Плата керування

Плата керування твердого диска — вузькоспеціалізований комп'ютер, призначенням якого є обмін інформацією з базовою платою комп'ютера і управління внутрішніми процесами, що відбуваються у твердому диску (керування шпиндельним двигуном та приводом голівок). Найбільша мікросхема на платі — центральний процесор. Це спеціалізований, цифро-аналоговий процесор, який займається обробкою як цифрової інформації, що надходить з комп'ютера, так і аналогової інформації, що надходить з блоку магнітних голівок. Другим важливим компонентом є мікросхема оперативної пам'яті — це кеш-пам'ять місткістю 8…64МБ, що необхідна для буферизації обміну даними між диском і платою керування диска. Третім важливим компонентом є драйвер двигуна. Призначення даної мікросхеми — запуск і зупинка шпиндельного двигуна, контроль швидкості його обертання, керування сервоприводом і у деяких дисків, формування напруги живлення окремих компонентів та вузлів. Наступний важливий компонент на платі керування — постійний запам'ятовувач (ПЗП), (має по 4 ніжки з кожної з двох сторін). У цій мікросхемі знаходиться базова програма і стартова адаптивна інформація, необхідна для успішного запуску і ініціалізації твердого диска. Основний же програмний код знаходиться на магнітних пластинах носія у так званій службовій зоні. Останнім часом, на сучасних твердих дисках така мікросхема відсутня, її вміст тепер зберігається в центральному процесорі та жорстко пов'язаний з вмістом службової інформації, іншими словами, це унеможливлює ремонт твердого диска методом заміни плати керування.

3. Функціонування ssd та hdd

SSD: Механізми запису і читання комірки NAND-пам'яті.

Постараємося більш докладно описати роботу транзистора для NAND-пам'яті, яким є польовий транзистор з ізольованим затвором або MOSFET.

(рис. 1) Польовий транзистор з ізольованим затвором або MOSFET.

Головною особливість польового транзистора (рис. 1), яка дозволила його використання для зберігання інформації, стала можливість утримувати електричний заряд на «плаваючому» затворі до 10 років. Сам «плаваючий» затвор виконаний з полікристалічного кремнію і повністю оточений шаром діелектрика, що забезпечує йому повну відсутність електричного контакту з елементами транзистора. Він розташований між керуючим затвором і основою з p-n переходів. Керуючий електрод польового транзистора називається затвором. У цьому випадку провідність p-n переходу, що обумовлена електричним опором, залежить від різниці потенціалів, яка створює електричне поле, впливаючи на стан p-n переходів. Не менш важливими елементами транзистора є також стік і джерело. Для зміни біта записуваної інформації в комірку, напругою на керуючому затворі створюється електричне поле і виникає тунельний ефект. Це дозволяє деяким електронам перейти через шар діелектрика на плаваючий затвор, забезпечивши його зарядом, а значить і наповнення елементарної комірки бітом інформації.

(рис. 2) Програмування польового транзистора – запис даних.

Накопичений заряд на плаваючому затворі впливає на провідність каналу стік-джерело, що використовується при читанні (рис. 2).

(рис. 3) Механізм читання даних і стан зберігання інформації.

Така різниця механізму запису і читання (рис. 3) явно позначається на різному енергоспоживанні цих режимів. NAND-пам'ять споживає досить великий струм при записі, а при читанні витрати енергії навпаки малі. Для стирання інформації на керуючий затвор подається висока негативна напруга, і електрони з плаваючого затвора переходять на джерело. Сучасний твердотільний накопичувач складається саме з таких елементарних клітинок, об'єднаних у сторінки, блоки та масиви.

Головною особливістю NAND-пам'яті, що дозволяє її використання в SSD-дисках, стало її вміння зберігати дані без зовнішнього джерела енергії. Однак така технологія накладає обмеження на кількість змін логічного стану комірка, що приводить до кінцевої кількості циклів перезапису цієї комірки. Це пов’язано з поступовим руйнуванням діелектричного шару. Даний ефект наступає набагато швидше у клітинок MLC через їх малий резерв зміни заряду плаваючого затвору, отже через конструктивні особливості. Читання комірки теж впливає на термін її життя, але цей вплив набагато менш суттєвий, ніж при записі/стиранні, що дозволяє вважати цикли читання не обмеженими, а термін життя SSD-диска виміряється кількістю можливих циклів перезапису. На всіх SSD- дисках є недосяжна для стандартних операцій запису/читання частина. Вона необхідна як резерв у випадку зношування клітинок, за аналогією з магнітними накопичувачами HDD, де є резерв для заміни bad-блоків. Додатковий резерв клітинок використовується динамічно, і в міру фізичного зношування основних клітинок надається резервна комірка на заміну. Наведемо приблизну порівняльну таблицю основних характеристик, що відрізняють роботу SSD-дисків з технологією SLC і дисків з комірками MLC (табл. 1).

	SLC	MLC
Читання сторінки, мкс	25	50
Стирання блоку, мс	2	2
Запис сторінки, мкс	250	900
Кількість циклів, разів	1 000 000	100 000

(табл. 1)

З таблиці бачимо всі переваги і недоліки цих технологій. У ній бачимо перевагу SLC рішень над MLC, але не зазначений головний критерій популярності SSD-дисків – їх ціна. Вказувати її немає сенсу через швидке здешевлення таких рішень. Скажемо лише, що MLC диски хоч і поступаються у всьому SLC, але вони більш ніж вдвічі виграють у вартості та можуть бути компактніші при тих же об'ємах збереження даних.

Через обмеженість циклів запису/стирання клітинок флеш-пам'яті розробникам довелося скласти правильний алгоритм роботи SSD-диска, що дозволяє рівномірно «зношувати» весь його запам'ятовувальний простір. Як вже було нами відзначено, весь об'єм диску ділиться на блоки розміром 512 КБ, а вони у свою чергу на сторінки ємністю 4 КБ, на які здійснюються операції читання та запису. Але як тільки ви записали інформацію на сторінку, вона не може бути перезаписана доти, доки не буде очищена. Проблема полягає в тому, що мінімальний розмір записуваної інформації не може бути менше 4 КБ, а стерти дані можна мінімум блоками по 512 КБ. Для цього контролер групує і переносить дані (цей алгоритм ми опишемо нижче) для звільнення цілого блоку. Ця операція приводить до збільшення часу відгуку і скороченню ресурс SSD, але чимось доводиться жертвувати. Поговоримо про алгоритм запису/видалення (рис.4, 5).

(рис.4)

Після запиту на запис від операційної системи, контролер носія визначає розмір і структуру інформації. При наявності достатньої кількості порожніх блоків виділяється новий блок, на який і копіюються дані, передані ОС для запису. Однак по мірі заповнення диска і зменшенню достатньої кількості порожніх блоків дана операція суттєво ускладнюється. Контролер все частіше шукає максимально підходящий (по кількості вільних сторінок), частково зайнятий блок і переписує його в порожній блок, сполучаючи його з даними, що прийшли від ОС для запису та повністю заповнює його. Старий блок потім очищається. При такому алгоритмі ми одержуємо один повністю заповнений блок і один порожній, який зараховується в групу порожніх блоків, доступних для запису. При запиті на запис, контролер використовує тільки блоки з цієї групи.

(рис.5)

У своєму оснащенні контролер зазвичай має 10 каналів, зокрема такою кількістю каналів володіють контролери SSD-дисків від Intel. Весь пул мікросхем рівномірно закріплений за кожним каналом обміну даних. На даному етапі розвитку технологій роботи SSD-дисків, мікросхеми пам'яті, взаємодіючі з першим каналом, не можуть перетинатися на операціях з другим, третім і наступними каналами, але дана проблема цілком може розв'язатися у найближчому майбутньому. Цілком логічно б було використовувати «плаваючі» зв'язки для всієї пам'яті, розміщеної на диску. Часто виникає необхідність запису черги з дрібних даних, тоді контролер автоматично розподіляє весь блок по всім каналам, але зв'язок між комірками зберігається, тому що цей шматок даних є однієї логічною одиницею. Операція видалення даних теж напряму залежить від їх об'єму і розміщення. Якщо вся інформація, записана в одному блоці або в групі блоків, повністю займаючи їх, то блок/блоки просто очищаються і позначаються як порожні та готові для наступного запису з максимально можливою швидкістю. Але даний ідеальний випадок зустрічається не завжди. Якщо необхідно видалити не весь блок, а кілька сторінок, що знаходяться у ньому, то контролер видаляє дані логічно, не стираючи їх, а просто позначаючи дані сторінки як видалені. Надалі інформація, що залишилася, буде скомпонована з новою, яка надійшла для запису, і записана в порожній блок, а вихідний блок, згідно вищевикладеному в алгоритмі запису, буде повністю видалений і позначений як порожній.

Підсумки

На даний момент поки ще рано казати про повну перемогу SSD-накопичувачів над магнітними дисками. Якщо враховувати об'єм і швидкість роботи SSD-накопичувача, порівнюючи їх з аналогічними параметрами для традиційних HDD, то головним стримуючим фактором переходу на твердотільні диски все ще залишиться їх вартість. Твердотільні накопичувачі вже декілька років представлені в різноманітному асортименті на світовому ринку, але навіть такий значний для цифрових технологій термін не зміг вплинути на їх конкурентоспроможність за критерієм «ціна за ГБ збереженої інформації» стосовно магнітних дисків. Щільність запису на один магнітний диск постійно збільшується, що сприяє випуску все більш ємних моделей.

HDD: Принцип роботи обертальних накопичувачів.

Як правило, всіх користувачів цікавить одне питання: чи "швидкий" диск? Відповідь на нього неоднозначна і вимагає розповіді про наступні характеристиках:

• Швидкість обертання диска

• Кількість секторів на доріжці

• Час пошуку / час перемикання головок / час перемикання між циліндрами

• Затримка позиціонування

• Час доступу до даних

• Кеш-пам'ять на жорсткому диску

• Розміщення даних на диску

• Швидкість обміну між процесором і диском

• Інтерфейс (IDE або SCSI)

Опишемо, для початку, як фізично влаштований жорсткий диск. На жорсткому диску дані зберігаються на магнітній поверхні диска. Інформація записується і знімається за допомогою магнітних головок (все майже як в магнітофоні). Всередині жорсткого диска може бути встановлено кілька пластин (дисків), в просторіччі іменовані "млинцями". Двигун, що обертає диск, включається при подачі живлення на диск і залишається включеним до зняття живлення. Примітка: Якщо в розділі Power Management програми Setup з BIOS встановлений параметр вимикання жорсткого диска при відсутності звернення до нього, то двигун може бути вимкнений програмою BIOS. Двигун обертається з постійною швидкістю, вимірюваної в оборотах на хвилину (rpm). Дані організовані на диску в циліндрах, доріжках і секторах. Циліндри - концентрічеське доріжки на дисках, розташовані одна над іншою. Доріжка потім розділяється на сектори. Диск має магнітний шар на кожній своїй стороні. Кожна пара головок одягнена як би на "вилку", обхвачує кожен диск. Ця "вилка" переміщається над поверхнею диска за допомогою окремого серводвігателя (а не крокової, як часто помилково думають - кроковий двигун не дозволяє швидко переміщатися над поверхнею). Всі жорсткі диски мають резервні сектору, які використовуються його схемою управління, якщо на диску виявлені дефектні сектора.

Швидкість обертання диска

Зазвичай сучасні жорсткі диски мають швидкість обертання від 5400 до 7200 об / м. Чим вище швидкість обертання, тим вище швидкість обміну даними. Слід тільки врахувати, що при зростанні швидкості обертання збільшується температура корпусу жорсткого диска і диски зі швидкістю 7200 об / хв вимагають або застосування корпусу з продуманою для цілей відводу тепла конструкцією, або додаткового охолодження зовнішнім вентилятором власне диска. Вентилятора блоку живлення для цього недостатньо. Ще більш високооборотні диски зі швидкістю обертання 10000 об / хв, які зараз випускають всі без винятку фірми-виробники, вимагають як хорошої вентиляції всередині корпусу, так і "правильного" корпусу, добре відводить тепло. Жорсткі диски на 15000 об / хв без примусового обдування просто не рекомендується використовувати.

Кількість секторів на доріжці

Сучасні жорсткі диски мають різну кількість секторів на доріжці в залежності від того, зовнішня чи це доріжка або внутрішня. Зовнішня доріжка довше і на ній можна розмістити більше секторів, ніж на більш короткій внутрішній доріжці. Дані на чистий диск починають записуватися також з зовнішньої доріжки.

Час пошуку / час перемикання головок / час перемикання між циліндрами

Час пошуку (seek time) мінімально тільки в разі потреби операції з доріжкою, яка є сусідньою з тією, над якою в даний момент знаходиться голівка. Найбільший час пошуку відповідно при переході з першої доріжки на останню. Як правило, в паспортних даних на жорсткий диск вказується середній час пошуку (average seek time). Всі магнітні головки диска знаходяться в кожен момент часу над одним і тим же циліндром, і час перемикання визначається тим, наскільки швидко виконується перемикання між головками при читанні або запису. Час переключення між циліндрами - це час, необхідний для переміщення головок на один циліндр вперед або назад. Всі часи вказуються в документації на жорсткі диски в мілісекундах (ms).

Затримка позиціонування

Після того, як голівка виявляється над бажаної доріжкою, вона чекає появи необхідного сектора на цій доріжці. Цей час називається затримкою позиціонування і також вимірюється в мілісекундах (ms). Середній час затримки позиціонування вважається як час повороту диска на 180 градусів і, тому залежить тільки від швидкості обертання шпинделя диска. Конкретні дані за величиною затримки зведені в таблицю.

Швидкість обертання (об/хв)	Затримка (мілісекунди)
3600	8.3
4500	6.7
5400	5.7
7200	4.2
10000	3.3

Час доступу до даних

Час доступу до даних по суті - це комбінація з часу пошуку, часу перемикання головок і затримки позиціонування, вимірюється також в мілісекундах (ms). Час пошуку, як вам вже відомо, це тільки показник того, як швидко головка виявляється над потрібним циліндром. До тих пір, поки дані не записані або лічені, слід додати час на перемикання головок і на очікування необхідного сектора.

Кеш-пам'ять на жорсткому диску

Як правило, на всіх сучасних жорстких дисках є власна оперативна пам'ять, звана кеш-пам'яттю (cache memory) або просто кешем. Виробники жорстких дисків часто називають цю пам'ять буферної. Розмір і структура кешу у фірм-виробників і для різних моделей жорстких дисків істотно відрізняються. Зазвичай кеш пам'ять використовується як для запису даних так і для читання, але на SCSI дисках іноді потрібно примусове дозвіл кешування запису, так зазвичай за умовчанням кешування запису на диск для SCSI заборонено. Є програми, що дозволяють, визначити, як встановлені параметри кеш-пам'яті, наприклад ASPIID від фірми Seagate. Як це багатьом не здасться дивним, розмір кешу не є визначальним для оцінки ефективності його роботи. Організація обміну даними з кешем більш важлива для підвищення швидкодії диска в цілому. Деякі виробники жорстких дисків, такі як Quantum, використовують частину кеша під своє програмне забезпечення (для моделі Quantum Fireball 1.3 Gb, наприклад, під firmware зайнято 48 Kb з 128). Як нам здається, більш кращий спосіб, використовуваний фірмою Western Digital. Для зберігання firmware використовуються спеціально відведені сектори на диску, невидимі для будь-яких операційних систем. По включенню живлення ця програма завантажується в звичайну дешеву DRAM на диску і при цьому відпадають витрати на мікросхему флеш-пам'яті для зберігання firmware. Такий спосіб дозволяє легко виправляти вбудоване програмне забезпечення жорсткого диска, що часто фірма Western Digital і робить.

Розміщення даних на диску

Про те, що конфігурація диска задається через кількість циліндрів, головок і секторів на доріжці, всі знають з початку епохи PC. Хоча ще кілька років тому точна вказівка ​​в програмі SETUP всіх цих параметрів диска було обов'язковим, зараз це не так. Строго кажучи, ті параметри диска, які ви бачите в розділі SETUP Standard CMOS Setup, як правило, нічого спільного не мають з реальними параметрами диска, причому ви можете помітити, що ці параметри міняються залежно від виду трансляції геометрії диска - Normal, LBA і Large. Normal - геометрія відповідно до даної виробником в документації на диск і не дозволяє DOS побачити більш ніж 504 Mb (1 Mb - 1048576 байт). LBA - Logical Block Address - ця установка дозволяє бачити DOS диски об'ємом до 4 Gb. Large використовується такий операційною системою, як Unix. Параметри, встановлені в SETUP, перетворюються в реальні логікою управління жорстким диском. Багато сучасні операційні системи працюють з диском через LBA, минаючи BIOS.