В свое время компанией Hitachi был предложен такой формат секторов на поверхности жестких дисков, который получил название No-IDТМ или ID-Less. На сегодняшний день этот формат применяется подавляющим большинством производителей жестких дисков, так как имеет целый ряд преимуществ и позволяет повысить плотность данных на диске. К сожалению, в отечественных публикациях очень мало рассказывается о том, что же такое формат No-ID, и поэтому мы решили рассказать об этом несколько подробнее.
Введение
Технология No-ID позволяет проводить форматирование дисковых накопителей более рационально, позволяет повысить полезную емкость накопителей, а также повысить их надежность и производительность. Общая идея этой технологии заключается в том, что идентификационная информация сектора (ID) сохраняется теперь не на поверхности диска, а в постоянной памяти (ПЗУ) накопителя. Это позволяет повысить плотность данных на каждом треке без увеличения линейной плотности записи. А так как переход к технологии No-ID сопровождался переходом на магниторезистивные головки чтения (MR), позволяющие повысить линейную плотность записи, то все вместе это позволило сделать революционный скачок в процессе увеличения плотности записи и емкости дисковых накопителей. Кроме того, использование технологии No-ID позволяет повысить скорость потока данных, улучшить такие характеристики накопителей, как время доступа к данным, улучшить процесс управления дефектными областями и процесс управления энергопотреблением.
Вначале определимся с тем, какими недостатками обладает традиционный формат дисковых накопителей, в котором используются поля идентификаторов.
Увеличение плотности записи
У производителей HDD принято использовать такой термин, как Format Efficiency, который можно перевести как КПД формата или эффективность формата. Этим термином обозначается объем полезной (пользовательской) информации, хранящейся на треке, к общей емкости этого трека. КПД формата можно значительно улучшить путем уменьшения объема различной служебной информации, хранящейся на треке, т.е. за счет снижения так называемых «накладных расходов». В случае стандартного формата дискового накопителя, количество блоков служебной информации фиксировано. Некоторые из этих блоков, например, поля синхронизации (SYNC), необходимы для чтения данных, и обойтись без них, действительно, нельзя. Другие же поля, например, такие как ECC (код коррекции ошибок), сервометки и т.п. можно, в принципе, убрать с поверхности диска для повышения плотности полезных данных. Одним из таких служебных полей, которые не позволяют повысить плотность данных на диске, является поле идентификатора – ID (Identification). Формат No-ID предполагает удаление полей ID и другой служебной информации, хранящейся на треке.
На рис.1 проиллюстрирована типовая структура блока данных дискового накопителя со стандартным форматированием, использующим встроенную серво-информацию.
Рис.1
В данном случае каждый трек разделен на некоторое количество секторов:
- часть этих секторов используется для хранения пользовательских данных – сектора данных (data sector)
- другая часть секторов используется для хранения служебной информации – серво-сектора (servo sector).
Серво-поля содержат позиционирующую информацию, используемую для наведения головки на трек. Сектора данных предназначены для записи и хранения пользовательских данных, и каждый такой сектор ассоциирован с полем идентификатора ID. ID содержит информацию, с помощью которой определяется местоположение сектора данных на диске, а кроме того с помощью флагов идентификатора определяется является ли данный сектор дефектным и т.п. Типовые поля идентификатора представлены на рис.2.
Рис.2
Подавляющее большинство современных дисковых накопителей имеют такую схему адресации секторов, при которой хост-система оперирует номером логического блока – LBN. В процессе своего функционирования, хост-компьютер передает список номеров логически блоков, предназначенных для записи или чтения. Дисковый накопитель конвертирует этот номер в соответствующие ему номера: зоны (Zone), цилиндра (Cylinder), головки (Head) и сектора (Sector), т.е. преобразует формат LBN в формат ZCHS. Далее сервосистема накопителя начинает позиционировать указанную головку на заданный цилиндр в соответствующей зоне. Как только головка займет положение на нужном треке, начинается чтение всех ID-полей трека, до тех пор, пока не будет найден сектор с соответствующим ID. Как только подходящий ID будет обнаружен, устройство может начинать процедуру чтения или записи в поле данных обнаруженного сектора.
Использование ID-полей позволяет получить очень гибкий формат, а также предоставляет простой механизм управления дефектными секторами. Но в то же самое время, за это приходится платить достаточно высокую цену, ведь ID-поля занимают до 10% всей емкости трека, уменьшая, тем самым, на эти 10 % объем полезного дискового пространства. Кроме того, имеется здесь и еще одна неприятная особенность. Дело в том, что ID-поле должно быть сначала прочитано, прежде чем осуществлять чтение или запись в сектор данных, поэтому перед ID-полем обязательно должен присутствовать некоторый зазор, необходимый для того, чтобы переключить головки чтения/записи. Так, например, если в поле данных осуществлялась запись, то после окончания этого поля данных, необходимо головку записи отключить и включить головку чтения, чтобы прочитать идентификатор следующего сектора. Если этого не сделать, то все последующие поля (серво-метки, ID, сектора данных и т.д.) будут перезаписаны, что приведет к полному краху формата. Но для переключения головок требуется некоторое время, в течение которого диск успевает повернуться на небольшое расстояние. Естественно, что на этом промежутке не должно находиться никаких значимых полей, т.е. эту зону трека необходимо оставить пустой. Эта зона получила название зоны восстановления исходного состояния – Recovery Write/Read (восстановление записи/чтения). На рис.2 и в документациях на дисковые накопители эта зона часто обозначается как W/R или W-R. Зоны W/R занимают около 5% емкости трека, еще больше уменьшая полезную емкость диска.
Исходя из всего вышесказанного, удаление с дискового накопителя ID-полей и размещение их в постоянной памяти, позволяет увеличить полезную емкость диска, как минимум, на 15%.
Управление дефектными секторами
В дисковых накопителях с традиционными форматами (т.е. с использованием ID), управление дефектными секторами организовано, более или менее, одинаково, хотя, конечно же, имеются и индивидуальные отличия. Существует несколько различных механизмов замещения дефектных секторов, но, практически, все они имеют общую идеологию, отличаясь лишь в деталях. Итак, общая идея управления дефектами заключается в том, что на диске резервируется некоторое, фиксированное (для каждого диска свое) количество запасных секторов. И если какой-то из секторов данных помечается как дефектный, то данные, хранящиеся в нем, перемещаются в один из запасных секторов. При этом задействуется, как правило, механизм переназначения (assign). Механизм пропуска дефектного сектора используется крайне редко.
Если используется механизм переназначения, то каждый раз при попадании на сбойный сектор, накопитель осуществляет длинное позиционирование в резервную зону, т.к. не находит нужные данные в предполагаемом месте. Все это сопровождается увеличением времени доступа к данным, т.е. приводит к снижению производительности накопителя.
Существуют разные варианты управления дефектными секторами, отличающиеся тем, что на каждом треке диска резервируется сектор или группа секторов, а некоторых случаях резервируются целые дорожки или даже цилиндры. Но в любом случае, все это уменьшает полезную емкость диска.
Эффект цифрового канала
Практически во всех современных дисковых накопителях используется цифровой канал чтения PRML (Partial Response Maximum Likelihood, что можно перевести, как частичный отклик, максимальная вероятность). Применение этого канала позволяет повысить линейную плотность данных на диске, а также увеличить производительность накопителей (о технологии PRML мы постараемся рассказать в нашем журнале в 2009 году). Однако использование цифрового канала PRML для детектирования данных приводит к увеличению размера ID-поля, т.к. требует замены кода CRC более объемным кодом ECC, позволяющим корректировать ошибки в самом поле ID. Как известно (см. рис.2), в состав ID входит CRC – циклический избыточный код, который предназначен для определения ошибок в структуре ID-поля. Таким образом, увеличение размера ID при использовании PRML также является фактором, уменьшающим полезную емкость диска, и одновременно является фактором, дополнительно стимулирующим применение технологии No-ID.
Формат NO-ID
В формате No-ID, разработанном компанией Hitachi, для идентификации логического сектора используется управляющая серво-система, входящая в состав физического сектора, и таблица дефектов, размещенная в оперативной памяти (RAM). Это приводит к тому, что контроллер диска теперь выполняет новую операцию – преобразование номера логического блока LBN (Logical Block Number) в номер физического блока PBN (Physical Block Number). Рис.3 демонстрирует последовательность операций при идентификации сектора в случае использования формат No-ID.
Рис.3
LBN представляет собой число от 0 до числа, соответствующего количеству адресуемых блоков на дисковом устройстве. PBN представляет собой число от 0 до числа, соответствующего количеству физических блоков на дисковом устройстве, но без дефектных и запасных секторов. После того, как PBN вычислен, он должен быть конвертирован в точные координаты сектора в формате ZCHS (зона/цилиндр/головка/сектор). Такое преобразование осуществляется с помощью таблицы зонного формата (Zone Format Table – ZFT).
При появлении дефектного сектора, данные из него перемещаются в другой сектор с другим номером PBN. Одновременно с этим, начинает заполняться таблица дефектов, в которой указывается PBN дефектного блока и соответствующий ему PBN того сектора, куда были перемещены данные. В результате, при преобразовании LBN в PBN, гарантируется отображение логического блока на соответствующий сектор с правильно вычисленными ZCHS. Данные в таблице дефектов хранятся в сжатом виде, что позволяет уменьшить объем таблицы и способствует увеличению скорости поиска.
Серво-система, использующаяся для определения местоположения физического сектора, базируется на «знании» формата треков в каждой зоне диска. Поиск любого поля данных осуществляется на основе информации из оперативной памяти и на основе встроенной севро-информации.
Применение формата No-ID приводит к повышению надежности дисковых накопителей, т.к. заголовок сектора, т.е. его ID размещается в более надежной оперативной памяти, а не на диске. Конечно же, для снижения уязвимости ID-полей к появлению ошибок различного рода, в современных накопителях используются коды CRC или ECC. Однако если устройство не способно прочитать ID-поле, то, естественно, теряется возможность восстановления данных из сектора, связанного с этим ID. А в случае хранения ID на магнитном носителе, вероятность появления ошибок многократно возрастает.
Использование MR-головок
Как известно, практически все современные дисковые накопители используют магниторезистивные (MR) головки чтения. Применение этих головок позволило уменьшить размеры магнитного домена, т.е. позволило увеличить линейную плотность данных на треке и увеличить плотность треков на магнитном диске. Конфигурация головок чтения/записи представлена на рис.4.
Рис.4
Головка чтения/записи современного диска разделена и состоит из индуктивной записывающей головки (имеющей большие габариты) и из магниторезистивной головки чтения (имеющей меньшие габариты). Традиционно, головка чтения имеет меньшую ширину, чем головка записи, что позволяет улучшить точность позиционирования и улучшить достоверность считываемой информации. На практике, между центром головки чтения и центром головки записи задается некоторое смещение, предназначенное для некоторой компенсации перекоса головок. Дело в том, что для перемещения головок, традиционно используется актюатор ротационного типа, в результате чего появляется необходимость учитывать такое явление, как перекос головок (head skew). Перекос головок возникает из-за того, что актюатор перемещает головку чтения/записи по касательной к трекам. Механизм возникновения перекоса головок демонстрируется на рис.4. В результате перекоса головок появляется боковое смещение между центрами головок чтения и записи. Однако наилучшие условия работы головки чтения/записи достигаются, когда центр головки чтения совпадает с центром трека чтения, а центральная ось головки записи совпадает с центром трека записи. Результатом перекоса головок является то, что головка чтения частично выходит за пределы трека во время выполнения операции записи.
Такое смещение создает проблемы для производителей дисков в том случае, если ими используется формат секторов с ID-полями, которые должны считываться правильно как в операциях чтения, так и в операциях записи. Для этого ID-поля должны быть записаны частично за пределами трека, т.е. ширину зоны записи необходимо увеличить, т.к. это позволит осуществлять надежное считывание записанных ID-полей. Однако увеличения ширины трека записи ограничивает плотность треков на диске, т.е. препятствует увеличению емкости накопителей. При удалении ID-полей с дисковой поверхности, т.е. в случае использования формата No-ID, все ограничения на увеличение плотности треков снимаются. Так как все заголовки и идентификационные данные хранятся в оперативной памяти, то не требуется их постоянного чтения с диска. Серво-системе требуется лишь информация о взаимном смещении головок чтения и записи для того, чтобы вывести головку записи на центр трека во время операции записи. Поэтому в формате No-ID поперечное смещение головки чтения во время операции записи не имеет никакого значения.
Выводы
Итак, из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что использование в дисковых накопителях формата No-ID (ID-Less) позволяет добиться целого ряда преимуществ перед дисками с традиционным ID-форматом. Такими преимуществами являются:
1) Увеличение полезной емкости дискового накопителя за счет снижения объема «накладных расходов», т.е. за счет уменьшения количества служебной информации.
2) Увеличение плотности треков, т.е. увеличение емкости диска за счет удаления ID-полей (это приводит к уменьшению расстояния между треками). На рис.5 сравниваются два формата: обычный и формат No-ID. А использование магниторезистивных головок чтения позволяет еще с большей выгодой использовать дисковое пространство.
Рис.5
3) Повышение надежности дисковых накопителей за счет хранения служебной информации в электронной памяти.
4) Технология No-ID позволяет упростить и улучшить процесс управления дефектными блоками.
5) Увеличение пропускной способности канала чтения за счет уменьшения объема информации о местоположении секторов. При использовании No-ID, система точно «знает» местоположение соответствующего сектора по данным из оперативной памяти.
6) Использование формата No-ID позволяет снизить энергопотребление дискового накопителя за счет того, что не требуется осуществлять чтение и включать канал чтения для считывания ID-полей во время поиска сектора.
Итого, использование технологии NO-ID совместно с магниторезистивными головками (MR) позволяет увеличить емкость дисковых накопителей на 30%, и это не считая других преимуществ. Теперь, надеемся, нашим читателям стало понятно, почему, практически, все современные производители дисков обратили свое внимание на технологию NO-ID.
