектов, не существует. Существуют только дорожки. Дорожка диска (track) — это просто определенного радиуса окружность, состоящая из расположенных на одинаковом расстоянии друг возле друга магнитных доменов. У 3,5—дюймовой дискеты 80 дорожек, у жесткого диска во много раз больше. Как получаются дорожки? В дисководе 3,5— дюймовой дискеты это делается следующим образом. Блок головок (а их у дискетного дисковода— две) перемещается так называемым шаговым двигателем, расстояние между шагами строго фиксированное. Эти шаги и определяют дорожки дискеты. С жестким диском все сложнее. Один из критериев оценки жесткого диска — поверхностная плотность записи, которая определяется путем перемножения двух величин количества дорожек на дюйм (Тгасk Рег Inch — ТРI) и количества битов (магнитных доменов) на дюйм дорожки (Вits Рег Inch — ВРI) — и выражается в Мбит/дюйм2 или Гбит/дюйм2. TPI современных дисков так велика (порядка 30 тыс. дорожек на дюйм и больше, то есть дорожки расположены очень близко друг от друга), что позиционирование головок над поверхностью диска при помощи шагового двигателя практически невозможно. Для наведения головки на конкретную дорожку применяется другой способ — механизм обратной связи, заключающийся в том, что в какой-то области диска записана специальная информация (сервокоды) о номерах дорожек. Существуют различные варианты реализации этого механизма. Например, «вспомогательный клин», когда сервокоды записаны в специальных «клиньях», как бы врезанных в дорожки. Наиболее быстрый способ построения обратной связи – «специализированный диск», когда поверхность одного из дисков полностью отдается под сервокоды. В этом случае одна из головок постоянно сообщает контроллеру информацию о том, какая дорожка под ней находится. Дорожки дисков, из которых состоит “пакет”, помещенных в блок головок и цилиндров (Head Disk Assembly – HDA), имеют свои номера, и все дорожки с одинаковым номером называются цилиндром. Головки чтения / записи также нумеруются; нумерация начинается с самой нижней. Например, блок, в котором смонтированы четыре диска, имеет восемь головок — по две для каждого диска (для нижней и верхней сторон). Нижняя головка самого нижнего диска имеет номер 0, верхняя головка этого же диска — номер 1, нижняя головка следующего диска имеет номер 2 и т. д. Верхняя головка самого верхнего диска будет иметь номер 7, а если в этом блоке используется система обратной связи со «специализированным диском», то эта головка будет называться сервоголовкой, поскольку будет обслуживать поверхность с записанными сервокодами. Сервокоды записываются в заводских условиях, и если они будут каким-либо образом повреждены, это приведет к невосстановимой потере соответствующих дорожек.
Каждая дорожка диска разбивается на сектора. Опять же для простоты рас смотрим 3,5—дюймовую дискету. Если мысленно разбить ее исходящими из центра лучами на 18 равных сегментов, то тем самым каждая дорожка окажется поделенной на 18 равных частей, которые называются секторами. Емкость одного сектора — величина постоянная. Все диски всех компьютеров имеют полезную емкость одного сектора, равную 512 байт. Реальная емкость одного сектора несколько больше, чем 512 байт, поскольку программа форматирования в начале каждого сектора записывает его заголовок, или префикс (header или prefix), а в конце — прицеп, или суффикс (trailer или suffix). Префикс используется для того, чтобы головка точно определяла начало сектора и его номер, а суффикс — для хранения контрольной суммы, позволяющей проверять целостность данных в секторе. Общая размерность сектора вместе с заголовком и прицепом (которые создаются при форматировании) равна 571 байт. Следует отметить, что сектора являются элементарными ячейками хранения данных.
Процесс форматирования диска
Форматирование диска для использования операционной системой и ее приложения, как правило, включает в себя три различных процессов.
- Низкоуровневое форматирование. Это базовая разметка области хранения данных, которая выполняется на заводе-изготовителе в качестве одной из заключительных операций изготовления устройства хранения данных. При этом процессе в области хранения данных создаются физические структуры: треки — tracks (дорожки), секторы, при необходимости записывается программная управляющая информация. Впоследствии в подавляющем большинстве случаев эта разметка остаётся неизменной за все время существования носителя. Большинство программных утилит с заявленной авторами возможностью низкоуровневого форматирования на самом деле, в лучшем случае, перезаписывают только управляющую информацию.
- Разбиение на разделы. Этот процесс разбивает объём винчестера на логические диски (например, C:, D:…; sda1, sda2…; hda1, hda2…). Это осуществляется с помощью встроенных служб самой операционной системы или соответствующими утилитами сторонних производителей метод разбиения существенно зависит от типа операционной системы. Этот шаг принципиально необязателен (если его пропустить, весь объем носителя будет состоять из одного раздела), но в виду очень больших объемов современных жестких дисков (до 8 000 Гб) их разбиение на логические разделы обычно осуществляется.
- Высокоуровневое форматирование. Этот процесс записывает (формирует) логические структуры, ответственные за правильное хранение файлов (файловые таблицы), а также, в некоторых случаях, загрузочные файлы для разделов, имеющих статус активных. Это форматирование можно разделить на два вида: быстрое и полное. При быстром форматировании перезаписывается лишь таблица файловой системы, при полном — сначала производится верификация (проверка) физической поверхности носителя, при необходимости исправляются поврежденные сектора, то есть участки оптической поверхности, имеющие физические повреждения (маркируются как неисправные, что исключает в последующем запись в них информации), а уже потом производится запись таблицы файловой системы.
Тома в unix-подобных операционных системах
В UNIX-подобных операционных системах обозначения жёстких дисков и разделов на них несколько отличаются от видимых пользователю в Windows. В Linux диски получают буквенное обозначение типа sdX, где X соответствует индексу из последовательности a, b,… а разделы на устройствах нумеруются и обозначаются цифрами, причём нумерация логических разделов, которые в Windows соответствуют логическим дискам в расширенном разделе, начинается с 5, так как номера 1-4 зарезервированы для обозначения первичных разделов и, собственно, расширенного раздела.
Например, обозначения разделов для ОС Windows будет sda1 (для C:) и sda5 (для D:). Если бы было четыре основных раздела или два основных и два логических (пусть C:, D:, E:, F:) то в первом случае они обозначались бы как sda1, sda2, sda3, sda4, а во втором как sda1, sda2, sda5, sda6, соответственно.
Чтобы было удобнее работать с разделами на жёстком диске, в UNIX-подобных операционных системах их монтируют в каталоги корневой файловой системы, обозначаемой /, которая обязана существовать. Более того, системой реализуется принцип: любое устройство есть файл, и жёсткие диски, как и остальные устройства компьютера, также являются файлами и доступны в каталоге dev корневой файловой системы. Отсюда и полное обозначение жёсткого диска /dev/sda.
Также в UNIX-подобных операционных системах все логические диски должны иметь точку монтирования. Точка монтирования соответствует определенному каталогу файловой системы. Дерево каталогов логического диска представляется поддеревом файловой системы, включенным в него в точке монтирования.
Логический диск может быть примонтирован к любому каталогу существующей файловой системы. В свою очередь, к любому каталогу на подмонтированном носителе можно подмонтировать еще один носитель и т.д. Пути, используемому в качестве точки монтирования, должен соответствовать пустой каталог (хотя, например, в системах на базе FreeBSD и Linux, если каталог не пуст, его содержимое просто замещается содержимым логического диска).
Хотя логический том можно примонтировать куда угодно, сменные носители (флешки, компакт-диски и т.п.) принято монтировать к подкаталогам папок /mnt или /media. В настольных дистрибутивах Linux этот процесс обычно происходит автоматически. При этом в каталоге /media (/mnt) создается подкаталог, имя которого совпадает с именем монтируемого тома.
Для управления точками монтирования логических дисков UNIX-подобные операционные системы предоставляют команду «mount».
Пример: Если компакт-диск, содержащий файл «info.txt», был смонтирован в каталог «/mnt/iso9660», то этот файл будут доступен как «/mnt/iso9660/info.txt».
Форматирование высокого уровня
Высокоуровневое форматирование – процесс, который заключается в создании главной загрузочной записи с таблицей разделов и (или) структур пустой файловой системы, установке загрузочного сектора и т.п. В процессе форматирования также проверяется целостность носителя для блокировки дефектных секторов. Известен также способ без проверки носителя, который называется «быстрое форматирование».
После завершения процесса низкоуровневого форматирования винчестера, мы получаем диск с треками и секторами, но содержимое секторов будет заполнено случайной информацией. Высокоуровневое форматирование — это процесс записи структуры файловой системы на диск, которая позволяет использовать диск в операционной системе для хранения программ и данных.
В случае использования операционной системы DOS, для примера, команда format выполняет эту работу, записывая в качестве такой структуры главную загрузочную запись и таблицу размещения файлов. Высокоуровневое форматирование выполняется после процесса разбивки диска на партиции (разделы), даже если будет использоваться только один раздел, занимающий весь объем накопителя.
Различие между высокоуровневым и низкоуровневым форматированием огромно. Нет необходимости производить низкоуровневое форматирование для стирания информации с жесткого диска, т.к. высокоуровневое форматирование подходит для большинства случаев. Оно перезаписывает служебную информацию файловой системы, делая винчестер чистым, однако, сами файлы при этом процессе не стираются, стирается только информация о местонахождении файла. Т.е. после высокоуровневого форматирования винчестера содержавшего файлы, мы будем иметь диск, свободный от каких-либо файлов, но, используя различные способы восстановления данных, можно добраться до старых файлов, которые были на диске до его форматирования.
Единственным условием успеха в восстановлении данных является то, что файлы на диске перед форматированием не должны были быть фрагментированы. Для полного стирания данных с винчестера, можно порекомендовать использовать утилиты, зануляющие диск (прописывающие например, нули, по всей поверхности накопителя), после чего придется заново разбивать винчестер на диски и форматировать его высокоуровневыми средствами, но при этом никакие данные не уцелеют
.
Форматирование жесткого диска windows
Существует несколько способов форматирования жесткого диска:
- Форматирование средствами Windows
Этот способ самый простой и для него не требуется наличие специальных программных утилит. С его помощью можно провести форматирование в операционных системах Windows XP, 7, 8 и многих других.
Зайдите в “Мой компьютер”, правой кнопкой мыши кликните на диск, который необходимо очистить. В появившемся списке нажимаем пункт “Форматирование”.
На экране появится окошко форматирования, в котором можно произвести основные настройки. Файловую систему оставляем NTFS. Размер кластера также можно не менять и оставить 4096 байт. При желании можете изменить метку тома и ввести свое название. Наиболее важный момент в настройках это выбор способа форматирования.
Можно выбрать либо быстрое форматирование (для этого ставим галочку возле соответствующей надписи), либо полное (галочку не ставим). В первом случае форматирование жесткого диска произойдет действительно быстро. При этом физически файлы не удаляются с диска, происходит лишь обнуление информации о начальной записи файлов и диск кажется “пустым”.
При желании с такого диска можно восстановить удаленную информацию. Если Вы хотите освободить место для записи новых файлов, то смело выбирайте быстрое форматирование.
Во втором случае происходит полное стирание всей информации на диске, при этом происходит проверка диска на наличие битых секторов и их последующее восстановление. После полного форматирования провести восстановление информации можно, но уже гораздо сложнее.
- Форматирование с помощью командной строки
Для быстрого форматирования диска введите в командной строке команду “format /FS:NTFS X: /q” (вместо X введите букву Вашего диска, который нужно отформатировать, NTFS означает форматировать в NTFS).
- Форматирование с помощью BIOS
При запущенной операционной системе провести форматирование диска с системными файлами невозможно. При попытке система выдаст соответствующую ошибку. Решением проблемы может стать так называемая процедура форматирования через BIOS.
- Форматирование с помощью программы
Данный способ требует наличия установленной специальной программы для работы с жесткими дисками. Таких программ существует большое множество. Вы можете использовать любую из них (HDD Low Level Format Tool).
Форматирование жесткого диска в unix-подобных операционных систем
Низкоуровневое форматирование жесткого диска под Linux невозможно. Впрочем, в этом нет особой необходимости, поскольку современные диски выпускаются отформатированными на низком уровне.
Форматирование на высоком уровне заключается в создании на диске разделов и файловой системы.
Для создания разделов под Linux используются программы fdisk, cfdisk и sfdisk. Программа cfdisk позволяет создать качественную таблицу разделов, но имеет некоторые ограничения. Программа fdisk, хотя и позволяет произвести разбиение диска в большинстве случаев, но содержит несколько ошибок.
Ее главное преимущество в том, что она поддерживает разделы DOS, BSD и других систем. Программа sfdisk работает более корректно, чем fdisk, и она гораздо мощнее и fdisk, и cfdisk, но имеет неудобный пользовательский интерфейс.
После разбиения диска на разделы надо создать файловую систему в разделах, предназначенных для использования под Linux,.
[root]# mkfs -t тип /dev/hda3
где тип – тип создаваемой файловой системы, например, ext2, а /dev/hda3 – указание форматируемого раздела диска.
Чтобы использовать mkfs, не обязательно иметь права суперпользователя, достаточно иметь право записи в файл соответствующего устройства.
Эта команда перезаписывает область диска, в которой хранятся inodes. Так что если вы ошибетесь в указании раздела диска, вы можете уничтожить ценные для вас данные.
После создания файловой системы ее надо смонтировать в общее дерево каталогов. Делается это с помощью команды mount.
Нужно отметить, так это то, что смонтировав первый раз диск или раздел, в котором вы только что создали файловую систему, вы увидите, что она пуста, т. е. не содержит никаких файлов и каталогов, кроме единственного каталога с именем lost found. Этот каталог должен существовать в каждой файловой системе, поскольку он выполняет служебную роль: при проверке файловой системы командой fsck в этом каталоге собираются “потерянные” файлы и подкаталоги.