Статьи

2,5’’ жесткие диски в ноутбуках: борьба за выживание

Евгений Лебеденко / 22.09.2010 / 10:38

Появление первых компьютеров формфактора laptop (первенец Grid Compass, 1979 год) не сразу привело к миниатюризации жестких дисков. Скажем прямо, первые ноутбуки вообще не имели винчестера. Как, впрочем, не имели их и первые настольные персоналки. Один или два дисковода 5,25’’ — вот и все хранилище. А тяжелые, шумные, ненадежные и дорогие HDD — удел компьютерных мастодонтов подвида мейнфреймы.

Девиз первого ноутбука Grid Compass был «Нет HDD — нет проблем!»

Но время и, главное, пользователи требовали все более емких хранилищ, и винчестерам пришлось уменьшиться, стать более надежными, быстродействующими и менее дорогими. В скором времени они смогли поселиться и в ноутбуках и принялись за работу.

2,5’’ против 3,5’’

Типичный представитель компактных HDD имеет 2,5’’ формфактор, который означает, что в его гермозоне вращаются один или два диска именно такого диаметра. И это — самые большие экземпляры, существуют формфакторы 1,8’’, 1’’ и даже невероятные 0,8’’! Но это скорее кич производителя, его желание сказать всему миру: «А мы вот можем и так!»

В 0,85-дюймовом малыше Toshiba прячется 4 гигабайта!

Среди 2,5’’ HDD есть свои подвиды, которые различаются как внешне, так и изнутри.

Средние габариты — 100x9,5x70 мм — задают размер отсека в ноутбуке, где будет трудиться миниатюрный жесткий диск. И если в ноутбуках пятилетней давности для HDD частенько устанавливали съемный бокс с интерфейсом для подключения к материнской плате, то нынешние худосочные модели прячут винчестер так, что рядовой пользователь может даже не пытаться извлечь его. Скажите на милость, как, например, вытащить винчестер из MacBook Air?!

Габариты — единственная общность ноутбучных HDD. Все остальное — сплошные различия. Отличаются они интерфейсом подключения к материнской плате, количеством дисков (в простонародье — блинов), скоростью вращения шпинделя, потребляемой энергией, уровнем создаваемого шума и диапазоном рабочих температур, а также уровнем максимальных перегрузок, которые может выдержать механизм винчестера без вреда для хранящихся на нем данных. Впрочем, все эти характеристики присущи и взрослым — 3,5’‘ HDD. Взгляните на сравнительную таблицу.

Характеристика 3,5’’ HDD 2,5’’ HDD
Интерфейсы ATA, SATA, SCSI, SAS, FireWire, Fibre Channel ATA, SATA
Количество дисков (max) 5 2
Скорость вращения шпинделя (об/мин) 4200, 5400, 7200, 10000, 15000 5400, 7200
Емкость (max, Гб, Тб) 2 Тб 640 Гб
Объем буфера (max, Мб) 64 16
Потребление энергии (ср., Вт)
  • 4 в режиме бездействия
  • 7 в режиме чтения/записи
  • 1 в режиме Standby
  • 0,8 в режиме бездействия
  • 2 в режиме чтения/записи
  • 0,2 в режиме Standby
Ударостойкость (G-shock rating, ср., G)
  • 50 при чтении/записи в течение 1-2 мс
  • 300 в выключенном состоянии в течение 1-2 мс
  • 300 при чтении/записи в течение 1-2 мс
  • 1000 в выключенном состоянии в течение 1-2 мс
Уровень шума (ср., бел, дБ)
  • 2 Б при вращении
  • 3 Б при поиске/чтении/записи
  • 20 дБ при вращении
  • 30 дБ при поиске/чтении/записи

Итак, проигрывая старшим 3,5’’ братьям в поддерживаемых интерфейсах, количестве дисков, скорости вращения шпинделя, емкости, размере буфера и даже шумливости, HDD-малорослики явно опережают их в экономичности энергопотребления и ударостойкости.

Ничего удивительного в этом нет. Производители жестких дисков и так из кожи вон лезут, чтобы в сильно уменьшенный формфактор поместить практически «взрослые» характеристики. Так, например, чтобы преодолеть смешную для 3,5” HDD планку емкости в 100 Гб, разработчикам ноутбучных винчестеров пришлось впервые в истории дискостроения применить технологию перпендикулярной записи (Hitachi, 2004 год).

При этом заявленная производительность должна достигаться чахлым питанием от ноутбучного аккумулятора и справляться с тряской, ударами и даже падением мобильного девайса.

Уменьшив размеры компактных жестких дисков, производителям пришлось снизить их производительность и несколько повысить уровень издаваемого ими шума (единство и борьба противоположностей). Но вот избавиться от извечной болезни всех винчестеров им так и не удалось. Болезнь эта присуща всему виду HDD и частенько застает пользователя врасплох. Зовется эта беда — bad. Речь о появлении у жесткого диска нечитаемых, «плохих» блоков с данными, которые в народе называют bad-блоки.

Устройство жесткого диска

НЖМД (накопитель на жестких магнитных дисках) в разрезе: гермоблок с дисками и головками и отсек контроллера — мозгового центра HDD

Чтобы понять, откуда появляются bad-блоки, как с ними сражаются производители и как обычному пользователю предотвратить их эпидемию, необходимо вспомнить о геометрии. Не о напрочь забытом школьном предмете. А о геометрии дискового накопителя.

HDD — устройство блочное, с произвольной выборкой данных. Означает сие, что информация в нем хранится порциями (блоками), записывать/извлекать ее винчестер может не последовательно (как, например, магнитофон, прокручивая ленту), а произвольно обращаясь к любому из блоков. На круглой поверхности диска организовать блочную структуру можно единственным способом: расчертить на ней концентрические окружности, которые будут пересекать радиальные отрезки. Из школьного курса геометрии известно, что часть дуги, ограниченная двумя радиусами, называется сектор. Так вот, именно сектора являются единицей хранения информации на HDD. Концентрические окружности, именуемые дорожки, — место жизни секторов. Головка чтения/записи переходит с дорожки на дорожку в поиске нужного сектора.

А поскольку у диска две поверхности и у многих винчестеров больше чем один диск, то равноудаленные от центра дорожки на обеих поверхностях каждого диска именуются цилиндром.

Цилиндров в HDD ровно столько же, сколько на его дисках дорожек

Чтобы прочитать или записать данные, контроллер HDD должен понять, в каком из цилиндров, какой головкой чтения/записи обратиться к какому сектору. Поэтому адресация в винчестерах и именуется CHS (Cylinder, Head, Sector).

Именно CHS-адресация определяет геометрию диска: число его дорожек (а значит, и цилиндров) и головок чтения/записи. При этом физическая геометрия диска (о которой знает только его контроллер) частенько не совпадает с его логической геометрией (которую видит BIOS компьютера). Вдаваться в подробности такого несоответствия — значит написать новую статью под названием «Предел емкости жесткого диска». Стоит просто отметить, что всякие ухищрения типа перпендикулярной записи, зонированной записи и прочих изысков доступны только микропрограмме контроллера диска. А BIOS и операционная система видят некий абстрактный диск с одинаковым числом секторов на дорожке (63) и условным числом головок (255), а то и вообще без CHS-адресации — в виде линейного адреса, задаваемого 64-разрядным числом.

Как контроллер HDD определяет, что головка чтения/записи находится над тем или иным физическим сектором? Очень просто. Каждый сектор — многослойный магнитный пирог, и данные пользователя хранятся в его сердцевинке объемом 512 байт (в нынешнем году разработчики наконец-то порадовали нас дисками с гигантскими 4096-байтными секторами). Начинается каждый сектор специальной магнитной меткой (маркером), прочитав которую контроллер понимает, что он над сектором. Следующие три метки указывают ему адрес этого сектора в формате CHS. Чтобы убедиться, что сектор не поврежден с момента последнего обращения к нему, за адресом следует поле контрольной суммы (CRC, Cyclic redundancy code — циклический избыточный код). После этого следует пустой байт, чтобы контроллер успел подготовиться к чтению или записи данных, за которым следуют сами данные. После их 512 байт добавлены несколько десятков байт избытка для коррекции ошибок алгоритмом ECC (Error-correcting code — код коррекции ошибок). После снова следует поле CRC, теперь уже для контроля целостности данных. И завершает все пустой байт, за которым следует маркер нового сектора.

Данные пользователя внутри сектора окружены многочисленными барьерами служебных полей. Ошибки чтения/записи сводятся к минимуму

Создание такой структуры для всех секторов диска производится на заводе и называется низкоуровневое форматирование (low-level formatting).

Первые винчестеры работали с секторами, в буквальном смысле слова «перешагивая» головками чтения/записи с дорожки на дорожку. Шагали они с помощью специального шагового двигателя, каждый такт работы которого смещал головки на строго определенное расстояние. Но ухищрения разработчиков типа зонной записи, когда размеры дорожек стали разными, привели к тому, что от шаговых двигателей пришлось отказаться в пользу сервоприводов с обратной связью. Для их работы используются специальные магнитные сервометки, которые и дают информацию о текущей позиции головок. Располагаются сервометки вдоль радиальных линий, пересекающих дорожки, и образуют сервоформат диска.

За бешено вращающимися дисками и шныряющими над ними головками, спрятанными в темноте и стерильности гермоблока диска, пристально следит его мозг — контроллер. Фактически — это микрокомпьютер, выполняющий параллельно несколько микропрограмм. Одна из них — трансляция адресов блоков данных, поступающих от операционной системы в формат CHS. И этот микрокод — главный. Но и остальные микропрограммы не менее важны. Они выполняют сервисные функции, с помощью которых контроллер старается защитить диск от угрозы появления на его поверхности bad-блоков. А уж их разновидностей — легион!

Разновидности bad-блоков

Сектор, который нельзя прочитать или записать в него информацию, — следствие. Причины же его появления могут быть самыми разными. Коротко рассмотрим основные.

Глядя на классификацию дефектов HDD, задумываешься: как с таким числом потенциальных проблем он еще и работает?!

Большая масса дефектов, приводящих к bad-ам, носит физический характер.

К ним относятся дефекты поверхности, появляющиеся в результате механических воздействий головок, пыли или просто в результате износа материала дисков. Дефекты сервоформата связаны с ошибками сервометок, в результате чего головки начинают пропускать целые участки поверхности, что воспринимается как куча нечитаемых bad-блоков. Необратимые аппаратные дефекты именуются так, потому что погнутый в результате падения диска вал, смещение оси диска, оторванные или «залипшие» в парковочной зоне головки невозможно реставрировать, не вскрыв гермоблок. Это фатальная неисправность.

Не меньше неприятностей приносят и программные дефекты, так называемые soft bad-ы.

Большая часть soft bad-ов связана с ошибками проверки контрольных сумм сектора. Они могут появиться, например, из-за сбоев питания, когда, записав в сектор данные, контроллер не успевает изменить значение CRC. В результате несовпадения имеющегося у него значения и записанного в секторе последний начинает считаться испорченным, хотя физически он вполне целехонек.

Другая разновидность программных дефектов — разрушение магнитной структуры сектора, например, уничтожение его маркера воздействием сильного магнитного поля. Решить эту проблему в домашних условиях невозможно, поскольку она требует заводского низкоуровневого форматирования.

И даже если никаких аппаратных и программных дефектов на диске нет, то bad-блоки могут «появиться». В этом случае они будут называться адаптивными. Все дело в уникальности каждого HDD. Как бы ни были похожи диски из одной партии, все равно значения амплитуд сигналов, сопротивлений, емкостей и массы других параметров у них будут отличаться. На заводе каждый HDD проходит индивидуальную настройку путем выбора уникальных для него параметров. Их набор, именуемый адаптив, записывается во флэш-память контроллера. Если по какой-то причине адаптив диска будет утерян, то с параметрами «по умолчанию» диск «далеко не уедет» и засыплет пользователя ошибками.

Иногда контроллер диска может обнаружить не bad-блоки, а только предрасположенность к ним. Например, если какой-то сектор прочитался только со второго, а то и с третьего раза. Это еще не дефект, а его зародыш. Но и его нужно учитывать в нелегком труде обеспечения надежной работы диска.

А теперь представим, что в процессе работы могут появляться непредсказуемые комбинации таких дефектов! Ужас! Но винчестеры в наших ноутбуках продолжают успешно работать и справляются с ними. Как же они это делают?

Борьба с дефектами на жестких дисках

Этому, конечно, можно не верить, но факт остается фактом: новенький, только с завода HDD уже усеян bad-блоками! Все потому, что технологический процесс, какой бы он совершенный ни был, грешит разного рода отклонениями. Чтобы спастись от конфуза, разработчики HDD поступают лукаво: делают емкость диска больше заявленной. Разница между реальностью и спецификацией называется резервная зона. Она размещается в конце диска, вокруг его шпинделя. Именно из нее, как из источника с живой водой, черпается запас исправных секторов в случае появления bad-ов в рабочей зоне диска.

Второе, что делают на заводе для борьбы с дефектами, это создают так называемые дефект-листы — таблицы, куда заносятся данные о bad-блоках разной природы. Современный HDD-контроллер поддерживает целых четыре дефект-листа.

P-list (от primary) — содержащий адреса bad-блоков, появившихся еще при изготовлении диска. Их учитывают раз и навсегда, как и битые пиксели на ЖК-панелях. Учитывают, чтобы заменить исправными секторами из резервной зоны. Ни одна внешняя программа не может изменить P-list. Он — bad-аксиома HDD.

G-list (от grow — расти). Таблица, которая доступна для записи. В нее заносятся адреса bad-блоков, появляющихся в процессе эксплуатации. Рядом с каждым из них контроллер заботливо вписывает адрес исправного сектора из резервной зоны. В идеале хотелось бы, чтобы G-list не рос, но реальность неумолима: со временем записей в нем становится все больше.

Таблица дефектов сервометок. И у сервометок есть свой резерв, которым замещаются неисправные указатели для двигателя головок. Благодаря этому устраняются дефекты сервоформата.

Pending-list — таблица, куда контроллер заносит адреса подозрительно работающих секторов — кандидатов в bad-ы.

Управляет всем этим табличным хозяйством микропрограмма контроллера, именуемая транслятор. И ее следует беречь как зеницу ока. Сбой транслятора превращает еще вчера веселенький HDD в гремящую головками жестянку, наполненную дефектами. Поэтому-то транслятор дублируется и прячется в самой защищенной области флэш-памяти контроллера.

Благодаря четырем служебным таблицам программа-транслятор держит все дефекты HDD под неусыпным контролем

Процедур работы с G-list при появлении свежего bad-блока несколько.

Самая известная из них (термин, которым небрежно бравируют HDD-ремонтники) — ремапинг (remapping), перезапись карты секторов или скрытие bad-блоков путем их замещения секторами из резервной зоны. При ремапинге транслятор выполняет алгоритм установления соответствия плохих и хороших секторов в G-list. Просто? Да. Но очень неэффективно. Ведь bad-блоки замещаются секторами из резерва, а резерв живет далеко. Наткнувшись на bad-блок, головкам приходится совершать длительный переход (дальнее позиционирование, в народе — «дерганье»). Эти переходы очень замедляют скорость чтения записи. Поэтому ремапинг, хоть и присутствует в трансляторе, почти не используется производителями HDD.

Вместо этого они применяют алгоритм пропуска bad-блоков. Транслятор при этом производит пересчет исправных секторов так, чтобы их адреса шли непрерывно. Bad-блоки при этом игнорируются, а резерв просто добавляется к общему объему диска.

И ремапинг, и пропуск bad-блоков — процедуры сугубо заводские. Ведь если в случае их выполнения произойдет какой-нибудь сбой, то G-list будет испорчен. А сбои чаще всего случаются в домашних условиях у доморощенных ремонтников.

Постойте! А как же масса программ, рекламирующих себя как средство ремапинга?! На самом деле эти программы выполняют алгоритм ADR (Automatic Defect Reassignment), который иногда именуют ремапинг по-домашнему или reassign. В отличие от ремапинга, reassign работает не со всеми bad-блоками, а только с единичными, выявленными на момент проверки. Замещение одного bad-блока — процедура быстрая, и вероятность возникновения сбоя при ее выполнении минимальна.

Программа Victoria, несмотря на свой статус freeware, является мощным средством диагностики HDD. Remap — одна из многих ее функций

SMART против bad-блоков

Ремапинг, пропуск bad-блоков и даже reassign — внутренние алгоритмы контроллера диска. Доступ к ним могут и должны получать только люди, понимающие, как их выполнять и в каких случаях применять.

Аппаратный комплекс PC-3000 предназначен для решения проблем с HDD на высоком профессиональном уровне

А как было бы хорошо, чтобы диски сами себя лечили. Раз — и заклинание сработало! Такая технология есть, называется она SMART (Self Monitoring and Report Technology). Эффективной она стала не сразу, а только в стандарте SMART III.

Фактически — это набор программ, обеспечивающих обнаружение большинства из рассмотренных выше дефектов, а также (в большинстве случаев) возможность их устранения. Работает SMART III в моменты простоя HDD. Для начала запускается программа сканирования поверхности на предмет появления новых bad-блоков или кандидатов в них. В случае их обнаружения обновляются G-list и pending-list. Для bad-блоков назначаются сектора-резервисты, а данные из кандидатов в bad-ы переносятся от греха в резервную зону (выполняется алгоритм reassign).

Но главное, работа SMART доступна для обозрения рядовому пользователю. Специальные программы, SMART-мониторы, позволяют отобразить текущее состояние HDD — и даже дают возможность пользователю нажать на кнопочку «Исправить все дефекты». В таблице мы приводим типичные показатели, которые отображают SMART-мониторы.

Показатель SMART Значение
Reallocated sector count Количество секторов в G-list, переназначенных в ходе ремапинга или reassign
Raw read error rate Количество ошибок, возникающих при чтении секторов (показывает возможных кандидатов в bad-блоки)
Current pending sector Содержимое pending-list (показывает реальных кандидатов в bad-блоки)
Uncorrectable sector Количество секторов, в которых попытка устранения soft bad’ов не увенчалась успехом

С помощью SMART-мониторов пользователь может следить за состоянием HDD и вовремя принять меры — например, скопировать все важные данные и сдать жесткий диск по гарантии.

SMART-мониторы информируют пользователя о состоянии HDD по принципу светофора. Зеленый — можно ехать!

В ходе эволюции технологии SMART было разработано множество SMART-мониторов, функционирующих на самых разных программно-аппаратных платформах. Среди них есть и неплохие отечественные разработки: например, утилита SMART HDD, обеспечивающая контроль состояния не только традиционных HDD на основе магнитной записи, но и их твердотельных собратьев SSD. Большинство из SMART-мониторов являются универсальными программами. Однако существуют и версии, специализированные на диагностику только HDD-ноутбуков.

Пример хорошего SMART-монитора для ноутбучного жесткого диска — программа Hard Drive Inspector for Notebook. Она позволяет автоматически запускать мониторинг выбранных параметров SMART и тревожно сигнализирует пользователю светозвуковой сигнализацией в случае превышения порога означенных им показателей.

Программа Hard Drive Inspector for Notebook не обычный SMART-монитор. В ее опциях есть контроль значений температуры и уровня шума HDD, актуальных для владельцев ноутбуков

G-сенсор и датчик температуры

Все технологии, рассмотренные выше, являются стандартом современного HDD, будь то пятидисковый SCSI-гигант или 0,85-дюймовый малютка от компании Toshiba. Но есть в 2,5’’ жестких дисках для ноутбуков и свои изюминки.

Первая из них — наличие датчиков перемещения в пространстве. Чаще всего для обеспечения ударопрочности и ликвидации последствий разного рода встрясок в ноутбуках устанавливают G-сенсор. Этот датчик, идентичный акселерометру, встроенному в большинство коммуникаторов, определяет текущее положение HDD относительно трех пространственных осей и вычисляет его ускорение. В случае попадания значений координат и ускорения в «красный коридор» G-сенсор дает команду контроллеру перевести головки в парковочную зону и остановить вращение дисков. G-сенсор плюс масса демпферов вокруг гермоблока и блока контроллера позволяют миниатюрным жестким дискам выдерживать чудовищные (как правило, кратковременные) перегрузки и сохранять данные пользователя в целости даже при падении ноутбука на твердую поверхность. Примером может служить душераздирающая история о том, как ноутбук MacBook Air попал под колеса рейсового автобуса! К удивлению владельца, покореженная машинка полностью сохранила все данные на жестком диске. И это случилось благодаря работе G-сенсора.

Sony одной из первых начала оснащать свои ноутбуки VAIO системой контроля на основе G-сенсора

Еще одним датчиком, следящим за здоровьем ноутбучного HDD, является датчик температуры. Повышение градуса в тесном корпусе ноутбука может негативно повлиять на работу многих компонентов, и жесткий диск — не исключение. Парковка головок при перегреве не только не спасет, но может даже навредить. Расширившийся от чрезмерного нагрева пластик парковочной зоны при охлаждении рискует намертво захватить головки. Поэтому очень важно следить за текущей температурой HDD и сигнализировать пользователю о «горячей» проблеме. В той же программе Hard Drive Inspector for Notebook есть опции под общим названием «Действия при критической температуре», среди которых самой кардинальной является выключение питания HDD.

Превышение температурного режима в HDD ноутбука чревато залипанием головок в парковочной зоне

Долголетие жесткого диска. Простые правила

Жесткий диск — один из немногочисленных компонентов компьютера, содержащий механические элементы, — требует от пользователя особого подхода к его эксплуатации. А уж тем более жесткий диск ноутбука.

Основные проблемы для ноутбучного HDD — тряска и повышение температуры. Конечно, очень удобно переносить работающий ноутбук в открытом состоянии с места на место. Но при этом следует помнить о том, что далеко не каждый жесткий диск «осознает» момент такого перемещения. И продолжает работать в штатном режиме, оптимизируя размещение данных пользователя. В этом случае любая встряска может привести к нарушению его работы.

Простым правилом для ноутбуков, не оснащенных G-сенсором, является закрытие крышки перед переноской. Как правило, в настройках энергопотребления операционной системы заранее оговариваются действия, следующие за закрытием крышки. Одна из таких мер — перевод головок чтения/записи HDD в парковочную зону.

Аномальная жара нынешнего лета принесла массу неприятностей не только фермерам, но и владельцам мобильной техники. И если в случае со смартфонами производители обходятся пассивным охлаждением компонентов, то ноутбуки требуют активной вентиляции. Работать, положив ноутбук на колени или рядом с собой на диван, не просто не правильно. Это — катастрофа для внутренностей ноутбука. И в первую очередь для его герметично закупоренного HDD. Закупоривание вентиляционных отверстий чревато выходом из строя контроллеров устройств, расположенных на материнской плате и охлаждаемых зачастую значительно хуже процессора.

В особо жаркие дни не спасает даже встроенная вентиляция. Не зря же производители периферии предлагают массу вариантов ноутбучных подставок, снабженных дополнительной вентиляцией. Не хотите потерять данные — не жалейте свежего воздуха для вашего ноутбука.

И, безусловно, полагаться только на свои ощущения, прислушиваясь к потрескиванию работающего HDD и ощупывая ноутбук на предмет перегрева, не стоит. Лучший вариант — установка SMART-монитора и/или использование утилит диагностики, поставляемых производителем ноутбука.

Программы эти чаще всего никак не мешают работе, зато будут заблаговременно предупреждать о возникающих проблемах. Кроме того, регистрационные журналы событий, которые они скрупулезно ведут, могут стать хорошим доводом при разрешении гарантийных споров с продавцом.

Следуя этим нехитрым правилам, владелец ноутбука предотвращает массу факторов, приводящих к появлению ошибок или даже отказов в работе HDD. А в благодарность 2,5’’ жесткие диски и их миниатюрные собратья готовы надежно и дешево хранить гигабайты пользователя.

Ссылки

Заглавная картинка с techreport.com

В тему
blog comments powered by Disqus
Обратная связь
Имя
E-mail
Сообщение:

Отправить