Служебные структуры на  HDD.

Обычным показа­телем надежности, для современных жестких дисков (HDD) считается наработка на отказ от 300000  до 1000000 часов, но эти параметры явля­ются чисто статистическими. Несмотря на такие высокие показатели надежности, на практике пользователи достаточно часто сталкиваются с отказами жестких дисков, которые связаны с самыми различными причинам. При работе с жесткими дисками и их ремонте необходимо соблюдать  меры предосторожности и обладать необходимым запасом знаний

Современные устройства внешней памяти на магнитных дисках постоянно совершенствуются, и емкость современных жестких дисков уже измеряется в Тбайтах, а скорость вращения жесткого диска у некоторых накопителей равна 15000 оборотов в минуту.

В современных накопителях на жестких магнитных дисках значительная часть поверхности диска является служебной, эта зона скрыта и недоступна для пользователя. В этой части диска расположена служебная информация и резервная область для замены дефектных участков поверхности. Пользователь имеет доступ только к рабочей области диска, объем которой указан в технических характеристиках диска. Доступ в служебную зону возможен только в специальном технологическом режиме, который активизируется с помощью подачи специальной команды. В этом режиме возможно использование специального технологического набора команд (команды записи-чтения секторов служебной зоны, чтение карты расположения модулей и таблиц в служебной зоне, чтение таблицы зонного распределения, команды перевода из LBA в CHS и обратно, команда запуска форматирования  низкого  уровня, команды записи-чтения перезаписываемого ПЗУ и др.).

  Использование специального технологического режима работы накопителя (аналогично тому, как это делается самими производителями HDD) делает в этом режиме работы доступными операции, которые обычно выполняются на фирме-изготовителе: восстановление формата нижнего уровня (Low-Level Format); восстановление служебной информации, хранящейся на служебных дорожках накопителя (Resident Mikrocode); восстановление или изменение параметров в паспорте диска (Identify Drv); замена дефектных секторов и дорожек на резервные или их исключение из работы накопителя (Assigne, Realocation, Skipping Defects); реконфигурация HDD путем исключения из работы неисправных областей магнитных поверхностей или отключение неисправных магнитных головок.

          С точки зрения пользователя, любой диск можно представить как совокупность доступных ему блоков данных, которые он может использовать для хранения данных, для считывания или записи информации. Каждый блок данных имеет свой уникальный адрес, определяемый способом CHS (цилиндр, поверхность, сектор) или LBA (адрес логического блока). Блок данных мо­жет быть записан и считан (только целиком) независимо от других. Но для большинства прикладных программ интерес представляет не обращение к отдель­ным блокам, а возможность обращения к файлам, которые могут занимать про­извольное, причем, возможно, и не целое количество блоков данных. На дисках информация хранится в виде файлов. Для облегчения обращения к файлам и упорядочения использования пространства секторов дис­ка в состав любой операционной системы входит файловая система, тесно связан­ная с логической структурой диска.

Логическая структура и системная информация файловых систем тоже формируются на магнитной поверхности путем фиксации  двоичных единиц и нолей.  Образованные, таким способом, на диске структуры служебных двоичных данных, позволяют адресовать и находить блоки данных и файлы на поверхности диска.

Современные методы записи и методы кодирования позволяют надежно записывать и считывать двоичную информацию на дорожках дисков, но чтобы на дорожках появились адресуемые блоки данных, которые можно использовать для хранения, записи и считывания информации, необходимо произвести физическую разметку диска записью на все дорожки диска служебного формата. Служебный формат дорожки записывается контроллером диска при получении от процессора, выполняющего программу форматирования,  команды «Форматирование дорожки». Получив из накопителя импульс «Индекс», означающий начало дорожки, контроллер выдает в тракт записи накопителя данные, являющиеся служебным форматом дорожки.

Команда «Форматирование дорожки» доступна лишь для контроллеров старых дисков, которые не используют зонной записи, при совпадении внешней геометрии с реальной. На современных дисках  низкоуровневое форматирование выполняют лишь в специальном технологическом режиме. Для этого, например, могут использоваться нестандартные команды, причем для разрешения их использования могут присутствовать специальные джамперы на устройстве. Общение с винчестером в технологическом режиме может производиться и через специальный последовательный интерфейс, в качестве которого иногда используется стандартный RS-232C, что позволяет вести диалог с винчестером, например, через СОМ-порт и эмулятор терминала на персональном компьютере. В случае, когда технологические команды доступны через обычный интерфейс, производители накопителя обычно предлагают собственные утилиты низкоуровневого форматирования и обслуживания дисков (низкоуровневое форматирование не затрагивает сервоинформацию, которая записывается на поверхности лишь в заводских условиях). Низкоуровневые утилиты предназначены для конкретных моделей или семейств устройств конкретных производителей, Использование их с «чужими» дисками, как правило, блокируется (или выдается предупреждение). Обход этой блокировки обычно ведет к отказу винчестера.

В стандартном CHS-режиме осуществляется единственный пересчет секторов внут­ри самого жесткого диска. В  таких накопителях все цилиндры содержат одинаковое количество данных, несмотря на то что длина окружности у внешних цилиндре может быть вдвое больше, чем у внутренних. В результате теряется пространство внешних дорожек, так как оно используется крайне неэффективно (рис. 1).

Рис. 1. Стандартная запись низкоуровневого формата

Реальная геометрия дисков с зонной записью (см. рис.2) полно­стью скрыта от "внешнего мира". Данные о количестве цилиндров, головок и секторов, ука­занные в паспортах жестких дисков, -  это чисто логические параметры. Эти данные предна­значены для ввода в качестве значений соответствующих параметров в BIOS и не имеют никакого отношения к физическим параметрам диска (поэтому мы не должны удивляться, когда в логических параметрах диска видим 256 головок, 1024 цилиндра и 64 сектора).

 Рис. 2. Зонная запись низкоуровневого формата

При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, при­чем по мере продвижения к внешнему краю диска дорожки разбиваются на все большее чис­ло секторов. Во всех цилиндрах, относящихся к одной зоне, количество секторов на дорож­ках одинаковое. Возможное количество зон зависит от типа накопителя; в большинстве уст­ройств их бывает 10 и более. Еще одно свойство зонной записи состоит в том, что скорость обмена данными с накопите­лем может изменяться и зависит от зоны, в которой в конкретный момент располагаются голов­ки. Происходит это потому, что секторов во внешних зонах больше, а угловая скорость враще­ния диска постоянна (т.е. линейная скорость перемещения секторов относительно головки при считывании и записи данных на внешних дорожках оказывается выше, чем на внутренних).

В режиме логической адресации блоков (LBA) все секторы нумеруются подряд, без раз­деления по трем категориям (цилиндр, головка и сектор). Сквозная нумерация начинается с сектора (CHS 0,0,1), которому присваивается логический адрес 0, и заканчивается последним фи­зическим сектором диска.

Служебный формат разбивает дорожку на секторы, а служебный формат внутри сектора выделяет в каждом секторе блок данных (например 512 байт). После записи служебного формата на всех дорожках диска, контроллер диска и сам диск готовы к выполнению команд, задающих чтение или запись в блоки данных секторов диска. Служебный формат дорожки дисков пишется контроллером диска и нужен только контроллеру диска. Выполняя заданные процессором операции чтения или записи, контроллер диска, получив из накопителя импульс «Индекс» (начало дорожки), начинает воспринимать информацию, поступающую из тракта чтения накопителя как служебный формат дорожки. Проверяя и расшифровывая служебный формат дорожки, контроллер определяет местоположение головки на дорожке, находит, таким образом, на дорожке нужный сектор, а по служебному формату сектора находит в секторе блок данных,  выполняет чтение информации из блока данных, или запись информации в блок данных, а также контроль достоверности считанных данных.