Контроллер жесткого диска что это

Контроллер жесткого диска что это

Собственно контроллер накопителя физически расположен на плате электроники и предназначен для обеспечения операций преобразования и пересылке информации от головок чтения/записи к интерфейсу накопителя. Часто, контроллером называют интерфейс накопителя или интерфейс ПК с накопителем, что в общем не верно. 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 микро-чипах.

Контроллер занимается множеством операций преобразования потока данных. Так как длинна 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 длинны. 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). Поэтому, накопители, как правило, имеют различное физическое и логическое число цилиндров.

Также, в силу исторических причин, 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, как правило, 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.

Устройство и принцип работы жесткого диска. HDD и SSHD под крышкой

Жёсткий диск может хранить в себе большое количество данных, но знаете ли вы как он устроен внутри или принцип его работы? Так вот я вам наглядно покажу.

HDD состоит из двух частей. Корпус, чёрного цвета и прикрытый крышкой, это гермоблок. Плата на обратной стороне, это контроллер. О нём я расскажу чуть позже. А сейчас посмотрим что внутри гермоблока.

Открыв крышку, сразу бросается в глаза большая блестящая пластина, занимающая большую часть корпуса и зажатая шайбой. Это и есть сам жесткий диск, их кстати может быть несколько расположенных один над другим.

Пластины крепятся на шпиндель электромотора, который заставляют их вращаться со скоростью 7200 об/мин, а контроллер поддерживает постоянную скорость вращения при помощи контактов на обратной стороне корпуса, через них же и осуществляется питание. Именно на пластинах хранятся все данные, причём не только пользовательские, но и служебные необходимые самому устройству.

Чем больше пластин, тем больше информации может вместить устройство, а выполнены они обычно из металлических сплавов (хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но они были не долговечны, встречаются даже керамические диски).

Покрыты пластины ферромагнитным слоем, который и хранит всю информацию. Этот слой разбивается на сотни тысяч узких дорожек, каждая из дорожек разделена на секторы это позволяет определять, куда записывать и где считывать информацию. А вся карта о секторах и дорожках находится в памяти контроллера.

Чтобы записать данные, над диском с большой скоростью движется металлический кронштейн, который называется коромысло, на его конце находятся слайдеры с магнитными головками.

Головка проходя над дорожкой намагничивает микроскопическую область на ферромагнитном слое, устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из состояний «0» или «1», а с помощью улавливания магнитного потока происходит считывание информации, когда головка проходит над областью с измененной полярностью, она фиксирует импульс напряжения, этот импульс считывается как единица, а его отсутствие как 0,(каждый такой 0 и 1 называется «бит»).

Считываемые головкой сигналы очень слабы и перед отправкой на контроллер должны проходить через усилитель. Отвечающий за это чип находится сбоку коромысла (preamplifier).

Вся эта конструкция приводится в движение при помощи привода основанном на электромагнетизме. Который называется сервопривод. Он позиционирует коромысло в то место, куда нужно записать или откуда считать информацию и управляется интегральной микросхемой.

Внутри он состоит из двух мощных неодимовых магнитов, катушки и фиксатора. Фиксатор предотвращает какие-либо движения головок в отключённом состоянии и пока шпиндель не наберёт обороты. Всё это важно, потому что от этой конструкции зависит долговечность головок, а от скорости и точности перемещения коромысла зависит время поиска данных на поверхности пластин.

Интересно ещё то что головка коромысла обычно не соприкасается с дисками, а парит над ними при помощи прослойки набегающего потока воздуха, на расстоянии примерно 10 нанометров от крутящейся пластины, благодаря аэродинамической форме слайдера.

А так как это очень маленькие расстояния, и все детали движутся на огромных скоростях. Внутри корпуса есть циркуляционный фильтр (recirculation filter), он находится на пути потоков воздуха, создаваемый вращением пластин, этот фильтр постоянно собирает и задерживает мельчайшие частицы которые могли бы повредить пластины и хранящуюся на них информацию или вывести из строя магнитную головку.

Кроме него, на обратной стороне корпуса и на крышке имеются маленькие, почти незаметное отверстия (breath hole). Они служит для выравнивания давления и прикрыты фильтром (breath filter), которые так же задерживают частицы пыли и влаги.

Внутренности гермоблока мы рассмотрели, давайте теперь вернёмся к контроллеру, так как очень сложная и важная часть жёсткого диска. Эта плата с разъёмами представляет собой интегральную схему, которая синхронизирует работу диска с компьютером и управляет всеми всеми процессами внутри HDD. Перевернув плату, можно увидеть что это целый микрокомпьютер со своим процессором, оперативной и постоянной памятью и есть своя система ввода/вывода.

Чип с большим количеством ножек это MCU — контроллер который занимается всеми расчётами и преобразует аналоговый сигнал с головки в цифровой и наоборот. Для ускорения этих операций рядом распаян чип с памятью DDR SDRAM. Который служит в роли буфера для хранения промежуточных данных, которые уже считанны с жесткого диска, но еще не были переданы для дальнейшей обработки, а также для хранения данных, к которым система обращается довольно часто.

Два других крупных чипа это Flash память и её контроллер. Они действует как большой кэш для часто используемых данных, для повышения производительности. Но эти чипы устанавливаются только в гибридных HDD и в большенстве дисков их нет.

(по сути это SSD внутри hdd=SSHD)

Так же, важным чипом является контроллер управления двигателем и головками VCM controller, так как, он управляет питанием MCU, Блоком магнитных головок внутри гермозоны и двигателем HDD.

Так же на плату устанавливаются датчики вибрации (shock sensor) которые определяет уровень тряски и в случаи высокой интенсивности отправляют сигнал VCM контролеру на корректировку движения головок или на их парковку и выключение HDD.

В действительности, эти датчики плохо работают, так что лучше не трясти и не ронять жёсткий.

Компоненты HDD мы рассмотрели, давайте теперь свяжем всё это вместе чтобы был понятен сам принцип работы жесткого диска.

При подаче питания на Жёсткий диск, двигатель расположенный внутри корпуса начинает раскручивать шпиндель на котором закреплены магнитные пластины. И пока пластины ещё не набрали обороты, чтобы между головкой коромысла и диском образовалась воздушная подушка, головки запаркованы у шпинделя у центра, чтобы не навредить секторам с информацией и самой головке.

Как только обороты достигают нужного уровня, сервопривод (электромагнитный двигатель) приводит в движение коромысло, которое уже позиционируется в то место, откуда нужно считать служебную информацию о состоянии жесткого диска и других необходимых сведениях о нем, эта область со служебной информацией называется нулевой дорожкой. После неё уже считываются все остальные данные хранящиеся на диске.

В случае когда питание, резко прекращается, двигатель переходит в режим генератора, и энергия от вращения шпинделей превращается в электрическую энергию, благодаря которой, головки безопасно паркуются и не повреждаются.

Ниже представлю анимированную версию статьи (трёхмерную визуализацию). Может кому-то видео будет интересней.

Как вы видите, жёсткий диск удивительное и сложное инженерное устройство. Надеюсь, что я смог достаточно понятно и подробно представить для вас базовую информацию об его устройстве.

Что нужно знать про восстановление данных (Часть II)

В следующей статье можно найти информацию об устройстве жесткого диска и типичных физических неисправностях.

Часть II. Физические повреждения жесткого диска

Устройство жесткого диска

• Пластины жесткого диска
• Магнитные головки
• Контроллер жесткого диска

Причины поломок и способы ремонта жестких дисков

• Повреждение секторов жесткого диска
• Повреждение служебных данных контроллера
• Неисправность контроллера
• Залипание магнитных головок
• Повреждение блока магнитных головок
• Заклинивание двигателя
• Повреждение поверхности диска

Продолжая разговор о восстановлении данных на жестких дисках, перейдем к проблемам аппаратным. То есть таким, которые вызваны физической неисправностью компонент жесткого диска. Мы попросили инженера сервисного центра Диком А. рассказать нам максимально просто и понятно, из чего состоит винчестер компьютера, почему он ломается, и что с этим можно сделать.

Устройство жесткого диска

Жесткий диск компьютера состоит из гермоблока и контроллера. В гермоблоке располагаются самые нежные детали: магнитные диски, блок головок и электропривод. Все это находится в герметичном металлическом корпусе для максимальной защиты от внешнего воздействия.

Пластины жесткого диска

Данные хранятся на магнитных дисках или, как их еще называют, пластинах. Пластины изготавливают из сплава и покрывают тонкой пленкой особого состава. Благодаря ферромагнитному свойству состава, отдельные мельчайшие ячейки пленки могут намагничиваться независимо от своих «соседей». Намагничивание имеет направление. В зависимости от этого направления, в ячейке кодируется ноль или единица.

Возможные неисправности: старение магнитного слоя, физическое повреждение поверхности.

Жесткий диск состоит из нескольких таких пластин, насаженных друг над другом на шпиндель. Чем больше пластин, тем больше объем винчестера. Для еще большего увеличения объема каждая пластина имеет две независимых рабочих поверхности, как виниловая пластинка имеет две стороны.

Возможные неисправности: клин подшипников, деформация оси.

Пластины жесткого диска

Магнитные головки

Данные нужно как-то сохранять и считывать. Этим занимается магнитная головка. Точнее головки – по две на каждый диск (с одной и другой стороны). Все головки объединены в блок, который перемещается в нужную область диска аналогично рычагу проигрывателя грампластинок.

При раскручивании дисков на их поверхности образуется воздушная подушка толщиной несколько микрон. Благодаря ей головки не касаются поверхности диска и не царапают его.

Для управления блоком головок используется устройство позиционирования. Если не вдаваться в подробности, то это привод, который с высокой точностью перемещает головку в нужную область. В выключенном состоянии головки находятся в парковочной зоне вне пластин диска.

Возможные неисправности: залипание блока магнитных головок, его повреждение.

Блок магнитных головок (БМГ)

Контроллер жесткого диска

Контроллер – набор микросхем, управляющих всеми перечисленными элементами. Здесь происходит декодирование полученной от головок информации и последующая передача данных центральному процессору компьютера. И наоборот – получение команд от процессора и «перевод» их на «язык», понятный приводу блока головок.

Возможные неисправности: повреждение служебных данных, выход из строя контроллера.

Контроллер жесткого диска

Причины поломок и способы ремонта жестких дисков

Повреждение секторов жесткого диска

Старение магнитного слоя и попадание мельчайших частичек пыли внутрь гермоблока приводят к тому, что отдельные секторы магнитного диска повреждаются. Появляются так называемые BAD-блоки. Обычно такие повреждения не носят фатальный характер, оставляя возможность прочитать данные с помощью специального оборудования.

Признаки: нет доступа к отдельным файлам, не загружается операционная система, диск издает шаркающие звуки.

Ремонт: данные с неисправного диска посекторно переносятся на рабочий винчестер. Применение программно-аппаратного комплекса существенно повышает шансы на восстановление данных из поврежденных областей. В ряде случаев возможен последующий ремонт и эксплуатация винчестера.

Повреждение служебных данных контроллера

Блок электроники жесткого диска представляет собой набор элементов, одним из которых является ПЗУ – постоянное запоминающее устройство. Здесь хранится программа, управляющая всеми элементами жесткого диска. При разрушении или повреждении этой области, программа не будет выполняться корректно или не будет выполняться вообще.

Признаки: жесткий диск не определяется компьютером, издает странные звуки, определяется компьютером, но отсутствует доступ к данным.

Ремонт: поврежденную служебную область диска восстанавливают с помощью специального программно-аппаратного комплекса PC-3000. Успех мероприятия зависит от степени повреждения. Если данные восстановить не удалось, то переходят к следующему пункту.

Неисправность контроллера

Выход из строя всего контроллера или отдельных его элементов.

Признаки: жесткий диск не определяется компьютером, характерно стучит или вообще не подает признаков жизни.

Ремонт: восстановление работоспособности контроллера путем замены его элементов либо замена контроллера целиком. В некоторых случаях спасает перепрошивка – загрузка программного обеспечения в ПЗУ с помощью программатора. После ремонта данные переносятся на исправный диск, а пользоваться отремонтированным не рекомендуется.

Неисправность контроллера

Залипание магнитных головок

Когда мы рассматривали строение жесткого диска, то отметили, что в выключенном состоянии блок головок находится в парковочной зоне и не контактирует с пластинами. Из-за падения или сильного встряхивания головки могут соскочить. При контакте с поверхностью дисков, начинается процесс диффузии – проникновения молекул одного вещества в другое. Как бы врастание головок в поверхность диска. Чтобы головки прилипли к диску достаточно всего 2-3 часов.

Признаки: диск не определяется компьютером, не раскручивается.

Ремонт: гермозона вскрывается в лабораторных условиях, блок головок устанавливается в рабочее положение, после чего с помощью программно-аппаратного комплекса вычитываются данные и переносятся на исправный носитель.

Залипание магнитных головок

Повреждение блока магнитных головок

Выйти из строя может весь блок, например, после скачка напряжения, или отдельные головки. Наиболее часта причина поломки – падение жесткого диска.

Признаки: диск не определяется компьютером, при раскручивании слышен стук или скрежет.

Ремонт: полная замена всего блока магнитных головок. Сложность заключается в том, что недостаточно просто пересадить блок от аналогичного диска. Иногда требуется до 10-15 доноров, прежде чем найдется подходящий вариант. Причем для каждого варианта головки нужно калибровать с высочайшей точностью.

После замены данные вычитываются на комплексе Data Extractor и переносятся на исправный носитель. Отремонтированный винчестер, равно как и доноры, дальнейшему использованию не подлежат.

Повреждение блока магнитных головок (БМГ)

Заклинивание двигателя

Деформация оси двигателя происходит, как правило, из-за падения или сильной тряски. Диски смещаются относительно друг друга и располагаются не строго параллельно, а под углом.

Признаки: диск не определяется компьютером, не раскручивается.

Ремонт: в редких случаях возможно расклинивание. Но чаще требуется перенос всего пакета магнитных дисков на исправный накопитель. Это очень сложная, долгая и дорогая процедура, требующая нескольких недель кропотливой работы специалиста. После переноса данные копируются на новый винчестер с помощью комплекса Data Extractor.

Повреждение поверхности диска

Попадание пылинок внутрь гермозоны, залипание блока головок, отслоение головок, деформация оси двигателя – все перечисленные неисправности могут повлечь за собой повреждение поверхности магнитных дисков. Пылинка или головка, касающаяся поверхности, царапают диск, полностью уничтожая данные. При такой неисправности восстановление данных невозможно.

Очень важно при появлении любых подозрений на физическую поломку немедленно отключить жесткий диск и не предпринимать никаких самостоятельных попыток вернуть его к жизни. Если диск упал или подвергался сильной тряски, его ни в коем случае нельзя подключать к компьютеру! Помните, что аппаратные проблемы можно решить только тогда, когда не повреждены магнитные диски. А любая из описанных нами неисправностей при запуске винчестера может привести к такому повреждению.

Повреждение поверхности диска

Часть I. Когда потеряны данные, но сам диск не поврежден
Часть III. Восстановление данных с CD и DVD
Часть IV. Восстановление данных с флеш-накопителей

Контроллер жестких дисков: описание и особенности

Жесткий диск — это один из главных компонентов в компьютере, без которого система не сможет функционировать, так как все данные, включая операционную систему, хранятся на именно на нем. Как у любого устройства, у жесткого диска контроллер тоже имеется.

Механическое строение жесткого диска становится самым уязвимым местом во всем системном блоке. Это единственное комплектующее, которое не подлежит простой замене, так как является постоянным хранилищем данных.

Что такое контроллер и для чего он нужен

Контроллер жесткого диска является устройством, которое расположено на материнской плате с целью подключения к нему накопителя. Его задача заключается в том, чтобы обеспечивать бесперебойную передачу информации в оба конца, то есть от жесткого диска к компьютеру или аналогичному накопителю, и наоборот.

Данное устройство может быть интегрировано в материнскую плату, а контроллер внешнего жестокого диска может быть присоединен к плате расширения на материнке. Однако все чаще можно увидеть в эксплуатации мультипорты, которые включают в себя асинхронный адаптер, игровой слот и контроллер диска. Он же может выступать в роли контроллера внешнего жесткого диска.

Драйверы для устройства

Благодаря драйверу контроллера жестких дисков БИОС распознает накопитель в системе, что дает возможность пользоваться ним. Если так получилось, что БИОС опознал жесткий диск без наличия драйверов, то беспокоиться об их надобности не нужно.

В случае отсутствия драйверов нужно скачать их на диск или флэш-накопитель, чтобы установить. Для этого понадобится узнать, какой интерфейс используется для подключения, так как у каждого разъема своя скорость передачи данных. Устанавливаются данные драйверы через БИОС, который нужно активировать при запуске компьютера.

Диагностика неполадок

Поломки в рядах контроллеров жестких дисков встречаются нередко, но не всегда это можно увидеть. Чаще всего причины неполадок могут быть следующими:

• Некорректная работа блока питания компьютера, которая не обеспечивает стабильную подачу питания к контроллеру.
• Некачественная система охлаждения корпуса или ее полное отсутствие, приводит к перегреву деталей или устройства в целом.
• Неправильная эксплуатация приводит к попаданию и налипанию посторонних частиц, а они, в свою очередь, способствуют выгоранию контактов.
• Неосторожное использование может спровоцировать механические повреждения — достаточно легкого толчка, чтобы контроллер и жесткий диск вышли из строя.

Не услышав характерного вращения головок жесткого диска, можно логично предположить, что устройство в неисправном состоянии. Однако существуют такие неполадки, как залипание магнитных головок или заклинивание двигателя. То есть проблема не всегда заключена в неисправности контроллера жестких дисков.

Что нужно предпринять, чтобы увеличить ресурс диска:

• Для предотвращения поломки нужно грамотно подобрать блок питания. Исходя из данных энергопотребления всей системы, можно определить, какой мощности блок питания необходим. Всегда нужно обращать внимание на сертификат качества — он изображен на упаковке.
• Наличие дополнительных вентиляторов в корпусе ПК никогда не повредит, к тому же охлаждение всей системы будет сохранять жизнь компьютеру.
• Нельзя постоянно держать системный блок в открытом состоянии — это провоцирует присутствие посторонних частиц внутри корпуса.

Замена контроллера жестких дисков

При неисправности контроллера накопителя стоит задуматься не о его ремонте, а о полной замене платы, так как это является самым оптимальным вариантом. Но не все так просто. Дело в том, что на самой плате находится ПЗУ, обладающее функцией запуска жесткого диска. Она отвечает за запуск остальных систем диска — двигателя, идентификацию головок, доступа к служебным микропрограммам.

Еще одна загвоздка заключается в том, что для каждого жесткого диска энергозависимая память индивидуальна. То есть, прежде чем перемещать ПЗУ на исправную плату, необходимо прошить «родную» память. Для этих целей существует программно-аппаратный комплекс PC3000Express. Если у контроллера больше нет поломок, то можно начинать процедуру считывания информации.

В некоторых случаях, когда программы нет или она не работает с ПЗУ, приходится выпаивать ее с одной платы и ставить на другую. В любом случае при обнаружении или подозрении на неполадки касаемо жесткого диска стоит обратиться в компьютерный сервис, где специалисты смогут определить характер поломки и помочь восстановить данные.