Використання пошкоджених блоків магнітних головок у відновленні даних.

Механічні пошкодження жорстких дисків

Пошкодження носіїв даних є поширеною причиною втрати доступу до інформації. У випадку жорстких (твердих) дисків важливою категорією аварії є механічні збої. Від часів, коли виробники дисків замінили кулькові підщипники у шпиндельних двигунах на гідродинамічні, пошкодження блоків магнитних головок спричиняють майже всі механічні несправності жорстких дисків, а аварії двигунів стали набагато рідшими.
Метою цієї публікації є представлення можливості відновлення даних з жорсткого диска з пошкодженим блоком магнітних головок за відсутності відповідного донора за допомогою кількох частково пошкоджених блоків. Ми виконуємо таки операції в нашому сервісі. Для потреб цієї статті приймається, що вибір відповідного донора не викликає теоретичних сумнівів, але такий донор фізично недоступний.
Наступна секція містіть загальну інформацію про блок магнітних головок та його роль у роботі твердого диска. Далі описані найпоширеніші причини несправностей блоків магнітних головок. Потім представлені основи їх заміни. В чергових секціях описано процес ініціалізації жорсткого диска включаючи найважливішу інформацію щодо прошивки та підсистеми трансляції адресації LBA (англ. Logical Block Addressing – адресація в логічних блоках) на фізичну. Наприкінці публікації представлена практична процедура відновлення даних за допомогою кількох блоків магнітних головок, які містять у собі деякі пошкоджені голівки.

Основні відомості про блок магнітних головок

Основою конструкції блоку магнітних головок є позиціонер, на якому з одного боку розміщена котушка, а з другого рупор, що використовується для переміщення головок над поверхнями пластин. Зв'язок між голівками, а сигнальним процесором, які знаходиться на платі електроніки (англ. Printed Circuit Board – PCB) здійснюється за допомогою кабелю, який є невід'ємною частиною блоку. Цей кабель також використовується для подачи струму на котушку розміщену між двума постійними магнітами. Зміни потоку струму приводять до зміщення котушки, яка знаходиться в постійному магнітному полі, що змушує рупор блоку обертатись навколо осі його кріплення і таким чином дозволяє позиціонувати голівки по вибраної траєкторії.

На блоку магнітних головок розміщена також мікросхема комутатора — передпідсилювача. Оскільки сигнальний процесор обслуговує тільки один канал запису та читання, зв'язок з активною голівкою вимагає відповідного перемикання. Друге завдання комутатора — передпідсилювача — попередне посилення сигналу, що зчитується голівками. Для мінімізації посилення фонового шуму, мікросхему комутатора — передпідсилювача найкраще розташовувати якомога ближче до головок. Тому вона й розміщена на блоку магнітних головок, а не на платі електроніки. Більш детальний опис блоку магнітних головок та його ролі у функціонуванні жорсткого диска можна знайти в книзе "Взгляд на жёсткий диск «изнутрии». Магнитные головки".
Самі голівки використовуються для запису та зчитування магнітного сигналу. Кожній поверхні відповідають одна індуктивна голівка для запису та одна голівка для читання. Зчитувальні голівки пройшли тривалу еволюцію і, з 1990-х років, зараз вони використовують магніторезистивні явища для зчитування магнітного сигналу. Це зазвичай гігантський магнітоопір (англ. Giant magnetoresistance – GMR) для паралельного запису та тунельовий магнітоопір (англ. Tunnel magnetoresistance – TMR) для перпендикулярного запису. Записуюча та зчитувальна голівки розміщаються в загальних інтегральних мікросхемах.
Диски з технологією двовимірного запису (англ. Two-Dimensional Magnetic Recording – TDMR або 2DMR) використовують масиви головок, які складаються з декількох датчиків. Це рішення стає популярним для дисків з надвисокою щільністю запису, особливо для дисків з черепичним записом (англ. Shingled Magnetic Recording – SMR). Можна сподіватись, що двовимірний запис буде наявний також у дисках з перемежуваним записом (англ. Interleaved Magnetic Recording – IMR).
У випадку жорстких дисків, на відміну від магнітних стрічок та дискет, голівки не мають контакту з носієм, а летять над його поверхнею на аеродинамічній подушці створеній потоком повітря, рух якого викликано обертами пластин. Висока щільність запису в сучасних жорстких дисках вимагає, щоб голівка летіла на висоті декількох нанометрів над поверхнею пластини. Утримання стабільної висоти польоту на такій малій відстані від поверхні має вирішальне значення для правильного зчитування та інтерпретації сигналу.
Оскільки магнітне поле зменшується пропорційно квадрату відстані, збільшення цієї відстані призведе до того, що голівки вловлять слабший сигнал. У свою чергу, менша відстань, крім більшого ризику контакту голівки з поверхнею пластини, пов'язана з сильнішим електромагнітним шумом, особливо у випадку перпендикулярного запису з використанням магнітно-м'якого шару (англ. Soft Underlayer – SUL). В обоїх випадках кількість бітових помилок збільшується, що ускладнює отримання правильного результату читання сектора.
Відповідно до вищезазначених вимог, голівки розміщується на гнучких кінцівках рупорів — відповідної форми повзунках. У вимкнутим диску повзунки, в залежності від способу паркування головок, притискають голівки до поверхонь пластин у зоні паркування, зазвичай розташованої біля осі шпиндельного двигуна, або спираються на паркувальну рампу розміщену при зовнішньому краю пластин. Належна висота польоту головок досягається використанням балансу пружних сил повзунків та аеродинамічної підіймальної сили потоку повітря при номінальної швидкості обертання пластин. Сучасні диски, як правило, використовують додаткові рішення, які забезпечують правильну висоту польоту та дозволяють компенсувати її відхилення, що може винікати внаслідок порушення повітряного потоку всередині гермоблоку, температурних коливань або інших чинників.

Оскільки голівки рухаються не по радіусу пластини, а по дузі, то кут положення голівки відносно доріжки змінюється у залежності від її положення над пластиною. Також змінюється відстань між читаючою та записуючою голівками, що ускладнює точне спрямування голівки над центром доріжки під час запису. Тому у випадку дисків з найвищою щільністю запису, зокрема дисків з черепичним записом, використовується багатоступеневі позиціонери. Таки позиціонери дозволяють усувати ефекти перекосу шляхом встановлення повзунка паралелно будь-якої доріжки, незалежно від його положення над пластиною. Зазавичай це досягається за допомогою п'єзоелектричних елементів (PZT). В свою чергу, для компенсації відхилення висоти польоту головок можна використовувати також п'езоелектричні елементи або термоелементи.

Голівки, як і відповідні поверхні пластин, нумеруються від нуля, зазвичай рахуючи від низу диска. В деяких випадках поверхні, яких якість виготовлення є занадто низькою для розумного вживання, не використовуються. У таких ситуаціях голівки призначені цим поверхням можуть бути вимкнені на рівні прошивки, фізично не підключені або зовсім відсутні. Різні виробники по-різному вирішують питання нумерації головок у таких випадках. Окремі рішення можуть також відрізнятися від наведеного вище опису й іншими нюансами, але для мети цієї публікації ці відмінності не є суттєвими.

Найпоширеніші несправності блоку магнітних головок.

Найпоширенішими причинами несправностей блоків магнітних головок є падіння, удари та подібні події. Хоча корпус диска зазвичай достаточно захищає вміст гермоблоку від зовнішніх чинників, пружні повзунки чутливі до пошкодження від перевантаження. Зокрема неамортизовані падіння на тверду поверхню призводять до раптового гальмування диска, навіть якщо при невеликої швидкості, але за дуже короткий час, коли компоненти диска піддаються великим перевантаженням.

У такій ситуації пружні повзунки рухаються далі за інерцією відносно інших елементів диска, часто деформуючись у результаті ударів об поверхні пластин або паркувальну рампу. Деформація повзунків змінює їх аеродинамічні характеристики, що впливає на висоту польоту головок над поверхнями пластин та призводить до втрати здатності правильно інтерпретувати сигнал сигнальним процесором. Спосіб деформації повзунків залежить не тільки від величини перевантаження, а й від кута прикладання сили. Порівняно часто парні і непарні повзунки підлягають різним деформаціям, і буває, що деякі голівки в диску здатні правильно зчитувати сигнал після падіння, а деякі ні.
Нездатність інтерпретувати сигнал також означає втрату здатності синхронізувати сигнал серво та контролювати позиціонування головок над вибраними доріжками. Тому диски з цим видом пошкодження видають характерний стукіт, що виникає в результаті ударів блоку магнітних головок об обмежувачі руху під час пошуку доріжки. У випадку нових моделей, якщо сигнал не може бути прочитаний та правильно інтерпретуваний протягом декількох секунд, двигун зупиняється, а голівки повертаються на стоянку щоб мінімізувати ризик пошкодження поверхонь.

Механічне пошкодження увімкненого диска, через ризик контакту головок з поверхнями пластин та пошкодження даних користувача, більш небезпечні за аналогічне пошкодження дисків вимкнутих. Ось, чому виробники часто використовують датчики, які виявляють прискорення диска, що дозволяє вимкнути живлення та припаркувати голівки ще до раптової затримки. Однак навіть у разі механічного пошкодження диска, який не працює, все таки часто виникають дефекти магнітних поверхонь. З цієї причини можливість відновлення даних без помилок сильно залежить від корелації розміщення цих дефектів та фізичного розташування файлів.

У деяких випадках деформація повзунків призводить до того, що вони втрачають свої аеродинамічні властивості та здатність до польоту над поверхнею пластини. Іноди післьа аварії вони настільки вигнути, що при увімкненні диска зберігають постійний контакт з поверхнями пластин та призводять до їх знищення. В такій ситуації ступінь пошкодження може легко зробити неможливим відновлення даних з декількох або навіть і всіх поверхонь пластин. Особливо небезпечні подряпини, які викликають турбулентність руху повітря та втрату підіймальної сили повзунків. У таких випадках сила пружності призводить до чергових контактів повзунка з поверхнею пластини, що спричиняє так подальше руйнування поверхні, як і механічні та термічні пошкодження голівки.

Поверхневі подряпини легко переростають у циліндричні запили. Ці пошкодження виникають, коли повзунки проходячи над подряпинами вібрують та призводять до чергових контактів головок з поверхнями пластин вздовж доріжки. Таким чином подряпина поглибшається та розвивається поки не досягне точки, коли глибина подряпини унеможлювує її подолання без пошкодження голівки.

Крім того пил, що походить від матеріалу відокремленого від поверхні пластини, спричиняє забрудження гермоблоку та спирає руйнуванню також інших поверхонь. Оскільки поява одного циліндричного запилу призводить до утримливання повзунка в області цього запилу, дуже легко виникають симетричні запили й на інших поверхнях. Подальші спроби запустити диск у такому стані можуть призвести до розширення запилів, а в крайному випадку, навіть до повного зішліфування магнітного шару.

В деяких випадках голівки опиняються на поверхнях пластин поза зоною паркування. Оскільки виробники намагаються зробити поверхню як пластин, так і головок, максимально гладкою (з точністю до сотень пікометрів), часто в таких ситуаціях міх атомами головок та магнітних поверхонь виникають хімічні зв'язки. Ці зв'язки настільки міцні, що можуть перешкодити запуску двигуна. На практиці, з точки зору відновлення даних, це вигідно, тому, що якщо запустити двигун, коли голівки припарковані на поверхнях пластин, вони можуть відірватися від повзунків та спричиніти таким чином дуже швидкі руйнування поверхонь.

Голівки припарковані на поверхнях пластин необхідно розпаркувати та повернути на стоянку. Це потрібно робити дуже обережно й акуратно, щоб не відірвати головок від повзунків. В певних ситуаціях блоки магнітних головок будуть здатні для подальшого використання, в інших - вимагають заміни. Припаркування головок поза стоянкою — це випадок, коли частина головок розташуваних на блоку може бути пошкоджена, а решта залишається справною. Детальний опис розпарковування головок виходить за рамки цієї публікації.

Буває, що пошкоджуються тільки окремі голівки. До цього можуть призвести контакти голівки з поверхнею пластини, електричні або термічні причини, забрудження тощо. У випадку магніторезистивних головок проблеми зі зчитуванням можуть бути викликані навіть невеликини змінами опору датчика.

В блоку магнітних головок також може бути пошкоджена мікросхема комутатора — передпідсилювача. Зазвичай причиною цього пошкодження є перенапруга або нестабільне живлення. Пошкодження комутатора — передпідсилювача зазвичай перешкоджає запуску диска. Блок магнітних головок може теж підлягати вторинним пошкодженням різного виду, наприклад внаслідок неправильної діагностики диска, невмілої спроби ремонту або забрудження всередині гермоблоку при його відкриті в невідповідних умовах.

Процес заміни блоку магнітних головок.

З причини способу конструкції блоку мангнітних головок та методу його виготовлення, цей компонент сьогодні розглядається як нероздільне та непоправне ціле. Ще в минулому столітті робилися спроби замінити окремі елементи, таки, як голівки або мікросхема комутатора — передпідсилювача, але зі збільшенням щільності запису, мініатюризації та точності виготовлення компонентів, а також сильним погіршенням співвідношення сигнал — шум (зокрема у випадку дисків, що використовують перпендикулярний запис), все-таки низька результативність цього типу ремонтів повністю зруйнувалась. Тому нині пошкоджені блоки магнітних головок завжди замінюють блоками взятими у донорів.
Деталі критеріїв вибору донорів залежать від конкретних виробників, поколінь, а іноді навіть сім'ї моделей дисків. Знання необхідні для відповідного вибору донорів не надаються виробниками, мають реконструкцийний характер та лише в дуже невеликім ступені систематизовані. В результаті бувають ситуації, коли голівки від донора, який начебто підходить для даного пацієнта, поводяться некоректно, але теж на практиці вміст дисків часто зчитується за допомогою головок, які теоретично мають з пацієнтом мало спільного.
Подробне обговорення питання добору донорів виходить за рамки цієї статті, тим паче, що це питання потребує детальнішого дослідження. Часто вибір та пошук відповідного донора має вирішальне значення для часу та, в крайніх випадках, навіть загального успіху процесу відновлення даних. Найчастише основною причиною проблеми добору донора є обмежена ринкова доступність або навіть повна відсутність потрібних дисків.

Під час заміни блоку магнітних головок необхідно забезпечити відповідне середовище для захисту гермоблоку від забруднення. Як правило, для цієї мети викорисовуються ламінарні камери, що пропускають повітря через фільтри HEPA (англ. High Efficiency Particulate Air - високоефективне очищення повітря). Таким чином внутрії камери створюється надлишковий тиск, що захищає від попадання пилу та інших забруднень. Камерам, які використовуються для відновлення даних, непотрібно відповідати вимогам мікробіологічної безпеки або мати будь-яке додаткове обладнання, але, через характер виконуваних робіт, варто звернути увагу на якість внутрішнього освітлення.
Слід також пам'ятати, що як сам диск, так і оператор можуть бути потенційними джерелами забруднення. Дуже важливо не залишити відбітків пальців на поверхні пластини, адже забруднення цього виду дуже важко відчистити. Особливу увагу треба звернути на можливісь накопичення бруду між кришкою та корпусом гермоблоку. Також фрагменти прокладки можуть забруднити внутрішню частину гермоблоку при знятті кришки.

Деталі процесу заміни блоку магнітних головок відрізняються в залежності від моделі диска та конструкцийних рішень використаних виробником. Особливо це стосується способу кріплення блоку до корпусу гермоблоку та паркування головок. Головне при заміні блоку магнітних головок, не подрапати поверхню пластин, адже це неповоротне пошкодження, яке може легко поглибитись під час праці диска та спричиніти циліндричні запили. Для того, щоб результативно виконувати таки завдання не пошкоджуючи ні поверхні пластин, ні блоки магнітних головок, потрібно набути відповідні ручні навички.
Також слід уникати з'єднання головок, тому, що при спробі їх від'єднати, можна їх пошкодити, відірвати або деформувати повзунки. Після заміни блоку магнітних головок, диск слід зібрати знову, переконавшись, що він належним чином герметичний. Це особливо важливо для нових моделей висотою 7 мм, в яких виробники часто нехтують належним ущільненням конструкції та обмежуються наклейками, що покривають кришку та магніт.

Також важливо дотримання правил захисту від електростатичного розряду. Ризик електростатичного пошкодження головок або мікросхеми комутатора — передпідсилювача оператором невеликий, але в робочому середовищі можуть виникнути інші чинники електростатичної небезпеки. Це можуть бути невідповідні інструменти або використання іонізатора повітря в приміщенні. Голівки також можуть бути пошкоджені під впливом магнітного поля, якщо воно призведе до зміни поляризації постійного шару. Пошкодження самого блоку магнітних головок під час заміни не є критичним для процесу відновлення даних, а лише вимагає використання чергового донора, що збільшує кошти операції.

Ініціалізація жорсткого диска.

Процес ініціалізації жорсткого диска починається після підключення його до джерела живлення. Якщо конструкція диска містіть захисні елементи, живлення може бути зразу відключено, а ініціалізація перервана, наприклад через виявлення короткого замикання на пошкоджених мікросхемах або інших елементах. Спочатку вміст пам'яті EEPROM (англ. Electrically Erasable Programmable Read Only Memory – електрично очищувальний — програмувальний постійний запам'ятовувач) розпаковується в буфер DRAM (англ. Dynamic Random Access Memory — динамічна оперативна пам'ять з довільним доступом). Потім сигнальний процесор встановлює зв'язок з іншими мікросхемами, зокрема з контролером двигунів та комутатором — передпідсилювачем. У випадку дисків SSHD (англ. Solid State Hybrid Drive — твердотільно — гибридний диск) також установлюється зв'язок з контролером буфера Flash-NAND, а через нього і з самим буфером.
Якщо сигнальний процесор успішно зв'яжеться з усімі мікросхемами, пристрій намагається розігнати двигун до швидкості близкої до номінальної швидкості обертання пластин. Після цього блок магнітних головок звільняється зі стоянки, головки починають рухатись над поверхнями пластин та перехоплювати сигнал записаний на магнітній поверхні. Якщо сигнал індукований намагніченою поверхнею дозволяє правильно виявити та синхронізувати сервоінформацію, сигнальний процесор може почати пошук доріжок та зчитування інформації, що зберігається на пластинах.
Цей етап ініціалізації диска особливо важливий для діагностики пошкодження блоку магнітних головок. У переважній більшості випадків неможливість перехоплення та синхронізації сигналу серво вказує на пошкодження блоку магнітних головок, які зазвичай полягають у деформації повзунків та відхиленні висоти польоту головок над пластинами від номінальної. Подібний симптом також може виникнути, коли намагніченість поверхні пластин зруйнувана (наприклад у процесі розмагнічування) або коли запускається диск з нерідною електронікою, що містіть в пам'яті EEPROM сторонне програмне забезпечення.
Через труднощі в повторюваному виробництві пластин із відносно великою поверхнею та одночасно дуже тонкими окремимі шарами (їх товщина вимірається в нанометрах до десятків нанометрів), виробничі відхилення викликають значні відмінності у функції відгуку сигналу для окремих поверхонь. В результаті амплітуди сигналу, що виявляється голівками з різних магнітних поверхонь, відрізняються настільки, що на практиці унеможливює подальшу правильну інтерпретацію цього сигналу сигнальним процесором. Тому, для забезпечення коректної роботи диска, використовується ряд рішень для нормалізації сигналу, його правильного декодування та виправлення помилок зчитування.
Тут буде вказаний лише перший етап підготовки сигналу до декодування, який здійснюється в рамках блоку магнітних головок. Це початкове посилення сигналу зчитаного голівками мікросхемою комутатора — передпідсилювача таким чином, щоб амплітуди цього сигналу містілись у діапазоні, який уможливює його подальшу обробку сигнальним процесором. Питання кодування та декодування даних на твердих дисках більш детально описано в книгах Coding and signal processing for magnetic recording systems, Codes for Mass Data Storage Systems та Coding and Iterative Detection for Magnetic Recording Channels.
Посилення сигналу регулюється за допомогою адаптивних параметрів, індивідуально запрограмованих на заводі для кожного диска. Принаймні частина, а в деяких випадках усі ці параметри зберігаються в пам'яті EEPROM розташуваної на платі електроніки як окрема мікросхема (буває, що це 2, а навіть 3 мікросхеми) або вбудована в сигнальний процесор. З цієї причини запуск диска зі сторонньою електроникою може викликати симптоми схожі на пошкодження блоку магнітних головок, що є поширеною причиною діагностичних помилок.
EEPROM містіть у собі лише частину прошивки жорсткого диска, яка необхідна для коректного запуску механічної підсистеми та інтерпретації зчитуваного сигналу, але недостаточна для повної ініціалізації пристрою. Друга частина прошивки зберігається в сервісної зоні (англ. Service Area), яка знаходиться в недоступної для користувача області пластин, поза адресацією LBA. Як правило, вміст сервісної зони записується щонайменше в двох коріах, якщо це можливо, на різних поверхнях пластин.
Сервісна зона, серед іншого, містіть оверлеї (частини виконувального мікрокоду, які не помістілися в EEPROMі), інформацію про конфігурацію диска, таблиці трансляції необхідні для перерахування адрес LBA у фізичні адреси, спіски дефектів, журнали заводських тестів та підсистеми SMART (англ. Self Monitoring And Reporting Technology – технологія самоперевірки та самоаналізу), інформація підсистеми безпеки (паролі ATA, ключі шифрування SED – англ. Self Encrypted Drive – самошифрувальний диск) тощо. Деталі вмісту та внутрішньої организації сервісної зони відрізняються для різних виробників і поколінь накопичувачів та змінюються з часом відповідно до технічного прогресу. Тому їх неможливо детально описати в так короткої публикації. Деякі з вищезазначених фрагментів прошивки завжди знаходяться в сервісної зоні, оскільки вони надто часто змінюються, щоб їх можна було зберігати в EEPROMі.
Після правильної синхронізації сигналу серво, сигнальний процесор видає команду для пошуку сервісної зони та зчитання її вмісту в буфер DRAM. Вміст сервісної зони зчитується системною голівкою. Зазвичай це голівка з номером 0. Проблеми зі зчитуванням сервісної зони можуть бути наслідком її логічного пошкодження (помилкові записи, неправильні контрольні суми, тощо), дефектів магнітної поверхні (пошкоджені сектори) або поганого технічного стану системної голівки, що призводить до занадто великої кількості помилок зчитування, які потрібно виправляти механізмами корекції на чергових етапах обробки сигналу.
У цій ситуації диск не зможе завершити ініціалізацію, але й не видае жодних нестандартних звуків, які вказують на пошкодження блоку магнітних головок. Як правило, симптомом проблем читання сервісної зони є зависання диска (відсутність відповіді на будь-які команди, встановлено біт "BSY" в регістрі стану) або неправильна детекція (неправильна модель, відсутність серийного номеру, нульова ємність). Ці ознаки треба відрізняти від ситуації, коли диск правильно переходить ініціалізацію та виходить у режим готовності (біти "DRDY" та "DRSC" у регістрі стану), правилно відповідає на команду ідентифікації але доступ до даних неможливий з інших причин.
У таких випадках відсутність доступу до даних може бути викликана через пошкодження головного завантажувального сектора (англ. Master Boot Record - MBR), таблиці розділів або логічних структур файлових систем. У разі встановлення пароля ATA при спробі читання, чи записання будь-якого сектора, диск відмовить виконання команди (біт "ERR" у регістрі стану та біт "ABRT" у регістрі помилок). Перешкодою в доступі до даних може також бути шифрування.
Однак і після успішного завершення ініціалізації диска, проблеми з доступом до даних можуть бути викликані через пошкодження одної або декількох головок. Якщо системна голівка справна, диск може завершити ініціалізацію не зважаючи на несправність іншої. В таких випадках симптомом пошкодження голівки є поява великої кількості пошкодженних секторів у відносно регулярних інтервалах.
Зазвичай ці пошкодження викликають у регістрі помилок біт "UNC", але в деяких випадках у цим регістрі з'являється біт "ABRT". Іноді при пошкодженні одної голівки, помилка "ABRT" з'являється при спробі читання будь-якого сектора, також на поверхнях, які читаються справними голівками. При відсутності пароля ATA, такий симптом вказує на пошкодження голівки або деградацію поверхні.

Підсистема трансляції адресації LBA на фізичну

З точки зору мети цієї статті, найбільш важливою частиною прошивки жорсткого диска є підсистема трансляції адресації LBA у фізичні адреси, яка дозволяє локалізувати розташування секторів LBA на окремих поверхнях пластин. З моменту розробки стандартів ATA і SCSI у середині 1980-х років, адресація LBA широко використовується в твердих дисках. Ця адресація передбачає присвоєння всім секторам послідовних номерів від нуля до останнього доступного сектора диска. Оскільки адресація LBA проста в управлінні та використанні на логічному рівні, вона стала проміжним ступенем адресації між логичною адресацією на рівні файлової системи та фізичною адресацією CHS (англ. Cylinder – Head – Sector – циліндр — голівка — сектор).
Використання адресації LBA дозволило підвищити сумісність між жорсткими дисками, протоколами обміну даних та файловими системами. Це також дозволило виробникам твердих дисків бути більш гнучкими, зокрема в управлінні дисковим простором, що стосується оптимізації використання поверхні та управління дефектами. Адресація LBA використовується також напівпровідниковими накопичувачами на основі мікросхем Flash-NAND, які у внутрішної адресації не використовують секторів, але їх опис вихолить поза рамки цієї публікації.
Однак на фізичному рівні жорсткі диски все ще працюють в обертовій системі відліку, в якій на кожної поверхні є до сотень тисяч доріжок розділених на декілька десатків зон з меншою (ближче осі двигуна) або більшою (ближче краю пластини) кількостю секторів. Підсистема транслації, яка є частиною прошивки, відповідає за призначення конкретних номерів адрес LBA конкретним фізичним секторам. Через індивідуальні відмінності конструкції окремих дисків та розташування дефектів поверхонь, транслятор унікальний для кожного диска, а його пошкодження призводить до втрати доступу до даних. Оскільки транслятор унікальний для конкретного накопичувача, його неможливо замінити транслятором з іншого диска.
У випадку накопичувачів з технологією черепичного запису, частковий перезапис попередніх доріжок наступними призводить до втрати вільного доступу до сектора при записі. Це змушує виробників використовувати рішення, які оптимізують процес запису. Ці рішення зводяться до запису сектора LBA, що змінюється, не там, де він зараз фізично зберігається, а тому місці, де це найвигідніше з точки зору управління трансляцією адресації LBA на фізичну.
На практиці це означає розрив зв'язку між номером LBA та фізичним сектором. Наслідком цього факту є необхідність використовування складніших, дворівневих підсистем трансляції адрес LBA на фізичні, яких внутрішна организація різна у різних виробників. Це, в свою чергу, ускладнює припорядкування номерів LBA до конкретних поверхонь пластин при спробі використання неповноцінного блоку магнітних головок.

Можливість використання частково пошкоджених блоків магнітних головок для відновлення даних.

Якщо немає відповідного повноцінного блоку магнітних головок, для відновлення даних можна використати декілька пошкоджених, у яких частина головок справна, а частина пошкоджена. Для успіху всєї процедури відновлення даних важливо, щоб набір призначених для використання в цим процесі блоків магнітних головок дозволяв зчитати всі активні поверхні пластин. Процедуру слід розпочинати від встановлення блоку зі справною системною голівкою, щоб була можлива повна ініціалізація диска, включаючи завантаження вмісту сервісної зони в буфер DRAM.
На практиці для правильної роботи диска необов'язково завантажувати всю сервісну зону в буфер DRAM. Деякі частини мікропрограми не є необхідними для проведення ініціалізації та доступу до даних, інші не використовуються взагалі або використовуються тільки за певних обставин. Знання цього питання знадобляться при пошкодженні вмісту сервісної зони, що інколи супроводжує механічне пошкодження. Однак для результативної праці з неповним набором модулів прошивки, необхідно подробно розібратись в її архітектурі для даної моделі диска.
Детальніше представлення так обширного питання вимагає написання окремих монографій для різних виробників. Тому в цієї статті будуть вказані лише деякі загальні інформації, які допоможуть мінімізувати ризик дестабілізації роботи накопичувача при його копіюванні з частково пошкодженими блоками магнітних головок. Зокрема, слід зазначити, що не кожен використовуваний блок матиме справну системну голівку.
Тому варто подбати, щоб, наскільки це можливе, виключити ситуації, коли диск захоче щось записати в сервісну зону. Цієї мети можна досягти шляхом вимкнення фонових процесів у налаштуваннях конфігурації диска, особливо підтримки підсистеми SMART та автоматичного перепризначення пошкоджених секторів. Варто теж вимкнути фунцію випереджаючого читання, щоб диск не намагався безконтрольно читати сектори поза заданим діапазоном. Розташування параметрів конфігурації, які дозволяють вимкнути певні функції, залежить від конкретної архітектури прошивки, що використовується в даному диску.
Виконання повної ініціалізації диска іноді може вимагати вимкнення підтримки деяких головок на рівні мікропрограми. Тут також деталі залежать від конкретних технічних рішень, які використовуються в даній моделі диска. Це некритична проблема, оскільки потрібні відключені голівки зазвичай можна пізніше ввімкнути на рівні буфера DRAM.
Після повної ініціалізації та виходу диска в готовність, варто збудувати мапу головок, тобто визначити, які сектори лежать на окремих поверхнях. Джерелом інформації потрібної для створення мапи головок є описана вище підсистема трансляції. Мапу головок зазвичай можна збудувати в автоматичному режимі з використанням професійного програмного забезпечення до праці з жорсткими дисками, наприклад WD Marvell Repair Tool або PC-3000. В крайному випадку це можна також зробити вручну.
Після створення мапи головок, можна почати копіювати діапазони адрес LBA, які лежать на поверхнях, що відповідають справним голівкам використовуваного блоку. Ці голівки слід визначити під час попередньої діагностики, наприклад шляхом сканування поверхні донора та порівніння розташування дефектів з його мапою головок. При цьому треба звернути увагу, що вона унікальна для кожного диска, тому неварто раз створену мапу використовувати на інших накопичувачах. Існують також й інші діагностичні методи. Наприклад для дисків Seagate можна використати команду послідовного терміналу 7>X.
Післьа виконання копій поверхонь, що відповідають справним голівкам, описані вище дії можна повторювати з використанням інших блоків магнітних головок. Однак не завжди це буде блок з функціональною системною голівкою, що необхідна для повної ініціалізації диска. У такій ситуації ініціалізацію диска потрібно виконати з використанням одного блоку магнітних головок, а копіювання подальших поверхонь слід продовжувати за допомогою іншого.
Це завдання вимагає заміни блоку магнітних головок після завантаження вмісту сервісної зони до буфера DRAM. Оскільки цей буфер енергозалежний, необхідно замініти блок не вимикаючи живлення, тобто відкрутити гермоблок від плати електроніки під час роботи диска. Щоб зробити це безпечно, потрібно перевісти диск у сплячий режим за допомогою команди ATA 0xE6. Ця команда зупинить двигун та запаркує голівки, підтримуючи живлення друкованої плати та зберігаючи вміст буфера DRAM. Також у випадку дисків Seagate краще використовувати команду 0xE6 за команду терміналу 2>Z, оскільки перезапуск диска за допомогою команди 2>U передбачає повторне читання сервісної зони.
Команду 0xE6 можна подати на диск за допомогою професійних програм для праці з твердими дисками, добрих програм діагностичних, як MHDD, чи Вікторія або будь-якого АТА-командера. Після відкручення гермоблоку та заміни блоку магнітних головок, його потрібно прикрутити назад до друкованої плати. Звісно це треба зробити обережно, без від'єднання кабелі. Після прикручення гермоблоку до плати електроніки, диск перезапустить двигун при отриманні будь якої команди. Враховуючи мету процедури, це може бути команда копіювання чергового діапазону секторів.

Висновки

В описаний вище спосіб можна не маючи відповідного донора повноцінного блоку магнітних головок зробити повну копію пошкодженого диска з застосуванням декількох блоків частково пошкоджених. Цю процедуру звісно можна поєднати з типовими методами праці з логічними структурами файлових систем, як відокремлення зайнятого та вільного місця, чи з пошуком особливо важливих файлів. Однак дуже детальний аналіз логічних структур файлових систем ускладнюється та займає більше часу через необхілність баготоразової заміни блоку магнітних головок для фізичного доступу до діапазонів секторів, що зберігають потрібні метадані. Тому цей підхід краще використовувати лише в ситуаціях, коли пошкодження блоку магнітних головок супроводжає серйозна деградація магнітних поверхонь.

Література:

1] Mamun, al, A., Guo, G. X., Bi, Ch.: Hard Disk Drive Mechatronics and Control, CRC Press, Boca Raton, (2006),
2] Коженевский, С., Прокопенко, С., Гайшинец, В.: Восстановление информации на жёстких дисках с заклинившим шпиндельным двигателем, Реєстрація, зберігання та обробка даних, том 10, №4, (2008),
3] Коженевський, С. Р.: Взгляд на жёсткий диск "изнутри". Магнитные головки, ООО "ЕПОС", Київ (2009),
4] Mallinson, J. C.: Magneto-Resistive and Spin Valve Heads, Academic Press, San Diego, (2002),
5] Jiang, B.-Y., Zhang, K., Machita, T., Chen, W., Dovek, M.: Tunneling magnetoresistive device as read heads in hard disk drives, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 571 (2023),
6] Chan, K. S., Radhakrishnan, R., Eason, K., Elidrissi, M. R., Miles, J. J., Vasic, B., Krishnan, A. R.: Channel models and detectors for two-dimensional magnetic recording. IEEE Transactions on Magnetics, 46(3), (2010),
7] Granz, S., Jury, J., Rea, Ch., Ju, G., Thiele, J.-U., Rausch, T., Cage, E. C.: Areal Density Comparision Between Conventional, Shingled and Interlaced Heat-Assisted Magnetic Recording With Multiple Sensor Magnetic Recording, IEEE Transactions on Magnetics 55(3), (2019),
8] Thornton, B. H., Bogy, D. B.: A Parametric Study of Head–Disk Interface Instability Due to Intermolecular Forces, IEEE Transactions on Magnetics 40(1), (2004),
9] Khizroev, S., Litvinov, D.: Perpendicular magnetic recording, Kluiwer Academic Publishers, Dordrecht (2004),
10] Polley, A., Pandey, P., Bloodworth, B. E., Cazana, C.: Analog Frontend for Tribo-Current-Based Fly-Height Sensor for Magnetic Hard Disk Drive, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers 65(2), (2018),
11] Miura, K., Yamamoto, E., Aoi, H., Muraoka, H.: Skew angle effect in shingled writting magnetic recording, Physics Procedia 16, (2011),
12] Du, C., Pang, C. K., Multi-Stage Actuation Systems and Control, CRC Press, Boca Raton, (2019),
13] Jayson, E. M., Smith, P. W., Talke, F. E.: Shock Modeling of the Head–Media Interface in an Operational Hard Disk Drive, IEEE Transactions on Magnetics 39(5), (2003),
14] Коженевский, С. Р.: Безопасность хранения информации на жёстких дисках, Правове, нормативне та метрологічне забезпечення системи захисту інформації в Україні, вип. 7 (2003),
15] Li, H., Liu, B., Hua, W., Chong, T-C.: Intermolecular force, surface roughness, and stability of head-disk interface, Journal of Applied Physics 97 (2005),
16] Zeng, R., Qun, Y., Zhao, F. Tian, H.: ESD Damage of GMR Sensors at Head Stack Assembly, Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium Proceedings, (1999),
17] Коженевский, С.Р.: Анализ методов восстановления информации, Захист Інфромації № 4 (2008),
18] Jang, E., Lee, H. J.: Effects of the Suspension Interconnect on ESD Failures of the Head Stack Assemblies, IEEE Transactions on Magnetics 40(1), (2004),
19] Guarisco, D., Li, M. L.: ESD Sensitivity of GMR Heads: Effect of Pulse Length and Number of Events, IEEE Transactions on Magnetics 37(4), (2001),
20] Khurshudov, A., Ivett, P.: Head-disk contact detection in the hard-disk drives, Wear 255, (2003),
21] Vasić, B., Kurtas, E. M.: Coding and signal processing for magnetic recording systems, CRC Press LLC, Boca Raton (2005),
22] Schouhamer Immink, K. A.: Codes for Mass Data Storage Systems, Shannon Foundation Publishers, Eindhoven (2004),
23] Wu, Z.: Coding and Iterative Detection for Magnetic Recording Channels, Springer Science + Business Media LLC, New York (2000),
24] Wang, J., Hu, Y.: A Novel Zone-Bit-Recording-Boosted Performance Scheme for Log-structured File System, Ninth International Symposium on Modeling, Analysis and Simulation on Computer and Telecommunication Systems, Cincinnati (2001),
25] Amer, A., Holliday, J., Long, D. D. E., Miller E. L., Paris, J-F., Schwartz, T. S. J.: Data Management and Layout for Shingled Magnetic Recording, IEEE Transactions on  Magnetics, 47(10), (2011).