Широкое применение винчестеров в качестве устройств долговременного хранения информации началось после выпуска фирмой Shugart Technology (ныне эта компания именуется Seagate Technology, Inc.) диска ST506 размером 5.25 дюйма. Устройство емкостью 5Мбайт использовало для подключения к компьютеру интерфейсную плату ST506, разработанную в конце 70-х годов компанией Western Digital. Для соединения винчестера с интерфейсной платой использовался 34-проводный плоский кабель, к которому можно было подключить два устройства. Для того, чтобы диски можно было адресовать, часть кабеля перекручивалась (подобно кабелю для подключения дисководов). Кроме того, для обмена данными с каждым из дисков использовался отдельный 20-проводный плоский кабель. Крупным недостатком интерфейса ST506 являлось пошаговое перемещение головок (один шаг на каждую команду перемещения), как это до сих пор происходит в дисководах для работы с гибкими дисками. Более новая модель - ST412 - обеспечивала возможность буферизованного поиска (buffered seek), позволяющего одной командой перемещать головки на несколько шагов (например, через весь диск).

Основным преимуществом винчестеров с интерфейсом ST506/ST412 является их низкая стоимость. Почти вся электроника, ответственная за работу диска, располагалась на интерфейсной плате. Управляющие приводом головок сигналы передавались по общему для двух подключаемых к контроллеру устройств 34-проводному кабелю, а обмен данными с контроллером осуществлялся по 20-проводным плоским кабелям прямо в виде последовательности импульсов, считанных с диска или записываемых на него. Разъемы, используемые для подключения, описаны в Приложении 3.

Небольшой набор команд интерфейса ST506/412 затруднял создание дисков с большой емкостью. Почти все диски с таким интерфейсом имели скорость вращения 3600 оборотов в минуту.

Интерфейс ST506 поддерживает два способа модуляции при записи-воспроизведении данных: MFM (Modified Frequency Modulation - модифицированная частотная модуляция) и RLL (Run Length Limited - кодирование с ограничением длины поля записи).

Модуляция MFM
Метод MFM является разновидностью обычной частотной модуляции, широко используемой в радиовещании и связи. Отличие заключается в том, что модифицированная модуляция позволяет обеспечить двухкратное повышение плотности записи данных за счет того, что на диск записываются не все сигналы синхронизации и при записи каждого бита учитывается значение предшествующего бита. За один переход (смену направления) намагниченности можно записать от одного до трех бит данных). Сигналы с головки передаются по кабелю данных в аналоговой форме; данные отделяются от сигналов синхронизации с помощью специального устройства - сепаратора, устанавливаемого на плате контроллера.

Основным преимуществом MFM-модуляции является простая бинарная форма записываемого на диск сигнала. При записи на дорожку использовались 17 секторов по 512 байт каждый. Теоретический предел скорости обмена с дисками, использующими MFM, составляет около 4Мбит/сек

(17секторов*512байт/сектор*8бит*3600об/мин):60сек = 4177920 бит/сек.

Однако реальная скорость обмена в несколько раз меньше, поскольку для таких дисков фактор чередования (Interleave factor) не равен 1. Это было связано с тем, что контроллер не успевал обработать прочитанные данные до того, как головка перемещалась к следующему сектору. При факторе чередования 1:1 порядок следования секторов на дорожке естественный: 1, 2, 3,...16, 17. При факторе чередования 3:1 секторы на диске имеют следующий порядок: 1, 7, 13, 2,..., 11, 17. Первое число в обозначении коэффициента чередования указывает количество оборотов диска, требуемых для полного прочтения или записи одной дорожки. За счет кэширования записи можно было установить для дисков ST506 фактор чередования 1:1.

Многие еще наверное не забыли программу Calibrate из комплекта Norton Utilities, которая оптимизировала работу дисков путем подбора фактора чередования, наиболее соответствующего скорости вашего диска и контроллера.

Модуляция RLL
Другой способ модуляции (2,7 RLL или просто RLL), предложенный компанией IBM в 1986 году, использует перекодирование исходной информации с введением избыточности. Метод RLL преобразует данные в шестнадцатибитовые слова, позволяющие записывать за один переход состояния намагниченности диска от 2 до 7 бит (эти цифры и включены в название метода). Использование RLL-модуляции предъявляет более высокие требования к качеству поверхности диска и равномерности его вращения. Кроме того, усилители каналов считывания-записи должны иметь несколько иные характеристики, по сравнению с MFM-модуляцией. Винчестеры с интерфейсом ST506/412, использующие метод RLL, как правило, имеют в своем обозначении суффикс R (например, ST157R). На одну дорожку диска можно записать 26 секторов по 512 байт, что дает теоретическую возможность обмена со скоростью (512*26*8*3600):60=6489760бит/сек.

Метод RLL был развит впоследствии до возможности записи от 3 до 9 бит за один переход намагниченности (3,9 RLL, ARLL, ERLL), что позволило записывать на дорожку 31 сектор и обеспечило теоретический предел скорости обмена с диском 7618560бит/сек.

Диски RLL можно без опаски подключать к контроллерам MFM (правда с потерей емкости), обратная же операция в общем случае некорректна. Многие, наверное, помнят такой метод "увеличения" размера диска, практиковавшийся несколько лет назад, - однако он не позволяет обеспечить достаточную надежность хранения данных.

Сегодня диски с интерфейсом ST506/412 можно встретить только в очень старых компьютерах.

ESDI

По мере роста скорости работы компьютеров интерфейс ST506 перестал удовлетворять всем требованиям и в 1985 году был разработан новый стандарт - ESDI, который, по сути, являлся простым разширением возможностей своего предшественника. Кабели, используемые в спецификации ESDI, внешне не отличаются от кабелей ST506, однако сигналы по ним передаются другие (см. Приложение 3). Если вы, пользуясь сходством кабелей, подключите (по ошибке или специально) винчестер ST506/412 к контроллеру ESDI (или наоборот), результаты могут быть самыми плачевными. Длина используемых в интерфейсе ESDI кабелей могла достигать 9 футов (3 метра), сигналы передавались главным образом как синфазные (с общей землей), за исключением данных и синхронизации, для передачи которых использовался дифференциальный метод. Данные передавались через последовательную линию порциями по 16 бит, сопровождаемых битом четности. Обеспечивалась также возможность подтверждения передачи данных.

Сепаратор в соответствии с новой спецификацией устанавливался непосредственно на плате винчестера и по кабелю данных передавались уже не аналоговые сигналы, а реальные данные в цифровой форме, что позволяло подобрать параметры сепаратора к конкретному типу устройства, поскольку искажения сигналов в кабеле уже не имели значения. Такой метод повышал надежность передачи данных и увеличивал скорость обмена с контроллером до 10Мбит/сек за счет передачи по кабелю цифровых сигналов. Кроме того, интерфейс ESDI обеспечивал возможность использования винчестеров большой емкости и оптических накопителей.

Интерфейс ESDI обеспечивал три сигнала выбора устройства, что позволяло подключать к нему до 7 накопителей. Сигналы выбора головки позволяли напрямую адресовать до 16 головок, однако специальная команда Select Head Group позволяла использовать до 256 головок (16 групп по 16 головок в каждой).

SCSI

Первоначальный вариант интерфейса SCSI (Small Computer System Interface) был предложен в конце 70-х годов Shugart Associates под названием SASI (Shugart Associates System Interface) взамен разработанной компанией IBM системной шины IPI (интеллектуальный периферийный интерфейс). После неудачи в конкурентной борьбе с фирмой IBM этот интерфейс был предложен комитету ANSI X3T9.2 как интерфейс нижнего уровня под названием SCSI. В 1984 году этот комитет закончил разработку спецификации SCSI-1 и в 1986 году она была опубликована в окончательном виде. Этот интерфейс обеспечивал подключение широкого класса периферийных устройств, таких как винчестеры, принтеры, сканеры, стриммеры, приводы CD-ROM и др. SCSI является интерфейсом системного, а не приборного уровня. В отличие от ST506/412 и других приборных интерфейсов с последовательной передачей информации, SCSI передает биты данных параллельно, что обеспечивает существенное повышение скорости обмена данными между устройством и хост-адаптером.

Интерфейс SCSI используется не только в IBM-совместимых компьютерах, но и семействах Macintosh, SPARC, VAX и др. Одна из причин такого широкого распространения интерфейса SCSI заключается в том, что он не накладывает никаких ограничений на связь между контроллером и периферийным устройством. Шину SCSI можно использовать для связи компьютера с несколькими периферийными устройствами (как внешними, так и внутренними). Более того, допускается совместное использование одного периферийного устройства несколькими компьютерами, подключенными к общей шине SCSI (правда это значительно сложнее сделать, чем написать, но об этом разговор особый). Подключаемые к шине SCSI устройства могут играть роль ведущих (Initiator) или ведомых (Target), при этом одно и то же устройство может быть ведомым в одних случаях и ведущим - в других. Такое разделение функций устройств позволяет организовать передачу данных с одного периферийного устройства на другое (например, резервное копирование данных с винчестера на стриммерную кассету). Обмен между устройствами по магистрали SCSI происходит в соответствии с протоколом высокого уровня и адресация осуществляется на уровне логических, а не физических (как в ESDI) блоков. Программы для работы со SCSI-устройствами не используют физические характеристики конкретного устройства (число головок, цилиндров и т.п.), а имеют дело с логическими блоками, что дает возможность работы фактически со всеми блочными устройствами.

Для подключения устройств SCSI используется кабель (как правило плоский) с 50-контактными разъемами (Приложение 3). Возможны как синфазная, так и дифференциальная (с помощью "токовой петли") передача данных по кабелю; при синфазной передаче длина кабеля может достигать 6м, при дифференциальной - 25м. Для гарантированной передачи сигналов по магистрали SCSI линию требуется согласовывать с помощью терминаторов (набора резисторов), устанавливаемых по обоим концам шины SCSI.

Спецификация SCSI предусматривает подключение к шине до восьми устройств, однако с учетом того, что каждое устройство может содержать 8 логических блоков, а каждый блок - 256 подблоков, возможности расширения являются фактически неограниченными. Каждое подключаемое к шине SCSI устройство имеет свой идентификатор, устанавливаемый с помощью перемычек или переключателей непосредственно в устройстве. Идентификаторы позволяют адресовать устройства и задают их приоритет (чем больше значение идентификатора, тем выше приоритет устройства).

На протяжении последних лет интерфейс SCSI был существенно расширен - появились спецификации Fast-SCSI и Wide-SCSI, обеспечивающие более высокую скорость обмена данными с устройствами SCSI. В настоящее время интерфейс SCSI используется в основном в высокопроизводительных системах, предназначенных для коллективного использования (диски файловых серверов, сканеры и т.д.).

ATA

Спецификация IDE/ATA была предложена в качестве недорогой альтернативы интерфейсам ESDI и SCSI для персональных компьютеров семейств IBM PC XT/AT. В результате сотрудничества компании Western Digital с Compaq Computer Corporation был разработан интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), называемый также АТА (AT attachment). Первые промышленные устройства на базе IDE/ATA были выпущены в 1986 году. Интерфейс был стандартизован (ANSI X3T9.2/90-143) в 1990г. как ATA (AT Attachment). Основным отличием нового интерфейса была реализация большинства функций контроллера непосредственно на плате дискового накопителя. Такой подход упростил и удешевил хост-адаптеры, используемые для подключения винчестеров к компьютеру, и позволил обеспечить высокий уровень совместимости устройств разных фирм.

Используемые устройствами IDE адреса ввода/вывода совпадают с адресами ST506/412, но функции контроллера перенесены на плату управления приводом диска и головок винчестера. Информация о геометрии диска (число головок, цилиндров и секторов) хранится в самом устройстве. Зачастую в BIOS передаются логические параметры диска, не совпадающие с его физическими параметрами, т.е. используется трансляция, что позволяет устанавливать винчестеры в компьютеры со старыми BIOS, не обеспечивающими возможность произвольной установки параметров устройства (в большинстве современных реализаций BIOS такая возможность поддерживается как тип 47 - User Defined).

Базовый набор команд интерфейса IDE полностью соответствовал набору команд контроллера WD1002/1003 компании Western Digital, который был использован в компьютере IBM PC AT. При стандартизации интерфейса IDE к 12 базовым командам было добавлено еще столько же. Перенос большинства функций контроллера на плату управления позволяет несколько повысить скорость обмена данными с диском. Как правило диски IDE имеют небольшую встроенную кэш-память (до 256Кб) и позволяют работать с фактором чередования 1:1 (дорожка может быть прочитана целиком за один оборот диска).

Хост-адаптер для подключения дисков IDE зачастую устанавливается на системной плате (Mother board) или совмещается с контроллером дисководов и портами ввода-вывода (последовательными и параллельным) на специальной, вставляемой в гнездо расширения, плате (мультикарте, как ее зачастую называют). Подключение устройств к хост-адаптеру осуществляется с помощью 40-проводного плоского кабеля (см. Приложение 3), к которому можно присоединить два винчестера. Для корректной адресации устройств один из винчестеров должен быть установлен в режим Master (ведущий), другой - в режим Slave (ведомый). Режим работы диска задается с помощью перемычек, расположенных как правило около сигнального разъема винчестера.
Рисунок 2. Перемычки для установки режима Master/Slave

Сравнение дисковых интерфейсов

В таблице приведены сравнительные характеристики различных интерфейсов, используемых для подключения дисковых устройств. Интерфейсы ST506/412 и ESDI в современных компьютерах уже практически не используются; информация о них приведена лишь для сравнения их возможностей со SCSI и IDE.

Таблица 1.

Цены и параметры жестких дисков давно сравнялись. Главное, чтобы винчестер не вышел из строя без возможности восстановления. У жестких дисков нет надежности. Вместо этого у них гарантийный талон) Независимо от производителя, из партии в 1000 дисков от 1 до 10 винчестеров возвращаются задолго до истечения гарантийного срока, даже если они позиционируются как серверные модели. Время от времени у всех производителей встречаются неудачные модели. К тому же, источник отказов зачастую располагается вне диска.

Немаловажен и такой параметр, как скорость вращения шпинделя. Обычно она составляет 7200 оборотов в минуту, но сейчас многие производители снижают ее до 5400 в целях уменьшения энергопотребления, шума и вибрации. Кстати, несмотря на то, что обычно основной шум про изводят кучи вентиляторов, расположенные в системном блоке, жесткий диск также может быть весьма шумным, особенно под нагрузкой. Так что последние параметры тоже важны. Конечно, за невысокую температуру во время работы и снижение шума приходится расплачиваться. Например, будет высокое время доступа. Это означает, что если ты запишешь на этот диск ОС и запустишь с него же несколько про грамм, то достойную скорость их работы получишь вряд ли. Или будет малая скорость. В 2013 году крупнейшая фирма производитель Seagate отказалась от производства жёсткий дисков 2,5 » со скоростью 5400.

Примечание ! Не стоит забывать и о том, что у каждого жесткого диска есть кэш-память, которая также оказывает влияние на производительность. Средний объем для дисков от Терабайта сегодня равен 32 Мб (16 Мб — это очень мало), но можно найти и модели с кэшем объемом 64 Мб,

Если диск шумит, то либо он сделан ранее 1999 года (древний), либо его уронили!

Самые вредные моменты для винта — это его пуск и остановка. В это время очень сильно изнашивается механическая часть. Повышается вероятность случайного повреждения поверхности. Вообще считается, что винт, который крутится без остановки, живет намного дольше.

IDE

IDE - параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру. Разработан в 1986 году фирмой Western Digital, позднее стал именоваться ATA, затем PATA.

Устаревший как морально так физически интерфейс подключения жёстких дисков, ныне не применяемый в компьютерах.

SATA

SATA (Serial ATA) - последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA).

SATA 1 (до 1,5 Гбит/с)

Первоначально стандарт SATA предусматривал работу шины на частоте 1,5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (150 МБ/с). (20%-я потеря производительности объясняется использованием системы кодирования 8B/10B, при которой на каждые 8 бит полезной информации приходится 2 служебных бита). Пропускная способность SATA/150 незначительно выше пропускной способности шины Ultra ATA (UDMA/133). Главным преимуществом SATA перед PATA является использование последовательной шины вместо параллельной. Несмотря на то, что последовательный способ обмена принципиально медленнее параллельного, в данном случае это компенсируется возможностью работы на более высоких частотах за счёт отсутствия необходимости синхронизации каналов и большей помехоустойчивостью кабеля. Это достигается применением принципиально иного способа передачи данных (см. LVDS).

SATA 2 (до 3 Гбит/с)

Стандарт SATA/300 работает на частоте 3 ГГц, обеспечивает пропускную способность до 2,4 Гбит/с (300 МБайт/с). Впервые был реализован в контроллере чипсета nForce 4 фирмы «NVIDIA». Часто стандарт SATA/300 называют SATA II или SATA 2.0. Теоретически устройства SATA/150 и SATA/300 должны быть совместимы (как контроллер SATA/300 с устройством SATA/150, так и контроллер SATA/150 с устройством SATA/300) за счёт поддержки согласования скоростей (в меньшую сторону), однако для некоторых устройств и контроллеров требуется ручное выставление режима работы (например, на ЖД фирмы Seagate, поддерживающих SATA/300, для принудительного включения режима SATA/150 предусмотрен специальный джампер).

SATA 3 (до 6 Гбит/с)

Спецификация SATA Revision 3.0 представлена в июле 2008 и предусматривает возможность передачи данных на скорости до 6 Гбит/с (600 Мбайт/с для данных с учетом 10b/8b кодирования). В числе улучшений SATA 3.0 по сравнению с предыдущей версией спецификации, помимо более высокой скорости, можно отметить улучшенное управление питанием. Также сохранена совместимость, как на уровне разъёмов и кабелей SATA, так и на уровне протоколов обмена.

SATA Revision 3.1

Новшества:

• mSATA, SATA для SSD накопителей в мобильных устройствах, PCI Express Mini Card-подобный разъем, который электрически несовместим
• Zero-power оптического привода. В режиме ожидания оптический привод SATA не потребляет энергию
• Queued TRIM Command улучшает производительность SSD накопителей
• Required Link Power Management снижает общее энергопотребление системы из нескольких устройств SATA
• Hardware Control Features позволяет хост-идентификацию возможностей устройства

SATA Revision 3.2 — SATA Express

• SATA Express программно совместим с SATA, но в качестве несущего интерфейса используется PCI Express. Конструктивно представляет собой два рядом расположенных в длину SATA порта, что позволяет использовать как накопители с интерфейсом SATA, так и непосредственно накопители, изначально поддерживающие SATA Express. Скорость передачи данных при этом достигает 8 Гбит/с в случае использования одного разъема и 16 Гбит/с в случае если задействованы оба разъема SATA Express.
• µSSD (micro SSD) — представляет из себя BGA интерфейс для подключения миниатюрных, встроенных накопителей.

AHCI, или как использовать преимущества Serial ATA

Вы купили новый винчестер с интерфейсом Serial ATA. И, конечно, много слышали о новой интересной функции, реализованной в последних моделях — NCQ. Предвкушая заметный прирост скорости загрузки Windows и программ, а также снижение шума винчестера, вы подключаете винчестер, устанавливаете операционку и… Теперь вам потребуется проделать дополнительные манипуляции, чтобы включить поддержку AHCI и установить подходящие драйверы. Иначе технология NCQ, равно как и другие интересные функции, останется незадействованной. Идея, лежащая в основе технологии NCQ (Native Command Queuing), уже не раз была реализована в жестких дисках и контроллерах, но не в тех, что применяются в обычных персоналках.

• Итак, вот какой принцип лежит в основе NCQ. Как известно, жесткий диск работает довольно медленно, по сравнению с другими устройствами ПК ввиду его механической природы. Особенно много времени тратится на перемещение головок между дорожками, на которых расположены запрошенные системой сектора с данными. Чтобы эти перемещения минимизировать, можно применить хорошо известный в информатике метод переупорядочивания очереди команд. В данном случае в качестве критерия перестройки используется расстояние между дорожками, к которым будет производиться доступ. Команды на чтение, поступающие к жесткому диску со стороны системы, выполняются не по порядку, а накапливаются в очереди. Там они меняются местами таким образом, чтобы головка при выполнении соседних запросов смещалась как можно меньше. За счет этого и достигается ускорение. Не все запросы будут выполнены быстрее — некоторые могут «застрять» в очереди, пропуская другие запросы. А появление запроса на запись вообще осложняет обработку очереди команд, так как возможна ситуация нарушения целостности данных.

Кроме того, подобная технология даст выгоду только в том случае, если команды винчестеру поступают плотным потоком и намного быстрее, чем он успевает их выполнить. В условиях современных ПК такая ситуация происходит не очень часто — в основном в момент загрузки ОС и больших программных пакетов. Поэтому за реализацию технологии NCQ взялись только в последнее время, хотя в серверной среде интеллектуальное переупорядочивание команд применяется давно и успешно.

Протокол AHCI

Контроллер Serial ATA, согласно требованиям этого стандарта, должен поддерживать, как минимум, 2 режима работы. Первый — режим эмуляции стандартного контроллера ATA. В этом режиме контроллер полностью повторяет протокол обращения к жесткому диску PATA и, с точки зрения операционной системы и драйверов, не отличается от контроллера PATA. При этом подключенные к нему винчестеры эмулируются либо как устройства Master на отдельном канале, либо, если ОС «не понимает» более двух каналов — как пары устройств Master и Slave. Этот режим включен по умолчанию, он полностью поддерживается всеми ОС и BIOS.
Проблема в том, что в режиме эмуляции реализация дополнительных функций Serial ATA частично или полностью невозможна, иначе совместимость с классической реализацией ATA будет нарушена. Поэтому контроллер имеет возможность переключиться в «родной» (Native) режим Serial ATA.

Протокол AHCI (Advanced Host Controller Interface) как раз описывает поведение контроллера в режиме Native с точки зрения системы. Он описывает, каким образом контроллер обрабатывает очередь команд, где и как они хранятся, как программист должен помещать команды в очередь и где получать результаты их выполнения. Все условности протокола ATA отброшены, все сложности с манипулированием регистрами и флагами упразднены за ненадобностью. Реализация всех дополнительных функций Serial ATA, включая NCQ, Hot Swap, Port Multiplier, Staggered Spin-Up и т.д., теперь ничем не ограничивается.

AHCI является дополнением к стандарту SATA, который, в общем-то, не описывает требования к хост-контроллерам (контроллерам со стороны вычислительной системы, к которой подключен винчестер). Вместе с AHCI стандарт Serial ATA является законченным решением для организации дисковой подсистемы в ПК нового поколения.
Вместе с тем теряется совместимость с программным обеспечением, не поддерживающим Serial ATA изначально. Работать в двух режимах одновременно контроллер не может. Переключаясь в режим Native, он теряет возможность принимать команды от программного обеспечения, не «понимающего» протокол AHCI.
Таким программным обеспечением, как ни странно (или что неудивительно), является операционная система Windows. Как признаются разработчики этой операционной системы в специальном документе (www.microsoft.com/whdc/device…alATA_FAQ.mspx), дисковая подсистема всех версий Windows, вышедших до версии Vista, поддерживать AHCI не будет. Объясняют они это наличием особенностей в реализации AHCI производителями разных контроллеров. В будущем в ядре Windows будет реализован новый механизм подключения драйверов — Ataport, и в составе драйверов будет идти стандартный минипорт для Native-режима контроллера Serial ATA.
Мы обладатели новых операционных систем семейства Windows уже с лёгкостью можем пользоваться подобными благами увеличения производительности. В данный момент последние версии ОС Windows неплохо устанавливаются без сторонних драйверов, что благотворно сказывается не только на имидже компании, но и на удобстве для обычного пользователя.