Накопитель магнитный с разделёнными областями
MAGNETIC DRIVE WITH DIVIDED AREAS

Область техники, к которой относится изобретение
Накопитель магнитный с разделенными областями относится к вычислительной технике, а именно к дисковым энергонезависимым цифровым запоминающим устройствам (ЦЗУ) и предназначен для многократной перезаписи, хранения и чтения массива информации в цифровом коде, например на сервере или в компьютере.
Уровень техники
ЦЗУ можно условно разделить:
- по возможности записи на:
• ЗУ, запись в которые производится только заводом-изготовителем (например, масочные микросхемы ПЗУ, CD-ROM).
• ЗУ, запись в которые может осуществить пользователь с помощью отдельного устройства (например, EPROM с ультрафиолетовым стиранием, использовавшиеся в ранних микросхемах BIOS).
• ЗУ, запись в которое осуществляется конечным пользователем в том же устройстве, которое его использует (например, большинство видов памяти в современных компьютерах).
- по возможности перезаписи:
• С однократной записью без возможности перезаписи (ПЗУ) (например, CD-ROM, CD-R, масочные микросхемы ПЗУ).
• Полупостоянные, перепрограммируемые ЗУ (ПППЗУ) - запоминающие устройства с возможностью многократной перезаписи, затрудненной долгим временем записи или ограниченным числом циклов записи (например, CD-RW, микросхемы EPROM).
• Устройства со свободной многократной перезаписью (например, жесткие магнитные диски HDD, микросхемы оперативной памяти). Между этим и предыдущим классом нет четкой границы.
- по назначению:
• Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - память, в которой размещаются данные, над которыми непосредственно производятся операции процессора. Оперативная память может иметь несколько иерархических уровней. Примеры: SRAM, DRAM.
• Внутренние устройства для долговременного хранения информации (например, CMOS-память, магнитный HDD-накопитель, твердотельный SSD-накопитель).
• Внешние носители, предназначенные для резервного хранения либо переноса информации от одного устройства к другому (например, дискеты, флэш-памяти).
• Запоминающие устройства для идентификации и платежей (например, магнитные карты, метки RFID).
- по энергозависимости:
• энергонезависимые, записи в которых не стираются при снятии электропитания;
• энергозависимые, записи в которых стираются при снятии электропитания:
статические, которым для хранения информации достаточно сохранения питающего напряжения;
динамические, в которых информация со временем разрушается (деградирует), и, кроме подачи электропитания, необходимо производить ее периодическое восстановление (регенерацию).
- по типу доступа:
• с последовательным доступом (например, магнитные ленты).
• с произвольным доступом (RAM; например, оперативная память).
• с прямым доступом (например, жесткие диски HDD).
• с ассоциативным доступом (специальные устройства, для повышения производительности баз данных).
- по геометрическому исполнению:
• дисковые (магнитные диски, оптические, магнитооптические);
• ленточные (магнитные ленты, перфоленты);
• барабанные (магнитные барабаны);
• карточные (магнитные карты, перфокарты, флэш-карты, и др.);
• печатные платы (карты DRAM, картриджи).
- по физическому принципу:
• с магнитной записью
магнитные сердечники (пластины, стержни, кольца, биаксы)
магнитные барабаны
жесткий магнитный диск (HDD)
гибкий магнитный диск (Floppy)
магнитные ленты (Streamer)
магнитные карты (банковские кредитные карты)
• оптические о CD
DVD
HD-DVD
Blu-ray Disc
• магнитооптические:
CD-МО
• использующие накопление электростатического заряда в диэлектриках (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки);
• использующие эффекты в полупроводниках (EEPROM, флэш-память, SSD)
• звуковые и ультразвуковые (линии задержки);
• использующие сверхпроводимость (криогенные элементы);
- по количеству устойчивых состояний:
• двоичные
• троичные
• десятичные
Информационная емкость двоичных ЦЗУ измеряется в битах, а троичных ЦЗУ измеряется в тритах.
К основным параметрам цифровых ЗУ относятся информационная емкость, потребляемая мощность, время хранения информации, быстродействие.
К наиболее применяемым энергонезависимым ЦЗУ с прямым доступом относятся «Накопитель на жестких магнитных дисках» и «Твердотельный накопитель», а так же «Гибридный жесткий диск»:
--- «Накопитель на жестких магнитных дисках» (далее HDD-накопитель), называемый также жестким диском, НЖМД, НЖД, HMDD, HDD, hard (magnetic) disk drive или на сленге «винчестером». Его принцип работы основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной магнитной головки и тонкого слоя ферромагнетика, который смещается, как в магнитофоне, относительно магнитной головки.
Конструкция HDD-накопителя приведена на фиг. 1 и включает в себя:
• шпиндель вентильного мотора 1
• вращающийся физический диск 2, который закреплен на шпинделе вентильного мотора 1 и покрыт тонким слоем ферромагнетика. Ферромагнетик защищается от механического воздействия магнитной головки слоем углерода и слоем полимера. Общая толщина слоев около 12 нм. Обычно на шпинделе закрепляются несколько жестких физических дисков.
• коромысло 3, которое поворачивается на оси коромысла 4 и на концах рычагов которого закрепляются:
звуковая катушка коромысла 5, которой осуществляется дискретное поворачивание коромысла в необходимое положение за счет ее взаимодействия с постоянным магнитом 6
слайдер 7 - деталь с особой аэродинамической формой, которая закрепляется на рычаге коромысла около магнитной головки 8. Поток воздуха от вращающегося физического диска 2 создает в слайдере подъемную силу, которая поднимает магнитную головку 8 на высоту около 10 Нм относительно слоя ферромагнетика.
магнитная головка 8 записи/чтения данных, например, на основе туннельного магниторезистивного эффекта с оксидом магния. Магнитные головки находятся над каждой стороной всего пакета вращающихся физических дисков 2
коммутатор-предусилитель 9, который закреплен на коромысле 3 около магнитной головки 8. Создаваемый магнитной головкой 8 сигнал очень слаб и для его повышения должен усиливаться до уровня цифровых сигналов
• печатную плату 10 фиг 2, в которую впаяны микросхемы, например:
основной контроллер 11, который обрабатывает инструкции, транслирует потоки данных внутрь и наружу, корректирует ошибки, управляет током звуковой катушки коромысла 5 и т.п., например, LSI В64002
КЭШ-память 12 (или буферная память) - это особая разновидность энергозависимой оперативной памяти, своеобразная «прослойка» между магнитным диском и другими компонентами компьютера, в которой временно хранятся и обрабатываются часть данных HDD-накопителя. Предназначена для более плавного считывания информации и хранения данных, к которым на текущий момент чаще всего обращается пользователь или операционная система. Например, микросхема Samsung К4Т51163QJ: 64 МБ DDR2 SDRAM с тактовой частотой 800 МГц.
микросхема управления вентильным мотором 14, например Smooth MCKXL
последовательная флеш-память 15, которая используется для хранения встроенного программного обеспечения HDD-накопителя (немного похожего на BIOS компьютера), например, Winbond 25Q40BWS05 объемом 500 КБ
разъемы для подключения питания 16 и информационного кабеля 17, например, интерфейса SATA.
Для работы с дисками используются несколько уровней:
• физический уровень доступа к данным на диске с помощью контроллера диска
• доступ к данным с использованием BIOS (прерывание 13h)
• доступ к данным с использованием средств операционных систем
• доступ к данным с использованием средств языков высокого уровня.
Во время заводского низкоуровневого форматирования диска в ферромагнетике поверхности диска формируются магнитной головкой 8 концентрические дорожки (track).
Каждая дорожка состоит из набора секторов. Стандартная емкость одного сектора равна 512 байт (4 096 бит) и не подлежит логическому или физическому разделению.
Дорожки нумеруются по направлению от края диска к его центру, начиная с номера 0. Секторы нумеруются в пределах одной дорожки, начиная с номера 1. Стороны нумеруются, начиная с 0.
Принято несколько секторов логически объединять в кластер (cluster). Количество секторов в одном кластере зависит от общего объема HDD-накопителя. В один кластер невозможно записать информацию из разных файлов. Кластер не подлежит логическому разделению.
Все дорожки, расположенные на разных физических дисках, но на одинаковом расстоянии от центра, называются цилиндром (cylinder). Номер цилиндра соответствует номерам дорожек, входящих в этот цилиндр. По мере записи информации цилиндры постепенно заполняются по направлению к центру диска. В пределах цилиндра переход от одной дорожки текущего диска к дорожке другого диска не требует перемещения головок чтения/записи. Таким образом, за счет оптимизации перемещения головок достигается уменьшение времени на смещение головок от одного сектора к другому.
Для того чтобы однозначно указывать адреса блока данных, необходимо определить три числа:
• номер цилиндра (определяется дорожка)
• номер магнитной головки (определяется номер физического диска и его стороны)
• номер сектора на дорожке.
Здесь используется так называемая абсолютная нумерация диска
Однако операционная система рассматривает все секторы диска, как один непрерывный массив, элементы которого нумеруются подряд, начиная с 0, поэтому каждый сектор, кроме абсолютной нумерации, имеет свой логический или относительный номер.
Дорожки группируются по одному (например, диск С) или нескольким разделам (логическим дискам).
Организация нескольких разделов предоставляет возможность устанавливать на каждый из них свою операционную инфраструктуру с отдельным томом и логическими дисками.
Все логические диски снабжаются загрузочным сектором тома, двумя копиями таблицы размещения файлов и корневым каталогом. Посредствам вышеуказанных структур, операционной системе удается производить распределение дискового пространства, отслеживание расположения файлов, а также обход поврежденных участков на диске.
Форматирование высокого уровня сводится к созданию разделов, оглавлений диска и файловой системы (FAT, NTFS и т.п.). Посредством DOS-команды FORMAT гибкий диск подвергается сразу обоим типам форматирования, тогда как жесткий - лишь форматированию высокого уровня.
Дорожки и сектора вращающегося физического диска 2 фиг. 1 разбиты на:
• зону парковки магнитных головок 20, где магнитная головка 8 «приземляется» перед выключением HDD-накопителя, что исключает повреждение магнитными головками слоя ферромагнетика вращающегося физического диска 2.
• область загрузочных секторов 21 с адресом «сторона 0, дорожка 0 и сектор 1». В общем случае данный сектор содержит адрес начала области специальных секторов, но может содержать программу начальной загрузки. Содержит так же таблицу описания разделов (Partition Table), где один из четырех разделов помечается как активный, в каталог которого программой начальной загрузки передается управление. Partition Table указывает на расположение блоков секторов логических устройств
• область специальных секторов, в которой размещается файловая система, например:
область специальных секторов FAT32 22 фиг. 1, которая применялась в Windows до 1993 года. Поддерживает диски размером до 128 Гб, а размер отдельных файлов - в пределах 4 Гб. Область специальных секторов файловой системы FAT32 располагается в начале вращающегося физического диска, сразу после области загрузочных секторов 21.
область специальных секторов 23 фиг. 1 ОС NTFS - применяется в начиная с серверов NT и Windows Vista. Поддерживает диски размером до 16 Тб.
Область специальных секторов 23 файловой системы NTFS располагается на дорожках в середине вращающегося физического диска и содержит, например:
корневой каталог
MFT (Master File Table). NTFS резервирует первые 16 записей таблицы размером около 1 Мб для специальной информации
Зеркальную запись MFT. Если первая запись MFT разрушена, NTFS считывает вторую запись
Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются собственно файлами и каталогами на томе
Файл битовой карты (bitmap file), где хранится схема распределения пространства на томе. Атрибут данных этого файла содержит битовую карту, каждый бит которой представляет один кластер тома и указывает, свободен ли данный кластер или занят некоторым файлом
Файл плохих кластеров (bad cluster file) для регистрации поврежденных участков на томе
Файл тома (volume file), содержащий имя тома, версию NTFS и бит, который устанавливается при повреждении тома
Файл (attribute definition table), содержащий таблицу определения атрибутов, которая задает типы атрибутов, поддерживаемые на томе, и указывает можно ли их индексировать, восстанавливать операцией восстановления системы и т.д.
exFAT (FAT64) - поддерживает все актуальные системы, в том числе Мас и Linux. Работает с файлами размером более 4 Гб и рассчитана на использование в съемных устройствах.
HFS+ -поддерживает исключительно устройства Apple
• область секторов данных 24 фиг. 1, в которой располагаются файлы хранимой на HDD-накопителе информации
• область журнала транзакций 25 фиг. 1, в которой в системе NTFS регистрируются все операции, влияющие на структуру тома, включая создание файла и любые команды, изменяющие структуру каталогов. В области журнала транзакций записывается «Журнал транзакций», который используется для восстановления тома NTFS после сбоя системы. Журнал транзакций - это обычный файл (log file) нефиксированной длины, который записывается в произвольное место в область секторов данных 24 фиг. 1.
В кластеры области секторов данных 24 фиг. 1 записываются файлы в соответствии с таблицей MFT файловой системы, например:
• Файлы драйверов
• Файлы операционной системы
• Файл подкачки, который используется при недостаточности оперативной памяти
• Файлы прикладных программ
Разделением информации на файлы обеспечивается возможность машине и человеку отличать один набор данных от другого при их поиске, изменении, удалении или выполнении с ними других операций.
Следует отметить важность сохранения целостности кластеров области специальных секторов 23 (или 22) фиг. 1. Ее повреждение часто приводит к потери всей информации HDD-накопителя.
В тоже время повреждение одного сектора в области данных 25 фиг. 1 приводит к разрушению только одного информационного файла.
Если кластеры, содержащие файл, расположены не подряд, то данные файла оказываются фрагментированными. Сильно фрагментированные файлы значительно снижают эффективность работы HDD-накопителя, так как головка чтения/записи при поиске очередного кластера файла должна прерывисто перемещаться между дорожками и ожидать «подлета» необходимого сектора.
Очевидно, во время записи/считывания информации магнитные головки постоянно челночно перемещаются между областью специальных секторов, областью журнала транзакций и областью секторов данных. Например, магнитная головка от зоны парковки 20 фиг. 1 смещается к области загрузочных секторов 21, далее в область специальные секторов 23 фиг. 1, где считываются файлы и таблицы NTFS, и, с учетом данных файла плохих кластеров (bad cluster file), свободных кластеров цилиндров, которые зарегистрированы в файле битовой карты (bitmap file), магнитная головка смещается сначала в область журнала транзакций 25 фиг. 1, где записываются планируемые изменения в файл log file, а потом смещается в область секторов данных 24 фиг. 1, в дорожках которой записывается сохраняемая информация. В итоге на запись/чтение каждого сектора HDD-накопителя тратится существенно много микросекунд.
Если произошел сбой транзакции, например отключалась энергосеть, то с использованием записей журнала транзакций (log file) происходит автоматическое возращение HDD-накопителя в исходное состояние.
При определенных обстоятельствах сама область загрузочных секторов может оказаться фрагментированной, чем дополнительно снижается производительность HDD-накопителя.
Челночные механические перемещения магнитных головок HDD-накопителя между областями и ожидание, когда необходимый сектор каждой области «довернется» до головки, ограничивают общую скорость работы компьютера, как единого устройства.
При этом, небольшая по емкости область специальных секторов является наиболее часто читаемой и наиболее часто перезаписываемой, что вызывает усиленный износ соответствующих ферромагнитных дорожек вращающегося физического диска. Разрушение ферромагнитной поверхности в области специальных секторов приводит к необратимой потере информации всего диска.
На протяжении десятилетий магнитные способы записи доминировали в сегменте хранения данных. Изобретенный в 1956 году HDD-накопитель из-за своей относительно медленной скорости стали «узким местом» ЦВУ.
--- «Твердотельный накопитель» (далее SSD-накопитель),
Проблема в компьютере или на сервере с магнитным HDD-накопителем устраняется его заменой на SSD-накопитель (solid state drive), который обеспечивает намного большую скорость работы с данными.
Первые образцы имели емкость 128 Мб, ну а сейчас стали доступными по цене модели до 480 Гб.
SSD-накопитель представляют собой технологически законченные постоянные запоминающие устройства, хранящие данные в микросхемах. Отличается от флеш-памяти прежде всего большой информационной емкостью. Наиболее распространенный вид твердотельных накопителей использует для хранения информации энергонезависимую память типа NAND, однако существуют варианты, в которых накопитель создается на базе DRAM-памяти, снабженной дополнительным источником питания - аккумулятором.
С целью оптимизации использования SSD-накопителя в 2011 году разработан логический интерфейс NVMe (Non-Volatile Memory Express), поддержка которого добавлена в Windows, начиная с версии 8.1.
В отличие от HDD-накопителя, цена SSD-накопителя очень сильно зависит от доступной емкости, что связано с ограниченной плотностью размещения ячеек памяти и ограничением размера кристалла в микросхеме.
В настоящее время, SSD-накопители разделяются по четырем технологиям изготовления, которые отличаются плотностью хранения данных и ресурсом:
• SLC (Single Level Cell-одноуровневые ячейки памяти) - один бит на ячейку
• MLC «Multi Level Cell» - два бита на ячейку
• TLC «Triple Level Cell» - три бита на ячейку
• QLC «Quad Level Cell» - 4 бита данных в ячейке. Самый бюджетный диск со стоимость 1 Тб около $100-120.
По сравнению с HDD-накопителем, SSD-накопитель имеет преимущество в исключении механических движущихся частей, отсюда:
• стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации
• высокая скорость чтения/записи, вплоть до нескольких гигабайт в секунду для произвольно расположенных данных, близка к пропускной способности интерфейсов (SAS/SATA II 300 МБ/с, SAS/SATA III 600 МБ/с)
• количество произвольных операций ввода-вывода в секунду (IOPS) у SSD-накопителя на порядок выше, чем у жестких дисков, за счет возможности одновременного запуска множества операций и более низкой латентности каждой операции (нет необходимости ожидать оборота диска перед доступом, а также ожидать наведения головки диска на нужный цилиндр);
• намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям;
• высокая механическая стойкость (кратковременно выдерживают порядка 1500 g);
• малые габариты и вес. Для твердотельных накопителей были разработаны более компактные типовые размеры, например mSATA, NGFF (М.2).
• отсутствие шума;
• низкое энергопотребление;
Но главными недостатками SSD-накопителя считаются в несколько раз большая стоимость в расчете на Гб и ограниченное количество циклов перезаписи, например:
• Дешевые накопители (SB, SD, uSD типа TLC) имеют ресурс порядка 1000 циклов или менее.
• Обычная MLC, например флэш-память (flash memory), позволяет записывать данные примерно 3000-10 000 раз (гарантированный ресурс);
• Более дорогостоящие виды памяти SLC имеют ресурс порядка сотен тысяч циклов перезаписи.
Для борьбы с неравномерным износом в высокопроизводительных (SATA и PCIe) SSD-накопителях применяются схемы балансирования нагрузки ячеек: основной контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались, и при необходимости производит запись в менее изношенные блоки. При выработке реального ресурса банков памяти накопитель может перейти в режим «только для чтения», что позволяет сохранить и скопировать данные.
При дальнейшем бурном развитии технологий SSD-накопителей низкий ресурс по количеству перезаписей, несомненно, будет устранен, например, путем изготовления носителя информации по другим физическим принципам, типа FeRam, ReRAM (resistive random-access memory) и др.
Но уже сейчас производители SSD-накопителей по технологии 3D TLC дают гарантию не менее 3 лет.
--- «Гибридный жесткий диск» (далее SSHD-накопитель).
Первый в мире гибридный жесткий диск (solid-state hybrid drive) разработала компания Seagate в 2007 году.
В SSHD-накопителе сочетаются технологии параллельного хранения данных на магнитном HDD-накопителе и в твердотельном SSD-накопителе. Отдельный твердотельный SSD-накопитель ограниченной емкости используется в качестве большого буфера (кэша) информации, хранимой на магнитном HDD-накопителе. Контроллер устройства копирует из области секторов данных HDD-накопителя в быстрый SSD-накопитель наиболее часто используемые файлы.
В основе технологии гибридных накопителей лежит принятие решения о том, какие элементы данных являются приоритетными для SSD-накопителя, а какие нет. Поэтому SSHD-накопители могут работать в двух основных режимах:
• Автоматический режим или self-optimized. В этом режиме гибридный винчестер самостоятельно принимает все решения, относящиеся к распределению данных и не зависит от операционной системы
• Хост-Оптимизированный режим или host-hinted. В этом режиме работы, гибридный SSHD-накопитель включает расширенный набор команд SATA «Hybrid Information)). На основе этих команд, операционная система и драйвер устройства, учитывая структуру файловой системы, принимает решение о том, какие элементы данных размещать в SSD-накопитель.
Некоторые специфические особенности SSHD-накопителя, такие как host-hinted режим, требуют программной поддержки в операционной системе. Поддержка host-hinted операции появилась только в Windows 8.1, в то время как патчи для ядра Linux доступны с конца 2014 года.
За счет увеличенного кэша, удалось уменьшить количество обращений к магнитному диску, что отразилось на уменьшении энергопотребления и тепловыделения, долговечности и уменьшении шума при работе. Все это делает их на порядок производительнее и практичнее HDD, но в несколько раз дешевле SSD-накопителя.
В результате увеличивается производительность накопителя. Подобное объединение позволяет воспользоваться преимуществом (по количеству произвольных операций ввода-вывода в секунду (IOPS)) недорого SSD-накопителя с небольшой емкостью при сохранении малой стоимости хранения 1 Гб данных на HDD-накопителе.
Существуют две основные конструкции, используемые для реализации гибридных накопителей:
• с независимыми корпусами HDD-накопителя и SSD-накопителя, например, по технология Hyper Duo, Adaptec MaxIQ, каждый из которых подключаются к компьютеру по отдельному интерфейсному кабелю
• в одном корпусе смонтированы HDD-накопитель, SSD-накопитель и контроллер, например, по технологии Intel Smart Response. Корпус подключается к компьютеру одним интерфейсным кабелем. Конструктивно SSD-накопитель размещается на печатной плате SSHD-накопителя как обычная микросхема. Можно сказать, что это одно из направлений эволюционного развития HDD-накопителей.
К технической проблеме гибридных SSHD-накопителей относится противоречие между производительностью и стоимостью. Заметный выигрыш по производительности происходит при копировании из HDD-накопителя в SSD-накопитель всех наиболее часто используемых файлов. Но для это надо увеличивать емкость SSD-накопителя, что увеличивает стоимость SSHD-накопителя и себестоимость хранения 1 Гб информации. С другой стороны, если нет постоянно используемых файлов, то промежуточное копирование файлов из HDD-накопителя в SSD-накопитель отрицательно сказывается на общей производительности SSHD-накопителя, в том числе на количестве операций ввода-вывода в секунду (IOPS). Устанавливать в гибридный диск SSD-накопитель больше 32 Гб не имеет смысла, так как будет дешевле приобрести обычный SSD-накопитель на 64 Гб.
По совокупности существенных признаков изобретения наиболее близким аналогом является HDD-накопитель.
К основной технической проблеме накопителей на жестком магнитном диске относится низкое быстродействие. При дальнейшем увеличении емкости HDD-накопителя постоянное челночное перемещение магнитной головки между дорожками области специальных секторов, области секторов данных и области журнала транзакций существенно влияет на количество произвольных операций ввода-вывода в секунду (IOPS). Низкая скорость записи/чтения HDD-накопителя стала «узким местом» в современных компьютерах.
Раскрытие сущности изобретения
Накопитель магнитный с разделенными областями (далее НМРО) представляет собой новый вид ЦЗУ, в котором область специальных секторов 8 рис. 1 и область журнала транзакций 25 фиг. 1 вынесены с ферромагнитной поверхности вращающегося физического диска 2 фиг. 1 HDD-накопителя в соответствующие твердотельные накопители SSD-mft 27 фиг. 4 и SSD-log 29 фиг. 4. Твердотельные накопители 27 и 29 размещаются, например, на печатной плате 10 фиг. 4 контроллера НМРО. Соответственно, всю площадь ферромагнетика вращающегося физического диска занимает исключительно область секторов данных 24 фиг. 3. В итоге:
• на вращающийся физический диск 2 фиг. 3 в область секторов данных 24
фиг. 3 записывается основной объем информации, например:
файлы операционной системы
файлы драйверов, например, для работы с принтером или монитором о файл подкачки, который используется при недостаточности оперативной памяти
файлы прикладных программ
другая информация для постоянного хранения
• в небольшую по емкости SSD-mft 27 фиг. 4 записывается и хранится область специальных секторов системы NTFS, например, область загрузочных секторов, таблица MFT (Master File Table), bitmap file, bad cluster file и т.д. файловой системы NTFS
• в небольшую по емкости SSD-log 29 фиг. 4 записывается и хранится область журнала транзакций системы NTFS, которая содержит «файл журнала транзакций» (log file), а также копии области загрузочных секторов, файла тома (volume file), зеркальной таблицы Master File Table, файла плохих кластеров (bad cluster file). Эти файлы просто сохраняются, но используются при откате транзакций или для восстановления НМРО при катастрофическом отказе SSD-mft.
Считывание информации с НМРО происходит следующим образом, например:
• по названию файла основной контроллер 11 фиг. 4 находит в таблице MFT твердотельной памяти SSD-mft 27 фиг. 4 соответствующие номера кластеров
• сектора кластеров последовательно считываются магнитной головкой 8 фиг. 3 с вращающегося физического диска 2 фиг. 3
• информация направляется напрямую к центральному процессору
• при необходимости, части считанной информации временно хранятся в Кэш-памяти (буферной памяти) 12 фиг. 4.
Запись информации в НМРО упрощенно происходит следующим образом, например:
• записываемый файл или его часть запоминается в КЭШ памяти 12 фиг. 4
• по таблице MFT из твердотельной памяти SSD-mft 27 фиг. 4 основной контроллер 11 фиг. 4 планирует номера кластеров на вращающимся физическом диске 2 фиг. 3 для записи в них файла
• основной контроллер 11 фиг. 4 производит последовательную запись файла из КЭШ-памяти 12 фиг. 4 в запланированные кластеры вращающегося физического диска 2 фиг. 3
• параллельно все планируемые изменения на вращающемся физическом диске 2 фиг. 3 фиксируются в твердотельной памяти SSD-log 29 фиг. 4
• в случае невозможности завершения транзакции, основным контроллером 11 фиг. 4 производится автоматическое восстановление исходного состояние кластеров вращающегося физического диска 2 фиг. 3 с использованием записей «журнала транзакций» в твердотельной памяти SSD-log 29 фиг. 4
• после успешного завершения транзакции измененная таблица MFT и bitmap file копируются из SSD-mft 27 фиг. 4 в SSD-log 29 фиг. 4
• в случае успешного завершения транзакции и по истечении заданного времени соответствующая запись в файле журнала транзакций log file твердотельной памяти SSD-log 29 фиг. 4 обнуляется.
НМРО сохраняет большую информационную емкость и низкую себестоимость 1 Гб HDD-накопителя, но выгодно отличается от него более высокой надежностью хранения информации, меньшим временем произвольного доступа (random access time), более высоким количеством операций ввода-вывода в секунду (англ. IOPS) и меньшим механическим износом ферромагнитных поверхностей вращающегося физического диска 2 фиг. 3, за счет исключения челночного перемещения магнитной головки 8 коромыслом 3 фиг. 1 между дорожками области специальных секторов NTFS 23 фиг. 1, дорожками области секторов данных 24 фиг. 1 и дорожками области журнала транзакций NTFS 25 фиг. 1 вращающегося физического диска 2 фиг. 1, а также за счет на порядок более высокой скорости чтения/записи области специальных секторов системы NTFS в SSD-mft 27 фиг. 4 и области журнала транзакций системы NTFS в SSD-log 29 фиг. 4 НМРО.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Накопитель на жестком магнитном диске (вид без крышки со стороны вращающегося физического диска), где 1 - шпиндель вентильного мотора, 2 - вращающийся физический диск (несъемный жесткий, покрытый ферромагнетиком), 3 - коромысло, 4 - ось коромысла, 5 - звуковая катушка коромысла, 6 - постоянный магнит, 7 - слайдер, 8 - магнитная головка, 9 - коммутатор-предусилитель, 20 - зона парковки магнитной головки, 21 - область загрузочных секторов, 22 - область специальных секторов устаревшей FAT32, 23 - область специальных секторов (современной NTFS), 24 - область секторов данных, 25 - область журнала транзакций.
Фиг. 2 Контроллер HDD, где 10 - печатная плата, 11 - основной контроллер, 12 - КЭШ-память (буферная память), 14 - микросхема управления вентильным мотором, 15-последовательная флеш-память, 16 - разъем для подключения питания, 17 - разъем для подключения информационного кабеля.
Фиг.3 Накопитель магнитный с распределенными областями (вид без крышки со стороны вращающегося физического диска), где 1 - шпиндель вентильного мотора, 2 - вращающийся физический диск (несъемный жесткий, покрытый ферромагнетиком), 3 - коромысло, 4 - ось коромысла, 5 - звуковая катушка коромысла, 6 - постоянный магнит, 7 - слайдер, 8 - магнитная головка, 9 - коммутатор-предусилитель, 20 - зона парковки магнитной головки, 24 - область секторов данных.
Фиг. 4 Контроллер НМРО, где 10 - печатная плата, 11 - основной контроллер, 12 - КЭШ-память (буферная память), 14 - микросхема управления вентильным мотором, 15 - последовательная флеш-память, 16 - разъем для подключения питания, 17 - разъем для подключения информационного кабеля, 27- твердотельный накопитель SSD-mft, 29 - твердотельный накопитель SSD-log, 30 - разъем (сокет) для установки твердотельной памяти.
Осуществление изобретения
В отличии от HDD-накопителя на печатной плате контроллера НМРО, дополнительно впаяны два SSD-накопителя существенно небольшой емкости и себестоимости.
После форматирования НМРО:
• на всей площади магнитной памяти вращающегося физического диска 2 фиг. 3 размечаются и размещаются исключительно дорожки области секторов данных 24 фиг. 3
• в SSD-mft 27 фиг. 4 записываются основная таблица MFT и другие файлы системы NTFS
• в SSD-log 29 фиг. 4 записываются журнал транзакций системы NTFS (log file), а так же копии файлов из SSD-mft, например, область загрузочных секторов, файл тома (volume file), зеркальной Master File Table, файла плохих кластеров (bad cluster file).
Низкая себестоимость SSD-mft и SSD-log достигается за счет их небольшой емкости, например 0.256 Гб, а также использования общего с вращающимся физическим диском основного контроллера 11 фиг. 4.
Высокая надежность SSD-mft и SSD-log достигается за счет применения схемы балансирования нагрузки ячеек и использования твердотельных накопителей, допускающих большое количество перезаписей ячеек, например, по технологии SLC.
Схемой балансирования нагрузки ячеек последовательно блокируются ячейки с выработанным ресурсом количества перезаписей. После почти полного использования свободных ячеек, НМРО автоматически переводится в режим «только чтение», чем обеспечивается сохранность и доступность информации на вращающемся физическом диске 2 фиг. 3.
SSD-mft и SSD-log размещаются в съемных корпусах, например, микро-SD (ранее известных как TransFlash, T-Flash или TF), которые вставлены в соответствующие разъемы (Socket) 30 фиг. 4 печатной платы 10, что позволяет переносить твердотельные накопители 27 и/или 29, которые выработали свой ресурс по количеству перезаписей, на отдельный стенд и профилактически копировать информацию с SSD-mft и/или SSD-log на новые SSD-накопители. Новые SSD-mft и/или SSD-log с перенесенными данными вставляются в соответствующие сокеты НМРО и его работа продолжается без утраты информации.
Причем расположение разъема (сокета) 30 фиг. 4 на печатной плате допускает замену SSD-mft 27 и/или SSD-log 29 без разборки корпуса НМРО и корпуса компьютера, например, как в сотовом телефоне.
Легкосъемные SSD-mft 27 и SSD-log 29 обладают функцией электронного ключа защиты. После их удаления из сокета контроллера НМРО, область секторов данных 24 фиг. 3 на вращающемся физическом диске 2 фиг. 3 представляет собой набор секторов актуальной и «удаленной» информации с примесью секторов файлов операционной системы, которые сопоставимы с крошечными кусочками документов измельченных в офисном шредере. Причем, в отличие от пароля, изъятие из НМРО SSD-mft и SSD-log активного диска делает операционную систему компьютера абсолютно недоступной, например, хакерам. При неконтролируемой транспортировке компьютера, например в багаже самолета, изъятые SSD-mft и SSD-log перемещаются по независимому каналу, например, пользователем компьютера или курьером.