Контроллеры жестких дисков

Контроллер накопителя физически расположен на плате электроники и предназначен для обеспечения операций преобразования и пересылке информации от головок чтения/записи к интерфейсу накопителя. Контроллер жестких дисков представляет собой сложнейшее устройство — микрокомпьютер, со своим процессором, ОЗУ и ПЗУ, схемами и системой ввода/вывода и т. п. Однако, в большинстве случаев, производители размещают их в одном или двух микрочипах.

Контроллер занимается множеством операций преобразования потока данных. Так как длина дорожек неравна, данные на различные дорожки необходимо записывать неравномерно. Это становится проблемой, по сравнению с гибкими дисками, для носителей с высокой плотностью записи (число дорожек более 1000). Простые контроллеры, как правило, записывают одно и тоже количество информации на каждую дорожку, независимо от ее длины. Для этого контроллер упаковывает данные более плотно, начиная с определенной по счету дорожки. Цилиндр, с которого начинается более плотная упаковка данных, называется цилиндром начальной прекомпенсации (Starting Cylinder for Precompensation — SCP). Для компенсации искажения информации при чтении, запись данных производится с предварительным смещением битов, которое учитывает искажения.

Многие производители создают устройства, которые записывают различный объем информации на внутренние и внешние дорожки за счет размещения на них разного числа секторов. Это возможно, благодаря аппаратному скрытию от программ и пользователя физических характеристик устройства на уровне его контроллера и/или интерфейса (устройства с IDE, EIDE и SCSI интерфейсами). Накопители имеют различное физическое и логическое число цилиндров.

Многие операционные системы, работающие с накопителями на ЖМД через BIOS, разработаны таким образом, что не могут оперировать числом цилиндров более 1024. Поскольку в настоящее время, накопители больших объемов (более 1Мб) имеют более 1024 физических цилиндра, то применяется программный пересчет, при котором, накопитель определяется его контроллером и процедурами BIOS как имеющий не более 1024 цилиндра, но имеющий некоторое нереальное число головок, поверхностей и секторов. Функция же пересчета для отыскания нужного сектора ложится либо на BIOS ПК, либо на BIOS контроллера, либо на интерфейс.

Данные, записываемые в сектора, защищаются от некоторых ошибок чтения/записи при помощи расчета и записи вместе с ними контрольной суммы — кода контроля ошибок (Error Correction Code — ECC). Записывая байты на диск, адаптер производит накопление циклическим делением входных данных на специальный полином остатка от деления, который представляет уникальную комбинацию бит и записывается контроллером вместе с данными. Число байт ECC для каждого устройства определяется видом используемого полинома. При считывании данных производится аналогичное накопление и расчет контрольной суммы. В случае несовпадения результатов рассчитываемого и хранимого с данными ECC, производится попытка восстановления — коррекции данных при помощи полинома, имеющихся данных и контрольной суммы. Число байт данных, которое может быть скорректировано, определяется порядком используемого полинома. Чем она выше, тем большее количество байт подряд может быть скорректировано, но тем длиннее и сам код ECC.

Используются разные полиномы, и число байт ECC может быть от 4 до 8 и более. Число же бит информации, требуемое для записи одного байта, зависит от используемого метода кодирования. Необходимо отметить, что восстановление данных при помощи полинома и кода ECC происходит на уровне контроллера и прозрачно для программ и пользователя, однако, на основе процедур BIOS программным путем можно получить информацию о том, была ли произведена процедура коррекции.

Большинство современных накопителей поддерживают режимы работы контроллеров Ultra DMA, DMA2, и PIO. DMA — Direct Memory Access — прямой доступ к памяти — режим взаимодействия контроллера накопителя и интерфейса ПК, при котором обмен данными по интерфейсу осуществляется без участия центрального процессора ПК. Режим DMA позволяет заметно разгрузить процессор по сравнению с режимом PIO (Programmed Input/Output — программный ввод/вывод), при котором все пересылки выполняет непосредственно центральный процессор ПК. Это достигается за счет использования специального контроллера и канала прямого доступа к оперативной памяти ПК, без участи центрального процессора. Все современные накопители могут работать в режиме DMA2, если это поддерживается операционной системой, а скорость обмена при этом может достигать, в зависимости от модели, 16.6 Мб/с. А накопители и системы с поддержкой режима Ultra DMA, при использовании соответствующего драйвера, могут передавать и принимать информацию со скоростью 33.3 Мб/с. Однако, это лишь предельно возможные скорости обмена данными контроллера с буфером накопителя.

Реальная же скорость чтения/записи даже в лучших моделях с интерфейсом ATA в настоящее время не превышает 10−11 Мб/с. Основная нагрузка при работе ложится именно на чтение/запись, передача данных в буфер и из буфера занимает лишь малую часть этого времени, и сам факт перехода на Ultra DMA дает прирост лишь в единицы процентов. Но накопители с Ultra DMA, обычно, имеют высокую скорость вращения шпинделя, а следовательно — и более высокую скорость чтения/записи.

В настоящее время, наиболее распространены два стандарта на подключение винчестера к компьютеру. Первый, наиболее распространенный среди домашних и офисных ПК — IDE (Integrated Device Electronics — устройство со встроенным контроллером), также именуемый как ATA (AT Attachment — подключаемый к АТ). Второй чаще всего можно встретить в серверах и высокопроизводительных рабочих станциях — SCSI (Small Computer System Interface). Этот интерфейс не является специализированным для дисковых устройств. Помимо жестких дисков и CD-ROM приводов, существует огромная масса устройств, работающих по этому стандарту.

Стандарт интерфейса IDE был разработан по некоторым причинам. Наиболее существенными являются:

• · Более простой способ подключения винчестера к шине компьютера. Жесткий диск стандарта IDE с одинаковой легкостью можно подключить к высокопроизводительной системной шине компьютера и медленному LPT-порту. Конечно, в последнем случае обмен данными будет гораздо ниже, но такая возможность есть.
• · Повышение быстродействия. Контроллер диска расположен непосредственно на устройстве, что позволяет передавать минуя длинные интерфейсные провода.

Подключить IDE-устройство к компьютеру можно несколькими способами. Наиболее распространенный — подключение с помощью 40-проводного кабеля (тип интерфейса AT-BUS). Интерфейс 16-битный. Второй тип — PC Card ATA — с помощью PC Card (PCMCIA), также имеющий 16-битный интерфейс. Этот тип используется в основном в переносных компьютерах. Кроме подключения, типы интерфейса ATA различаются также и по скорости передачи данных. Основной — CАM ATA (Common Access Method) — стандарт определенный ANSI. Обеспечивает совместимость IDE-устройств на уровне сигналов и команд. Также позволяет подключать до двух устройств на один кабель. Длина кабеля составляет не более 46 см.

ATA-2 является расширением спецификации ATA. Имеет два канала, что позволяет подключать до 4-х устройств, поддержка дисков объемом до 8Гб. Поддерживает режимы работы PIO Mode 3, DMA Mode 1, Block mode. Об этих терминах мы поговорим чуть ниже.

Следующим расширением является Fast ATA-2. Отличается только поддержкой DMA Mode 2, что позволяет достичь скорости передачи данных до 13.3 Мбайт/сек и наличием PIO Mode 4.

ATA-3. Это расширение больше направленно на повышение надежности. Включается в себя улучшенное средство управлением питания и технологию SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology — технология слежения, анализа и предупреждения).

Ultra DMA/33 — скорость обмена данными по шине составляет 33 Мбайт/сек. Кроме этого добавлен контроль передаваемых данных. Относительно недавно появился стандарт UDMA/66, в котором скорость увеличена до 66 Мбайт/сек, и недавно объявлен UDMA/100.

Следует отметить, что указанные цифры, являются лишь максимально возможными значениями. Реально скорость передачи данных может быть существенно ниже. Это зависит от частоты вращения дисков, скорости работы электроники, работы памяти и процессора.

Помимо вышеперечисленных типов, существует еще расширение ATAPI (ATA Package Interface). Это расширение предназначено для подключения к интерфейсу ATA накопителей CD-ROM, CDRW, стримеров (накопителей на магнитных лентах), ZIP дисководов и других устройств.

Все вышеперечисленные стандарты между собой электрически совместимы.

DMA (Direct Memory Access — прямой доступ к памяти). При работе в этом режиме, обмен данными между буфером винчестера и памятью компьютера осуществляется непосредственно контроллером винчестера. Режимы DMA подразделяются на однословные (single word) и многословные (multi word), в зависимости от количества слов передаваемых за один сеанс работы с шиной. В случае однословного режима, максимальная скорость обмена составляет до 8.3 Мбайт/сек. При использовании многословного режима — до 20 Мбайт/сек. Обращения производятся в паузах между обращениями центрального процессора к памяти. Такой режим экономит процессорное время, но несколько снижает скорость обмена.

LBA (Logical Block Addressing) — адресация логических блоков. Стандарт ATA адресует сектор по классической схеме — номер цилиндра, головки и сектора. Однако, из-за исторически сложившихся причин, BIOS компьютера и операционная система DOS ограничивали количество секторов (63) и цилиндров (1024). В результате этого и появилось ограничение на объем жесткого диска в 540Мб. При режиме LBA, адрес передается в виде линейного абсолютного номера сектора. Винчестер в этом случае сам преобразует его в нужные ему номера цилиндров, головок и секторов. Это позволило обойти ограничения на объем жесткого диска, однако для DOS оно по прежнему составляет 8Гб. Работа устройства возможна только в случае поддержки этого режима драйвером (BIOS) и самим устройством.

Существует также и режим Large — этот режим используется Award BIOS для работы с жесткими дисками до 1Гб, не поддерживающими режим LBA. Использовать этот режим с дисками более 1Гб не рекомендуется. /7/.

Таблица 3. Сравнение интерфейсов.