Informatik, Kybernetik und Programmierung

Der Lese-/Schreibkopf in jedem Festplattenlaufwerk besteht aus einem U-förmigen ferromagnetischen Kern und einer darum gewickelten Spule (Wicklung), durch die elektrischer Strom fließen kann. Wenn Strom durch die Wicklung fließt, entsteht im Kern (Magnetkreis) des Kopfes ein Magnetfeld. Beim Umschalten der Richtung des fließenden Stroms ändert sich auch die Polarität des Magnetfelds. Im Wesentlichen sind die Köpfe Elektromagnete

Festplattengerät Magnetplatten.

Prinzip der magnetischen Aufzeichnung Arbeitsschicht der Festplatte Ferritköpfe Köpfe mit Metall im Spalt Dünnfilmköpfe Magnetoresistive Köpfe Riesige magnetoresistive Köpfe Schieberegler Rahmendesign mit Schreib-/Leseköpfen Kopfantriebsmechanismen Schrittmotorantrieb Moving-Coil-Antrieb Rückkopplung Antriebsmotor Steuerplatine Frontblende Antriebskabel und Anschlüsse Konfigurationselemente

Prinzip der magnetischen Aufzeichnung

Der Lese-/Schreibkopf in jedem Festplattenlaufwerk besteht aus einem U-förmigen ferromagnetischen Kern und einer darum gewickelten Spule (Wicklung), durch die elektrischer Strom fließen kann. Wenn Strom durch die Wicklung fließt, entsteht im Kern (Magnetkreis) des Kopfes ein Magnetfeld (Abb. 1). Beim Umschalten der Richtung des fließenden Stroms ändert sich auch die Polarität des Magnetfelds. Im Wesentlichen handelt es sich bei den Köpfen um Elektromagnete, deren Polarität sehr schnell geändert werden kann, indem die Richtung des durchfließenden elektrischen Stroms geändert wird.

In Abb. Abbildung 2 zeigt das Prinzip der Informationsaufzeichnung. Das Magnetfeld im Kern breitet sich aufgrund des Vorhandenseins eines „durchgesägten“ Spalts an der Basis des U-förmigen Kerns teilweise in den umgebenden Raum aus. Befindet sich in der Nähe des Spalts ein weiterer Ferromagnet (Arbeitsträgerschicht), so ist das Magnetfeld in diesem lokalisiert, da solche Stoffe einen geringeren magnetischen Widerstand haben als Luft.

Abb.2 Prinzip der Informationsaufzeichnung

Der den Spalt durchquerende magnetische Fluss wird durch den Träger geschlossen, was zur Polarisation seiner magnetischen Partikel (Domänen) in Richtung des Feldes führt. Die Richtung des Feldes und damit die remanente Magnetisierung des Trägers hängt von der Polarität des elektrischen Feldes in der Kopfwicklung ab. Flexible Magnetplatten werden normalerweise auf Lavsan hergestellt, harte auf einem Aluminium- oder Glassubstrat, auf das eine Schicht aus ferromagnetischem Material aufgetragen wird. Die Arbeitsschicht besteht hauptsächlich aus Eisenoxid mit verschiedenen Zusätzen. Die von einzelnen Domänen auf einer sauberen Platte erzeugten Magnetfelder sind zufällig ausgerichtet und kompensieren sich gegenseitig auf jedem ausgedehnten (makroskopischen) Teil der Plattenoberfläche, sodass ihre remanente Magnetisierung Null ist.

Wenn ein Abschnitt der Plattenoberfläche, wenn er in die Nähe des Kopfspalts gezogen wird, einem Magnetfeld ausgesetzt wird, richten sich die Domänen in eine bestimmte Richtung aus und ihre Magnetfelder heben sich nicht mehr gegenseitig auf. Dadurch entsteht in diesem Bereich eine Restmagnetisierung, die später erkannt werden kann. Das. als Ergebnis der Strömung Wechselstrom Durch die Impulsform in der Wicklung des Schreib-/Lesekopfes auf der rotierenden Scheibe entsteht eine Folge von Abschnitten mit Restmagnetisierung unterschiedlichen Vorzeichens (Richtung).

Für die spätere Wiedergabe aufgezeichneter Informationen sind die Zonen am wichtigsten, in denen sich die Richtung des Restmagnetfelds ändert (Zonen des Vorzeichenwechsels). Der Magnetkopf schreibt Daten auf die Festplatte und platziert darauf Zonen mit Vorzeichenwechsel. Während jedes Bit (oder jede Bits) der Daten geschrieben wird, wird eine Folge von Vorzeichenwechselzonen in speziellen Bereichen auf der Festplatte angeordnet. Diese Bereiche werden Bitzellen genannt.

Bitzelle Dies ist ein spezieller Bereich auf der Platte, in dem der Kopf Vorzeichenwechselzonen platziert. Die geometrischen Abmessungen einer solchen Zelle hängen davon ab Taktfrequenz das Aufnahmesignal und die Geschwindigkeit, mit der sich Kopf und Plattenoberfläche relativ zueinander bewegen. Eine Übergangszelle ist ein Bereich auf der Festplatte, in den nur eine Vorzeichenwechselzone geschrieben werden kann. Bei der Aufzeichnung einzelner Datenbits oder ihrer Gruppen in Zellen entsteht je nach Art der Informationskodierung ein charakteristisches „Muster“ von Vorzeichenwechselzonen. Dies liegt daran, dass während der Datenübertragung auf ein magnetisches Medium jedes Bit (oder jede Bitgruppe) von einem speziellen Encoder in eine Reihe elektrischer Signale umgewandelt wird, die keine exakte Kopie der ursprünglichen Impulsfolge sind .

Beim Lesen verhält sich der Kopf wie ein Vorzeichenwechselzonendetektor und erzeugt jedes Mal Spannungsimpulse, wenn er eine Vorzeichenwechselzone durchquert. In den Bereichen, in denen sich das Vorzeichen nicht ändert, werden keine Impulse erzeugt (es gibt keine Emissionen).

In Abb. Abbildung 3 zeigt grafisch die Beziehung zwischen den Formen der Impulse (Signale) beim Lesen und Schreiben und den auf der Platte aufgezeichneten Vorzeichenwechselzonen.

Während des Lesens registriert der Kopf Zonen mit Vorzeichenwechsel und gibt entsprechende Impulse aus – das Signal entspricht einer Nullspannung, wenn keine Übergänge von einem positiven zu einem negativen Vorzeichen oder umgekehrt erkannt werden. Impulse treten nur dann auf, wenn der Kopf die Vorzeichenwechselzonen auf dem magnetischen Medium kreuzt. Die Gerätesteuerungsschaltung berücksichtigt die Taktfrequenz der Wiederholung, aufgezeichnete Impulse usw. bestimmt, ob der Impuls (und damit die Vorzeichenwechselzone) in eine bestimmte Übergangszelle fällt.

Die Amplitude des aufgezeichneten Signals, das beim Lesen vom Kopf kommt, ist sehr klein, sodass das Problem von Rauschen und Interferenzen besteht. Daher werden hochempfindliche Geräte zur Signalverstärkung eingesetzt. Nach der Verstärkung wird das Signal an Dekodierschaltungen gesendet, die einen Datenstrom wiederherstellen sollen, der mit dem Strom identisch ist, der bei der Aufnahme in das Laufwerk gelangt ist.

Das Schreiben und Lesen von Informationen auf einer Festplatte basiert also auf den Prinzipien des Elektromagnetismus. Beim Schreiben von Daten auf eine Festplatte wird ein elektrischer Strom durch einen Elektromagneten (den Kopf des Geräts) geleitet, wodurch magnetisierte Zonen entstehen, die auf der Festplatte gespeichert werden. Daten werden von der Festplatte gelesen, während sich der Kopf über die Oberfläche bewegt. In diesem Fall registriert der Kopf Änderungen in den Magnetisierungszonen und erzeugt dadurch schwache elektrische Signale, die das Vorhandensein oder Fehlen von Zonen mit Vorzeichenwechsel in den aufgezeichneten Signalen anzeigen.

Reis. 3. Schreiben und Lesen von Informationen von einer Magnetplatte

Funktionsprinzipien von Antrieben Festplatte

Bei Festplattenlaufwerken werden Daten von der rotierenden Oberfläche aus mit universellen Schreib-/Leseköpfen beschrieben und gelesen Magnetplatten, unterteilt in Spuren und Sektoren (jeweils 512 Bytes), wie in Abb. 4.

In Laufwerken sind normalerweise mehrere Festplatten (Platten, Platten) installiert, und die Daten werden auf beiden Seiten jeder von ihnen aufgezeichnet. Die meisten Laufwerke verfügen über mindestens zwei oder drei Festplatten (was eine Aufzeichnung auf vier oder sechs Seiten ermöglicht). Gleichartige (gleich angeordnete) Spuren auf allen Seiten der Scheiben sind zu einem Zylinder zusammengefasst (Abb. 5). Jede Seite der Platte verfügt über eine eigene Lese-/Schreibspur, aber alle Köpfe sind auf einer gemeinsamen Stange oder einem gemeinsamen Gestell montiert. Daher können sich die Köpfe nicht unabhängig voneinander bewegen, sondern bewegen sich nur synchron.

Festplatten drehen sich viel schneller als Diskettenlaufwerke. Ihre Drehzahlen betragen derzeit 7.200, 10.000 und 15.000 U/min. Geschwindigkeit hart arbeiten Die Geschwindigkeit der Platte hängt von ihrer Rotationsgeschwindigkeit, der Bewegungsgeschwindigkeit des Kopfsystems und der Anzahl der Sektoren auf der Spur ab. Bei normale Operation Festplatte Die Lese-/Schreibköpfe berühren die Datenträger nicht (und sollten dies auch nicht tun!). Wenn jedoch der Strom abgeschaltet wird und die Scheiben anhalten, sinken sie an die Oberfläche. Beim Betrieb des Gerätes entsteht zwischen dem Kopf und der Oberfläche der rotierenden Scheibe ein sehr kleiner Luftspalt (Luftpolster). Wenn Staub in diesen Spalt gelangt oder ein Stoß auftritt, „kollidiert“ der Kopf mit der „mit voller Geschwindigkeit“ rotierenden Scheibe. Wenn der Aufprall stark genug ist, bricht der Kopf. Die Folgen können vom Verlust einiger Datenbytes bis zum Ausfall des gesamten Datenpakets reichen

Grundlegende Festplattenbaugruppen

Fast alle Festplatten bestehen aus den gleichen Grundkomponenten. Die Konstruktionen dieser Geräte und die Qualität der verwendeten Materialien können unterschiedlich sein, ihre grundlegenden Leistungsmerkmale und Funktionsprinzipien sind jedoch gleich. Zu den wichtigsten Designelementen eines typischen Festplattenlaufwerks (Abbildung 6) gehören die folgenden:

• Scheiben (Platten);
• Lese-/Schreibköpfe;
• Kopfantriebsmechanismus;
• Luftfilter
• Plattenantriebsmotor;
• Leiterplatte mit Steuerschaltungen;
• Frontblende;
• Kabel und Steckverbinder;
• Konfigurationselemente (Jumper und Schalter).

Die Platten, der Plattenantriebsmotor, die Köpfe und der Kopfantriebsmechanismus sind normalerweise in einem versiegelten Gehäuse namens HDA (Head Disk Assembly) untergebracht. Normalerweise wird dieser Block als einzelner Knoten behandelt. es wird fast nie geöffnet. Andere Komponenten, die nicht in der HDA-Einheit enthalten sind (Platine, Blende, Konfigurationselemente und Montageteile), sind abnehmbar.

Reis. 6 . Hauptkomponenten einer Festplatte

Scheiben

Typischerweise enthält ein Laufwerk eine oder mehrere Magnetplatten. Es haben sich eine Reihe von Standardlaufwerksgrößen etabliert, die hauptsächlich durch die Größe der Festplatten bestimmt werden, nämlich:

• 5,25 Zoll (eigentlich 130 mm oder 5,12 Zoll);
• 3,5 Zoll (eigentlich 95 mm oder 3,74 Zoll);
• 2,5 Zoll (eigentlich 65 mm oder 2,56 Zoll);
• 1 Zoll (eigentlich 34 mm oder 1,33 Zoll).

Es gibt auch Laufwerke mit größeren Festplattengrößen, beispielsweise 8 Zoll, 14 Zoll und noch größer, aber in der Regel werden diese Geräte nicht in Personalcomputern verwendet. Heutzutage werden 3,5-Zoll-Laufwerke am häufigsten in Desktop- und einigen tragbaren Modellen installiert, und kleine Geräte (2,5-Zoll-Format und kleiner) werden am häufigsten in tragbaren Systemen installiert.

Die meisten Laufwerke verfügen über mindestens zwei Laufwerke, einige kleinere Modelle verfügen jedoch auch über eines. Die Anzahl der Festplatten wird durch die physikalischen Abmessungen des Laufwerks, nämlich die Höhe seines Gehäuses, begrenzt. Früher wurden fast alle Scheiben aus hergestellt Aluminiumlegierung, ziemlich langlebig und leicht. Doch mit der Zeit entstand der Bedarf an Laufwerken, die kleine Abmessungen und hohe Kapazität vereinen. Daher wurde Glas, genauer gesagt ein Verbundwerkstoff auf Basis von Glas und Keramik, als Hauptmaterial für Scheiben verwendet. Ein solches Material heißt MemCor. Es ist deutlich stärker als jede seiner einzelnen Komponenten. Glasscheiben sind stärker und steifer, sodass sie doppelt so dünn wie Aluminiumscheiben (und manchmal sogar dünner) hergestellt werden können. Zudem sind sie weniger anfällig gegenüber Temperaturschwankungen, d.h. Ihre Abmessungen ändern sich beim Erhitzen und Abkühlen nur geringfügig. Derzeit verwenden einige Laufwerke von Unternehmen wie IBM, Seagate, Toshiba, Western Digital und Maxtor Glas- oder Glaskeramik-Laufwerke.

Arbeitsschicht der Festplatte

Unabhängig davon, welches Material als Basis der Platte verwendet wird, ist sie mit einer dünnen Schicht einer Substanz bedeckt, die die Restmagnetisierung beibehalten kann, nachdem sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt wurde. Diese Schicht wird Arbeits- oder Magnetschicht genannt und darin werden die aufgezeichneten Informationen gespeichert. Am gebräuchlichsten sind zwei Arten von Arbeitsschichten: Oxid und dünner Film.

Oxid Die Schicht ist eine mit Eisenoxid gefüllte Polymerbeschichtung. Es wird wie folgt angewendet. Zunächst wird eine Suspension aus Eisenoxidpulver in einer Polymerlösung auf die Oberfläche einer schnell rotierenden Aluminiumscheibe gesprüht. Durch die Wirkung der Zentrifugalkräfte verteilt es sich gleichmäßig über die Oberfläche der Scheibe von der Mitte bis zum Außenrand. Nach der Polymerisation der Lösung wird die Oberfläche poliert. Anschließend wird darauf eine weitere Schicht aus reinem Polymer aufgetragen, das über ausreichende Festigkeit und einen niedrigen Reibungskoeffizienten verfügt, und die Scheibe abschließend poliert. Je höher die Speicherkapazität, desto dünner und glatter sollte die Arbeitsschicht der Platten sein.

Es stellte sich heraus, dass es mit herkömmlicher Technologie nicht möglich war, die für Hochleistungslaufwerke erforderliche Beschichtungsqualität zu erreichen, da die Oxidschicht recht weich ist und bei „Zusammenstößen“ mit den Köpfen (z. B. wenn das Laufwerk versehentlich geschüttelt wird) zerbröckelt. . Deshalb in moderne Modelle Laufwerke sind vollständig den Dünnschichtplatten gewichen.

Dünnfilm-ArbeitsschichtEs ist dünner, stärker und die Qualität seiner Beschichtung ist viel höher. Diese Technologie bildete die Grundlage für die Produktion von Laufwerken der neuen Generation, bei denen der Spalt zwischen Köpfen und Plattenoberflächen deutlich verringert werden konnte, wodurch die Aufzeichnungsdichte erhöht werden konnte. Anfangs wurden Dünnschichtplatten nur in hochwertigen Laufwerken mit hoher Kapazität verwendet, heute sind sie in fast allen Laufwerken verbaut. Die Dünnfilm-Arbeitsschicht wird auch als Dünnfilm-Arbeitsschicht bezeichnetverzinkt oder gesprüht , da es verschiedene Möglichkeiten gibt, einen dünnen Film auf die Oberfläche der Scheiben aufzutragen.

Dünnfilmverzinkte Arbeitsschichtdurch Elektrolyse gewonnen. Das Aluminiumsubstrat der Scheibe wird nacheinander in Bäder mit verschiedenen Lösungen getaucht und dadurch mit mehreren Schichten Metallfilm bedeckt. Die Arbeitsschicht ist eine Kobaltlegierungsschicht mit einer Dicke von nur etwa 1 Mikrozoll (ungefähr 0,025 Mikrometer).Arbeitsschicht-Sprühverfahrenentlehnt aus der Halbleitertechnik. Sein Kern besteht darin, dass in speziellen Vakuumkammern Stoffe und Legierungen zunächst in einen gasförmigen Zustand überführt und dann auf dem Substrat abgeschieden werden. Die Aluminiumscheibe wird zunächst mit einer Schicht aus Nickelphosphorit und anschließend mit einer magnetischen Kobaltlegierung beschichtet. Es stellt sich heraus, dass seine Dicke nur 12 Mikrozoll (0,0250,05 Mikrometer) beträgt. Ebenso wird auf der Magnetschicht der Platte eine sehr dünne (ca. 0,025 Mikrometer) Kohlenstoffschutzschicht mit außergewöhnlicher Festigkeit aufgebracht. Dies ist das teuerste aller oben beschriebenen Verfahren, da es Bedingungen erfordert, die nahezu einem vollständigen Vakuum entsprechen.

Wie bereits erwähnt, beträgt die Dicke der durch Sputtern erhaltenen Magnetschicht etwa 0,025 Mikrometer. Aufgrund seiner außergewöhnlich glatten Oberfläche ist der Spalt zwischen den Köpfen und den Plattenoberflächen viel kleiner als bisher möglich (0,076 Mikrometer). Je näher sich der Kopf an der Oberfläche der Arbeitsschicht befindet, desto höher ist die Dichte der Vorzeichenwechselzonen auf der Aufzeichnungsspur und damit die Dichte der Platte. Darüber hinaus nimmt die Signalamplitude zu, wenn die magnetische Feldstärke zunimmt, wenn sich der Kopf der magnetischen Schicht nähert. Dadurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis günstiger. Sowohl beim galvanischen Abscheiden als auch beim Sputtern ist die Arbeitsschicht sehr dünn und langlebig. Daher steigt die Wahrscheinlichkeit des „Überlebens“ von Köpfen und Platten bei Kontakt miteinander mit hoher Geschwindigkeit erheblich. Tatsächlich fallen moderne Laufwerke mit Scheiben mit Dünnfilm-Arbeitsschichten praktisch nicht durch Vibrationen und Stöße aus. Oxidbeschichtungen sind in dieser Hinsicht deutlich weniger wirksam.

zuverlässig. Wenn Sie einen Blick in das Innere des Laufwerksgehäuses werfen, werden Sie feststellen, dass die dünnen Filmbeschichtungen der Laufwerke der silbernen Oberfläche von Spiegeln ähneln. Die dünnste und haltbarste Schicht entsteht im Spritzverfahren, also im galvanischen Verfahren In letzter Zeit wird immer seltener genutzt.

Ausführungen von Lese-/Schreibköpfen

Während sich die Produktionstechnologie weiterentwickelt Laufwerke Auch das Design der Schreib-/Leseköpfe hat sich verbessert. Die ersten Köpfe waren Kerne mit Wicklungen (Elektromagnete). Nach modernen Maßstäben waren sie enorm groß und die Aufzeichnungsdichte äußerst gering. Im Laufe der Jahre haben sich die Kopfdesigns von den ersten Köpfen mit Ferritkern bis zu den heutigen Typen stark weiterentwickelt.

Die vier Kopftypen, die in modernen Festplatten am häufigsten verwendet werden, sind:

• Ferrit;
• mit Metall im Spalt (MIG);
• dünner Film (TF);
• magnetoresistiv (MR);
• Riesenmagnetoresistiv (GMR).

Ferritköpfe

Klassische Ferritköpfe kamen erstmals in den ersten IBM-Laufwerken zum Einsatz. Ihre Kerne bestehen aus gepresstem Ferrit (auf Eisenoxidbasis). Das Magnetfeld im Spalt entsteht, wenn elektrischer Strom durch die Wicklung fließt. Wenn sich wiederum die magnetische Feldstärke in der Nähe des Spalts in der Wicklung ändert, wird eine elektromotorische Kraft induziert. Somit ist der Kopf universell, d.h. kann sowohl zum Schreiben als auch zum Lesen verwendet werden. Die Abmessungen und das Gewicht von Ferritköpfen sind größer als die von Dünnschichtköpfen; Um ihren unerwünschten Kontakt mit den Oberflächen der Scheiben zu verhindern, muss daher der Spalt vergrößert werden.

Während es Ferritköpfe gibt, wurde ihr ursprüngliches (monolithisches) Design erheblich verbessert. Insbesondere wurden sogenannte Glasferrit-(Verbund-)Köpfe entwickelt, deren kleiner Ferritkern in einem Keramikgehäuse eingebaut ist. Die Breite des Kerns und des Magnetspalts solcher Köpfe ist kleiner, was eine Erhöhung der Dichte der Aufzeichnungsspuren ermöglicht. Darüber hinaus wird ihre Empfindlichkeit gegenüber äußeren magnetischen Störungen verringert.

Mit zunehmender Speicherkapazität wurden Ferritköpfe vollständig durch andere Typen ersetzt. Ferritköpfe sind für die Aufzeichnung auf Medien mit hoher Koerzitivfeldstärke ungeeignet, ihr Frequenzgang ist begrenzt und ihre Empfindlichkeit ist gering (schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis). Der Hauptvorteil von Ferritköpfen sind ihre geringen Kosten.

Köpfe mit Metall im Spalt

Metal-In-Gap-MIG-Köpfe sind das Ergebnis von Verbesserungen im Ferrit-Verbundkopfdesign. Bei solchen Köpfen ist der magnetische Spalt auf der Rückseite des Kerns mit Metall gefüllt. Dadurch wird die Neigung des Kernmaterials zur magnetischen Sättigung deutlich reduziert, was es ermöglicht, die magnetische Induktion im Arbeitsspalt zu erhöhen und somit mit höherer Dichte auf die Platte zu schreiben. Darüber hinaus ist der Gradient des vom Kopf mit dem Metall im Spalt erzeugten Magnetfeldes höher, was bedeutet, dass auf der Oberfläche der Platte magnetisierte Bereiche mit klarer definierten Grenzen entstehen (die Breite der Vorzeichenwechselzonen nimmt ab). .

Diese Köpfe ermöglichen die Verwendung von Medien mit hoher Koerzitivfeldstärke und einer dünnen Arbeitsschicht. Durch die Reduzierung der Gesamtmasse und die Verbesserung des Designs können solche Köpfe näher an der Oberfläche des Mediums platziert werden.

Köpfe mit Metall in der Lücke gibt es in zwei Ausführungen: einseitig und doppelseitig (d. h. mit einer und zwei metallisierten Lücken). Bei einseitigen Köpfen befindet sich die magnetische Legierungsschicht nur im hinteren (nicht arbeitenden) Spalt, bei doppelseitigen Köpfen in beiden. Die Metallschicht wird durch Vakuumabscheidung aufgebracht. Die Sättigungsinduktion einer magnetischen Legierung ist etwa doppelt so hoch wie die von Ferrit, was, wie bereits erwähnt, dies ermöglicht

Schreiben Sie auf Medien mit hoher Koerzitivfeldstärke, die in Laufwerken mit hoher Kapazität verwendet werden. Doppelseitige Köpfe sind in dieser Hinsicht besser als einseitige Köpfe. Aufgrund ihrer unbestreitbaren Vorteile haben Köpfe mit Metall im Spalt schon vor einiger Zeit herkömmliche Ferritköpfe in hochwertigen Antrieben vollständig ersetzt. Aber immer höhere Kapazitätsanforderungen Festplatte haben dazu geführt, dass sie nun nach und nach durch Dünnschichtköpfe ersetzt werden.

Dünnfilmköpfe

Dünnschicht-TF-Köpfe werden mit einer Technologie hergestellt, die der Herstellung integrierter Schaltkreise ähnelt, d. h. durch Fotolithographie. Mehrere tausend Köpfe können auf einmal auf ein Substrat „gedruckt“ werden, was zu kleinen und leichten Köpfen führt. Der Arbeitsspalt in Dünnschichtköpfen kann sehr eng gestaltet werden und seine Breite wird während des Produktionsprozesses durch den Aufbau zusätzlicher Schichten einer nichtmagnetischen Aluminiumlegierung angepasst. Aluminium füllt den Arbeitsspalt vollständig aus und schützt ihn gut vor Beschädigungen (Kantenspäne). zufällige Kontakte mit Scheibe. Der Kern selbst besteht aus einer Legierung aus Eisen und Nickel, deren Sättigungsinduktion 24-mal größer ist als die von Ferrit.

Die durch Dünnschichtköpfe gebildeten Restmagnetisierungsbereiche auf der Plattenoberfläche haben klar definierte Grenzen, wodurch sehr hohe Aufzeichnungsdichten erreicht werden können. Aufgrund des geringen Gewichts und der geringen Größe der Köpfe kann der Abstand zwischen ihnen und den Plattenoberflächen im Vergleich zu Ferrit- und MIG-Köpfen deutlich reduziert werden: Bei einigen Laufwerken überschreitet er nicht mehr als 0,05 Mikrometer. Dadurch erhöht sich erstens die Restmagnetisierung von Bereichen der Trägeroberfläche und zweitens erhöht sich die Signalamplitude und das Signal-Rausch-Verhältnis im Auslesemodus verbessert sich, was sich letztlich auf die Zuverlässigkeit der Aufzeichnung und Auslesung von Daten auswirkt .

Bei der für moderne Laufwerke typischen Spurdichte und Datenplatzierung entlang der Spur würde das Wiedergabesignal eines herkömmlichen Ferritkopfes einfach in Rauschen und Interferenzen „verloren“ gehen. Dank der geringen Höhe der Dünnschichtköpfe ist schließlich der Einbau möglich große Menge Festplatten.

Bis vor kurzem waren Dünnschichtköpfe deutlich teurer als andere, aber Verbesserungen in der Produktionstechnologie und gestiegene Anforderungen an die Speicherkapazität führten einerseits zu einer Reduzierung der Kosten für Dünnschichtköpfe (sie wurden vergleichbar und teilweise niedriger). als der Preis von Ferritköpfen und Köpfen mit Metall im Spalt), und andererseits auf deren breitere Verbreitung.

Derzeit werden in den meisten Laufwerken mit hoher Kapazität, insbesondere in kleinen Modellen, Dünnschichtköpfe verwendet, wobei die Köpfe im Spalt praktisch durch Metall ersetzt wurden. Ihr Design und ihre Eigenschaften werden ständig verbessert, aber höchstwahrscheinlich werden sie in naher Zukunft durch magnetoresistive Köpfe ersetzt.

Magnetoresistive Köpfe

Magnetoresistive MR-Köpfe sind erst vor relativ kurzer Zeit auf den Markt gekommen. Sie wurden von IBM entwickelt und ermöglichen höchste Aufzeichnungsdichten und Laufwerksleistungen. Magnetoresistive Köpfe wurden erstmals 1991 in der 1-GB-Festplatte (3,5 Zoll) von IBM installiert.

Alle Köpfe sind Detektoren, d.h. zeichnen Veränderungen in Magnetisierungszonen auf und wandeln sie in elektrische Signale um, die als Daten interpretiert werden können. Bei der magnetischen Aufzeichnung gibt es jedoch ein Problem: Wenn die magnetischen Domänen des Mediums reduziert werden, sinkt der Kopfsignalpegel und es besteht die Möglichkeit, Rauschen mit einem „echten“ Signal zu verwechseln. Um dieses Problem zu lösen, ist ein effektiver Lesekopf erforderlich, der das Vorhandensein eines Signals zuverlässiger bestimmen kann.

Vor langer Zeit wurde ein weiterer Effekt des Magnetismus entdeckt: Wenn ein Leiter einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt wird, ändert sich sein Widerstand. Wenn ein herkömmlicher Kopf die Zone des Vorzeichenwechsels passiert, entsteht an den Wicklungsausgängen ein Spannungsimpuls. Anders verhält es sich beim Auslesen von Daten mit einem magnetoresistiven Kopf. Sein Widerstand ist unterschiedlich, wenn er über Bereiche mit unterschiedlichen Werten der Restmagnetisierung (permanenten Magnetisierung) fährt. Dieses Phänomen diente als Grundlage für die Entwicklung eines neuen Typs von Leseköpfen durch IBM. Durch den Kopf fließt ein kleiner konstanter Messstrom, und wenn sich der Widerstand ändert, ändert sich auch der Spannungsabfall darüber.

Da nur ein Lesegerät auf Basis des magnetoresistiven Effekts gebaut werden kann, besteht der magnetoresistive Kopf eigentlich aus zwei Köpfen, die in einem Design kombiniert sind. In diesem Fall ist der Aufzeichnungsteil ein herkömmlicher Induktionskopf und der Leseteil ein magnetoresistiver Kopf. Da die Lese- und Schreibfunktionen auf zwei separate Knoten aufgeteilt sind, kann jeder Knoten so gestaltet werden der beste Weg den beabsichtigten Vorgang durchführen. Die Ausgangssignalamplitude eines solchen Kopfes ist etwa viermal größer als die eines induktiven Kopfes.

Magnetoresistive Köpfe sind teurer und komplexer als andere Kopftypen, da ihr Design zusätzliche Elemente enthält technologischer Prozess umfasst mehrere zusätzliche Schritte. Im Folgenden sind die Hauptunterschiede zwischen magnetoresistiven Köpfen und herkömmlichen Köpfen aufgeführt:

• An sie müssen zusätzliche Drähte angeschlossen werden, um den Widerstandssensor mit Messstrom zu versorgen.
• Im Produktionsprozess kommen 46 weitere Masken (Fotovorlagen) zum Einsatz;
• Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit sind magnetoresistive Köpfe anfälliger für äußere Magnetfelder und müssen daher sorgfältig abgeschirmt werden.

Bei allen zuvor besprochenen Köpfen „funktionierte“ während des Schreib- und Lesevorgangs derselbe Spalt, und beim magnetoresistiven Kopf gibt es zwei davon, jeder für seinen eigenen Betrieb. Bei der Konstruktion von Köpfen mit einem einzigen Arbeitsspalt muss man bei der Wahl der Breite einen Kompromiss eingehen. Tatsache ist, dass zur Verbesserung der Parameter des Kopfes im Lesemodus die Breite des Spalts verringert werden muss (um die Auflösung zu erhöhen), und beim Schreiben muss der Spalt breiter sein, da in diesem Fall der Magnetfluss eindringt die Arbeitsschicht in eine größere Tiefe (über die gesamte Dicke „magnetisieren“). Bei magnetoresistiven Köpfen mit zwei Lücken kann jede Lücke eine optimale Breite haben. Ein weiteres Merkmal der betrachteten Köpfe besteht darin, dass ihr Aufzeichnungsteil (Dünnfilm) breitere Spuren auf der Platte bildet, als für den Betrieb der Leseeinheit (magnetoresistiv) erforderlich ist. In diesem Fall „sammelt“ der Lesekopf weniger magnetische Störungen von benachbarten Spuren.

Ein Schema eines typischen magnetoresistiven IBM-Kopfes ist in Abb. dargestellt. 7. Hier wird die gesamte Kopfbaugruppe zusammen mit dem Schieber gezeigt. Das Leseelement des Kopfes (magnetoresistiver Sensor) besteht aus einem Eisen-Nickel-Film, der durch einen kleinen Spalt von der Magnetschicht getrennt ist. Dieser Film ändert seinen Widerstand abhängig vom Magnetfeld. Schutzschichten schützen den Leseelementsensor vor „zufälligen“ Magnetfeldern. In den meisten Ausführungen fungiert der zweite Schutz als Aufnahmeelement. Diese Art von Kopf wird als integrierter magnetoresistiver Kopf bezeichnet. Das Aufzeichnungselement ist ein herkömmlicher Dünnschicht-Induktionskopf.

Reis. 7 . Querschnitt des magnetoresistiven Kopfes

Riesige magnetoresistive Köpfe

1997 kündigte IBM einen neuen Typ eines magnetoresistiven Kopfes an, der viel empfindlicher war. Sie wurden riesige magnetoresistive Köpfe (Giant Magnetoresistive GMR) genannt. Sie erhielten diesen Namen aufgrund des verwendeten Effekts (obwohl sie kleiner waren als standardmäßige magnetoresistive Köpfe). Das Leseelement des riesigen magnetoresistiven Kopfes ist in Abb. dargestellt. 8 . Derzeit verwenden die meisten Festplattenlaufwerke diesen Kopftyp und in naher Zukunft wird die GMR-Technologie die Kopfproduktion dominieren.

Reis. 8 . Querschnitt eines riesigen magnetoresistiven Kopfes

Schieberegler

Ein Schieber ist ein Konstruktionsteil, durch das der Kopf in hängender Position abgestützt wird erforderlichen Abstand von der Oberfläche der Scheibe. Auch der Schieber selbst kommt nicht mit der Oberfläche des Mediums in Berührung. In den meisten Fällen hat dieser Teil die Form eines Katamarans mit zwei seitlichen „Schwimmkörpern“ und einem zentralen „Steuerhaus“ mit einem Magnetkopf (Abb. 9).

Der Trend zur stetigen Verkleinerung von Antrieben führt dazu, dass auch alle ihre Komponenten, darunter auch die Schieber, immer kleiner werden. Die Größe einer Standard-Mini-Festplatte beträgt beispielsweise 0,160 x 0,126 x 0,034 Zoll (4 x 3,2 x 0,86 mm). Die meisten Laufwerke mit hoher Kapazität und kleiner Größe verwenden jetzt kleinere Schieberegler (50 % kleiner): 0,08 x 0,063 x 0,017 Zoll (2 x 1,6 x 0,43 mm). IN die neuesten Modelle Die Slider-Größen werden um 70 % reduziert. Die Verkleinerung des Schiebers führt zu einer Verringerung der Masse des Bewegungssystems, bestehend aus Kopf, Schieber und Kopfbewegungshebel. Dadurch können sie wiederum mit hohen Beschleunigungen bewegt werden, d. h. Reduzieren Sie die Übergangszeit von einer Spur zur anderen und letztendlich die Datenzugriffszeit. Darüber hinaus ist es möglich, die Größe des „Parkplatzes“ des Kopfes („Landebahn“) zu reduzieren und dementsprechend die nutzbare Fläche der Scheiben zu vergrößern. Schließlich wird durch die kleinere Kontaktfläche des Schiebers der unvermeidliche Verschleiß der Medienoberfläche beim Abwickeln und Stoppen der Scheiben verringert.

Bei den neuesten Slider-Designs erhält deren Unterseite eine besondere Form, wodurch die Höhe des „Fluges“ der Köpfe über der Oberfläche der Scheibe (der Luftspalt) beim Arbeiten annähernd gleich bleibt sowohl externe als auch interne Zylinder. Bei Verwendung herkömmlicher Slider ändert sich der Abstand zwischen Kopf und Arbeitsschicht der Platte beim Übergang von externen zu internen Spuren und umgekehrt erheblich. Dies ist auf Unterschiede in den linearen Geschwindigkeiten verschiedener Teile der Plattenoberfläche im Verhältnis zu den Köpfen zurückzuführen (die lineare Geschwindigkeit hängt vom Rotationsradius ab). Je höher die Geschwindigkeit, desto größer der Abstand. Dieser Effekt ist insbesondere bei neuen Antrieben mit Zonenaufzeichnung, bei denen die linearen Aufzeichnungsdichten (entlang der Spuren) auf allen Zylindern gleich sind, äußerst unerwünscht. In diesem Fall muss für normales Lesen und Schreiben der Luftspalt zwischen Kopf und Arbeitsschicht der Platte konstant bleiben. Dieses Problem lässt sich lösen, indem man den Oberflächen der Schieber eine besondere Form gibt, wie sie bei Laufwerken mit Zonenaufzeichnung erfolgt.

Rahmendesign mit Schreib-/Leseköpfen

Bei Festplatten verfügt jede Seite jedes Laufwerks über einen eigenen Lese-/Schreibkopf. Alle Köpfe sind auf einem gemeinsamen beweglichen Rahmen montiert und bewegen sich gleichzeitig. Jeder Kopf ist am Ende eines Hebels montiert, der auf einer Feder montiert ist, die ihn sanft gegen die Platte drückt. Das. Die Scheibe scheint zwischen zwei Köpfen (oben und unten) eingeklemmt zu sein. In Abb. Abbildung 10 zeigt ein Standard-Moving-Coil-Aktuatordesign.

Reis. 10. Lese-/Schreibköpfe und Drehspulantrieb

Bei ausgeschaltetem Laufwerk berühren die Köpfe unter der Wirkung von Federn die Platten. Wenn sich die Scheiben drehen, erhöht sich der aerodynamische Druck unter den Köpfen und sie lösen sich von den Arbeitsflächen („fliegen nach oben“). Wenn sich die Platte mit voller Geschwindigkeit dreht, kann der Abstand zwischen ihr und den Köpfen 0,55 Mikrozoll (0,010,5 µm) oder sogar mehr betragen. Aus diesen Gründen erfolgt die Montage von HDA-Einheiten nur in Reinräumen, die den Anforderungen der Klasse 100 (oder sogar höher) entsprechen. Das bedeutet, dass sich in einem Kubikfuß Luft nicht mehr als 100 Staubpartikel mit einer Größe von bis zu 0,5 Mikrometern befinden dürfen. (Zum Vergleich: Ein stillstehender Mensch atmet pro Minute etwa 500 solcher Partikel aus). Daher sind die Räumlichkeiten mit speziellen Luftfilter- und Reinigungssystemen ausgestattet. HDA-Einheiten können nur unter diesen Bedingungen geöffnet werden. Die Aufrechterhaltung solch steriler Bedingungen kostet viel Geld.

Es gibt andere Möglichkeiten, sterile Bedingungen zu schaffen. Beispielsweise wird ein Montagetisch mit einem Luftschleier vom umgebenden Raum abgegrenzt und gereinigte Luft wird unter Druck ständig direkt dem Arbeitsplatz zugeführt.

Kopfantriebsmechanismen

Ein wichtiger Teil des Antriebs ist auch der Mechanismus, der sie in die gewünschte Position bringt und aufgerufen wirdKopfantrieb. Mit seiner Hilfe bewegen sich die Köpfe von der Mitte zu den Rändern der Scheibe und werden auf einem bestimmten Zylinder installiert. Es gibt viele Ausführungen von Antriebsmechanismen, sie lassen sich jedoch in zwei Haupttypen einteilen:

• mit Schrittmotor;
• mit beweglicher Spule.

Der Laufwerkstyp bestimmt maßgeblich die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit des Laufwerks, die Zuverlässigkeit des Datenlesens, seine Temperaturstabilität und die Empfindlichkeit gegenüber der Wahl der Betriebsposition und Vibrationen. Antriebe mit Schrittmotoren sind wesentlich unzuverlässiger als Antriebe mit beweglichen Spulen. Der Antrieb ist der wichtigste Teil des Antriebs. In der Tabelle ____ Es werden zwei Typen von Festplattenkopflaufwerken gezeigt und die Abhängigkeit der Geräteeigenschaften von einem bestimmten Laufwerkstyp aufgezeigt.

Tisch. Abhängigkeit der Antriebseigenschaften vom Antriebstyp

Charakteristisch	Schrittmotorantrieb	Moving-Coil-Antrieb
Datenzugriffszeit	Groß	Klein
Temperaturstabilität	Niedrig (sehr!)	Hoch
Sensibilität gegenüber Arbeitnehmerentscheidungen Bestimmungen	Konstante	Abwesend
	Erfüllt (nicht immer)	Durchgeführt
Vorbeugende Wartung	Regelmäßige Neuformatierung	Nicht erforderlich
Gesamtzuverlässigkeit (relativ)	Niedrig	Hoch

Laufwerke mit einem Antrieb auf Basis eines Schrittmotors haben also eine relativ niedrige durchschnittliche Datenzugriffsgeschwindigkeit (d. h. eine lange Zugriffszeit), sie reagieren empfindlich auf Temperaturschwankungen und die Wahl der Betriebsposition bei Lese- und Schreibvorgängen und tun dies nicht Parken Sie die Köpfe automatisch (d. h. bewegen Sie sie auf eine sichere „Landebahn“, wenn der Strom ausgeschaltet wird). Darüber hinaus müssen sie in der Regel ein- bis zweimal im Jahr neu formatiert werden, um die tatsächliche Position der Aufzeichnungszonen mit dem Layout der Sektorköpfe in Einklang zu bringen. Es liegt auf der Hand, dass Antriebe mit Schrittmotoren Geräten mit Tauchspulantrieben in jeder Hinsicht unterlegen sind.

Diskettenlaufwerke verwenden einen Schrittmotorantrieb, um die Köpfe zu bewegen. Seine Parameter (einschließlich Genauigkeit) erweisen sich für Laufwerke dieser Art als völlig ausreichend, da die Dichte der Aufzeichnungsspuren auf Disketten deutlich geringer ist (135 Spuren pro Zoll) als bei Festplatten (mehr als 5.000 Spuren pro Zoll).

Schrittmotorantrieb

SchrittmotorHierbei handelt es sich um einen Elektromotor, dessen Rotor sich nur schrittweise drehen kann, d. h. in einem genau definierten Winkel. Wenn Sie die Welle manuell drehen, können Sie jedes Mal, wenn der Rotor eine andere feste Position passiert, leise Klickgeräusche (oder Knistergeräusche bei schneller Drehung) hören. Schrittmotoren können nur in festen Positionen eingebaut werden. Die Abmessungen dieser Motoren sind klein (in der Größenordnung von einigen Zentimetern) und die Form kann unterschiedlich sein – rechteckig, zylindrisch usw. Der Schrittmotor ist außerhalb der HDA-Einheit montiert, seine Welle verläuft jedoch durch ein Loch mit einer Dichtung im Inneren. Normalerweise befindet sich der Motor an einer der Ecken des Antriebsgehäuses und ist leicht zu erkennen.

Eines der gravierendsten Probleme bei Mechanismen mit Schrittmotoren ist die Instabilität ihrer Temperaturen. Beim Erhitzen und Abkühlen dehnen sich die Scheiben aus und ziehen sich zusammen, wodurch sich die Spuren relativ zu ihrer vorherigen Position verschieben. Da der Kopfantriebsmechanismus eine Bewegung um weniger als einen Schritt (Bewegung auf eine Spur) nicht zulässt, ist es unmöglich, diese Temperaturfehler zu kompensieren. Die Köpfe bewegen sich entsprechend der Anzahl der Impulse, die dem Schrittmotor zugeführt werden.

In Abb. Abbildung 11 zeigt das Aussehen eines Antriebs mit Schrittmotor.

Reis. elf. Aussehen Schrittmotorantrieb

Moving-Coil-Antrieb

Moving-Coil-AntriebWird in fast allen modernen Antrieben verwendet. Im Gegensatz zu Schrittmotorsystemen, die die Köpfe blind bewegen, verwendet ein Moving-Coil-Antrieb ein Rückkopplungssignal, um die Positionen der Köpfe relativ zu den Spuren genau zu bestimmen und sie bei Bedarf anzupassen. Dieses System ermöglicht eine höhere Geschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit als ein herkömmlicher Schrittmotorantrieb. Ein Drehspulantrieb funktioniert nach dem Prinzip des Elektromagnetismus (sein Aufbau ähnelt einem herkömmlichen Lautsprecher, bei dem sich eine mit einem Kegel verbundene Drehspule im Spalt eines Permanentmagneten bewegen kann). Bei einem typischen Antriebsdesign ist die bewegliche Spule fest mit der Kopfbaugruppe verbunden und im Feld eines Permanentmagneten platziert. Spule und Magnet sind in keiner Weise miteinander verbunden; Die Spule bewegt sich nur unter dem Einfluss elektromagnetischer Kräfte. Wenn in der Spule ein elektrischer Strom entsteht, bewegt sich dieser, genau wie in einem Lautsprecher, relativ zum starr befestigten Permanentmagneten und bewegt so den Kopfblock. Ein solcher Mechanismus erweist sich als sehr schnell und nicht so laut wie ein Antrieb mit Schrittmotor.

Im Gegensatz zu einem Schrittmotorantrieb haben Moving-Coil-Geräte keine voreingestellten Positionen. Stattdessen verwenden sie ein spezielles Führungssystem (Positionierungssystem), das die Köpfe präzise zum gewünschten Zylinder führt (damit der Moving-Coil-Antrieb die Köpfe reibungslos in jede Position bewegen kann). Dieses System wird als Servoantrieb bezeichnet und unterscheidet sich von dem zuvor besprochenen dadurch, dass zur präzisen Führung (Positionierung) der Köpfe ein Rückkopplungssignal verwendet wird, das Informationen über die tatsächliche relative Position der Spuren und Köpfe enthält. Dieses System wird oft als geschlossenes (oder selbsteinstellendes) System bezeichnet.

Temperaturschwankungen haben keinen Einfluss auf die Genauigkeit des Moving-Coil-Antriebs und der Rückmeldung. Während die Scheiben schrumpfen und sich ausdehnen, werden alle Größenänderungen vom Servoantrieb überwacht und die Positionen der Köpfe (die nicht vorbestimmt sind) werden entsprechend angepasst. Um nach einer bestimmten Spur zu suchen, werden auf der Platte vorab aufgezeichnete Hilfsinformationen (Servocode) verwendet und während des Betriebs wird immer die tatsächliche Position des Zylinders auf der Platte unter Berücksichtigung aller Temperaturabweichungen ermittelt. Da der Servocode kontinuierlich gelesen wird, beispielsweise beim Aufheizen des Laufwerks und beim Erweitern der Platten, folgen die Köpfe der Spur und es gibt keine Probleme beim Lesen der Daten. Daher wird ein Moving-Coil-Antrieb mit Rückkopplung oft als Track-Tracking-System bezeichnet.

Es gibt zwei Arten von Antriebsmechanismen mit beweglichen Spulen, die sich nur in der physischen Anordnung der Magnete und Spulen unterscheiden:

•  linear;
•  rotierend.

Linearantrieb (Abb. 12) bewegt die Köpfe in einer geraden Linie, streng entlang der Scheibenradiuslinie. Die Spulen befinden sich in den Lücken von Permanentmagneten.

Reis. 12. Linearantrieb mit beweglicher Spule

Der Hauptvorteil eines Linearantriebs besteht darin, dass bei seiner Verwendung keine für einen Rotationsantrieb typischen Azimutfehler auftreten. (Unter Azimut bezieht sich auf den Winkel zwischen der Ebene des Arbeitsspalts des Kopfes und der Richtung der Aufnahmespur.) Bei der Bewegung von einem Zylinder zum anderen drehen sich die Köpfe nicht und ihr Azimut ändert sich nicht.

Allerdings hat der Linearantrieb einen wesentlichen Nachteil: Seine Bauweise ist zu massiv. Um die Antriebsleistung zu verbessern, müssen Sie das Gewicht des Antriebsmechanismus und der Köpfe selbst reduzieren. Je leichter der Mechanismus, desto mehrÖ Bei größerer Beschleunigung kann es von einem Zylinder zum anderen wechseln. Linearantriebe sind wesentlich schwerer als Rotationsantriebe und werden daher in modernen Antrieben nicht eingesetzt.

Drehantrieb(siehe Abb. 10) funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie das lineare, jedoch sind dabei die Enden der Kopfhebel an der beweglichen Spule befestigt. Während sich die Spule relativ zum Permanentmagneten bewegt, drehen sich die Kopfbewegungshebel und bewegen die Köpfe in Richtung der Achse oder in Richtung der Ränder der Platten. Aufgrund seiner geringen Masse kann sich ein solches Design mit hohen Beschleunigungen bewegen, was die Datenzugriffszeit erheblich verkürzen kann. Die schnelle Bewegung der Köpfe wird auch dadurch erleichtert, dass die Arme der Hebel unterschiedlich ausgeführt sind: Derjenige, an dem die Köpfe montiert sind, hat eine o längere Länge.

Zu den Nachteilen dieses Antriebs gehört die Tatsache, dass sich die Köpfe beim Übergang von den äußeren zu den inneren Zylindern drehen und sich der Winkel zwischen der Ebene des Magnetspalts des Kopfes und der Richtung der Spur ändert. Aus diesem Grund ist die Breite des Arbeitsbereichs der Scheibe (der Bereich, in dem sich die Spuren befinden) häufig begrenzt (damit die unvermeidlichen Azimutfehler in akzeptablen Grenzen bleiben). Heutzutage wird in fast allen Tauchspulantrieben ein Drehantrieb eingesetzt.

Rückkopplung

Zur Steuerung von Drehspulantrieben wurden zu unterschiedlichen Zeiten drei Methoden zum Aufbau einer Rückkopplungsschleife verwendet:

• mit einem Hilfs-„Keil“;
• mit eingebetteten Codes;
• mit einer Spezialdiskette.

Sie unterscheiden sich in der technischen Umsetzung, sollen aber im Wesentlichen das gleiche Ziel erreichen: eine ständige Anpassung der Position der Köpfe und deren Führung (Positionierung) am entsprechenden Zylinder sicherzustellen. Die Hauptunterschiede zwischen ihnen bestehen darin, auf welche Bereiche der Plattenoberfläche die Servocodes geschrieben werden.

Bei allen Methoden zum Aufbau einer Rückkopplungsschleife sind für deren Funktion spezielle Informationen (Servocodes) erforderlich, die bei der Herstellung auf die Platte geschrieben werden. Geschrieben wird es meist im sogenannten Gray-Code . In diesem Codierungssystem ändert sich beim Übergang von einer Zahl zur nächsten oder vorherigen nur eine Binärziffer. Bei diesem Ansatz werden Informationen viel schneller gelesen und verarbeitet als bei der herkömmlichen binären Kodierung, und die Position des Kopfes erfolgt praktisch ohne Verzögerung. Servocodes werden beim Zusammenbau des Laufwerks auf die Festplatte geschrieben und ändern sich während der gesamten Lebensdauer nicht.

Servocodes werden auf einem speziellen Gerät aufgezeichnet, bei dem die Köpfe nacheinander in genau definierte Positionen bewegt werden und in diesen Positionen die oben genannten Codes auf die Platten geschrieben werden. Um die Köpfe in solchen Geräten genau zu installieren, wird ein Laservisier verwendet und die Abstände werden durch die Interferenzmethode bestimmt, d.h. auf Bruchteile einer Laserstrahlungswelle genau. Da die Bewegung der Köpfe in einem solchen Gerät mechanisch erfolgt (ohne Beteiligung des antriebseigenen Antriebs), werden alle Arbeiten in einem Reinraum entweder bei geöffnetem Deckel der HDA-Einheit oder durch spezielle Löcher durchgeführt, die werden nach Abschluss der Aufzeichnung der Servocodes mit Siegelband versiegelt. Sie können diese mit Klebeband versehenen Löcher auf der HDA-Einheit finden, und auf dem Klebeband steht mit Sicherheit, dass Sie Ihr Recht auf Garantieleistungen verlieren, wenn Sie es abreißen.

Geräte zum Schreiben von Servocodes sind teuer und oft auf ein bestimmtes Antriebsmodell ausgelegt. Einige Firmen, die Laufwerke reparieren, verfügen über solche Geräte, d.h. kann Servocodes überschreiben, wenn der Antrieb beschädigt ist. Verfügt das Reparaturunternehmen nicht über ein Gerät zur Aufzeichnung von Servocodes, wird der defekte Antrieb an den Hersteller geschickt. Während normaler Lese- und Schreibvorgänge können Servocodes nicht gelöscht werden. Dies ist selbst mit Low-Level-Formatierung nicht möglich.

Da der Moving-Coil-Antrieb die tatsächliche Position der Spuren verfolgt, sind die Positionierungsfehler, die im Laufe der Zeit bei Schrittmotorantrieben auftreten, bei diesen Geräten nicht vorhanden. Ihre Funktion wird auch nicht durch die aufgrund von Temperaturschwankungen auftretende Ausdehnung und Kontraktion der Scheiben beeinträchtigt. Viele moderne Moving-Coil-Antriebe führen während des Betriebs in regelmäßigen Abständen eine Temperaturkalibrierung durch. Dieses Verfahren besteht darin, dass alle Köpfe abwechselnd von Null auf einen anderen Zylinder übertragen werden. In diesem Fall wird mithilfe der eingebauten Schaltung überprüft, um wie viel sich die angegebene Spur relativ zu ihrer Position in der vorherigen Kalibrierungssitzung verschoben hat, und die erforderlichen Korrekturen werden berechnet, die in den Arbeitsspeicher im Laufwerk selbst eingegeben werden . Diese Informationen werden anschließend bei jeder Bewegung der Köpfe genutzt, um eine höchstpräzise Positionierung zu ermöglichen.

Die meisten Laufwerke führen in der ersten halben Stunde nach dem Einschalten alle 5 Minuten und anschließend alle 25 Minuten eine Temperaturkalibrierung durch. Einige Benutzer glauben, dass beim Auslesen der Daten ein Fehler aufgetreten ist, tatsächlich war es jedoch gerade Zeit für die nächste Kalibrierung. Beachten Sie, dass dieser Vorgang in den meisten modernen Smart-Laufwerken (IDE und SCSI) durchgeführt wird, wodurch die Köpfe letztendlich mit höchstmöglicher Genauigkeit auf die Spuren gebracht werden können.

Mit zunehmender Verbreitung von Multimedia-Programmen werden solche Speicherunterbrechungen jedoch zu einem Ärgernis. Tatsache ist, dass bei der Kalibrierung der gesamte Datenaustausch mit dem Laufwerk gestoppt wird, beispielsweise die Wiedergabe von Audio- oder Videofragmenten ausgesetzt wird. Daher haben Unternehmen, die solche Laufwerke herstellen, damit begonnen, spezielle A/V-Modifikationen (A/V Audio Visual) herzustellen, bei denen der Beginn der nächsten Temperaturkalibrierung verzögert wird, bis die aktuelle Datenaustauschsitzung endet.

Die meisten neuen IDE- und SCSI-Gerätemodelle sind von diesem Typ, d. h. Die Wiedergabe von Audio- und Videofragmenten wird durch Kalibrierungsvorgänge nicht unterbrochen.

Übrigens zu den von Laufwerken automatisch durchgeführten Vorgängen: Die meisten Geräte, die eine automatische Temperaturkalibrierung durchführen, führen auch Festplatten-Sweeps durch. Tatsache ist, dass die Köpfe das Medium zwar nicht berühren, sich aber so nah daran befinden, dass die Luftreibung zu wirken beginnt. Trotz seines relativ geringen Wertes kann es dennoch zu einem vorzeitigen Verschleiß der Plattenoberfläche kommen, wenn sich der Kopf ständig (oder fast ständig) über derselben Spur befindet. Um dies zu verhindern, wird das folgende Verfahren durchgeführt. Wenn der Kopf zu lange stationär bleibt (d. h. es werden keine Lese- oder Schreibvorgänge ausgeführt), bewegt er sich automatisch zu einer zufällig ausgewählten Spur, die näher an den Rändern der Platte liegt, d. h. in den Bereich, in dem die lineare Geschwindigkeit der Platte maximal ist und daher der Luftspalt zwischen ihrer Oberfläche und dem Kopf am größten ist. Die Zeitverzögerung wird relativ kurz gewählt (in der Regel 9 Minuten). Wenn die Platte nach dem Bewegen des Kopfes erneut für die gleiche Zeit „im Leerlauf“ ist, bewegt sich der Kopf zu einer anderen Spur usw.

Hilfskeil

Diese Art von Servocode-Aufzeichnungssystem wurde in den ersten Moving-Coil-Antrieben verwendet. Alle für die Ausrichtung (Positionierung) der Köpfe notwendigen Informationen wurden in Gray-Codes in einem schmalen Sektor („Keil“) jedes Zylinders unmittelbar vor der Indexmarkierung aufgezeichnet. Eine Indexmarke markiert den Anfang jedes Titels, d. h. Zusatzinformationen werden im Vorindexintervall am Ende jedes Titels aufgezeichnet. Dieser Bereich ist erforderlich, um ungleichmäßige Festplattenrotation und Schreibtaktgeschwindigkeit auszugleichen, und der Festplattencontroller greift normalerweise nicht darauf zu. In Abb. 13 zeigt ein Verfahren zum Aufzeichnen von Servocodes im Hilfskeil.

Abb. 13. Hilfskeil

Bei manchen Controllern muss mitgeteilt werden, dass ein Antrieb mit Hilfskeil daran angeschlossen ist. Dadurch passen (kürzen) sie die Länge der Sektoren an, um den Hilfskeilbereich aufzunehmen. Der größte Nachteil eines solchen Aufzeichnungssystems besteht darin, dass das Lesen nur einmal bei jeder Umdrehung der Platte erfolgt. Das bedeutet, dass sich die Platte in vielen Fällen mehrmals drehen muss, um die Position der Köpfe genau zu bestimmen und zu korrigieren. Dieser Mangel war von Anfang an offensichtlich ähnliche Systeme waren nie weit verbreitet und werden heute überhaupt nicht mehr verwendet.

Eingebaute Codes

Bei dieser Methode der Feedback-Implementierung handelt es sich um eine verbesserte Version des Systems mit Hilfskeil (Abb. 14). In diesem Fall werden Servocodes nicht nur am Anfang jedes Zylinders, sondern auch vor dem Anfang jedes Sektors geschrieben. Dies bedeutet, dass bei jeder Umdrehung der Platte mehrmals Rückmeldungssignale an die Antriebsschaltung gesendet werden und die Köpfe viel schneller in der gewünschten Position installiert werden. Ein weiterer Vorteil (im Vergleich zu einem System mit einer dedizierten Festplatte) besteht darin

die Tatsache, dass Servocodes auf allen Spuren geschrieben sind, sodass die Position jedes Kopfes angepasst werden kann (dies gilt für Fälle, in denen einzelne Platten im Laufwerk unterschiedlich erhitzt oder gekühlt werden oder individuellen Verformungen unterliegen).

Die beschriebene Methode zum Schreiben von Servocodes wird in den meisten modernen Antrieben verwendet. Wie bei Systemen mit Hilfskeil sind die eingebauten Servocodes vor Löschung geschützt und jegliche Schreibvorgänge werden blockiert, wenn sich die Köpfe über Bereichen mit Serviceinformationen befinden. Daher ist es selbst bei einer Formatierung auf niedriger Ebene nicht möglich, Servocodes zu löschen.

Ein System mit eingebauten Servocodes funktioniert besser als ein Hilfskeil, da die Serviceinformationen (Servocodes) bei jeder Umdrehung der Scheibe mehrmals gelesen werden. Aber es liegt auf der Hand, dass ein System, in dem die Rückkopplungsschaltung funktioniert, noch effektiver sein sollte ständig , d.h. Servocodes werden kontinuierlich gelesen.

Reis. 14. Eingebaute Servocodes

Systeme mit dedizierter Festplatte

Bei der Umsetzung diese Methode Servocodes werden entlang der gesamten Spur geschrieben und nicht nur einmal am Anfang der Spur oder am Anfang jedes Sektors. Wenn Sie dies mit allen Spuren auf dem Laufwerk tun, bleibt natürlich kein Platz mehr für Daten. Daher ist eine Seite einer der Platten ausschließlich für die Aufzeichnung von Servocodes reserviert. BegriffSpezialdiskettebedeutet, dass eine Seite der Disc nur für die Aufnahme vorgesehen ist offizielle Informationen(Servocodes) und Daten werden hier nicht gespeichert. Dieser Ansatz mag auf den ersten Blick eher verschwenderisch erscheinen, es muss jedoch berücksichtigt werden, dass auf keiner der Seiten der verbleibenden Platten mehr Servocodes geschrieben werden. Daher die Gesamtverluste Festplattenplatz sind ungefähr die gleichen wie bei Verwendung des eingebetteten Codesystems.

Beim Zusammenbau von Laufwerken mit einer dedizierten Festplatte wird eine Seite einer bestimmten Festplatte für Lese-/Schreibvorgänge außer Betrieb genommen; Stattdessen wird darauf eine Folge von Servocodes aufgezeichnet, die später zur genauen Positionierung der Köpfe verwendet werden. Darüber hinaus kann der Servokopf, der diese Seite der Platte bedient, nicht in den Aufnahmemodus geschaltet werden, d. h. Servocodes können, wie in allen oben besprochenen Systemen, weder durch normale Datenaufzeichnung noch durch Formatierung auf niedriger Ebene gelöscht werden. In Abb. Abbildung 15 zeigt ein Diagramm eines Laufwerks mit einer speziellen Festplatte für Servocodes. Meistens ist der obere Kopf oder einer der zentralen Köpfe zum Lesen von Servocodes ausgelegt.

Reis. 15. System mit einer speziellen Festplatte

Wenn der Antrieb den Befehl erhält, die Köpfe zu einem bestimmten Zylinder zu bewegen, wird der interne elektronisches Gerät nutzt die vom Servokopf empfangenen Signale, um die Position aller anderen Köpfe genau zu bestimmen. Während sich die Köpfe bewegen, werden die Titelnummern kontinuierlich von der Oberfläche einer Spezialplatte gelesen. Wenn sich die gewünschte Spur unter dem Servokopf befindet, stoppt der Antrieb. Danach wird die Position der Köpfe feinjustiert und erst dann das Schreibfreigabesignal ausgegeben. Und obwohl nur ein Kopf (der Servokopf) zum Lesen der Servocodes verwendet wird, sind alle anderen auf einem gemeinsamen starren Rahmen montiert. Wenn sich also ein Kopf über dem gewünschten Zylinder befindet, werden dies auch alle anderen tun.

Ein charakteristisches Merkmal eines Laufwerks mit einer speziellen Festplatte ist eine ungerade Anzahl von Köpfen. Fast alle Laufwerke mit hoher Kapazität verwenden die beschriebene Methode zur Aufzeichnung von Servocodes, wodurch diese unabhängig von der Position der Köpfe ständig gelesen werden. Dies ermöglicht eine maximale Genauigkeit der Kopfpositionierung. Es gibt auch Laufwerke, die beide Methoden der Kopfpositionierung kombinieren: mit eingebauten Codes und mit einer Spezialscheibe. Allerdings sind solche Antriebe selten.

Automatisches Parken des Kopfes

Beim Ausschalten des Stroms werden die Hebel mit Köpfen auf die Oberflächen der Scheiben abgesenkt. Laufwerke können Tausenden von „Starts“ und „Landungen“ von Köpfen standhalten, es ist jedoch wünschenswert, dass diese an speziell dafür vorgesehenen Stellen der Plattenoberfläche stattfinden, auf die keine Daten geschrieben werden. Bei diesen Starts und Landungen kommt es zu einem Verschleiß (Abrieb) der Arbeitsschicht, da stundenlang „Staubwolken“ unter den Köpfen hervorfliegen

Materialien der Arbeitsschicht des Trägers; wenn es während des Starts oder der Landung zu einem Stoß kommt

Laufwerk, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Köpfe und Platten erheblich.

Einer der Vorteile eines Moving-Coil-Antriebs istautomatisches Parken des Kopfes. Wenn der Strom eingeschaltet wird, werden die Köpfe durch die Wechselwirkung der Magnetfelder der beweglichen Spule und des Permanentmagneten positioniert und in Position gehalten. Wenn der Strom abgeschaltet wird, verschwindet das Feld, das die Köpfe über einem bestimmten Zylinder hält, und sie beginnen unkontrolliert über die Oberflächen der noch nicht angehaltenen Scheiben zu gleiten, was zu Schäden führen kann. Um mögliche Schäden am Antrieb zu verhindern, ist die rotierende Kopfeinheit mit der Rückholfeder verbunden. Beim Einschalten des Computers übersteigt die magnetische Wechselwirkung normalerweise die Elastizität der Feder. Wenn jedoch der Strom abgeschaltet wird, bewegen sich die Köpfe unter dem Einfluss einer Feder in die Parkzone, bevor die Scheiben anhalten.

Um den Kopfparkmechanismus bei Moving-Coil-Antrieben zu aktivieren, schalten Sie einfach den Computer aus; Hierfür sind keine speziellen Programme erforderlich. Bei einem plötzlichen Stromausfall werden die Köpfe automatisch geparkt.

Luftfilter und Festplattenakklimatisierung

Fast alle Festplatten verwenden zwei Luftfilter: einen Umluftfilter und einen barometrischen Filter. Im Gegensatz zu den austauschbaren Filtern, die in älteren Antrieben großer Maschinen verbaut wurden, befinden sie sich im Inneren des Gehäuses und können während der gesamten Lebensdauer des Antriebs nicht ausgetauscht werden.

Bei alten Antrieben wurde ständig Luft von außen in das Gerät und umgekehrt über einen Filter gepumpt, der regelmäßig gewechselt werden musste. Bei modernen Geräten wurde diese Idee aufgegeben. Der Umwälzfilter in der HDA-Einheit dient lediglich dazu, die innere „Atmosphäre“ von kleinen Partikeln der Arbeitsmedienschicht zu reinigen, die trotz aller getroffenen Maßnahmen bei Starts und Landungen der Köpfe (sowie) immer noch von den Scheiben fallen von anderen kleinen Partikeln, die in das HDA eindringen könnten). Da Personal Computer-Laufwerke versiegelt sind und keine externe Luft hineingepumpt wird, können sie auch unter Bedingungen starker Luftverschmutzung betrieben werden (Abb. 16).

Abb. 16. Luftströmungsrichtung im Gehäuse HDA

Die HDA-Einheit ist nicht vollständig abgedichtet. Außenluft gelangt über einen barometrischen Filter in den HDA, da dies für den Druckausgleich innerhalb und außerhalb des Geräts erforderlich ist. Eben weil Festplatten Da es sich nicht um vollständig versiegelte Geräte handelt, geben Herstellerfirmen für sie den Höhenbereich über dem Meeresspiegel an, in dem sie betriebsbereit bleiben (normalerweise 300 bis +3.000 m). In dünnerer Luft besteht nicht genügend Abstand zwischen den Köpfen und den Medienoberflächen. Das Belüftungsloch ist notwendig, um den Druck außerhalb und innerhalb des Geräts auszugleichen, und der an diesem Loch installierte barometrische Filter verhindert eine Kontamination im Inneren des Laufwerks. Der Filter ist in der Lage, Partikel mit einer Größe von mehr als 0,3 Mikrometern zu entfernen, was den Reinheitsstandards der Atmosphäre im Inneren der HDA-Einheit entspricht. Einige Geräte verwenden dichtere (dünnere) Filter, um noch kleinere Partikel aufzufangen. Es gibt vollständig versiegelte Antriebe, aber mit unter Druck stehender Luft im Inneren können solche Antriebe in jeder Höhe und sogar unter extremen Bedingungen betrieben werden – sie halten Stößen und großen Temperaturschwankungen stand. Solche Antriebe sind für militärische und industrielle Zwecke bestimmt.

Der barometrische Filter verhindert nicht, dass Feuchtigkeit in das HDA-Gerät eindringt, so dass nach einiger Zeit die Luftfeuchtigkeit im Inneren des Geräts die gleiche ist wie draußen. Wenn bei eingeschaltetem Computer Feuchtigkeit im HDA zu kondensieren beginnt, treten schwerwiegende Probleme auf. In den Bedienungsanleitungen der meisten Festplatten finden Sie Tabellen oder Diagramme zur Gewöhnung an veränderte Umgebungsbedingungen (Temperatur und Luftfeuchtigkeit).

Tisch. Lagerungsakklimatisierungszeitraum

Anfangstemperatur, °C	Akklimatisierungszeit, h
4	13
1	15
7	16
12	17
18	18
23
29	22
34 und darunter	27

Besonders wichtig ist die Einhaltung dieser Bedingungen, wenn der Speicher von einem kalten Ort in einen warmen Raum gebracht wird, da in einer solchen Situation Feuchtigkeitskondensation nahezu unvermeidlich ist. Dieser Umstand sollte vor allem von Besitzern tragbarer Systeme berücksichtigt werden Festplatte. Je kälter das Laufwerk, desto länger muss es sich aufwärmen, bevor es eingeschaltet werden kann.

Antriebsmotor

Der Motor, der die Scheiben antreibt, wird oft als Spindel bezeichnet. Der Spindelmotor ist immer mit der Drehachse der Scheiben verbunden, es werden hierfür keine Antriebsriemen oder Zahnräder verwendet. Der Motor muss geräuschlos sein: Eventuelle Vibrationen werden auf die Scheiben übertragen und können zu Fehlern beim Lesen und Schreiben führen.

Die Motordrehzahl muss genau definiert sein. Sie liegt typischerweise zwischen 7.200 und 10.000 bis 15.000 U/min oder mehr und wird durch einen Motorsteuerkreis mit geschlossenem Regelkreis (Auto-Tuning) stabilisiert, um die gewünschte Präzision zu erreichen. Somit erfolgt die Regelung der Motordrehzahl automatisch und in den Antrieben sind keine Vorrichtungen vorgesehen, die eine manuelle Regelung ermöglichen. In den Beschreibungen einiger Diagnoseprogramme heißt es, dass mit ihnen die Drehzahl von Festplatten gemessen werden kann. Tatsächlich können sie nur den möglichen Wert anhand der Zeitintervalle zwischen dem Erscheinen der Sektor-Header abschätzen. Eine Messung der Drehzahl mit dem Programm ist grundsätzlich nicht möglich, hierfür sind spezielle Geräte (Tester) erforderlich. Informationen über die Rotationsgeschwindigkeit der Festplatte werden nicht über die Schnittstelle übertragen (und sollten auch nicht übertragen werden). Controller hart Scheibe. Zuvor konnte es durch ausreichende Lektüre abgeschätzt werden große Menge Sektoren und messen die Zeitintervalle, in denen relevante Informationen erscheinen. Dies machte jedoch nur dann Sinn, wenn alle Festplatten in die gleiche Anzahl von Sektoren (17) unterteilt waren und ihre Nennrotationsgeschwindigkeit 3.600 U/min betrug.

Durch den Einsatz der Zonenaufzeichnung entsteht das Aufkommen von Laufwerken mit unterschiedlichen Nennfrequenzen Rotationen, integrierte Puffer und Cache-Speicher machen es unmöglich, die tatsächliche Rotationsgeschwindigkeit von Festplatten programmgesteuert zu berechnen.

Bei den meisten Antrieben befindet sich der Spindelmotor unten unter der HDA-Einheit. Bei vielen modernen Geräten ist es jedoch in die HDA-Einheit eingebaut und stellt den zentralen Teil der Medienlaufwerkseinheit dar. Dieses Design ermöglicht es, ohne Änderung der vertikalen Größe des Laufwerks die Anzahl der Platten (Platten) im Block (im „Stapel“) zu erhöhen.

Der Spindelmotor verbraucht recht viel Strom aus dem 12-Volt-Netzteil. Beim Übertakten (Hochdrehen) der Festplatten erhöht er sich um das weitere 23-fache gegenüber dem stationären Wert. Diese Überlastung hält mehrere Sekunden nach dem Einschalten des Computers an. Wenn in Ihrem Computer mehrere Laufwerke installiert sind, können Sie versuchen, diese nacheinander einzuschalten, um die Stromversorgung nicht übermäßig zu belasten. Die meisten SCSI- und IDE-Laufwerke verfügen über einen verzögerten Start des Spindelmotors.

Steuerplatine

Auf der Steuerplatine montiert elektronische Schaltkreise zur Steuerung des Spindelmotors und des Kopfantriebs sowie zum Datenaustausch mit der Steuerung (in vorgegebener Form dargestellt). Bei IDE-Laufwerken wird der Controller direkt im Laufwerk installiert, für SCSI können zusätzliche Erweiterungskarten verwendet werden.

Nicht selten treten Störungen nicht in den mechanischen Komponenten der Antriebe, sondern in den Steuerplatinen auf. Auf den ersten Blick mag diese Aussage seltsam erscheinen, da elektronische Komponenten bekanntermaßen zuverlässiger sind als mechanische, dennoch bleibt die Tatsache eine Tatsache. Daher können viele fehlerhafte Antriebe durch den Austausch der Steuerplatine oder eines Teils davon und nicht des gesamten Geräts repariert werden. Dieses Feature ist besonders attraktiv, da Sie wieder auf die auf dem Laufwerk gespeicherten Daten zugreifen können.

Notiz*. Weitere Informationen zum Steuerkreis (Platine) finden Sie in den Vorlesungen.

Frontblende

Viele Festplatten-Kits können Blenden als optionale Komponenten enthalten (Abbildung 17). Heutzutage ist die Frontplatte jedoch in den meisten Fällen Teil des Computergehäuses und nicht das Laufwerk selbst.

Reis. 17 . Standard-HDD-Blende

Antriebskabel und Anschlüsse

Die meisten Festplatten verfügen über mindestens zwei Arten von Anschlüssen: einen Schnittstellenanschluss (oder Anschlüsse) und einen Stromanschluss (siehe Abbildung 18).

Reis. 18 Hart verbinden ATA (IDE)-Laufwerk

Über Schnittstellenanschlüsse (siehe Abb. 19, 20,21) werden Daten und Befehle zum Antrieb und zurück übertragen. Viele Schnittstellenstandards sehen eine Anbindung vor 1 mehrere Antriebe an ein Kabel (Bus). Allerdings sind die meisten modernen Geräte I D E (ATA), SATA und SCSI werden über ein Kabel verbunden.

Reis. 19. Aussehen des 40-poligen ATA-Schnittstellenkabelsteckers

Reis. 20. Diagramm eines einheitlichen 50-poligen Steckers für

Anschluss von 2,5-Zoll-ATA-Laufwerken (Positionen A, D, C, D für Stromanschluss)

Reis. 21, Aussehen der Schleife (Kabel) vom Typ ATA (IDE)

Die Stromanschlüsse für Festplatten sind vorhanden 2D -Form. Die Form des Steckers fungiert als Schlüssel und verhindert Fehlverbindungen. Die meisten Antriebe verwenden zwei Versorgungsspannungen (5 und 12 V), aber kleine Modelle für Laptop-Computer benötigen 5 V. Normalerweise versorgt eine 12-V-Quelle den Steuerkreis des Spindelmotors und den Kopfantrieb sowie 5-V-Versorgungen für elektronische Komponenten. Festplatten verbrauchen mehr Strom als Diskettenlaufwerke. Daher beim Anschluss mehrerer Festplatte Sie sollten die Leistung des Netzteils ermitteln.

Der Stromverbrauch einer 12-V-Quelle hängt von der Größe des Geräts ab: Je mehr einzelne Platten im „Paket“ enthalten sind und je größer der Durchmesser jeder einzelnen Platte ist, desto mehr Leistung wird für den Antrieb benötigt. Um höhere Drehzahlen der Scheiben zu erreichen, muss außerdem die Leistung erhöht werden. Beispielsweise ist der Stromverbrauch für 3,5-Zoll-Laufwerke im Durchschnitt etwa 24-mal geringer als für 5,25-Zoll-Laufwerke in voller Größe. Einige Laufwerke in besonders kleinen Formaten (2,5 und 1,8 Zoll) verbrauchen nur etwa 1 W elektrische Leistung.

Manchmal befindet sich am Laufwerksgehäuse eine Erdungsklemme, die erforderlich ist, um einen zuverlässigen Kontakt zwischen dem gemeinsamen Kabel des Laufwerks und dem Systemgehäuse sicherzustellen. Bei Computern, bei denen die Laufwerke mit Metallschrauben direkt am Gehäuse befestigt sind, ist kein spezielles Erdungskabel erforderlich. Bei einigen Computern sind Laufwerke auf Kunststoff- oder Glasfaserführungen montiert, die natürlich das Laufwerksgehäuse elektrisch vom Systemgehäuse isolieren. In diesem Fall müssen sie mit einem zusätzlichen Kabel verbunden werden, das an die genannte Klemme angeschlossen wird. Wenn das Laufwerk schlecht geerdet ist, kann es zu Funktionsstörungen, Lese- und Schreibfehlern usw. kommen.

Konfigurationselemente

Beim Einbau eines Laufwerks in einen Computer ist es in der Regel erforderlich, spezielle Jumper (Jumper) und manchmal auch Lastwiderstände neu anzuordnen oder zu trennen. Diese Konfigurationselemente variieren je nach Schnittstellen- und Laufwerkshersteller.

Schalter für Dual-Disk-Konfiguration ATA (IDE)

Die Installation von zwei IDE-Laufwerken in einem Computer kann über ein oder zwei Schnittstellenkabel erfolgen. Mithilfe von Konfigurationsbrücken können Sie bestimmen, wie Geräte angeschlossen werden IDE-Controller.

Im IDE-Standard Es gibt eine Möglichkeit, sich zu organisieren Zusammenarbeit zwei hintereinander geschaltete Festplatten. Der Status der Festplatte (primär oder sekundär) wird entweder durch Umstecken des Jumpers mit der Aufschrift „Master“ für die primäre und „Slave“ für die sekundäre Festplatte oder durch Anlegen des Steuersignals CSEL (Cable SELect Kabelauswahl) über eine der Schnittstellenleitungen bestimmt .

Wenn nur eine Festplatte im System installiert ist, reagiert deren Controller auf alle vom Computer kommenden Befehle. Wenn zwei Festplatten (und damit zwei Controller) vorhanden sind, werden Befehle gleichzeitig an beide Controller gesendet. Sie müssen so konfiguriert werden, dass jeder Festplatte reagierte nur auf an ihn gerichtete Befehle. Genau dazu dienen der Master/Slave-Jumper (Schalter) und das CSEL-Steuersignal.

Die meisten IDE-Laufwerke können wie folgt konfiguriert werden:

• primär (ein Laufwerk);
• primär (zwei Laufwerke);
• sekundär (zwei Laufwerke);
• Kabelauswahl.

Jeder der Controller der beiden Festplatten muss über seinen Status informiert werden – primär oder sekundär. Die meisten neuen Antriebe verwenden nur einen Schalter (primär/sekundär), einige verwenden auch einen Slave-Präsenzschalter.

In Abb. Abbildung 22 zeigt die Position der beschriebenen Schalter auf der Rückseite des Laufwerks.

In einigen modernen Antrieben sind möglicherweise keine Schalter eingebaut, d.h. Standardmäßig wird eine bestimmte Antriebskonfiguration akzeptiert. Alle für den ordnungsgemäßen Betrieb des Antriebs notwendigen Schalterstellungen sind in der Dokumentation zum Antrieb angegeben.

Reis. 22. ATA (IDE)-Laufwerksschalter (Jumper)

1 Die SCSI-Schnittstelle ermöglicht den Anschluss von bis zu sieben Laufwerken an ein Kabel (Wide SCSI-2 unterstützt bis zu 15 Geräte). ST-506/412- oder ESDI-Standards bieten separate Anschlüsse für Daten- und Steuersignale

2 Sie können mit Diskettenlaufwerken identisch sein.

SEITE 16

Reis. 1. Wenn Strom durch einen Leiter fließt, bildet sich um ihn herum ein Magnetfeld

Batterie

Aktuelle Richtung

Magnetfelder

umgeben von Dirigenten

Reis. 4. Spuren und Sektoren einer Festplatte

Reis. 5. Festplattenzylinder

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Hartmagnetische Laufwerke – Geräte- und Hauptmerkmale auf niedriger Ebene

Einmal an einen einfachen Benutzer Der Computer musste in seiner Struktur, seinen Programmiersprachen und anderen Dingen, die nicht direkt mit seinen unmittelbaren Aktivitäten zusammenhängen, gründlich verstanden werden. Ganz einfach, weil die ersten Computer „nackt“ produziert wurden – also ganz ohne Software. Möchten Sie mit einem Computer arbeiten? Lernen Sie, seine „Sprache“ zu sprechen. Oder kommunizieren Sie über einen Vermittler.

Später entwickelte sich die Computertechnologie nach dem gleichen Szenario wie alles andere – die Arbeitsteilung kam in diesen Bereich. Erstens gab es eine Unterteilung in Benutzer selbst, die zur Lösung ihrer Probleme nicht Computer als solche, sondern Pakete spezialisierter Anwendungsprogramme verwendeten, und Programmierer, die genau diese Programme schrieben. Letztere wurden ebenfalls schnell in System- und Anwendungsbereiche unterteilt. Die ersten mussten sich noch gründlich mit der Hardware auskennen, denn ihre Aufgabe war das Schreiben Betriebssysteme und andere „Low-Level“-Anwendungen, insbesondere Softwareentwicklungsumgebungen. Und letztere waren nicht mehr fest mit der Ausrüstung verbunden und nutzten die Arbeitskraft der ersteren. Ihre Aufgabe bestand darin, Anwendungsprogramme zu entwickeln, die den Bedürfnissen der Benutzer gerecht werden.

Als die ersten Personalcomputer auf den Markt kamen, war dieses gesamte mehrstufige System bereits in seiner allgemeinen Form aufgebaut. Es gab aber auch einige Besonderheiten. Insbesondere war die „Schicht“ in Form des Betriebssystems zu dünn – es war unmöglich, mehr oder weniger komplexe Anwendungsprogramme zu schreiben, ohne direkt auf die Hardware zuzugreifen. Und da es damals noch nicht viele Anwendungsprogramme gab und deren „Komplexität“ aus heutiger Sicht gering war, musste der Anwender manchmal selbst zum Programmierer werden und die nötige Software selbst schreiben. Dies gefiel jedoch zunächst vielen Leuten ganz gut (eine beträchtliche Anzahl von Personalcomputern wurde dann von echten Enthusiasten gekauft). Computerausrüstung), aber es hat seine Spuren in der Marktsituation hinterlassen. Nicht umsonst begannen viele MS-DOS-Benutzerhandbücher mit Beschreibungen von Systembefehlen und endeten mit Beispielen für die Verwendung undokumentierter Interrupts :)

Seit dieser unbeschwerten Zeit ist bereits viel Wasser unter der Brücke geflossen. Viele moderne Benutzer kennen nicht einmal alle Funktionen der Anwendungen, die sie ständig verwenden. Was können wir über das Design des Betriebssystems oder die Funktionen der in der Systemeinheit versteckten Geräte sagen? Einerseits kann man sich darüber nur freuen – sie wissen es nicht, denn es besteht keine Notwendigkeit, es zu wissen. Heutzutage spielen die Leute nur noch Spiele, schauen Filme, hören Musik, schreiben mit Freunden auf der ganzen Welt Textnachrichten, und das direkt nach dem Kauf und der Installation eines Computers auf ihrem Desktop, und nicht nachdem sie Computerprogrammierung und -architektur studiert und alle notwendigen Programme selbst geschrieben haben.

Andererseits führt eine solche Situation unweigerlich zu einer Reihe von Problemen, sobald komplexere Probleme als das Starten einer Anwendung gelöst werden. Insbesondere werden Computer noch nicht kostenlos verteilt. Und verschiedene Modelle haben unterschiedliche Fähigkeiten, Leistungen und Preise. Und wie es geht richtige Wahl um es später nicht zu bereuen? Bei Wasserkochern ist alles einfach – nur drei entscheidende Parameter: Kapazität, Leistung und Design. Darüber hinaus sind alle drei einfach und im Alltag verständlich. Letzteres lässt sich optisch beurteilen; das Fassungsvermögen verrät Ihnen, wie viel Tee Sie in einem Arbeitsgang zubereiten können, und die Leistung verrät Ihnen, wie lange es dauert. Bei Computern sind die Dinge noch komplizierter, zum Glück ist ihre Funktionalität höher. Produktivität ist also nichts streng Definiertes, sondern wird durch die zu lösenden Aufgaben bestimmt. Die ideale Gaming-Station ist es vielleicht nicht beste Wahl für die Videobearbeitung und guter Computer denn die Videoverarbeitung ist für „Büroaufgaben“ usw. überflüssig. Daher ist es oft notwendig, nicht Computer als Ganzes, sondern ihre Komponenten zu bewerten. Deshalb müssen Sie zumindest wissen, welche es sind;) Noch besser ist es, wenn die Funktionsprinzipien bekannt sind – so können Sie Geschwindigkeitsparameter (und nicht nur Geschwindigkeitsparameter) schnell, wenn auch grob, bewerten. Dies gilt beispielsweise für Festplatten: Wer sich mit deren Design auskennt, wundert sich nicht, dass Laptop-Modelle langsamer und kapazitätsärmer sind als Desktop-Modelle.

Im Allgemeinen ist es manchmal immer noch nützlich, den Aufbau eines Computers und die Funktionsprinzipien seiner Komponenten zu kennen. Leider die Menge ähnliche Informationen in der Öffentlichkeit ist in den letzten Jahren zurückgegangen – vor etwa 20 Jahren enthielt jeder „Einsteigerratgeber“ Beschreibungen, wie das alles funktioniert und funktioniert, aber heute glauben Autoren meist, dass eine Person dies entweder bereits weiß oder sich nicht dafür interessiert. Woher soll das Grundwissen kommen? Die Frage bleibt offen. Deshalb werden wir versuchen, sie zu beantworten. Zumindest in Bezug auf solche wichtige Geräte, wie Festplattenlaufwerke. Deshalb machen wir Sie heute auf einen Artikel aus der Reihe „Wie funktioniert es?“ aufmerksam, in dem jeder erfahren kann, wie Festplatten aus physikalischer Sicht aufgebaut sind und wie sich dies auf ihre Leistung auswirkt. Da der Artikel für Anfänger gedacht ist, sollten Sie später keine wütenden Briefe darüber schreiben, dass die Informationen oberflächlich präsentiert werden und einige subtile Nuancen nicht berücksichtigt werden – wir werden versuchen, sie im Laufe der Zeit herauszufinden, aber lassen Sie uns zunächst einmal darüber nachdenken Gehen Sie zum Fundament.

HDD aus mechanischer Sicht

So schwerfällig und schwerfällig der Klerikalismus der 70er-Jahre auch sein mag, sie sind oft klarer und zutreffender als einfachere entlehnte Begriffe. Tatsächlich: Wie viele Informationen enthält das Wort „Festplatte“? Nahezu Null – die Mehrheit der modernen Benutzer weiß nicht einmal, warum Festplatten dieser Name zugewiesen wurde. Aber wenn Sie „HDD“ schreiben, können Sie durch einfaches Entschlüsseln der Abkürzung sofort an vieles denken. Unsere heutigen Helden sind also Festplattenlaufwerke.

Mit dem ersten Wort ist alles klar: Der Begriff „Laufwerk“ bezieht sich auf fast alle Informationsspeichergeräte, wenn sie autark sind, oder dieser Begriff bezieht sich auf ein Laufwerk (für Wechselmedien). Zur ersten Kategorie gehören Festplatten und USB-Sticks – sie umfassen sowohl das Speichermedium als auch die gesamte Logik für die Arbeit damit, anders als beispielsweise optische Datenträger Odds oder Kartenleser, bei denen das Medium herausnehmbar ist, und das ist seine grundlegende Eigenschaft. Mit dem zweiten Wort scheint alles klar zu sein: Es gibt auch Diskettenlaufwerke – im Volksmund das gleiche Laufwerk, das mittlerweile eine Seltenheit geworden ist, aber vor 20-30 Jahren sehr wichtig war, und sogar (bei Personalcomputern) das nur Speichergerätedaten. Einige Prinzipien der Datenspeicherung auf Diskette und Festplatten sind gleich, es gibt jedoch auch grundlegende Unterschiede zwischen den entsprechenden Geräten, weshalb es früher notwendig war, zwischen diesen Laufwerken strikt zu unterscheiden.

Nun zu den Festplatten. Diese Form des Informationsträgers ist kein Zufall – eine runde Scheibe ist eine Rotationsfigur. Darüber hinaus stelle ich erneut fest, dass Festplatten nicht die einzig mögliche Option sind: Früher wurden auch Magnettrommelantriebe aktiv eingesetzt. Aber wir haben noch nie Antriebe gesehen, die auf „magnetischen Quadraten“ oder Dreiecken basieren (obwohl an ihnen bereits gearbeitet wird, aber ihr Funktionsprinzip völlig anders ist als bei herkömmlichen Antrieben) :) Wir werden etwas später darüber sprechen, warum das so ist. Denken wir vorerst für die Zukunft daran, dass das Arbeitsmedium in Festplatten Festplatten sind. Meist nicht einmal einer, sondern mehrere, auf einer Achse montiert und formend Festplattenpaket.

Daraus ergeben sich unmittelbar mehrere untergeordnete physikalische Parameter des Antriebs: der Durchmesser der Scheiben, ihre Anzahl und die Winkeldrehgeschwindigkeit. Die ersten beiden werden von oben durch die Anforderungen des Laufwerksformfaktors begrenzt, und die dritte ist stark an diese gebunden. Es geht um das Vorhandensein von Reibungskräften, die nicht vollständig beseitigt werden können. Je mehr Scheiben sich im Paket befinden und/oder je größer ihr Durchmesser, desto schwerer ist das Paket, d. h. (bei einer festen Drehzahl) desto mehr Leistung muss der Elektromotor haben, der diesen gesamten Aufbau in den Betriebszustand „beschleunigt“. und hält es darin aufrecht. Dies ist die erste Einschränkung, und zwar eine ziemlich gravierende: Die Energiemenge ist oft recht streng begrenzt. Der zweite Faktor besteht darin, dass die Komplexität der Herstellung einer Struktur aus schnell rotierenden Scheiben mit großem Durchmesser exponentiell zunimmt, wenn der Durchmesser und die Anzahl der Scheiben zunehmen. Tatsache ist, dass Festplatten in der realen Welt nicht perfekt dünn und glatt sind, sodass Sie mit verschiedenen störenden Nebenwirkungen rechnen müssen, die mit der Rotation einhergehen. Wie beispielsweise das Schlagen der Kanten in der vertikalen Ebene, desto größer ist der Durchmesser der Scheibe. Natürlich ist es durch die Verbesserung der technischen Verfahren zur Plattenherstellung möglich, die Auswirkungen dieser Faktoren zu reduzieren, aber das geschieht recht langsam.

Magnetische Schicht

Kehren wir zur Abkürzung zurück und erinnern uns daran, dass es sich hier nicht um irgendwelche rotierenden abstrakten Scheiben handelt, sondern um Magnetscheiben, das heißt, sie haben eine Beschichtung mit bestimmten magnetischen Eigenschaften. Dadurch können Datenträger Informationen speichern. Auf der ersten Abstraktionsebene können wir davon ausgehen, dass jeder mikroskopische Bereich eines bestimmten Bereichs (mehr dazu später) genau ein Datenbit speichert. Dementsprechend kann es gelesen oder geschrieben werden.

Auch die magnetische Beschichtung hat ihre eigenen Eigenschaften. Dies ist zum einen der Anwendungsbereich, der etwas kleiner ist als die gesamte Festplatte. Die Verwendung von randnahen Bereichen ist aufgrund der Besonderheiten der Fertigungstechnologie meist mit Konsequenzen verbunden – ein einwandfreies Auftragen der Beschichtung ist in diesen Bereichen nicht möglich. Das Gleiche gilt auch für das Zentrum. Dementsprechend ist der gesamte Arbeitsbereich zwischen zwei Zahlen eingeschlossen – dem minimalen und dem maximalen Radius, von denen die erste streng größer als Null und die zweite streng kleiner als der Radius der Scheibe selbst ist. Und zweitens der wichtigste Parameter ist die Aufzeichnungsdichte, d. h. der Kehrwert der Fläche, die zum Speichern einer Informationseinheit erforderlich ist. In der Praxis wird dieser Wert nicht oft verwendet, da mit den Werten der Längs- und Queraufzeichnungsdichten gearbeitet wird, was mit der Mechanik des Antriebs selbst zusammenhängt. Lassen Sie uns dieses Problem genauer untersuchen.

Köpfe, Spuren, Sektoren

Trotz der Tatsache, dass fast die gesamte Oberfläche der Festplatte zum Speichern von Informationen verwendet wird, können wir jederzeit nur mit einem kleinen Teil davon arbeiten (sonst wäre es nicht nötig, den Garten mit Rotation einzuzäunen). Zum Lesen oder Schreiben von Daten wird ein Magnetkopf verwendet (einer für jede verwendete Seite der Datenträger im Paket), der in geringer Höhe über der Oberfläche der Datenträger fliegt. Dementsprechend verläuft bei einer Umdrehung der Platte eine gesamte konzentrische Spur darunter, und um auf angrenzende Bereiche zuzugreifen, muss der Kopf in die Mitte oder in die entgegengesetzte Richtung bewegt werden. Die Menge aller Gleise, die sich in gleichen Abständen vom Mittelpunkt befinden verschiedene Antriebe wird übrigens Zylinder genannt. Jede Spur hat eine Breite ungleich Null, so dass eine endliche Anzahl davon auf die Festplatte passen kann. Wie viele? Hängt von der Breite der Arbeitsschicht (die wiederum hauptsächlich vom Durchmesser der Platte bestimmt wird) und von der lateralen Aufzeichnungsdichte ab. Nun, oder umgekehrt: Die seitliche Aufzeichnungsdichte ist ein Indikator dafür, wie viele Spuren wir auf dem aktuellen Stand der Platten- und Kopfproduktionstechnologie in einem Zoll unterbringen können. In der Regel ist der zweite Faktor entscheidend: Ein starker Anstieg der Querdichte ist mit der Einführung neuer Technologien zur Herstellung von Magnetköpfen verbunden, die den Betrieb mit Spuren kleinerer Breite ermöglichen. Das kommt leider recht selten vor, erhöht aber sofort die Kapazität der Festplatten deutlich.

Die Aufzeichnungsdichte in Längsrichtung gibt an, wie viele Informationsbits pro Zoll Umfang enthalten sein können, was einer Spur entspricht und als mathematische Abstraktion betrachtet wird. Diese Eigenschaft hängt auch vom Stand der Platten- und Kopfproduktionstechnologie ab, unterliegt jedoch weniger abrupten Änderungen, da sie bei gleicher Kopfproduktionstechnologie durch Verbesserung der Eigenschaften der Magnetbeschichtung (entweder Umstellung auf eine neue Technologie oder Verbesserung) erhöht werden kann das aktuelle). Obwohl die Längsdichte in Bits pro Zoll gemessen wird, funktionieren sie tatsächlich nicht mit einzelnen Bits auf Festplatten – der Wert ist zu klein. Und normalerweise auch mit Bytes. Es sei denn, bei sehr, sehr alten Computern war die Speicherkapazität so gering, dass der Prozessor nicht nur jedes Byte adressieren konnte Arbeitsspeicher, aber jedes Byte befand sich auf Magnettrommeln (Platten wurden damals noch nicht verwendet), daher war kein hierarchisches Speichersystem erforderlich – alles konnte als betriebsbereit angesehen werden.

Als jedoch die ersten Personalcomputer auf den Markt kamen, war die Kapazität der Festplatten bereits zu groß, um jedes Byte direkt anzusprechen, sodass sie schließlich zu Geräten mit sogenanntem Blockzugriff wurden: der minimalen Informationseinheit, die von oder gelesen werden kann Auf eine Festplatte geschrieben wird ein Block oder Sektor. Seine typische Größe für den IBM-PC und seine Nachfolger beträgt übrigens 512 Byte. Obwohl andere Werte zunächst akzeptabel waren, wurden sie nicht zum Standard, sodass die meisten Programme einfach nicht in der Lage sind, mit anderen Sektoren als der oben angegebenen Größe zu arbeiten. Einige Festplattenhersteller haben erst jetzt damit begonnen, achtfach vergrößerte Sektoren (jeweils 4 KB) zu verwenden, dieser Prozess befindet sich jedoch erst im Anfangsstadium.

Auf jeden Fall müssen eine ganze Reihe von Sektoren auf die Strecke passen. Darüber hinaus ist es äußerst wünschenswert, dass die Anzahl der Sektoren auf benachbarten Spuren gleich ist. Im Fall von Disketten oder den ersten Festplatten traf dies zu – man ging davon aus, dass alle Spuren die gleiche Anzahl an Sektoren enthielten. Die tatsächliche Aufzeichnungsdichte in Längsrichtung nahm also von den Außenbezirken zur Mitte hin sehr schnell zu, während gleichzeitig die Länge der Spuren abnahm. Darüber hinaus war sein maximaler Wert durch die Technologie begrenzt, so dass tatsächlich der größte Teil der Fläche der Außengleise irrational genutzt wurde. Obwohl es nur wenige Spuren gab (auf Disketten beispielsweise sind es 40 oder 80), konnte dies toleriert werden, aber mit zunehmender seitlicher Aufzeichnungsdichte wurden solche Verluste immer bedeutender. Eine Zeit lang konnte nichts dagegen unternommen werden, da die Systemsoftware für eine konstante Anzahl von Sektoren pro Spur ausgelegt war. Als sich jedoch die Festplattenschnittstellen verbesserten und der Großteil der Elektronik direkt auf das Laufwerk übertragen wurde, änderte sich die tatsächliche physikalische Struktur des Laufwerks vor Programmen verborgen.

Die Programme gingen weiterhin davon aus, dass die Anzahl der Sektoren pro Spur auf einer Festplatte ein konstanter Wert sei, in Wirklichkeit blieb sie jedoch nur innerhalb eines begrenzten Streifens von mehreren Dutzend Spuren gleich, es gab jedoch mehrere solcher Zonen. Natürlich geht bei dieser Methode ein gewisser Speicherplatzverlust einher, da die realen und technologischen Aufzeichnungsdichten auf den internen Spuren jeder Zone übereinstimmen müssen und auf den externen Spuren die erste schnell kleiner wird als die zweite, also dieser Teil Die Informationen, die physisch auf der Festplatte platziert werden könnten, sind einfach „passt nicht“. Allerdings sind diese Verluste deutlich geringer als bei nur einer Zone. Nun, was die Komplexität der Implementierung betrifft, ist diese Methode nur geringfügig komplizierter als die „Einzelzonen“-Methode und viel einfacher als der Ansatz, bei dem die Anzahl der Sektoren auf allen Spuren unterschiedlich wäre.

Wozu dient das alles im Allgemeinen? Darüber hinaus ist aufgrund der Blockorganisation des Festplattenspeichers aus Sicht von Betriebssystemen und anderer Software die theoretische Längsaufzeichnungsdichte (normalerweise für die gesamte Festplatte angegeben) in der Praxis nicht erreichbar. Genauer gesagt ist dies nur für mehrere Spuren erreichbar – interne in jeder Zone, und auf externen ist die tatsächliche Aufzeichnungsdichte geringer als die theoretische. Dank der Zoneneinteilung gibt es jedoch keine allzu großen Unterschiede, sodass wir für unsere Zwecke sowohl die Längs- als auch die Queraufzeichnungsdichte als konstante Eigenschaften der Festplatte betrachten können. Aber sehr schwach abhängig vom Hersteller – wie wir später sehen werden, ist es für alle Verbrauchereigenschaften des Laufwerks wünschenswert, dass die Aufzeichnungsdichte (in beide Richtungen) maximal ist. Aus diesem Grund wird die Aufzeichnungsdichte nur dann gespeichert, wenn es dem Hersteller gelingt, sie beim Wechsel der Antriebsstränge zu erhöhen. Und eine künstliche Senkung (im Vergleich zu dem, was technologisch möglich ist) ist einfach unrentabel. Sie unterschätzen also nicht.

Nachdem wir nun die Eigenschaften von Festplatten auf niedriger Ebene mehr oder weniger verstanden haben, gehen wir nun zu einer höheren Ebene über – zu den Parametern, die wir als Benutzer in der Praxis benötigen.

Kapazität

Beginnen wir mit dem einfachsten und für viele wichtigsten und fast einzigen Parameter. In der Tat: Bei der Auswahl einer Festplatte entscheiden sich die meisten zunächst für deren Kapazität und beginnen dann (falls gewünscht) mit der Auswahl eines bestimmten Modells aus mehreren Modellen mit gleichem Volumen. Darüber hinaus ist es praktisch, mit diesem Parameter zu beginnen, da er recht einfach ist :)

Wie groß ist tatsächlich die Kapazität der Festplatte? Die Anzahl der Festplatten (genauer gesagt der Arbeitsflächen – nicht jedes Laufwerk hat aufgrund von Einschränkungen bei der Höhe des Laufwerks beidseitige Nutzung, aber das ist uns jetzt nicht ganz wichtig), multipliziert mit der Kapazität jedes einzelnen Laufwerks. Und die Kapazität einer Arbeitsfläche (einer Seite der Festplatte) entspricht ihrer Fläche multipliziert mit der Aufzeichnungsdichte. Die Fläche eines Kreises (wir erinnern uns wieder daran, dass es sich eher um einen Ring handelt, da die Innen- und Außenflächen nicht verwendet werden, ihre Größen jedoch normalerweise konstant sind, sodass wir das Bild der Klarheit halber vereinfachen können) ist proportional zu das Quadrat seines Durchmessers. Indem wir also den Durchmesser der Festplatten und ihre Anzahl in der Verpackung erhöhen und gleichzeitig die Aufzeichnungsdichte beibehalten, erhöhen wir sehr schnell die Kapazität des Laufwerks, und der Durchmesser ist wichtiger: Die Anzahl der Festplatten führt nur zu einer linearen Erhöhung der Kapazität. während der Durchmesser quadratisch ist. Und bei gleicher Anzahl und gleichem Durchmesser der Scheiben wird ein ähnlicher Effekt durch eine Erhöhung der Aufzeichnungsdichte erzielt. Im Allgemeinen, um die maximale Kapazität zu erreichen Sie müssen alles außer der Rotationsgeschwindigkeit erhöhen- Sie hat nicht den geringsten Einfluss.

Energieverbrauch

Warum stellen wir diese Eigenschaft an zweiter Stelle – vor der Produktivität? Der Trend liegt jetzt im Bereich Energieeffizienz. Erstens. Zweitens, dafür jetzt und Laptop-Computer, die in Bezug auf die Verkaufsmengen bereits stationäre Modelle überholt haben, und da ist Energiesparen keine Laune, sondern ein dringendes Bedürfnis – viele sind bereit für eine zusätzliche Stunde Batterielebensdauer die Hälfte der Produktivität opfern.

Was beeinflusst also den Energieverbrauch? Offensichtlich hat die Aufnahmedichte keinen Einfluss darauf. Aber alle mechanischen Eigenschaften der Scheiben wirken sich negativ aus. Tatsächlich ist die Reibungskraft umso höher, je höher die Drehzahl ist. Daher sind Scheiben mit niedriger Drehzahl immer wirtschaftlicher als Scheiben mit hoher Drehzahl. Zudem ist bei gleicher Drehzahl das Lamellenpaket umso schwerer, je stärker der Elektromotor benötigt wird. Und letzteres ist (unter sonst gleichen Bedingungen) umso schwerer, je mehr Scheiben es enthält und je größer ihr Durchmesser ist. Somit für maximale Energieeinsparung Es ist notwendig, den Durchmesser der Scheiben, ihre Anzahl und ihre Rotationsgeschwindigkeit zu reduzieren.

Beachten Sie, dass es sich hier sozusagen um eine umfassende (also rein quantitative) Methode zur Energieeinsparung handelt. Darüber hinaus gibt es auch eine intensive Technologieentwicklung. Wenn wir zum Beispiel ein neues Material für die Herstellung von Scheiben entwickeln, das diese leichter macht, dann sinkt bei gleichem Durchmesser und gleicher Scheibenanzahl die Masse des gesamten Pakets und damit die Reibungskraft und die verbrauchte Leistung Überwinde es. Ein ähnlicher Effekt kann durch den Einsatz verbesserter Lager im Scheibenaufhängungssystem erzielt werden. Verbesserungen in der Magnetkopftechnologie ermöglichen es ihnen, mit kleineren Magnetisierungsbereichen und geringeren Strömen zu arbeiten, was sich auch positiv auf den Energieverbrauch auswirkt. Generell gibt es viele sicherlich sinnvolle Möglichkeiten zur Bekämpfung eines übermäßigen Energieverbrauchs, die von allen Herstellern genutzt werden. Doch sehr oft kommt es vor, dass alle technischen Tricks bereits angewendet wurden, die erzielten Einsparungen aber noch nicht ausreichen. In diesem Fall bleibt uns nichts anderes übrig, als auf umfangreiche Methoden zurückzugreifen.

Sequentielle Betriebsgeschwindigkeit

Und jetzt kommen wir endlich zur Leistung. Beginnen wir mit linearen Vorgängen. Glücklicherweise betrachten viele immer noch die Geschwindigkeit des Dateikopierens als Maß für die Festplattenleistung. Im Allgemeinen ist dies jedoch absolut falsch... wenn die Haupt- und einzige Aufgabe des Laufwerks darin besteht, als Speicher für eine Videobibliothek zu dienen, dann sind sequentielle Vorgänge tatsächlich am wichtigsten: Wir arbeiten mit großen Dateien und wir lesen oder schreiben sie ausschließlich der Reihe nach von Anfang bis Ende.

Wie berechnet man die maximale Geschwindigkeit linearer Operationen? Es ist ganz einfach: Je höher die Anzahl der Informationsbits, die pro Zeiteinheit am Magnetkopf vorbeilaufen, desto höher ist sie. Dementsprechend ist eine gleichbleibende Aufzeichnungsdichte sehr wichtig – je höher sie ist, desto höher ist die Geschwindigkeit. Die zweite Komponente in dieser Arbeit ist die übliche „physikalische“ Bewegungsgeschwindigkeit der Platte relativ zum Kopf, die für jede Spur unterschiedlich ist, da bei einer konstanten Winkelgeschwindigkeit der Drehung der Platte die lineare Geschwindigkeit vom Radius der Spur abhängt . Aus diesem Grund tritt ein so merkwürdiger Effekt auf, dass auf externen Spuren die Geschwindigkeit des sequentiellen Lesens und Schreibens viel höher ist als auf internen. Dadurch gelingt es serienmäßig hergestellten Scheiben oft, ihre leistungsstarken Gegenstücke der gleichen Generation mit höheren Rotationsgeschwindigkeiten auf den Außenspuren zu übertreffen. Aber Festplatten verschiedener Generationen haben selbst bei gleichen physikalischen Parametern fast immer unterschiedliche Geschwindigkeiten für die Durchführung sequentieller Vorgänge – die Aufzeichnungsdichte variiert erheblich.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Hersteller die lineare Lese- und Schreibgeschwindigkeit erhöhen möchten Es ist notwendig, die Aufzeichnungsdichte, die Rotationsgeschwindigkeit und den Durchmesser der Platte zu erhöhen(Letzteres wirkt sich in keiner Weise auf die internen Spuren aus, erhöht jedoch die Geschwindigkeit auf den externen und erhöht sie dementsprechend im Durchschnitt).

Geschwindigkeit zufälliger Operationen

Bei Vorgängen mit wahlfreiem Zugriff auf Festplatten, die heute (aufgrund des Multitasking moderner Betriebssysteme) relevanter sind, ist alles viel komplizierter als bei der „einfachen“ Logik linearer. Lassen Sie uns zunächst herausfinden, was genau die physikalische Bedeutung der Informationszugriffszeit ist, die die Geschwindigkeit zufälliger Operationen bestimmt.

Wir benötigen also einen bestimmten Datenblock (wir erinnern uns, dass es sich um die kleinste Einheit handelt). Wir können es nicht einfach nehmen und holen (was bei auf Flash-Speicher basierenden Medien problemlos möglich ist – dort wird basierend auf der Blocknummer sofort das gewünschte ausgegeben, wo immer es sich befindet, was diesen Laufwerken eine hervorragende Zugriffszeit bietet , zumindest für Lesevorgänge) - Zuerst müssen Sie den Kopf auf die gewünschte Spur bewegen und dann warten, bis der gewünschte Sektor darunter vorbeiläuft. Die Summe der Ausführungszeit dieser Vorgänge ergibt die Zugriffszeit.

Bei der ersten Komponente ist alles ganz einfach: Die Zeit, die benötigt wird, um die gewünschte Spur zu „treffen“, ist direkt proportional zum Durchmesser der Platte. Früher wurde es auch durch die seitliche Aufzeichnungsdichte „verdorben“, da Schrittmotoren verwendet wurden, die den Kopf in einem Arbeitsgang nur um eine Spur bewegen konnten, aber diese Zeiten sind lange vorbei. Jetzt nur noch der Durchmesser, und selbst dann indirekt: bestimmte Zeit Es ist wirklich erforderlich, den Kopf zu bewegen, und im schlimmsten Fall muss er über den gesamten Radius „gefahren“ werden. Allerdings ist es nicht sehr wichtig, wie viele Spuren sich auf der Platte befinden: Die internen Schaltkreise bestimmen anhand der Spurnummer die ungefähre physische Position und bewegen den Kopf dorthin, wo es nötig ist (zumindest versuchen sie es), sodass er nach dem ersten Positionierungsvorgang funktioniert An der Auswahl der richtigen Titel sind nicht mehr als ein Dutzend beteiligt, unabhängig von ihrer Gesamtzahl auf der CD.

Okay, wir haben den richtigen Weg gefunden, jetzt müssen wir nur noch auf den richtigen Sektor warten. Wann? Es ist schwer zu erraten – im besten Fall erhalten wir den benötigten Datenblock sofort nach der Positionierung; im schlimmsten Fall müssen wir eine ganze Festplattenumdrehung darauf warten (wenn er nur „durchgerutscht“ ist). Nach den Gesetzen der Statistik folgt daraus, dass wir im Durchschnitt eine halbe Festplattenumdrehung benötigen, um auf die erforderlichen Daten zu warten. Daraus folgt unweigerlich, dass die Wartezeit umso kürzer ist, je höher die Rotationsgeschwindigkeit der Festplatte ist.

Sobald sich der Sektor an der richtigen Stelle befindet, muss er gelesen oder geschrieben werden. Theoretisch wirken sich also alle Faktoren, die für sequentielle Operationen wichtig sind, auch auf die volle Geschwindigkeit zufälliger Operationen aus. Tatsächlich können sie jedoch völlig vernachlässigt werden – die Datenblöcke sind so klein, dass das physische Lesen viel weniger Zeit in Anspruch nimmt als das Positionieren des Kopfes und das Warten. Um die minimale Datenzugriffszeit (und damit maximale Leistung bei zufälligen Operationen) zu erhalten, Es ist notwendig, den Durchmesser der Scheibe zu verringern und ihre Rotationsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Einige praktische Beispiele

Es ist leicht zu erkennen, dass alle Anforderungen an die physikalischen Parameter von Festplatten sehr widersprüchlich sind. Um beispielsweise die Geschwindigkeit sequentieller Vorgänge zu erhöhen, muss der Festplattendurchmesser erhöht werden. Für ein besseres Verhalten bei zufälligen Anforderungen ist dies jedoch erforderlich genau das Gegenteil. Deshalb müssen Konstrukteure immer wieder Kompromisse eingehen und Antriebe für verschiedene Marktsegmente sind völlig unterschiedlich. Mal sehen, welche. Zur besseren Fixierung des Materials :)

Massenserien-Discs

Gefordert: Hohe Kapazität bei geringen Kosten.

Wünschenswert: hohe Leistung bei linearen und zufälligen Operationen.

Unerwünscht: hoher Stromverbrauch.

Die Kombination dieser Anforderungen macht es schnell verständlich, warum alle in Massenproduktion hergestellten Datenträger verschiedener Hersteller gleich sind. Um maximale Kapazität und hohe Leistung bei sequentiellen Vorgängen zu erzielen, ist es tatsächlich notwendig, den Durchmesser der Festplatten zu vergrößern. In dieser Klasse ist er also immer maximal und wird nicht durch Technologiemerkmale, sondern durch Faktoren Dritter reguliert. Beispielsweise betrug der typische Plattentellerdurchmesser für massenproduzierte Festplatten viele Jahre lang (und auch heute noch) 3,5 Zoll, doch die zunehmende Beliebtheit von Laptops könnte zu einem deutlichen Anstieg des Anteils von 2,5-Zoll-Festplatten und damit zu einer Neuausrichtung der Branche führen ihnen gegenüber und dem „Absterben“ größerer Festplatten (wie es seinerzeit bei 5,25″-Modellen der Fall war). Zwar wehren sich die Hersteller mit aller Kraft dagegen, doch nicht umsonst versuchen sie teilweise sogar mit unterschiedlichem Erfolg gegen den Strom zu schwimmen. Es genügt, an die Quantum Bigfoot-Serie zu erinnern: Fünf-Zoll-Festplatten, deren Produktion bereits zu der Zeit begann, als die kleineren Formfaktoren völlig dominierten. Na und? Der große Durchmesser der Platten sorgte dafür, dass sie selbst mit einer Scheibe über eine ausreichende Kapazität verfügten (was die Mechanik erheblich vereinfachte und die Kosten senkte) und eine gute Geschwindigkeit bei der Durchführung aufeinanderfolgender Vorgänge auch bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten ermöglichte. Alles wurde nur durch langsame Zufallsoperationen ruiniert, wodurch die Festplatten für den Einsatz in einem Computer im Singular schlecht geeignet waren. Im Allgemeinen waren sie ihrer Zeit voraus – jetzt, in Zeiten der Massennutzung von Videobibliotheken auf Festplatten, würden viele ein Fünf-Zoll-Monster von etwa 10 Terabyte (was mit dem aktuellen Stand der Technik durchaus erreichbar ist) nicht ablehnen für solche Modelle), das nur zum Speichern und Abspielen von Multimediadateien verwendet wird (d. h. es wird entweder das zweite im Computer sein oder sogar die Basis für ein stationäres VZD bilden).

Warum erhöhen die Hersteller nicht die Anzahl der Festplatten in diesen Modellen? Tatsächlich steigern sie die Zahl: War es vor ein paar Jahren üblich, nur zwei Platten zu verwenden, so sind mittlerweile drei oder vier bei älteren Modellen der Produktlinien der De-facto-Standard. Allerdings ist es nicht möglich, einen solchen Prozess zu stark zu beschleunigen, da erstens die äußeren Abmessungen begrenzt sind und zweitens Multi-Disk-Festplatten den Einsatz einer komplexeren (und teureren!) Mechanik erfordern. Aus den gleichen Gründen steigt die Geschwindigkeit solcher Laufwerke mit der Zeit sehr langsam an: Sie sind teuer in der Herstellung und nicht sehr notwendig (die Kapazität wird dadurch nicht beeinträchtigt, und es ist besser, die Geschwindigkeit sequentieller Vorgänge mithilfe der Aufzeichnungsdichte zu erhöhen). Im Allgemeinen ist aus all diesen Gründen heute die Standardoption für Massenfestplatten wie folgt geworden: Platten mit einem Durchmesser von 3,5 Zoll, insgesamt bis zu vier (bei einigen Modellen desselben Herstellers fünf), rotierend mit a Drehzahl von 7200 U/min.

Hochgeschwindigkeitsantriebe

Erforderlich: hohe Geschwindigkeit zufälliger Operationen.

Wünschenswert: hohe Leistung bei linearen Mustern.

Versuchen wir, eine Klasse höher zu steigen – auf die Ebene der Laufwerke für Workstations und Server. Eine sehr hohe Kapazität einer separaten Festplatte ist hier nicht erforderlich – sie werden weiterhin als Teil von Arrays verwendet. Und von den beiden Leistungsarten sind Random-Access-Modelle deutlich wichtiger. Aus diesem Grund bieten Hersteller solcher Modelle fast immer Hochgeschwindigkeitsmodelle (Drehzahl 10–15.000 U/min) auf Platten mit reduziertem Durchmesser (2,5–2,8 Zoll) auf dem Markt an. Wie wir oben bereits geschrieben haben, führt dies dazu, dass sie hinsichtlich der Geschwindigkeit der Durchführung sequentieller Vorgänge nicht viel besser sind als Vertreter von Massenserien und auch hinsichtlich der Kapazität sehr weit dahinter liegen: Die Platten sind es klein und es gibt weniger davon (andernfalls steigt die Komplexität der Antriebsherstellung und deren Energieverbrauch zu sehr). Gleichzeitig sind die Geschwindigkeitsindikatoren jedoch auch bei sequentiellen Mustern „einheitlicher“, da die Geschwindigkeit auf internen Spuren höher ist und die Leistung bei zufälligen Operationen natürlich deutlich höher ist als bei allen anderen Hard-Familien fährt.

Energieeffiziente Festplatten

Gefordert: Hohe Kapazität bei geringen Kosten und Stromverbrauch.

In letzter Zeit hat sich die Richtung „umweltfreundlicher Festplatten“ rasant weiterentwickelt. Dies liegt vor allem daran, dass die Produktivität in vielen Bereichen nicht so wichtig ist. Insbesondere für Nicht-Computer-Anwendungen – beispielsweise in einem Haushalts-Tonbandgerät – ist jede Geschwindigkeit zu hoch, da selbst ein HD-Stream in mehreren zehn Megabit gemessen wird und selbst die ältesten Festplatten im sequentiellen Betrieb (es wird kein Zufall sein). in einem solchen Gerät) sind in der Lage, mehrere zehn Megabyte pro Sekunde zu übertragen. Außen hart Bis vor kurzem waren Laufwerke durch die Leistung der gängigsten USB-2.0-Schnittstelle begrenzt, sodass die Festplatte selbst auch hier keine hohe Geschwindigkeit benötigt. Und es ist überhaupt nicht notwendig, in einem Computer Festplatten mit der gleichen Geschwindigkeit zu verwenden – wenn mehrere Festplatten vorhanden sind, können einige von ihnen, die hauptsächlich zum Speichern großer Datenmengen verwendet werden, langsamer sein als die „Haupt“-Festplatte auf dem das Betriebssystem und die Anwendungsprogramme installiert sind. Wenn die Geschwindigkeit jedoch keine Rolle spielt, rücken Parameter wie Stromverbrauch und Geräuschpegel in den Vordergrund, und Sie können diese bei gleichbleibender Kapazität reduzieren, indem Sie einfach die Drehzahl reduzieren. Darüber hinaus kann man nicht sagen, dass die Leistung dieser Modelle so schlecht ist – die Aufnahmedichte nimmt ständig zu (ohne diese wird es nicht möglich sein, die Lautstärke zu erhöhen), daher ist die Geschwindigkeit linearer Operationen normalerweise etwas geringer als die der Masse -produzierte Modelle der gleichen Generation, jedoch höher als bei älteren Geräten (die Gründe dafür werden oben erläutert). Im Allgemeinen umfasst diese Klasse jetzt Festplatten mit 3,5-Zoll-Platten, jedoch mit einer geringeren Rotationsgeschwindigkeit als typische Laufwerke (7200 U/min). Wie viel niedriger? Hängt von den Modellen ab. Typischerweise zwischen 5.000 und 5.900 U/min, obwohl es uns nicht wundern würde, wenn die Drehzahl nach einiger Zeit weiter absinkt.

Mobile Festplatten

Gefordert: kompakt, geringer Stromverbrauch.

Wünschenswert: hohe Kapazität.

Manchmal erweist sich der Verbrauch von Laufwerken selbst der Vorgängerklasse als zu hoch und in manchen Bereichen ist ihr Einsatz schlichtweg unmöglich – zum Beispiel passt eine Festplatte auf 3,5-Zoll-Platten in die meisten Laptops einfach nicht. Die Lösung liegt auf der Hand: Sie müssen den Durchmesser der Platten reduzieren. Normalerweise sind es 2,5 Zoll, es kann aber auch weniger sein. Diese Modelle unterscheiden sich von Hochgeschwindigkeitsantrieben durch ihre niedrige Drehzahl – maximal 7200 U/min, häufiger 5400 oder sogar 4200 U/min. Dies ist nicht nur auf Effizienzanforderungen zurückzuführen, sondern auch auf die Tatsache, dass eine größtmögliche Kapazität angestrebt wird. Auf diese Weise wird der Plattentellerbereich vollständiger genutzt als bei Hochleistungsmodellen, einschließlich der „unbequemen“ internen und am weitesten von den Mittelgleisen entfernt. Solche Festplatten arbeiten jedoch aus einem anderen Grund langsam: Sie müssen eine kompaktere (und daher leistungsschwächere) Magnetkopfmechanik verwenden. All dies führt dazu, dass selbst die schnellsten Laptop-Modelle nicht nur langsamer sind als massenproduzierte, sondern auch energieeffiziente Desktop-Festplatten. Auch bei höherer Rotationsgeschwindigkeit und trotz kleinerer Platten müssen die Köpfe kürzer bewegt werden, bewegen sich aber auch langsamer. Daher ist eine mobile Festplatte der Spitzenklasse immer schneller als die preisgünstigste „umweltfreundliche“ Festplatte. Und auch bei der Kapazität wird es gegenüber der Masse verlieren – aufgrund strenger Beschränkungen des Energieverbrauchs müssen Scheiben mit höheren Drehzahlen weniger Platten verwenden. Aber in beiden Fällen ist derselbe Stromverbrauch für eine weniger tragbare Festplattenklasse einfach unerreichbar.

Gesamt

Im Allgemeinen ist, wie wir sehen, alles ganz einfach und leicht zu erklären. Gewiss, besonders aufmerksamen Lesern wird wahrscheinlich schon eine Frage auf der Zunge liegen: Warum unterscheiden sich dann Laufwerke verschiedener Hersteller (und sogar verschiedener Familien desselben Herstellers) selbst bei annähernd gleichen Low-Level-Eigenschaften oft stark in der Leistung? ? Die einfachste Antwort, die aber eigentlich nichts erklärt, ist, dass sie über eine unterschiedliche Elektronik verfügen. Was sind die Unterschiede und wie wirken sie sich auf die Leistung und andere Eigenschaften aus? All dies wird Thema der folgenden Artikel sein.

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Bundesamt für Bildung

Staatliche Bildungseinrichtung für höhere Berufsbildung

„Staatliche Technische Universität Twer“

(GOUVPO „TSTU“)

Kursarbeit

gemäß dem Schnittstellenkurs Peripheriegeräte

A.G. Nikiforow

Spezialität 230101 VMCSS

• Einführung
• 1. Festplatte.
• 4. Festplatten-Controller
• 6. Festplattenbetrieb
• 7. Trends in der Entwicklung magnetischer Speichergeräte
• Abschluss

Einführung

Die meisten digitalen Informationen werden auf Computerfestplatten gespeichert. Dieses Gerät ist recht komplex, da es einen eigenen Prozessor-Controller, Speicher, mechanische Steuerkreise und E/A enthält. Festplattenlaufwerke haben einen langen Weg von sperrigen Einheiten zu Miniaturgeräten zurückgelegt. Die Anzahl der auf Medien platzierten Informationen bzw. deren Kapazität hat zugenommen. Bei den gängigsten Consumer-Laufwerken liegt sie bei einem Terabyte.

Das allererste Festplattenlaufwerk wurde Anfang der 70er Jahre von IBM entwickelt. Diese 14-Zoll-Festplatte speicherte auf jeder Seite 30 MB an Informationen, was sich in der Bezeichnung „Festplatte“ widerspiegelt. Die Scheibenkapazität von 30/30 erinnert an den Namen der berühmten Winchester-Schrotflinte. Dieses Laufwerk wird in manchen Rechenzentren noch heute als Teetisch verwendet. Die erste serielle Festplatte – 3340 – wurde 1973 von IBM entwickelt. Es hatte eine Kapazität von 140 MB und kostete 8.600 US-Dollar. Diese Festplatten waren für den Einsatz auf großen Großrechnern gedacht. 15 Jahre später passte IBM Festplatten für den Einsatz in Personalcomputern an, das Grundkonzept und die Funktionsweise blieben jedoch dieselben wie bei der ersten 30/30-Festplatte.

Hartmagnetische Festplatten sind Direktzugriffsgeräte – Informationen sind von jedem Teil der Festplatte fast sofort verfügbar. Im Gegensatz zum RAM dienen sie der dauerhaften Speicherung von Informationen.

Der Zweck davon Kursarbeit besteht darin, das Funktionsprinzip einer Festplatte, ihren Aufbau, ihre grundlegenden Eigenschaften und Möglichkeiten zur Verbesserung der Betriebsqualität von Geräten zu untersuchen.

Alle im Rahmen der Arbeiten gestellten Aufgaben wurden erfolgreich abgeschlossen.

1. UNDFestplatte. Prinzipien der magnetischen Aufzeichnung auf einer Festplatte

Festplattenlaufwerke vereinen die Medien, das Lese-/Schreibgerät und einen Schnittstellenteil, den sogenannten Festplattencontroller, in einem einzigen Paket. Ein typisches Design einer Festplatte ist ein einzelnes Gerät – eine Kammer, in der sich ein oder mehrere auf einer Spindel montierte Datenträger und ein Block von Lese-/Schreibköpfen mit ihrem gemeinsamen Antriebsmechanismus befinden (Abbildung 1). Neben der Medien- und Kopfkammer befinden sich Steuerkreise für die Köpfe, Platten und den Schnittstellenteil. Die Schnittstellenkarte des Geräts enthält die Schnittstelle des Festplattengeräts, und der Controller mit seiner Schnittstelle befindet sich auf dem Gerät selbst. Die Ansteuerschaltungen werden über einen Kabelsatz mit dem Schnittstellenadapter verbunden.

Abbildung 1. Festplattendesign

Informationen werden auf konzentrischen Spuren aufgezeichnet, die gleichmäßig über das Medium verteilt sind. Bei mehr als einer Platte, der Anzahl der Medien, werden alle untereinander liegenden Spuren als Zylinder bezeichnet. Auf allen Spuren des Zylinders werden nacheinander Lese-/Schreibvorgänge ausgeführt, anschließend bewegen sich die Köpfe in eine neue Position.

Die geschlossene Kammer schützt die Medien nicht nur vor dem Eindringen mechanischer Staubpartikel, sondern auch vor der Einwirkung elektromagnetischer Felder. Die Kammer ist nicht vollständig abgedichtet, weil... verbindet sich mit der umgebenden Atmosphäre über einen speziellen Filter, der den Druck innerhalb und außerhalb der Kammer ausgleicht. Die Luft im Inneren der Kammer ist möglichst staubfrei, denn Kleinste Partikel können zu Schäden an der magnetischen Beschichtung von Datenträgern und zu Daten- und Geräteleistungsverlusten führen.

Die Festplatten drehen sich ständig mit Medienrotationsgeschwindigkeiten von 4.500 bis 10.000 U/min, was für hohe Lese-/Schreibgeschwindigkeiten sorgt. Basierend auf dem Mediendurchmesser sind die am häufigsten hergestellten Datenträger 5,25, 3,14 und 2,3 Zoll.

Derzeit werden am häufigsten Schritt- und Linearmotoren für Positionierungsmechanismen und Kopfbewegungsmechanismen im Allgemeinen verwendet.

Bei Systemen mit Schrittmechanismus und Motor bewegen sich die Köpfe um einen bestimmten Betrag, der dem Abstand zwischen den Spuren entspricht. Die Diskretion der Schritte hängt entweder von den Eigenschaften des Schrittmotors ab oder wird durch Servomarkierungen auf der Platte eingestellt, die magnetischer oder optischer Natur sein können.

Bei Systemen mit Linearantrieb werden die Köpfe durch einen Elektromagneten bewegt, und zur Bestimmung der erforderlichen Position werden spezielle Servicesignale verwendet, die während der Produktion auf dem Medium aufgezeichnet und bei der Positionierung der Köpfe ausgelesen werden. Viele Geräte nutzen eine ganze Oberfläche und einen speziellen Kopf oder optischen Sensor für Servosignale.

Linearaktuatoren bewegen Köpfe viel schneller als Schrittaktuatoren und ermöglichen auch kleine radiale Bewegungen „innerhalb“ der Spur, wodurch die Mitte des Kreises der Servospur verfolgt werden kann. Dadurch wird die beste Kopfposition zum Lesen jeder Spur erreicht, was die Zuverlässigkeit der gelesenen Daten erheblich erhöht und zeitaufwändige Korrekturverfahren überflüssig macht. Grundsätzlich verfügen alle Linearantriebsgeräte über einen automatischen Mechanismus zum Parken der Schreib-/Leseköpfe, wenn das Gerät ausgeschaltet ist.

Prinzipien der magnetischen Aufzeichnung auf einer Festplatte

Das Prinzip der magnetischen Aufzeichnung elektrischer Signale auf einem bewegten magnetischen Medium basiert auf dem Phänomen der Restmagnetisierung magnetischer Materialien. Das Aufzeichnen und Speichern von Informationen auf einem magnetischen Medium erfolgt durch die Umwandlung elektrischer Signale in entsprechende Änderungen des Magnetfelds, deren Einfluss auf das magnetische Medium und das Bewahren von Spuren dieser Einflüsse im magnetischen Material dank des Restphänomens für lange Zeit Magnetismus. Die Wiedergabe elektrischer Signale erfolgt durch Rückwandlung. Ein magnetisches Aufzeichnungssystem besteht aus einem Aufzeichnungsmedium und damit interagierenden Magnetköpfen (Abbildung 2).

Abbildung 2. Das Prinzip des Aufzeichnens und Lesens von Informationen von magnetischen Medien

Bei der digitalen Magnetaufzeichnung wird dem Magnetkopf ein Strom zugeführt, wodurch das Aufzeichnungsfeld in bestimmten Abständen seine Richtung in die entgegengesetzte Richtung ändert. Dadurch kommt es unter dem Einfluss des Streufeldes des Magnetkopfes zu einer Magnetisierung bzw. Ummagnetisierung einzelner Abschnitte des bewegten magnetischen Mediums.

Wenn sich die Richtung des Aufzeichnungsfeldes in der Arbeitsschicht des Trägers periodisch ändert, entsteht eine Kette von Abschnitten mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung, die mit gleichen Polen in Kontakt kommen. Die betrachtete Art der Aufzeichnung, bei der Abschnitte der Arbeitsschicht des Trägers entlang seiner Bewegung ummagnetisiert werden, wird als Längsaufzeichnung bezeichnet (Abbildung 3).

Wechselnde Bereiche mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen, die in der magnetischen Beschichtung auftreten, sind magnetische Domänen (Bitzellen). Je kleiner die Zellengröße, desto höher ist die Informationsaufzeichnungsdichte. Mit abnehmender Zellgröße nimmt jedoch die gegenseitige Beeinflussung ihrer Entmagnetisierungsfelder zu, die entgegengesetzt zur Magnetisierung in den Zellen gerichtet ist, was bei einer Unterschreitung der Bitzelle unter einen kritischen Wert zu einer spontanen Entmagnetisierung führt.

Abbildung 3. Abfolge von Bereichen mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung

Zur magnetischen Aufzeichnung werden Medien in Form von Magnetplatten (Disks) verwendet. Die Wafer werden durch die Abscheidung mehrerer Metallfilme und einer Schutzschicht auf einem sehr flachen, fehlerfreien Glas- oder Aluminiumsubstrat hergestellt. Informationen werden in Form konzentrischer Kreise, sogenannter Spuren, platziert (Abbildung 4). Bei modernen Festplatten erreicht die Spurdichte 4,3 * 104 Spuren pro Zentimeter Waferradius.

Abbildung 4. Platzieren von Spuren auf der Plattenoberfläche

2. Struktur der Informationsspeicherung auf der Festplatte

Die kleinste Informationseinheit, mit der das Festplattenverwaltungssystem arbeitet, wird als Sektor bezeichnet. In überwältigender Zahl moderne Medien Der Sektor ist 512 Bytes groß. Das derzeit verwendete Sektoradressierungssystem heißt LBA (Logical Block Addressing). Für Festplatten mit geringer Kapazität oder aus Gründen der Abwärtskompatibilität mit älteren Geräten kann das CHS-Adressierungssystem verwendet werden. Die Abkürzung CHS steht für „Cylinder, Head, Sector“ – Zylinder, Kopf, Sektor. Aus dem Namen geht die Bedeutung dieser Art der Adressierung klar hervor, da sie an Teile des Festplattengeräts gebunden ist. Der Vorteil von LBA gegenüber CHS besteht darin, dass letzteres eine Begrenzung der maximalen Anzahl adressierbarer Sektoren hat, die quantitativ 8,4 Gigabyte entspricht; bei LBA gibt es diese Begrenzung nicht.

Erste harter Sektor Festplatte (oder besser gesagt Null) heißt MBR (Master Boot Record) oder Main Boot-Eintrag. Am Anfang dieses Sektors befindet sich Code, bei dem das grundlegende Eingabe-/Ausgabesystem des Computers beim Booten die Steuerung überträgt. Dieser Code übergibt anschließend die Kontrolle an den Betriebssystem-Loader. Auch im Sektor 0 befindet sich eine Partitionstabelle der Festplatte. Ein Abschnitt repräsentiert einen bestimmten Bereich von Sektoren. In die Tabelle wird ein Datensatz über die Partition mit der Nummer ihres Startsektors und ihrer Größe eingetragen. In der Partitionstabelle können insgesamt vier solcher Einträge vorhanden sein.

Die Partition, deren Eintrag sich in der Partitionstabelle des Sektors Null befindet, wird als primär bezeichnet. Aufgrund der oben genannten Einschränkungen können maximal vier solcher Partitionen auf einer Festplatte vorhanden sein. Einige Betriebssysteme werden nur auf primären Volumes installiert. Ist die Verwendung weiterer Partitionen erforderlich, wird ein Eintrag über die erweiterte Partition in die Tabelle eingetragen. Bei diesem Partitionstyp handelt es sich um einen Container, in dem logische Partitionen erstellt werden. Es kann eine unbegrenzte Anzahl logischer Volumes geben. In Windows-Betriebssystemen ist die Anzahl gleichzeitig verbundener Volumes jedoch durch die Anzahl der Buchstaben des lateinischen Alphabets begrenzt. Diese drei Partitionstypen werden von den meisten Betriebssystemen am weitesten unterstützt und sind am weitesten verbreitet. Tatsächlich sind dies die Arten von Partitionen, die zu Hause oder auf der Ebene von Client-Computern von Organisationen anzutreffen sind. Allerdings sind die Partitionstypen nicht auf diese drei Typen beschränkt. Es gibt eine große Anzahl spezialisierter Partitionen, die jedoch auch Primärvolumes als Container nutzen.

Eine Partition ist ein bestimmter Bereich auf einer Festplatte, in dem alle darin enthaltenen Informationen gespeichert werden, um eine Datenspeicherstruktur zu organisieren, die erstellt werden muss Dateisystem. Dieser Vorgang wird als Partitionsformatierung bezeichnet. Es gibt viele Arten von Dateisystemen; Windows-Betriebssysteme verwenden FAT/NTFS; Betriebssysteme, die auf dem Linux-Kernel basieren, verwenden Ext2/3FS, ReiserFS und Swap. Es gibt viele Dienstprogramme für den plattformübergreifenden Zugriff auf verschiedene Dateisysteme von Betriebssystemen, die diese zunächst nicht unterstützen. Mit Partition Manager 8.5 können Sie Inhalte anzeigen und Daten aus diesen Dateisystemen kopieren.

Einige Dateisysteme wie FAT/NTFS arbeiten mit größeren Datenstrukturen auf der Festplatte, sogenannten Clustern. Ein Cluster kann eine beliebige Anzahl von Sektoren umfassen. Die Manipulation der Clustergröße bringt zusätzliche Vorteile für die Dateisystemleistung oder den freien Speicherplatzverbrauch.

Physische Speicherung, Informationskodierungsmethoden

UND Informationen auf den Oberflächen des Laufwerks werden in Form einer Abfolge von Orten mit variabler Magnetisierung gespeichert und sorgen so für einen kontinuierlichen Datenfluss beim Lesen durch sequentielles Lesen. Alle Informationen und deren Speicherorte sind in Service- und Benutzerinformationen unterteilt. Dienst- und Benutzerinformationen werden in Gleisbereichen gespeichert, die als Sektoren bezeichnet werden. Jeder Sektor enthält einen Benutzerdatenbereich – einen Ort, an dem Sie Informationen schreiben können, die anschließend zum Lesen verfügbar sind, und einen Servodatenbereich, der einmal während der physischen Formatierung geschrieben wird und den Sektor und seine Parameter eindeutig identifiziert (unabhängig davon, ob er verwendet wird oder nicht). physische Adresse des Sektors, ECC-Code usw.). Alle Servoinformationen sind für normale Lese-/Schreibvorgänge nicht zugänglich und je nach Modell und Hersteller des Antriebs völlig einzigartig.

Im Gegensatz zu Disketten und alten Festplatten werden die Festplatten moderner Laufwerke auf einem speziellen hochpräzisen technologischen Stand im Werk einer primären oder Low-Level-Markierung (Low-Level-Formatierung) unterzogen. Dabei werden Servicemarken – Servoinformationen – auf die Platten geschrieben und die üblichen Spuren und Sektoren gebildet. Wenn also einmal ein neues Laufwerk „auf niedriger Ebene formatiert“ werden musste, ist dies heute nicht mehr nötig – ohne spezielle, hochentwickelte Ausrüstung und verschiedene „Low-Level-Formatierungsprogramme“ ist dies einfach unmöglich Oftmals wird einfach der Inhalt von Sektoren zurückgesetzt, indem deren Lesbarkeit überprüft wird, obwohl sie manchmal das Service-Markup und die Servoinformationen von Service-Sektoren irreversibel beschädigen können.

Aussehen verschiedene Methoden Die Kodierung dieser Sektoren hängt in erster Linie mit den technischen Merkmalen von Informationsspeicher- und -übertragungsgeräten und dem Wunsch der Hersteller zusammen, den physischen Raum von Informationsträgern optimal zu nutzen. Heutzutage werden verschiedene Methoden zur Datenkodierung verwendet.

Frequenzmodulation (FM) ist eine Methode, die in austauschbaren Magnetplattenlaufwerken verwendet wird. Die FM-Kodierung kann als Einheitsdichtekodierung bezeichnet werden. Die Methode beinhaltet das Schreiben eines Synchronisationsbits auf das Medium am Anfang jedes Bitdatenelements. Ein Bitelement ist definiert als das minimale Zeitintervall zwischen Datenbits, die bei einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit der Medienplatte erhalten werden. Das Verfahren garantiert eine Richtungsänderung des magnetischen Flusses pro Rotationszeiteinheit. Dieses Zeitintervall entspricht einer maximalen longitudinalen magnetischen Flussdichte von 2330 Änderungen pro 1 cm und einer Datenübertragungsrate von 125 Kbit/s. Die Einfachheit der Kodierung und Dekodierung mit dem FM-Verfahren wird durch die konstante Wiederholungsrate der Taktimpulse bestimmt. Das Vorhandensein dieser Synchronisationsbits ist jedoch einer der Nachteile diese Methode, Weil Der resultierende Code ist hinsichtlich der Datenkompaktheit ineffizient (die Hälfte des Medienraums wird von Synchronisationsbits eingenommen). Dies ist eine der ersten Methoden, die derzeit nicht in Festplatten verwendet werden.

Die modifizierte Frequenzmodulation (MFM) ist eine verbesserte FM-Methode. Die Änderung besteht darin, die Dauer eines Bitelements zu halbieren – auf 4 μs – und Synchronisationsbits nicht nach jedem Datenbit zu verwenden, sondern nur in Fällen, in denen im vorherigen und aktuellen Bitelement kein einziges Datenbit vorhanden ist. Mit dieser Kodierungsmethode können Sie die Medienkapazität und Datenübertragungsrate im Vergleich zur FM-Methode verdoppeln, weil Das gleiche Bitelement enthält niemals ein Synchronisations- und Datenbit und es gibt nur eine Änderung der Magnetflussrichtung pro Bitelement. Wird derzeit auch nicht verwendet.

Die Aufzeichnung mit begrenzter Länge (RLL) ist eine Methode, die das Schreiben von Synchronisierungsbits auf die Festplatte vollständig überflüssig macht. Die Synchronisierung wird durch die Verwendung von Datenbits erreicht. Dieser Ansatz erfordert jedoch ein völlig anderes Codierungsschema, weil Das einfache Ausschließen der Synchronisationsbits führt zu Aufzeichnungssequenzen mit nur Nullen oder Einsen, in denen sich die Polarität des Magnetflusses nicht ändert. Das RLL-Verfahren leitet sich von den Verfahren ab, mit denen Daten bei der digitalen Aufzeichnung auf Magnetband kodiert werden. In diesem Fall wird jedes Datenbyte in zwei Halbbytes unterteilt, die mit einem speziellen 5-Bit-Code codiert werden, dessen Kern darin besteht, für jedes Ziffernpaar mindestens eine Richtungsänderung des Magnetflusses zu erreichen. Das bedeutet, dass jede Kombination von 5-stelligen Codes nicht mehr als zwei umfassen darf in der Nähe stehen Nullbits. Von den 32 Kombinationen von 5 Bits erfüllen 16 diese Bedingung. Sie werden für die Kodierung nach dem RLL-Verfahren verwendet. Beim Lesen erfolgt der umgekehrte Vorgang. Bei Verwendung des RLL-Kodierungsverfahrens erhöht sich die Datenübertragungsrate von 250 auf 380 Kbit/s und die Anzahl der Polaritätsänderungen des Magnetflusses beträgt 3330 Änderungen/cm. In diesem Fall reduziert sich die Dauer des Bitelements auf 2,6 μs. Da das maximale Zeitintervall vor der Änderung des magnetischen Flusses bekannt ist (zwei aufeinanderfolgende Nullbits), können die Datenbits als Synchronisationsbits dienen, wodurch das RLL-Kodierungsverfahren selbsttaktend und selbsttaktend wird. Die MFM-Methode ist ein Sonderfall der RLL-Methode. Um den Typ der verwendeten RLL-Methode anzugeben, wird eine Abkürzung der Form verwendet: RLL2.7, RLL1.7, RLL2.8, RLL1.8, wobei die erste Ziffer die minimale und die zweite die maximale Länge angibt Folge von Bits – Nullen, die zwischen benachbarten Einsen enthalten sind. Die Abkürzung der MFM-Methode in der RLL-Terminologie lautet RLL1,3.

Modifizierter Datensatz mit Gruppenkodierung (Advanced Run Limited Length – ARLL) ist ein verbessertes RLL-Verfahren, bei dem neben der logischen Datenkomprimierung auch die Austauschfrequenz zwischen Steuerung und Antrieb erhöht wird.

Logische Speicherung und Kodierung von Informationen

Um die optimale Leistung und den Betrieb des Laufwerks als Speichergerät zu gewährleisten sowie die Softwareschnittstelle zu verbessern, werden Laufwerke von Systemen nicht in ihrer primären Form verwendet, sondern sie werden basierend auf physisch vorhandenen Strukturen – Spuren und Sektoren – verwendet eine logische Struktur zum Speichern und Zugreifen auf Informationen. Sein Typ und seine Eigenschaften hängen vom verwendeten Betriebssystem ab und werden als Dateisystem bezeichnet. Mittlerweile gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Dateisysteme, fast so viele wie es verschiedene Betriebssysteme gibt, allerdings basieren alle ihre logischen Datenstrukturen auf mehreren primären logischen Strukturen. Schauen wir sie uns genauer an.

Der erste Sektor der Festplatte enthält den Master Boot Record (MBR), der den Boot Record (BR) enthält, der während des Betriebssystem-Bootvorgangs ausgeführt wird. Der Boot-Record von Festplatten ist ein Angriffsziel Computer Virus, MBR infizieren. Hinter dem Bootloader befindet sich eine Partitionstabelle - Partitionstabelle(PT) mit 4 Datensätzen – Elementen logischer Partitionen – Partitionen. Der MBR endet mit einer speziellen Signatur – einer Folge von 2 Bytes mit den Hexadezimalwerten 55H und AAH, was darauf hinweist, dass dieser Abschnitt, nach dem sich die Signatur befindet, der letzte Abschnitt in der Tabelle ist. Unten ist die MBR-Struktur.

Informationsspeicherung auf der Festplatte

Tabelle 1. MBR-Struktur

Jedes Partitionstabellenelement enthält Informationen zu einer logischen Partition. Das erste Byte im Abschnittselement ist das Abschnittsaktivitätsflag (0 – inaktiv, 128 (80H) – aktiv). Es wird verwendet, um festzustellen, ob es sich bei der Partition um eine Systemstartpartition handelt und ob das Betriebssystem beim Starten des Computers von dort geladen werden muss. Es kann nur ein Abschnitt aktiv sein. Kleine Programme namens Bootmanager ( Bootmanager) kann sich in den ersten Sektoren der Festplatte befinden. Sie fragen den Benutzer interaktiv, von welcher Partition er booten soll, und passen die Partitionsaktivitätsflags entsprechend an. Auf das Partitionsaktivitätsflag folgt ein Byte der Kopfnummer, ab der die Partition beginnt. Es folgen zwei Bytes, die die Sektornummer bzw. die Zylindernummer angeben. Bootsektor, wo sich der erste Sektor des Betriebssystem-Bootloaders befindet. Der Betriebssystem-Loader ist ein kleines Programm, das beim Start den ursprünglichen Code des Betriebssystems in den Speicher einliest. Darauf folgt ein Byte – die Code-ID des Betriebssystems, das sich in der Partition befindet. Nach dem Codebyte des Betriebssystems folgt ein Byte der Kopfnummer des Endes der Partition, gefolgt von zwei Bytes – der Sektornummer und der Zylindernummer des letzten der Partition zugewiesenen Sektors. Nachfolgend finden Sie das Format des Partitionstabellenelements.

Tabelle 2.Partitionstabelle

Name des Elementeintrags der Partitionstabelle	Länge, Bytes
Flag für Abschnittsaktivität
Kopfnummer des Abschnittsanfangs
Sektornummer und Zylindernummer des Partitions-Bootsektors
Betriebssystemcode-ID
Nummer des Abschnittsendkopfes
Sektor und Zylindernummer des letzten Sektors des Abschnitts
Niedrige und hohe Zwei-Byte-Wörter der relativen Startsektornummer
Niedrige und hohe Zwei-Byte-Wörter der Partitionsgröße in Sektoren

Das Partitionselement wird durch die niedrigen und hohen Zwei-Byte-Wörter der relativen Nummer des ersten Sektors der Partition bzw. der Partitionsgröße in Sektoren vervollständigt.

Die Sektornummern und die Zylinderanzahl der Sektoren in den Abschnitten belegen 6 bzw. 10 Bits. Nachfolgend finden Sie das Format des Datensatzes mit den Sektor- und Zylindernummern.

Dank einer solchen Struktur wie MBR können sich mehrere Dateisysteme unterschiedlichen Typs verschiedener Betriebssysteme auf einer physischen Festplatte befinden.

MBR-Strukturen stellen kritische Informationen dar, deren Beschädigung zu einem teilweisen oder vollständigen Verlust des Zugriffs auf Daten auf den logischen Geräten der Festplatte und möglicherweise dazu führt, dass das Betriebssystem nicht von beschädigten Medien gestartet werden kann.

Erste schwerer Abschnitt Die Festplatte wird in MS-DOS als Hauptpartition (Primärpartition) und die zweite als erweiterte Partition (Erweiterte Partition) bezeichnet. Die Hauptpartition muss immer auf der Festplatte vorhanden sein; MS-DOS wird von ihr geladen. Eine erweiterte Partition darf nicht vorhanden sein; sie wird nur erstellt, wenn mehr als ein logisches Gerät auf einer physischen Festplatte vorhanden sein muss. Eine logische Partition enthält Dateisystemstrukturen wie logische Festplatten oder Geräte oder Volumes (als Unterpartitionen konzipiert), den Betriebssystem-Loader, Dateiverteilungstabellen, Benutzerdatenbereiche, in denen sich Datensätze zu Verzeichnissen und Dateien sowie Dateidaten befinden. Logische Unterpartitionen oder Festplatten ähneln in ihrem Aufbau Partitionen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass es mehr als vier davon geben kann und das letzte Element jedes einzelnen angibt, ob es sich um die letzte logische Unterpartition einer Partition handelt, oder auf das nächste Element des logischen Geräts oder der Unterpartitionstabelle verweist. Die Unterpartitionstabelle basiert nur auf der erweiterten Partitionstabelle. Jedes ihrer Elemente entspricht einem logischen Gerät mit einem einstelligen Namen D:, E: usw. Die Hauptpartitionstabelle enthält nur ein logisches Gerät – Laufwerk C:. Eine Unterpartitionstabelle wird erstellt, wenn eine erweiterte Partitionstabelle erstellt wird, und die Anzahl der Elemente der Unterpartitionstabelle wird vom Benutzer definiert. Bei der Bestimmung der Anzahl logischer Geräte bestimmt der Benutzer auch den Anteil des Speicherplatzes der erweiterten Partition, der jedem logischen Gerät zugewiesen ist – und legt das Volumen der logischen Laufwerke fest. Zukünftig können Anzahl und Größe logischer Geräte nicht mehr geändert werden, ohne dass die auf den neu verteilten logischen Geräten befindlichen Daten verloren gehen.

3. Formatieren der Festplatte

Der wichtigste Schritt bei der Vorbereitung oder dem Betrieb einer Festplatte ist die Formatierung. Beim Formatieren einer Festplatte werden die Daten vollständig von der Festplatte gelöscht, um sie für weitere Arbeiten vorzubereiten. Moderne Festplatten sind bereits formatiert.

Formatierungstypen

· Low-Level-Festplattenformatierung

Bei der Low-Level-Formatierung werden Informationen über die Position von Spuren und Sektoren angewendet und Serviceinformationen für das Servosystem aufgezeichnet. Dieser Vorgang wird manchmal als „echte“ Formatierung bezeichnet, da er ein physisches Format erstellt, das bestimmt, wie die Daten angeordnet werden. Wenn der Prozess der Low-Level-Formatierung einer Festplatte zum ersten Mal gestartet wird, sind die Festplattenplatten leer, d. h. enthalten absolut keine Informationen über Sektoren, Spuren usw. Dies ist der letzte Moment, in dem die Festplatte völlig leere Platten aufweist. Während dieses Vorgangs aufgezeichnete Informationen werden nie wieder neu geschrieben.

Alte Festplatten hatten die gleiche Anzahl von Sektoren pro Spur und keine integrierten Controller, sodass die Low-Level-Formatierung vom externen Festplattencontroller übernommen wurde und die einzigen benötigten Informationen die Anzahl der Spuren und die Anzahl der Sektoren waren pro Titel. Anhand dieser Informationen könnte der externe Controller die Festplatte formatieren. Moderne Festplatten verfügen über eine komplexe interne Struktur, einschließlich Änderungen in der Anzahl der Sektoren pro Spur beim Wechsel von externen auf interne Spuren sowie integrierte Servoinformationen zur Steuerung der Laufwerksköpfe. Außerdem nutzen moderne Laufwerke die Technologie „unsichtbarer“ fehlerhafter Sektoren, d. h. kann, unbemerkt vom Benutzer und vom System, automatisch übersprungen werden schlechte Sektoren. Aufgrund dieser komplexen Datenstruktur alle modern hart fahren vorbei Low-Level-Formatierung nur einmal - beim Hersteller. Es gibt zu Hause keine Möglichkeit, eine echte Low-Level-Formatierung einer modernen Festplatte durchzuführen, sei es eine IDE/ATA-, IDE/SATA- oder SCSI-Festplatte. Darüber hinaus ist dies selbst unter den Bedingungen eines guten Servicecenters (in Servicecenter Sie können eine Art „mittlere“ Formatierung durchführen, die Informationen über übersprungene fehlerhafte Sektoren ersetzen kann, es ist jedoch nicht möglich, die physische Verteilung von Sektoren und Service-Servo-Informationen zu überschreiben.

Ältere Festplatten erforderten während ihrer gesamten Lebensdauer wiederholte Low-Level-Formatierungen aufgrund der thermischen Ausdehnungseffekte, die mit der Verwendung von Schrittmotoren im Kopfantrieb einhergehen, bei denen die Bewegung der Köpfe in ein Raster mit festem Abstand unterteilt wurde. Im Laufe der Zeit verschob sich die physische Anordnung der Sektoren und Spuren in solchen Laufwerken, was ein korrektes Lesen der Informationen mithilfe eines Schrittmotors im Magnetkopflaufwerk unmöglich machte. Diese. Der Kopf bewegte sich laut Controller in die gewünschte Position, während sich die Position der angegebenen Spur verschob, was zum Erscheinen führte schlechte Sektoren. Dieses Problem wurde durch eine Neuformatierung des Laufwerks auf niedriger Ebene gelöst, wobei Spuren und Sektoren unter Verwendung eines neuen Rasters von Kopflaufwerksschritten neu geschrieben wurden. Bei modernen Laufwerken, die eine Schwingspule im Kopfantrieb verwenden, ist das Problem der Wärmeausdehnung in den Hintergrund getreten und erfordert lediglich eine Temperatur-Neukalibrierung der Betriebsparameter des Kopfantriebs.

· Festplattenformatierung auf hohem Niveau

Nach Abschluss des Low-Level-Formatierungsvorgangs der Festplatte erhalten Sie eine Festplatte mit Spuren und Sektoren, der Inhalt der Sektoren wird jedoch mit zufälligen Informationen gefüllt. Bei der High-Level-Formatierung wird eine Dateisystemstruktur auf eine Festplatte geschrieben, die es dem Betriebssystem ermöglicht, die Festplatte zum Speichern von Programmen und Daten zu verwenden. Im Fall eines DOS-Betriebssystems übernimmt beispielsweise der Formatbefehl diese Aufgabe, indem er den Master-Boot-Datensatz und die Dateizuordnungstabelle als solche Struktur schreibt. Eine Formatierung auf hoher Ebene wird nach dem Aufteilen der Festplatte in Partitionen (Partitionen) durchgeführt, auch wenn nur eine Partition für das gesamte Laufwerksvolumen verwendet wird. In modernen Betriebssystemen kann der Vorgang der Partitionierung und Formatierung einer Festplatte sowohl während der Installation des Betriebssystems als auch bereits durchgeführt werden installiertes Systemüber eine intuitive grafische Benutzeroberfläche.

Der Unterschied zwischen High-Level- und Low-Level-Formatierung ist groß. Es ist nicht erforderlich, eine Low-Level-Formatierung durchzuführen, um Informationen von der Festplatte zu löschen, weil ... Für die meisten Fälle ist eine High-Level-Formatierung geeignet. Es überschreibt die Dienstinformationen des Dateisystems und macht die Festplatte sauber. Die Dateien selbst werden bei diesem Vorgang jedoch nicht gelöscht, sondern nur Informationen über den Speicherort der Datei. Diese. Nach der Formatierung der Festplatte mit den Dateien auf hoher Ebene haben wir eine saubere Festplatte, frei von Dateien, aber funktionsfähig verschiedene Wege Mit der Datenwiederherstellung können Sie auf alte Dateien zugreifen, die sich vor der Formatierung auf der Festplatte befanden. Alle Betriebssysteme verwenden verschiedene Programme zur Formatierung auf hoher Ebene, weil... Sie benutzen Verschiedene Arten Dateisysteme. Die Low-Level-Formatierung, also das Markieren von Spuren und Sektoren auf einer Festplatte, ist jedoch derselbe. Der einzige Unterschied besteht in der Technologie zum Aufzeichnen von Spuren und Sektoren auf der Disc. Dies geschieht durch spezielle Geräte, sogenannte Servoschreiber. /6/

4. Festplatten-Controller

Der Antriebscontroller befindet sich physisch auf der Elektronikplatine und dient dazu, Konvertierungsvorgänge durchzuführen und Informationen von den Lese-/Schreibköpfen an die Antriebsschnittstelle zu senden. Ein Festplattencontroller ist ein komplexes Gerät – ein Mikrocomputer mit eigenem Prozessor, RAM und ROM, Schaltkreisen und Ein-/Ausgabesystem usw. In den meisten Fällen platzieren die Hersteller sie jedoch auf einem oder zwei Mikrochips.

Der Controller verarbeitet viele Datenstromtransformationsvorgänge. Da die Längen der Spuren unterschiedlich sind, müssen Daten ungleichmäßig auf verschiedene Spuren geschrieben werden. Dies wird im Vergleich zu Disketten bei Medien mit hoher Dichte (mehr als 1000 Spuren) zu einem Problem. Einfache Controller schreiben in der Regel die gleiche Menge an Informationen auf jede Spur, unabhängig von ihrer Länge. Dazu packt der Controller die Daten ausgehend von einer bestimmten Spur dichter. Der Zylinder, von dem aus die dichtere Datenpackung beginnt, wird als Startzylinder für die Vorkompensation (SCP) bezeichnet. Um Informationsverzerrungen beim Lesen auszugleichen, werden Daten mit einem vorläufigen Bit-Offset geschrieben, der die Verzerrung berücksichtigt.

Viele Hersteller stellen Geräte her, die unterschiedliche Mengen an Informationen auf internen und externen Spuren aufzeichnen, indem sie eine unterschiedliche Anzahl von Sektoren darauf platzieren. Dies ist dadurch möglich, dass die Hardware die physikalischen Eigenschaften des Geräts auf der Ebene seines Controllers und/oder seiner Schnittstelle (Geräte mit IDE-, EIDE- und SCSI-Schnittstellen) vor Programmen und dem Benutzer verbirgt. Antriebe haben unterschiedliche physikalische und logische Zylinderzahlen.

Viele Betriebssysteme, die über das BIOS mit LMD-Laufwerken arbeiten, sind so konzipiert, dass sie nicht mit einer Zylinderzahl von mehr als 1024 arbeiten können. Denn derzeit verfügen großvolumige Laufwerke (mehr als 1 MB) über mehr als 1024 physikalische Zylinder , wird eine Softwarekonvertierung verwendet, bei der das Laufwerk durch seine Controller- und BIOS-Prozeduren so definiert wird, dass es nicht mehr als 1024 Zylinder, aber eine unrealistische Anzahl von Köpfen, Oberflächen und Sektoren hat. Die Neuberechnungsfunktion zum Finden des erforderlichen Sektors liegt entweder im PC-BIOS, im Controller-BIOS oder auf der Schnittstelle.

In Sektoren geschriebene Daten werden vor bestimmten Lese-/Schreibfehlern geschützt, indem eine Prüfsumme berechnet und mitgeschrieben wird – ein Fehlerkorrekturcode (ECC). Durch das Schreiben von Bytes auf die Festplatte akkumuliert der Adapter, indem er die Eingabedaten zyklisch in einen speziellen Polynomrest der Division dividiert, der eine eindeutige Kombination von Bits darstellt und vom Controller zusammen mit den Daten geschrieben wird. Die Anzahl der ECC-Bytes für jedes Gerät wird durch die Art des verwendeten Polynoms bestimmt. Beim Lesen von Daten wird eine ähnliche Akkumulation und Prüfsummenberechnung durchgeführt. Wenn die berechneten und gespeicherten Ergebnisse nicht mit den ECC-Daten übereinstimmen, wird versucht, die Daten mithilfe eines Polynoms, verfügbarer Daten und einer Prüfsumme wiederherzustellen – zu korrigieren. Die Anzahl der einstellbaren Datenbytes wird durch die Ordnung des verwendeten Polynoms bestimmt. Je höher er ist, desto mehr Bytes hintereinander können korrigiert werden, desto länger ist aber auch der ECC-Code selbst.

Es werden verschiedene Polynome verwendet und die Anzahl der ECC-Bytes kann zwischen 4 und 8 oder mehr liegen. Die Anzahl der Informationsbits, die zum Aufzeichnen eines Bytes erforderlich sind, hängt von der verwendeten Kodierungsmethode ab. Es ist zu beachten, dass die Datenwiederherstellung mithilfe eines Polynoms und ECC-Codes auf Controller-Ebene erfolgt und für Programme und Benutzer transparent ist. Basierend auf BIOS-Prozeduren ist es jedoch möglich, programmgesteuert Informationen darüber zu erhalten, ob die Korrekturprozedur durchgeführt wurde.

Die meisten modernen Laufwerke unterstützen die Controller-Modi Ultra DMA, DMA2 und PIO. DMA – Direct Memory Access – direkter Speicherzugriff – ein Interaktionsmodus zwischen dem Antriebsregler und der PC-Schnittstelle, bei dem Daten ohne Beteiligung über die Schnittstelle ausgetauscht werden zentraler Prozessor PC. Der DMA-Modus ermöglicht eine deutliche Entlastung des Prozessors im Vergleich zum PIO-Modus (Programmed Input/Output), bei dem alle Übertragungen direkt vom zentralen Prozessor des PCs durchgeführt werden. Dies wird durch die Verwendung eines speziellen Controllers und eines direkten Zugriffskanals auf den RAM des PCs ohne Beteiligung des Zentralprozessors erreicht. Alle modernen Laufwerke können im DMA2-Modus arbeiten, sofern dies vom Betriebssystem unterstützt wird, und die Übertragungsgeschwindigkeit kann je nach Modell 16,6 MB/s erreichen. Und Laufwerke und Systeme, die den Ultra-DMA-Modus unterstützen, können bei Verwendung des entsprechenden Treibers Informationen mit einer Geschwindigkeit von 33,3 MB/s senden und empfangen. Dabei handelt es sich jedoch lediglich um die maximal möglichen Geschwindigkeiten des Datenaustauschs zwischen Controller und Speicherpuffer.

Die tatsächliche Lese-/Schreibgeschwindigkeit sogar in beste Modelle mit der ATA-Schnittstelle überschreitet derzeit nicht 10-11 Mbit/s. Die Hauptarbeitslast fällt auf das Lesen/Schreiben; die Übertragung von Daten zum und vom Puffer nimmt nur einen kleinen Teil dieser Zeit in Anspruch, und allein die Tatsache, dass auf Ultra DMA umgestellt wird, bringt nur eine Steigerung von einigen Prozent. Aber Laufwerke mit Ultra DMA haben normalerweise eine hohe Spindelgeschwindigkeit und damit eine höhere Lese-/Schreibgeschwindigkeit.

Derzeit gibt es zwei gängige Standards für den Anschluss einer Festplatte an einen Computer. Das erste, bei Heim- und Büro-PCs am weitesten verbreitete ist IDE (Integrated Device Electronics – ein Gerät mit integriertem Controller), auch bekannt als ATA (AT Attachment – ​​verbunden mit AT). Die zweite Variante ist am häufigsten in Servern und Hochleistungs-Workstations zu finden – SCSI (Small Computer System Interface). Diese Schnittstelle ist nicht auf Festplattengeräte spezialisiert. Neben Festplatten und CD-ROM-Laufwerken gibt es eine Vielzahl von Geräten, die nach diesem Standard arbeiten.

Der IDE-Schnittstellenstandard wurde aus mehreren Gründen entwickelt. Die bedeutendsten sind:

· Eine einfachere Möglichkeit, eine Festplatte an den Computerbus anzuschließen. Eine IDE-Festplatte kann gleichermaßen problemlos an einen leistungsstarken Computersystembus und einen langsamen LPT-Port angeschlossen werden. Im letzteren Fall wird der Datenaustausch natürlich viel geringer ausfallen, aber es besteht eine solche Möglichkeit.

· Erhöhte Leistung. Der Festplattencontroller befindet sich direkt am Gerät, was eine Übertragung ohne lange Schnittstellenkabel ermöglicht.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein IDE-Gerät an Ihren Computer anzuschließen. Am gebräuchlichsten ist der Anschluss über ein 40-adriges Kabel (Schnittstellentyp AT-BUS). Die Schnittstelle ist 16-Bit. Der zweite Typ ist PC Card ATA – mit PC Card (PCMCIA), die ebenfalls über eine 16-Bit-Schnittstelle verfügt. Dieser Typ wird hauptsächlich in Laptop-Computern verwendet. Neben der Verbindung unterscheiden sich die ATA-Schnittstellentypen auch in der Datenübertragungsgeschwindigkeit. Die wichtigste davon ist CAM ATA (Common Access Method) – ein von ANSI definierter Standard. Gewährleistet die Kompatibilität von IDE-Geräten auf Signal- und Befehlsebene. Ermöglicht außerdem den Anschluss von bis zu zwei Geräten über ein Kabel. Die Kabellänge beträgt maximal 46 cm.

ATA-2 ist eine Erweiterung der ATA-Spezifikation. Es verfügt über zwei Kanäle, die den Anschluss von bis zu 4 Geräten ermöglichen und Festplatten mit bis zu 8 GB unterstützen. Unterstützt die Betriebsmodi PIO-Modus 3, DMA-Modus 1, Blockmodus. Wir werden im Folgenden über diese Begriffe sprechen.

Die nächste Erweiterung ist Fast ATA-2. Der Unterschied besteht lediglich in der Unterstützung des DMA-Modus 2, wodurch Sie Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 13,3 MB/s erreichen können, und im Vorhandensein des PIO-Modus 4.

ATA-3. Diese Erweiterung zielt eher auf die Verbesserung der Zuverlässigkeit ab. Beinhaltet eine verbesserte Energieverwaltung und SMART-Technologie (Self Monitoring Analysis and Report Technology).

Ultra DMA/33 – Datenaustauschgeschwindigkeit auf dem Bus beträgt 33 MB/Sek. Darüber hinaus wurde eine Kontrolle der übertragenen Daten hinzugefügt. Vor relativ kurzer Zeit erschien der UDMA/66-Standard, bei dem die Geschwindigkeit auf 66 MB/s erhöht wurde, und kürzlich wurde UDMA/100 angekündigt.

Es ist zu beachten, dass es sich bei den angegebenen Werten lediglich um maximal mögliche Werte handelt. In Wirklichkeit kann die Datenübertragungsgeschwindigkeit deutlich geringer sein. Dies hängt von der Rotationsgeschwindigkeit der Festplatten, der Geschwindigkeit der Elektronik, dem Betrieb des Speichers und des Prozessors ab.

Zusätzlich zu den oben genannten Typen gibt es auch eine ATAPI-Erweiterung (ATA Package Interface). Diese Erweiterung dient zum Anschluss von CD-ROM-Laufwerken, CDRW-Laufwerken, Bandlaufwerken, ZIP-Laufwerken und anderen Geräten an die ATA-Schnittstelle.

Alle oben genannten Standards sind elektrisch miteinander kompatibel.

DMA (Direct Memory Access – direkter Speicherzugriff). In diesem Modus erfolgt der Datenaustausch zwischen Festplattenpuffer und Computerspeicher direkt über den Festplattencontroller. DMA-Modi werden in Einzelwort- und Mehrwort-Modi unterteilt, abhängig von der Anzahl der in einer Bussitzung übertragenen Wörter. Im Einzelwortmodus beträgt die maximale Übertragungsgeschwindigkeit bis zu 8,3 MB/s. Bei Verwendung des Mehrwortmodus – bis zu 20 MB/Sek. Zugriffe erfolgen in Pausen zwischen CPU-Zugriffen auf den Speicher. Dieser Modus spart Prozessorzeit, verringert jedoch geringfügig die Austauschgeschwindigkeit.

LBA (Logical Block Addressing) – Adressierung logischer Blöcke. Der ATA-Standard adressiert einen Sektor nach dem klassischen Schema – Zylinder, Kopf und Sektornummer. Aus historischen Gründen Computer-BIOS und das DOS-Betriebssystem begrenzte die Anzahl der Sektoren (63) und Zylinder (1024). Infolgedessen kam es zu einer Begrenzung der Festplattenkapazität von 540 MB. Im LBA-Modus wird die Adresse als lineare absolute Sektornummer übertragen. In diesem Fall rechnet der Winchester es selbst in die Anzahl der benötigten Zylinder, Köpfe und Sektoren um. Dadurch konnten wir die Beschränkungen des Festplattenspeichers umgehen, aber für DOS sind es immer noch 8 GB. Das Gerät kann nur betrieben werden, wenn dieser Modus vom Treiber (BIOS) und dem Gerät selbst unterstützt wird.

Es gibt auch einen großen Modus – dieser Modus wird vom Award BIOS verwendet, um mit Festplatten bis zu 1 GB zu arbeiten, die den LBA-Modus nicht unterstützen. Es wird nicht empfohlen, diesen Modus bei Festplatten mit mehr als 1 GB zu verwenden. /7/

Tabelle 3. Schnittstellenvergleich

	Stütze. Kapazität, Mbit/s	Maximale Kabellänge, m	Stromkabel	Anzahl der Laufwerke pro Kanal	Anzahl der Leiter im Kabel	Andere Eigenschaften
			Ja (3,5") / Nein (2,5")			Controller+2Slave, Hot-Swapping ist nicht möglich
						Host/Slave, bei einigen Controllern im laufenden Betrieb austauschbar
		keine Daten
			Ja/Nein (abhängig von Schnittstelle und Laufwerkstyp)
		4,5 (mit Daisy-Chain-Verbindung bis zu 72 m)				Da alle Geräte gleich sind, ist ein Hot-Swapping möglich
		5 (mit serieller Verbindung, über Hubs, bis zu 72 m)				Host/Slave, Hot-Swap-fähig
		keine Daten	Ja/Nein (abhängig vom Antriebstyp)	keine Daten		Bidirektional, USB 2.0 kompatibel
						Da alle Geräte gleich sind, ist ein Hot-Swapping möglich
						Hot-Swap möglich

5. Eigenschaften von Festplatten. Grundlegende physikalische und logische Parameter

Die Elektronikplatine eines modernen Festplattenlaufwerks ist ein unabhängiger Mikrocomputer mit eigenem Prozessor, Speicher, eigenen Ein-/Ausgabegeräten und anderen traditionellen Eigenschaften eines Computers. Auf der Platine befinden sich möglicherweise viele Schalter und Jumper.

Alle Antriebe entsprechen den Standards, die entweder von unabhängigen Gremien und Standardgruppen oder von den Herstellern selbst festgelegt wurden. Unter den vielen technischen Merkmalen, die ein Modell von einem anderen unterscheiden, können wir einige hervorheben, die aus Sicht der Benutzer und Hersteller am wichtigsten sind.

Der Scheibendurchmesser ist ein ziemlich freier Parameter. Die gängigsten Laufwerke mit Scheibendurchmessern sind 2,2, 2,3, 3,14 und 5,25 Zoll. Der Durchmesser der Scheiben bestimmt die Aufzeichnungsdichte pro Zoll magnetischer Beschichtung. Größere Laufwerke enthalten mehr Spuren und verwenden in der Regel einfachere Medientechnologien, die für geringere Aufnahmedichten ausgelegt sind. Sie sind langsamer und verfügen über weniger Festplatten, sind aber zuverlässiger. Laufwerke mit großer Kapazität und kleinerem Durchmesser verfügen über mehr High-Tech-Oberflächen und höhere Speicherdichten sowie eine größere Anzahl an Festplatten.

Anzahl der Oberflächen (Seitenzahl) – bestimmt die Anzahl der physischen Festplatten, die auf der Spindel aufgereiht sind. Antriebe sind mit der Anzahl der Flächen von 1 bis 8 oder mehr erhältlich. Am gebräuchlichsten sind jedoch Geräte mit einer Oberflächenanzahl von 2 bis 5. Die Anzahl der Oberflächen bestimmt direkt das physikalische Volumen des Antriebs und die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Vorgänge an einem Zylinder. Da Operationen an den Oberflächen des Zylinders von allen Köpfen synchron ausgeführt werden, sind Antriebe mit einer größeren Anzahl von Oberflächen bei sonst gleichen Bedingungen schneller.

Anzahl der Zylinder (Zylindernummer) – bestimmt, wie viele Spuren (Spuren) sich auf einer Oberfläche befinden. Derzeit verfügen alle Laufwerke mit einer Kapazität von mehr als 1 Gigabyte über eine Zylinderzahl von mehr als 1024, weshalb für gängige Betriebssysteme einheitliche Zugriffsmodi mit Neuberechnung und Emulation sowie Virtualisierung der Kopfzahl verwendet werden. Zylinder und Sektoren (LBA und Large).

Anzahl der Sektoren (Sektorenanzahl) – die Gesamtzahl der Sektoren auf allen Spuren aller Oberflächen des Laufwerks. Definiert das physische unformatierte Volume des Geräts.

Anzahl der Sektoren pro Spur – die Gesamtzahl der Sektoren auf einer Spur. Bei modernen Antrieben ist die Anzeige oft bedingt, weil Sie verfügen über eine ungleiche Anzahl von Sektoren auf externen und internen Spuren, die durch die Geräteschnittstelle vor dem System und dem Benutzer verborgen bleiben.

Spindelgeschwindigkeit (Drehgeschwindigkeit oder Spindelgeschwindigkeit) – bestimmt, wie viel Zeit für das sequentielle Lesen einer Spur oder eines Zylinders aufgewendet wird. Die Rotationsgeschwindigkeit wird in Umdrehungen pro Minute (U/min) gemessen. Bei Festplatten mit einer Kapazität von bis zu 1 Gigabyte beträgt sie in der Regel 5.400 U/min, bei größeren erreicht sie 7.200 und 10.000 U/min.

Die Suchzeit von Spur zu Spur liegt typischerweise zwischen 3,5 und 5 Millisekunden, wobei die schnellsten Modelle zwischen 0,6 und 1 Millisekunde liegen. Der Wechsel von Spur zu Spur ist der längste Vorgang in einer Reihe zufälliger Lese-/Schreibvorgänge auf einem Plattengerät. Der Indikator dient zur bedingten Leistungsbewertung beim Vergleich von Laufwerken verschiedene Modelle und Hersteller.

Die Kopflatenzzeit ist die Zeit, die von der Positionierung der Köpfe auf der erforderlichen Spur bis zum Beginn des Lese-/Schreibvorgangs vergeht. Es handelt sich um einen im Indikator enthaltenen internen technischen Indikator – den Zeitpunkt des Übergangs von Spur zu Spur.

Die Rüstzeit oder Suchzeit ist die Zeit, die das Gerät benötigt, um die Lese-/Schreibköpfe von einer beliebigen Position zum gewünschten Zylinder zu bewegen.

Die durchschnittliche Suchzeit ist das durchschnittliche Ergebnis einer großen Anzahl von Positionierungsvorgängen auf verschiedenen Zylindern und wird oft als durchschnittliche Positionierungszeit bezeichnet. Die durchschnittliche Suchzeit nimmt tendenziell ab, wenn die Speicherkapazität zunimmt, die Aufzeichnungsdichte zunimmt und die Anzahl der Oberflächen zunimmt. Für 540-Megabyte-Festplatten liegen die typischsten Werte zwischen 10 und 13 und für Festplatten über einem Gigabyte zwischen 7 und 10 Millisekunden. Die durchschnittliche Suchzeit ist einer der wichtigsten Indikatoren zur Beurteilung der Leistung der verwendeten Laufwerke beim Vergleich.

Wartezeit (Latenz) – die Zeit, die erforderlich ist, um den gewünschten Sektor an den Kopf zu übergeben; der durchschnittliche Indikator ist die durchschnittliche Wartezeit (durchschnittliche Latenz), die als Durchschnitt zahlreicher Testdurchläufe ermittelt wird. Nachdem sich die Köpfe am gewünschten Zylinder beruhigt haben, sucht die Steuerung nach dem gewünschten Sektor. In diesem Fall werden die Adresskennungen jedes Sektors auf der unter dem Kopf verlaufenden Spur nacheinander gelesen. Im idealen Fall erscheint aus Performance-Sicht der benötigte Sektor sofort unter dem Kopf, im schlimmsten Fall stellt sich heraus, dass dieser Sektor gerade unter dem Kopf „durchgegangen“ ist, und zwar vor dem Ende der Beruhigung Bei diesem Vorgang muss eine vollständige Umdrehung der Festplatte abgewartet werden, um den Lese-/Schreibvorgang abzuschließen. Diese Zeit beträgt für Laufwerke mit einer Kapazität von 540 Megabyte bis 1 Gigabyte etwa 5,6 und für Festplatten über einem Gigabyte 4,2 Millisekunden oder weniger.

Zugriffszeit – die Gesamtzeit, die für die Installation von Köpfen und das Warten auf einen Sektor aufgewendet wird. Darüber hinaus ist die Installationszeit der Köpfe die längste Zeitspanne.

Durchschnittliche Zugriffszeit (durchschnittliche Zugriffszeit) – die Zeit, die vom Eingang einer Anforderung für einen Lese-/Schreibvorgang vom Controller bis zur physischen Implementierung des Vorgangs vergeht – das Ergebnis der Addition der durchschnittlichen Suchzeit und der durchschnittlichen Wartezeit . Die durchschnittliche Zugriffszeit hängt davon ab, wie die Datenspeicherung organisiert ist und wie schnell die Schreib-Lese-Köpfe auf der gewünschten Spur positioniert werden. Die durchschnittliche Zugriffszeit ist ein Durchschnitt aus mehreren Testläufen und liegt typischerweise zwischen 10 und 18 Millisekunden und wird als Basiswert für den Vergleich der Geschwindigkeit von Laufwerken verschiedener Hersteller verwendet.

Die Datenübertragungsrate, auch Durchsatz genannt, bestimmt die Geschwindigkeit, mit der Daten auf die Festplatte gelesen oder geschrieben werden, nachdem sich die Köpfe in der erforderlichen Position befinden. Wird in Megabyte pro Sekunde (MBps) oder Megabit pro Sekunde (Mbps) gemessen und ist eine Eigenschaft des Controllers und der Schnittstelle. Es gibt zwei Arten von Übertragungsgeschwindigkeiten – externe und interne. Die Datenübertragungsgeschwindigkeit ist auch einer der Hauptindikatoren für die Laufwerksleistung und wird zur Bewertung und zum Vergleich von Laufwerken verschiedener Modelle und Hersteller verwendet.

Die externe Datenübertragungsrate oder Burst-Datenübertragungsrate gibt an, wie schnell Daten aus einem Puffer auf dem Laufwerk in den RAM des Computers gelesen werden. Derzeit haben Laufwerke mit EIDE- oder Fast ATA-Schnittstellen normalerweise externe Datenübertragungsraten von 11,1 bis 16,6 Megabyte pro Sekunde, und bei Laufwerken mit SCSI-2-Schnittstellen liegt dieser Parameter zwischen 10 und 40 Megabyte pro Sekunde.

Die interne Übertragungsrate oder nachhaltige Übertragungsrate spiegelt die Geschwindigkeit wider, mit der Daten zwischen den Köpfen und dem Laufwerkscontroller übertragen werden, und bestimmt die Gesamtdatenübertragungsrate in Fällen, in denen der Puffer nicht verwendet wird oder keine Auswirkungen hat (z. B. beim Laden einer großen Datei). Grafik- oder Videodatei). Die interne Datenübertragungsrate hängt stark von der Spindeldrehzahl ab.

Controller-Cache-Puffergröße (interne Cash-Größe). Der im Laufwerk integrierte Puffer übernimmt die Funktion des proaktiven Cachings und soll den großen Leistungsunterschied zwischen der Festplatte und dem RAM des Computers ausgleichen. Laufwerke sind mit 128.256 und 512 Kilobyte Puffern erhältlich. Je größer die Puffergröße, desto höher ist möglicherweise die Leistung bei zufälligen „langen“ Lese-/Schreibvorgängen. Außerdem sorgt ein größerer Puffer für eine höhere Leistung des Festplattensubsystems, erstens bei der Arbeit mit großen, geordneten (sequentiell auf Festplatten geschriebenen) Daten und zweitens, wenn mehrere Anwendungen oder Benutzer gleichzeitig auf die Festplatte zugreifen, wie es bei Multitasking-Netzwerkbetriebssystemen der Fall ist .

Durchschnittlicher Stromverbrauch (Kapazität). Beim Zusammenbau kraftvoll Desktop-Computer Dabei wird der Stromverbrauch aller seiner Geräte berücksichtigt. Moderne HDD-Laufwerke verbrauchen zwischen 5 und 15 Watt, was durchaus akzeptabel ist, obwohl Laufwerke mit geringerem Stromverbrauch unter sonst gleichen Bedingungen attraktiver aussehen. Das gilt nicht nur für die Energieeinsparung, sondern auch für die Zuverlässigkeit, denn... Leistungsstärkere Antriebe geben überschüssige Energie als Wärme ab und werden sehr heiß. Und wie Sie wissen, sind Probleme mit der Änderung von Eigenschaften verbunden magnetische Medien hängen direkt von ihrer Temperatur und dem Ausdehnungs-/Kompressionskoeffizienten des Materials ab.

Der Geräuschpegel ist natürlich ein ergonomischer Indikator. Es ist jedoch auch ein Indikator für die Ausgewogenheit des mechanischen Designs, denn Geräusche in Form eines Knisterns sind nichts anderes als das Geräusch von Stößen durch den Positionierer eines Schritt- oder Linearmechanismus, und selbst Mikrostöße und Vibrationen sind für Antriebe so unerwünscht und führen zu schnellerem Verschleiß.

Physische und logische Speicherkapazität. Festplatten verfügen im Gegensatz zu Disketten über eine konstante Anzahl von Spuren und Sektoren, die nicht geändert werden können. Diese Zahlen werden durch den Modelltyp und den Gerätehersteller bestimmt. Daher wird zunächst das physische Volumen von Festplatten bestimmt und setzt sich aus dem für Serviceinformationen (Festplattenlayout in Spuren und Sektoren) belegten Volumen und dem für Benutzerdaten verfügbaren Volumen zusammen. Das physische Volumen einer Festplatte hängt auch von der Art der Schnittstelle, der Datenkodierungsmethode, dem verwendeten physischen Format usw. ab. Laufwerkshersteller geben die Festplattenkapazität in Millionen Bytes an, wobei basierend auf dem Dezimalsystem davon ausgegangen wird, dass eine Festplatte 1.000.000 Bytes enthält Megabyte. Allerdings arbeitet die Software nicht im Dezimal-, sondern im Binärsystem und geht davon aus, dass ein Kilobyte nicht 1000 Bytes, sondern 1024 enthält. Solche einfachen Diskrepanzen in den Zahlensystemen führen zu Inkonsistenzen bei der Schätzung der in der Beschreibung angegebenen und durch verschiedene Softwaretests ermittelten Speicherkapazität .

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Inhaltsverzeichnis

• Einführung
• 1.2 Funktionsweise des NGMD
• 1.4 Adapter für Schwimmerantriebe
• 2.2 Eigenschaften der Festplatte
• 2.3 Physische Organisation der Daten auf der Festplatte
• 2.4 Logische Organisation der Daten auf der Festplatte
• 2,5 Festplattenschnittstellen
• 2.6 Vielversprechende Technologien zur Herstellung von Festplatten
• 2.7 Vergleichende Analyse von HDD und HDD.
• Abschluss
• Glossar
• Liste der verwendeten Abkürzungen
• Literaturverzeichnis
• Anwendungen

Einführung

IN Industriell hergestellte Informationsspeicher stellen eine Reihe von Speichergeräten mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien, physikalischen und technischen Leistungsmerkmalen dar. Ein Speichermedium ist ein materieller Gegenstand, der zum Speichern von Informationen verwendet wird. Ein Speichergerät ist ein mechanisches Gerät, das das Aufzeichnen, Speichern und Lesen von Daten steuert. Es gibt Diskettenlaufwerke und Festplattenlaufwerke. Die Haupteigenschaft und der Hauptzweck von Informationsspeichergeräten ist deren Speicherung und Wiedergabe. Speichergeräte werden in der Regel im Zusammenhang mit ihren Funktionsprinzipien, betrieblichen, technischen, physischen, Software- und anderen Eigenschaften in Typen und Kategorien eingeteilt. Nach den Funktionsprinzipien werden beispielsweise folgende Gerätetypen unterschieden: elektronische, magnetische, optische und gemischt-magnetooptische. Jeder Gerätetyp ist auf der Grundlage einer entsprechenden Technologie zur Speicherung, Wiedergabe und Aufzeichnung digitaler Informationen organisiert. Daher unterscheiden sie im Zusammenhang mit der Art und technischen Gestaltung des Informationsträgers: elektronische, Platten- und Bandgeräte. Darüber hinaus werden wir in meiner abschließenden Qualifikationsarbeit über Festplattenspeichermedien und insbesondere über eine vergleichende Analyse und Bewertung der Fähigkeiten von Festplatten- und Diskettenlaufwerken sprechen.

Disketten- und Festplattenlaufwerke (im Folgenden als FMD bzw. HDD bezeichnet) sind externe Laufwerke oder externe Speicher. Externer Speicher bezieht sich auf externe Geräte persönlicher Computer(im Folgenden PC genannt), angeschlossen über Kabel an Hauptplatine Computer und dient der langfristigen Speicherung aller Informationen, die jemals zur Lösung von Problemen benötigt werden (Abb. 1. Anhang 1). Insbesondere in Externer Speicher Die gesamte Computersoftware wird gespeichert. Externe Speicher enthalten verschiedene Arten von Speichergeräten. Am häufigsten sind jedoch Festplattenlaufwerke (HDD) und Diskettenlaufwerke (HD) zu finden, die in fast jedem Computer zu finden sind. Die Grundlage zum Aufzeichnen, Speichern und Lesen von Informationen basieren auf zwei physikalischen Prinzipien, dem magnetischen und dem optischen. Das magnetische Prinzip kommt bei FLMD und HDD zum Einsatz. Bei der magnetischen Methode werden Informationen mithilfe von Magnetköpfen auf einem magnetischen Medium (einer mit ferromagnetischem Lack beschichteten Platte) aufgezeichnet.

Während des Aufnahmevorgangs bewegt sich ein Kopf mit einem Kern aus weichmagnetischem Material (geringe Restmagnetisierung) entlang der Magnetschicht des magnetisch harten Mediums (hohe Restmagnetisierung). Elektrische Impulse erzeugen im Kopf ein Magnetfeld, das die Elemente des Trägers nacheinander magnetisiert (1) oder nicht magnetisiert (O). Beim Lesen von Informationen verursachen magnetisierte Bereiche des Trägers einen Stromimpuls im Magnetkopf (das Phänomen der elektromagnetischen Induktion). Die Haupteigenschaft von Plattenmagnetgeräten ist die Aufzeichnung von Informationen auf dem Medium auf konzentrischen geschlossenen Spuren unter Verwendung physikalischer und logischer digitaler Informationskodierung. Das flache Datenträgermedium rotiert während des Lese-/Schreibvorgangs, was die Bedienung der gesamten konzentrischen Spur gewährleistet; das Lesen und Schreiben erfolgt mithilfe magnetischer Lese-/Schreibköpfe, die entlang des Radius des Mediums von einer Spur zur anderen positioniert werden. Um die Festplatte und die Festplatte an einen PC anzuschließen, werden spezielle Geräte verwendet, die als Adapter oder Controller bezeichnet werden. Diese Geräte werden in den PC-Systembus-Anschluss eingesteckt und die Festplatte und die Festplatte werden über spezielle Kabel mit ihnen verbunden.

Die folgenden Abschnitte beschreiben die Funktionsweise der Festplatte und HDD in PCs wie IBM PC/XT, IBM PC/AT und kompatiblen.

Festplatte

Der Zweck von Festplatten und Festplatten besteht darin, große Informationsmengen zu speichern, aufzuzeichnen und auf Anfrage gespeicherte Informationen auch an ein Speichergerät mit wahlfreiem Zugriff auszugeben. Wie Sie wissen, waren die ersten Computer (elektronische Computer) Einzelaufgabencomputer, das heißt, sie wurden programmiert und entwickelt, um nur ein Problem zu lösen, beispielsweise um Kernreaktionen oder Flugbahnen von Raketen zu berechnen. Dies waren Computer, die auf Lampen und Halbleitern basierten, aber mit der Entwicklung der Technologie erschienen programmierbare Maschinen, auf denen das Programm mithilfe von Lochkarten eingestellt wurde, aber alle diese Maschinen hatten kein Speichergerät, das heißt, sie empfingen nur verarbeitete Informationen und vervielfältigte es, speicherte es jedoch nicht. Mit der Entwicklung der Computertechnologie, insbesondere der Personalcomputer, entstand jedoch der Bedarf an Informationsspeichergeräten. Etwa zu dieser Zeit (Anfang der 70er Jahre) tauchte mit dem Aufkommen des Personalcomputers das Konzept der Speichergeräte auf. Zunächst handelte es sich dabei um Diskettenlaufwerke mit dem Betriebssystem, also Sie funktionierten so: Beim Hochfahren des Computers wurde eine Diskette in das Laufwerk eingelegt, von der aus das Betriebssystem in den Arbeitsspeicher des Computers geladen wurde und der Benutzer anschließend Programme starten und damit arbeiten konnte. Dies war für frühe Betriebssysteme wie MS DOS ausreichend, aber nicht sehr praktisch, weil... Da Disketten bis heute nicht zuverlässig sind, bestand die Lösung darin, Laufwerke auf magnetischen Festplatten zu erstellen. Die Methode zum Lesen und Schreiben auf Laufwerken ist die gleiche – mithilfe von Magnetfeldern, aber die Umsetzung dieses Prinzips mithilfe von Festplatten erwies sich als erfolgreicher, weil Hartmagnetplatten sind unterschiedlich Ö höhere Kapazität und Zuverlässigkeit, so wurde dieses Laufwerk bereits in den frühen 80er Jahren zum Hauptspeicher eines Computers und erreichte ein um ein Vielfaches größeres Volumen als ein nichtflüchtiges Festplattenlaufwerk. Später, mit dem Aufkommen der Betriebssysteme der Windows-Familie (Versionen 3.1 und 3.11), konnten Disketten keine Speicherung und betriebliche Auslastung von Betriebssystemen gewährleisten, was schließlich die Festplatte als Hauptspeicher bestimmte, auf der Programme und Betriebssysteme zu speichern begannen geschrieben werden und das bis zum heutigen Tag tun. Was geschah als nächstes mit Diskettenlaufwerken? Sie wurden als Mittel zur Informationsübertragung zwischen Computern eingesetzt, weil Festplatten erwiesen sich für den gleichen Zweck als ungeeignet, obwohl sie über eine größere Speicherkapazität und Lese-/Schreibgeschwindigkeit verfügen, sie sich jedoch in der Systemeinheit befinden und zum Entfernen oder Anschließen ein Herunterfahren des Computers erforderlich ist. Disketten blieben bis Mitte der 90er Jahre praktisch die einzige funktionierende Methode zum Austausch von Informationen zwischen Personalcomputern, und obwohl sie heute in westlichen Ländern mit dem Aufkommen von DVD- und SD-RW-Laufwerken sowie der Verbindung von Computern in ein Netzwerk universell einsetzbar sind Verzicht auf die Verwendung von Disketten (meist Bürocomputer, kombiniert mit lokale Netzwerke sind nicht mehr mit Diskettenlaufwerken ausgestattet), aber in der GUS ist der Entwicklungsstand der Computerisierung heute so weit, dass es aufgrund ihrer Effizienz und allgegenwärtigen Präsenz unmöglich ist, auf magnetische Diskettenlaufwerke zu verzichten, was durch die unverminderten Verkaufsmengen bestätigt wird von magnetischen Disketten.

Historisch gesehen waren beide Laufwerke in ihrer Bedeutung für die PC-Architektur praktisch nicht zu unterscheiden, aber Ö Hartmagnetische Festplatten, das Hauptspeichergerät eines modernen PCs, sind heute immer weiter entwickelt. In der Anfangsphase waren die Betriebsgeschwindigkeiten und das Volumen der auf der Festplatte und der Festplatte gespeicherten Informationen praktisch gleich; dies war zu Zeiten der PCs mit den Prozessoren i80386 und i80486, auf denen das MS-DOS-System lief, weil Dies wurde durch die Speicherzuteilung und das Dateisystem bestimmt und physikalisch durfte die Speichergröße 512 KB nicht überschreiten. Aber mit dem Aufkommen der Dateisysteme FAT 16 und FAT 32 und insbesondere NTFS war es möglich, die Kapazität von Festplatten um das Tausendfache zu erhöhen, während die ersten Festplatten in Megabyte gemessen wurden, erreichen ihre Werte jetzt Dutzende oder sogar Hunderte von Gigabyte. Diskettenlaufwerke haben sich von 5,25-Zoll-Disketten (es gab auch lange ungenutzte 8-Zoll-Disketten) zu 3,5-Zoll-Disketten (heute unter PC-Benutzern am weitesten verbreitet) entwickelt, Disketten, auf denen die Menge der aufgezeichneten Informationen gespeichert ist ist von 720 KB auf 2,88 MB, daher ist es klar, dass sie heute niemand mehr als Alternative zu Festplatten betrachtet, sie haben jedoch auch ihre eigene Nische, weshalb selbst moderne Hersteller von Computerausrüstung sie nicht ablehnen können, obwohl es solche Aussagen gab wiederholt gemacht, insbesondere von der SONY Corporation, die einen bedeutenden Platz auf dem Markt für die Herstellung von Disketten einnimmt, sowie von SAMSUNG, einem Hersteller von Diskettenlaufwerken. Warum kommt es vor, dass selbst die neuesten Computerkonfigurationen Diskettenlaufwerke enthalten? Die Antwort ist einfach: Hersteller können NGMD nicht ablehnen, weil... In Bezug auf die Geschwindigkeit der Übertragung kleiner Dateien, meist Textdateien (Word, Excel), sind Disketten-Magnetplatten führend, und wenn man bedenkt, dass viele Benutzer über veraltete Computermodelle verfügen, die nicht mit fortschrittlicheren Methoden zur Übertragung von Dateien ausgestattet sind (z. B , CD-RW-Laufwerke oder nicht mit dem Netzwerk verbunden), sondern wie elektronische Schreibmaschinen funktionieren, ist klar, dass es in naher Zukunft nicht möglich sein wird, vollständig auf das NGMD zu verzichten. Wie aus dem oben Gesagten hervorgeht, stellt sich die Frage, wie sich diese Laufwerke heute unterscheiden, welche Entwicklung und Perspektiven sie haben, wie zuverlässig sie sind und ob es sich lohnt, auf die Festplatte zu verzichten.

Der Zweck meiner Arbeit ist eine vergleichende Analyse und Bewertung der Eigenschaften von nichtflüchtigen Festplattenlaufwerken und Festplattenlaufwerken. Zu lösende Aufgaben anhand des gesetzten Ziels:

1) Berücksichtigen Sie die physische Struktur der Festplatte und der Festplatte sowie deren Funktionsweise.

2) Identifizieren Sie ihre Eigenschaften und bewerten Sie sie;

3) Erwägen Sie vielversprechende Technologien für flexible Festplatten und Festplatten;

4) Führen Sie eine vergleichende Analyse von nichtflüchtigen Festplattenlaufwerken und nicht austauschbaren Festplattenlaufwerken durch.

Auf dieser Grundlage steht die Relevanz der Arbeit außer Zweifel. Die praktische Bedeutung der Arbeit liegt darin, dass es anhand der präsentierten Informationen möglich ist, eine Analyse der Laufwerke durchzuführen und das am besten geeignete auszuwählen, was nicht nur für Anfänger, sondern auch für Profis nützlich sein wird In diesem Bereich hat die Analyse von Artikeln bisher gezeigt, dass objektive Informationen zu diesem Thema nur sehr wenig Informationen vorliegen und nicht systematisiert sind.

1) die zum Thema der Abschlussarbeit verfügbare Literatur wurde ausgewählt und analysiert;

2) Die gestellten Aufgaben aus dem Arbeitszweck sind gelöst;

1. Diskettenlaufwerke

Es gibt verschiedene Arten von Diskettenlaufwerken; sie bestehen aus zwei Teilen – einem Diskettenlaufwerk und einer Diskette (Datenspeichermedium). Am häufigsten werden Geräte mit einem Mediendurchmesser von 203 mm (8 Zoll), 133 mm (5,25 Zoll) und 89 mm (3,5 Zoll) verwendet. In professionellen Computern werden am häufigsten Non-Disk-Disketten mit einem Plattendurchmesser von 133 und 89 mm verwendet . Moderne Disketten nutzen beide Seiten einer Magnetplatte. Solche Disketten werden doppelseitig genannt. Zuvor verwendeten einige PC-Modelle einseitige Disketten. Um die Anzahl der Arbeitsflächen auf einigen importierten Disketten anzuzeigen, können Sie die sehen Abkürzung: SS – Single Sided (einseitige Diskette), DS – Double Sided (doppelseitige Diskette).

Seit dem Aufkommen von Diskettenlaufwerken hat ihre Beliebtheit als Speichermedium mit wahlfreiem Zugriff für kleine Computer rapide zugenommen. Einer der Gründe für dieses phänomenale Wachstum war, dass sich die Kapazität der Diskette in dieser Zeit um mehr als das Zehnfache erhöhte. Ungefähr 40 % dieses Anstiegs waren das Ergebnis von Verbesserungen im mechanischen Teil des Plattenlaufwerks, die es ermöglichten, die Spurdichte zu verdoppeln und auf beide Seiten der Platte aufzuzeichnen. Die restlichen 60 % sind jedoch eine Folge der Einführung verschiedener Datenkodierungsmethoden, die eine effizientere Nutzung der Arbeitsfläche der Festplatte ermöglichen.

1.1 Physikalischer Aufbau des Schwimmgeräts

Das NGMD-Gerät (Abb. 2 von Anhang 1) enthält eine flexible Magnetplatte (die Platten werden als flexibel bezeichnet, weil sich die Kunststoffscheibe im Inneren der Schutzhülle tatsächlich verbiegt, weshalb die Schutzhülle aus Hartplastik besteht), fünf Haupt Systeme (Antriebsmechanismus, Positionierungsmechanismus, ein Zentrier- und Befestigungsmechanismus, ein Steuer- und Überwachungssystem, ein Aufzeichnungs- und Lesesystem) und drei spezielle Sensoren. Die Platte ist oben mit einer speziellen Magnetschicht bedeckt, die die Datenspeicherung gewährleistet. Informationen werden auf beiden Seiten der Platte entlang konzentrischer Kreisspuren aufgezeichnet. Jede Spur ist in Sektoren unterteilt. Durch das zentrale Loch wird die Diskette auf eine kegelstumpfförmige Welle, eine Spindel (Nabe), gesteckt, die sich mit konstanter Geschwindigkeit dreht. Die Kassette hat ein ovales Fenster – das Kopfloch ist in radialer Richtung verlängert. Durch dieses Loch wird der Magnetkopf gegen die Festplatte gedrückt und erfasst und liest Daten durch Kontakt an den erforderlichen Stellen auf der Oberfläche. Der Magnetkopf, der sich in den Schlitzen der Kassette bewegt, ermöglicht die elektromagnetische Aufzeichnung von Daten in Form einer Bitfolge auf konzentrischen Kreisen – Spuren. Zwei kleine Aussparungen am Rand der Kassette, die symmetrisch zum Kopffenster angeordnet sind, sorgen für deren Positionierung und Fixierung im Flansch. Rechts daneben befindet sich auf der Kassette ein rechteckiger Ausschnitt, der mit einem speziellen lichtdichten Streifen verschlossen ist, der das Aufzeichnen und unbeabsichtigte Löschen verhindert. Das NGMD verfügt über einen speziellen Sensor, der das Vorhandensein dieser Aussparung erkennt.

Die Datenaufzeichnungsdichte hängt von der Dichte der Spuren auf der Oberfläche ab, d. h. die Anzahl der Spuren auf der Oberfläche der Platte sowie die Dichte der Informationsaufzeichnung entlang der Spur. Die magnetischen Lese-/Schreibköpfe greifen über eine verschiebbare Metallklappe am Diskettengehäuse auf das Medium zu. Wenn eine Diskette in das Laufwerk eingelegt wird, bewegt sich die Klappe automatisch. Das Design der Diskette verfügt über einen Schlüssel (abgeschnittene Ecke des Gehäuses), der einen falschen Einbau in das Laufwerk verhindert. Der Schreibschutz befindet sich an der Unterseite der Diskette. Um die Aufzeichnungsdichteparameter auf der Diskette zu identifizieren, befindet sich auf der linken Seite ein quadratisches Loch.

Die nutzbare Oberfläche der Platte, die zum Aufzeichnen/Lesen von Informationen bestimmt ist, besteht aus einer Reihe von Spuren, die in einem bestimmten Abstand angeordnet sind. Wenn Sie die Anzahl der Spuren (N), die Anzahl der Sektoren (M) und die Größe eines Sektors (S) kennen, können Sie das Volumen einer Diskette (V) berechnen:

V= 2*N*M*S

133-mm-Disketten haben 40 oder 80 Spuren. Die Titelnummerierung beginnt an der Außenseite (Spurnull) und endet mit dem letzten inneren. Die Position des Gleises 00 wird im Antrieb über eine spezielle Lichtschranke ermittelt. Die Strecke selbst ist in einzelne Sektoren unterteilt. Eine 133-mm-Diskette hat normalerweise 8, 9 oder 16 Sektoren pro Spur. Die Kapazität der Sektorinformationen beträgt 128, 256, 512 oder 1024 Byte. Der Beginn der Aufnahmeabschnitte wird durch ein spezielles rundes Indexloch auf der Disc und in der Kassette bestimmt. Wenn sich das Indexloch unter dem entsprechenden Loch in der Kassette dreht, erzeugt ein weiterer spezieller fotoelektrischer Sensor ein kurzes elektrisches Signal, das die Position des Spuranfangs erkennt. 3,5-Zoll-Laufwerke funktionieren mit doppelseitigen Disketten mit einer Kapazität von 512 Byte mit 9 oder 18 Sektoren pro Spur. Normalerweise verwendet eine Diskette 80 Spuren.

Normalerweise werden Spuren und Sektoren beim Kauf nicht auf der Oberfläche der Disc angebracht. In diesem Fall müssen Sie die Festplatte für die Datenaufzeichnung vorbereiten, d. h. Format. Zu diesem Zweck enthält die Systemsoftware ein spezielles Programm, das die Festplatte formatiert. Beim Formatieren wird eine Festplatte in Spuren und Sektoren unterteilt. Das Diskettenlaufwerk gehört zur Gruppe der Direktzugriffslaufwerke und wird innerhalb der Systemeinheit installiert (Abb. 3 in Anhang 1). Die Diskette wird in das Laufwerk eingelegt und wenn das entsprechende Programm darauf zugreift, wird der Schreib-/Lesekopf an der gewünschten Stelle installiert. Ein einzelner Antriebsmotor dreht die Scheibe in ihrer Schutzhülle. Je höher die Rotationsgeschwindigkeit, desto schneller werden die Informationen gelesen, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit des Informationsaustauschs zunimmt. Der zweite Motor bewegt die Schreib-/Leseköpfe über die Plattenoberfläche und bestimmt eine weitere Eigenschaft des externen Speichers – die Informationszugriffszeit. Ein typischer Diskettenlaufwerksmechanismus umfasst einen Gleichstrom-Mikromotor zum Drehen der Diskette und eine Spindel. Typischerweise beträgt die Rotationsgeschwindigkeit 300 oder 360 Umdrehungen pro Minute (U/min). Die Drehung der Scheibe mit der erforderlichen Geschwindigkeit wird durch ein Servosystem sichergestellt.

Das Positionierungssystem dient dazu, den Magnetkopf genau über einer bestimmten Spur auf der Oberfläche des Mediums zu positionieren. Die Bewegung des Schlittens mit Magnetkopf in radialer Richtung erfolgt über das Primärgetriebe eines Schrittmotors, wenn an diesen eine Impulsspannung angelegt wird.

Der Zentrier- und Befestigungsmechanismus gewährleistet die Fixierung und präzise Zentrierung der Diskette mittels Gehäuseverriegelung.

Der mechanische Teil des Aufzeichnungs-/Lesesystems besteht aus Magnetköpfen mit Kopfpressvorrichtungen, die sich auf einem beweglichen Schlitten befinden. Die Klemmvorrichtungen drücken die Diskette mechanisch an den Kopf. Eine Option ist möglich, wenn der Kopf über einen Magneten gegen die Diskette gedrückt wird.

Das Steuer- und Überwachungssystem verwaltet und überwacht einzelne mechanische Komponenten des Antriebs, den Schreib-/Lesevorgang und die Kommunikation mit dem Float-Antriebsadapter. Normalerweise können in einem professionellen Computer mehrere Float-Laufwerke an einen Adapter angeschlossen werden.

Für den Anschluss bestimmter Schwimmerantriebe werden Mikroschalter verwendet. Über Steuer- und Steuerlogikschaltungen werden Informationen über die Ausprägung der Betriebszustände des Schwimmerantriebs gesammelt und entsprechende Meldungen ausgegeben.

Elektronische Schaltungen des Positionierungssystems sorgen für eine zeitoptimale Positionierung des beweglichen Schlittens mit Magnetkopf relativ zur gewünschten Spur.

Zur Steuerung der Motoren werden elektronische Schaltkreise verwendet, um die an die Motoren gelieferten Signale zu regulieren und zu verstärken: Schrittmotor (zum Antrieb des Schlittens) und Gleichstrom (zum Antrieb der Diskette). Schreibverstärker dienen dazu, die den Magnetköpfen zugeführten Schreibsignale zu verstärken, und Leseverstärker dienen dazu, die vom Magnetkopf gelesenen Signale zu verstärken und für die weitere Verarbeitung aufzubereiten.

Das Festplattengehäuse verfügt über einen Datenzugriffsbereich und eine Möglichkeit, die Festplatte an einer Halterung im Festplattenlaufwerk zu befestigen, um eine Drehung der Festplatte zu ermöglichen. Der Computer verwendet spezielle Namen, um auf die im Laufwerk eingelegte Diskette zu verweisen. In der Regel wird einem Laufwerk zum Lesen von Informationen von einer Drei-Zoll-Festplatte ein Name in Form eines lateinischen Buchstabens mit Doppelpunkt A: und für eine 5-Zoll- oder zweite Drei-Zoll-Festplatte in Form von a zugewiesen Lateinischer Buchstabe mit Doppelpunkt B:. Durch einen Doppelpunkt nach dem Buchstaben kann der Computer den Laufwerksnamen vom Buchstaben unterscheiden.

Die Regeln für die Arbeit mit Datenträgern empfehlen, die Oberfläche der Datenträger nicht mit den Händen zu berühren, Datenträger nicht in die Nähe eines starken Magnetfelds zu halten und sie keiner Hitze auszusetzen. Und natürlich ist es am besten, eine Kopie davon zu erstellen, falls die Festplatte ausfällt.

1.2 Funktionsweise des NGMD

Die wichtigsten internen Elemente eines Diskettenlaufwerks sind ein Diskettenrahmen, ein Spindelmotor, eine Kopfeinheit mit Laufwerk und eine Elektronikplatine.

Der Spindelmotor ist ein flacher Vielpolmotor mit einer konstanten Drehzahl von 300 U/min. Der Antriebsmotor des Kopfblocks ist ein Schrittmotor mit Schnecken-, Zahnrad- oder Riemenantrieb.

Um die Eigenschaften einer Diskette zu ermitteln, sind auf der Elektronikplatine nahe dem vorderen Ende des Laufwerks drei mechanische Drucksensoren installiert: zwei – unter den Schutz- und Aufzeichnungsdichtelöchern und der dritte – hinter dem Dichtesensor – zur Momentenbestimmung Die Diskette wird abgesenkt. Eine in den Steckplatz eingelegte Diskette gelangt in den Diskettenrahmen, wo der Schutzverschluss davon gleitet und der Rahmen selbst vom Stopper entfernt und nach unten abgesenkt wird – der Metallring der Diskette ruht auf der Spindelmotorwelle und die Unterseite der Diskette auf dem unteren Kopf (Seite 0). Gleichzeitig wird der obere Kopf freigegeben, der unter der Wirkung einer Feder gegen die Oberseite der Diskette gedrückt wird. Bei den meisten Diskettenlaufwerken ist die Geschwindigkeit des Absenkens des Rahmens in keiner Weise begrenzt, weshalb die Köpfe einen spürbaren Aufprall auf die Oberflächen der Diskette verursachen, was die Dauer ihres zuverlässigen Betriebs erheblich verkürzt. Einige Antriebsmodelle (Teac, Panasonic, ALPS) sind mit einem Micro-Lift-Retarder für ein sanftes Absenken des Rahmens ausgestattet. Um die Lebensdauer von Disketten und Köpfen in Laufwerken ohne Mikrolift zu verlängern, wird empfohlen, beim Einlegen einer Diskette die Laufwerkstaste mit dem Finger festzuhalten, um zu verhindern, dass sich der Rahmen zu stark absenkt. Auf der Welle des Spindelmotors befindet sich ein Ring mit Magnetverschluss, der zu Beginn der Motordrehung den Diskettenring fest umklammert und ihn gleichzeitig auf der Welle zentriert. Bei den meisten Laufwerksmodellen führt ein Signal des Sensors zum Absenken der Diskette dazu, dass der Motor kurzzeitig anläuft, um die Diskette zu erfassen und zu zentrieren.

Der Antrieb wird über ein 34-adriges Kabel mit der Steuerung verbunden, wobei die geraden Adern Signalleitungen und die ungeraden Leitungen gemeinsame Leitungen sind. Die allgemeine Version der Schnittstelle ermöglicht den Anschluss von bis zu vier Festplatten an den Controller, die Version für den IBM-PC bis zu zwei. In der allgemeinen Ausführung sind die Antriebe komplett parallel zueinander geschaltet und die Antriebsnummer (0,3) wird über Jumper auf der Elektronikplatine eingestellt; In der Version für den IBM-PC tragen beide Laufwerke die Nummer 1, werden aber über ein Kabel verbunden, bei dem die Auswahlsignale (Adern 10-16) zwischen den Anschlüssen der beiden Laufwerke vertauscht sind. Manchmal wird Pin 6 vom Laufwerksstecker entfernt, der in diesem Fall die Rolle eines mechanischen Schlüssels übernimmt. Die Laufwerksschnittstelle ist recht einfach und enthält Signale zum Auswählen eines Geräts (im Allgemeinen vier Geräte, zwei für den IBM-PC), zum Starten des Motors, zum Bewegen der Köpfe um einen Schritt, zum Einschalten und Schreiben sowie zum Lesen/Schreiben von Daten als Informationssignale vom Laufwerk - der Anfang der Spur, ein Zeichen dafür, dass die Köpfe auf der Nullspur (extern) installiert sind, Signale von Sensoren usw. Alle Arbeiten zur Kodierung von Informationen, zur Suche nach Spuren und Sektoren, zur Synchronisierung und zur Fehlerkorrektur werden vom Controller ausgeführt.

1.3 Methoden und Organisation der Aufzeichnung von NGMD-Informationen

In der Float-Antriebssteuerung werden Daten im Binärcode verarbeitet und im seriellen Code an den Float-Antrieb übertragen. Das GPSD verwendet drei Hauptaufzeichnungsmethoden:

· Frequenzmodulationsverfahren;

· modifiziertes privates Modulationsverfahren (MPM);

· Codierungsverfahren mit begrenztem Abstand zwischen Magnetisierungsübergängen RLL.

Auf der Diskette befinden sich Benutzerdaten zusammen mit Serviceinformationen, die zur Nummerierung einzelner Bereiche, deren Trennung voneinander, zur Informationssteuerung usw. erforderlich sind.

Das Diskettenlaufwerk verwendet Standardinformationsformate, die eine Vereinheitlichung des Float-Laufwerks- und Adapterdesigns ermöglichen. Alle auf einer Diskette aufgezeichneten Informationen sind in Sektoren unterteilt. Die maximale Anzahl von Sektoren auf einer Spur wird vom PC-Betriebssystem bestimmt. Die Position der Sektoren ist von 1 bis M nummeriert, beginnend mit dem physischen Anfang der Spur, der durch das INDEX-Signal bestimmt wird. Das Produkt aus der Anzahl der Spuren und der Anzahl der Aufnahmesektoren ermöglicht es Ihnen, die Informationskapazität der Diskette zu bestimmen. Jeder Sektor umfasst zwei Bereiche: ein Dienstinformationsfeld und ein Benutzerdatenfeld. Die Dienstinformationen stellen eine Sektorkennung dar, die es ermöglicht, diesen Sektor von anderen zu unterscheiden. Es umfasst mehrere separate Teile:

1) Adressmarkierung (Etikett) – ein spezieller Code, der sich von den Daten unterscheidet; es zeigt den Beginn der Sektor- und Dienstinformationen an (es werden bestimmte Bitkombinationen von Taktimpulsen verwendet, die im Aufzeichnungsmodus nicht erscheinen);

2) Gleisnummer, die den Code der Seriennummer des Gleises enthält, auf dem sich dieser Sektor befindet;

3) Kopfnummer, die einen von zwei Magnetköpfen angibt, die sich auf den entsprechenden Seiten der Diskette befinden;

4) Sektornummer – ein Code, der die logische Sektornummer definiert, die möglicherweise nicht mit der physischen Sektornummer übereinstimmt;

5) Sektorlänge – Code, der das Volumen des Datenfelds im Sektor angibt;

6) Kontrollbytes – ein Code zur Kontrolle von Fehlern beim Lesen von Informationen (basierend auf den Ergebnissen des Lesens wird ein Kontrollcode zusammengestellt, und wenn er nicht mit dem in der Kennung geschriebenen übereinstimmt, bedeutet dies einen Fehler beim Lesen).

Das Datenfeld dient zur Speicherung grundlegender Informationen. Die Eignung von Bereichen für die Aufnahme wird bei der Formatierung ermittelt. Das Datenfeld beginnt mit einer Adressmarkierung und endet mit Steuerbytes. Schauen wir uns die Organisation der Daten im NGMD genauer an.

KörperlichOrganisationDaten

Vor der Verwendung einer leeren Diskette muss diese markiert werden. Das Verfahren zum Markieren (Formatieren) einer Diskette besteht darin, dass Dienstzeichenfolgen, Format genannt, an bestimmten Stellen auf jeder Spur geschrieben werden. Das Format ist so konzipiert, dass die Laufwerksadapterausrüstung die Position des Kopfes auf der Spur eindeutig bestimmen, zum richtigen Zeitpunkt von der Suche nach dem gewünschten Sektor zum Schreiben oder Lesen des Datenfelds wechseln und die Genauigkeit der geschriebenen und gelesenen Daten überprüfen kann . Alle Datenschreibvorgänge werden von der Akkumulation und Aufzeichnung von zwei Prüfsummenbytes am Ende des Datenfelds begleitet. Diese Prüfsumme, auch zyklische Redundanzprüfung (CRC) genannt, wird mithilfe eines Polynoms berechnet, das unten dargestellt ist:

X16 + X12 + X5 + X + 1

Während des Lesens und Überprüfens von Daten in den internen Registern des NGMD-Controllers wird eine Prüfsumme nach demselben Algorithmus akkumuliert und anschließend die akkumulierten und geschriebenen Prüfsummen verglichen. Bei Übereinstimmung gelten die gelesenen bzw. verifizierten Daten als zuverlässig; bei Nichtübereinstimmung wird ein Datenfehlersignal generiert.

LogischOrganisationDaten

Wie oben erwähnt, ist der erste Vorgang, der auf einer neuen Festplatte ausgeführt wird, das Formatieren. Durch diesen Vorgang erhält die Scheibe ihre endgültige Struktur. Bei der Formatierung werden insbesondere die Anzahl der Spuren und die Anzahl der Sektoren pro Spur ermittelt.

Das MS-DOS-Betriebssystem verfügt über vier logische Bereiche einer Diskette:

1) Bootsektor;

2) Dateizuordnungstabelle – FAT (Files Allocation Table);

3) Katalog;

4) Datenbereich.

Der Bootsektor enthält ein kurzes Programm zum Booten des Betriebssystems in den Arbeitsspeicher des Computers. Unabhängig vom Aufnahmeformat belegt dieses Programm immer einen Sektor – den ersten Sektor auf Zylinder Nummer Null. Die folgenden Sektoren enthalten die File Allocation Table (FAT). Es enthält Informationen, die den Speicherort der auf die Diskette geschriebenen Dateien bestimmen. Beachten Sie, dass benachbarte Dateifragmente nicht unbedingt in benachbarte Sektoren geschrieben werden. Neue Dateien können Speicherplatz beanspruchen, der durch das Löschen zuvor aufgezeichneter Dateien frei wird. Aufgrund der Bedeutung der in FAT gespeicherten Informationen befinden sich zwei Kopien der Tabelle auf der Diskette. Direkt hinter der Dateizuordnungstabelle befindet sich ein Verzeichnis. Es zeichnet die grundlegenden Parameter (z. B. Länge) der in den Datenbereich geschriebenen Dateien auf.

Die Größe des Datenbereichs, des Verzeichnisses und der FAT hängt von der Anzahl der Sektoren auf der Diskette ab, die wiederum vom Datenaufzeichnungsformat bestimmt wird. Unter MS-DOS beträgt die Sektorlänge 512 Byte, die Anzahl der Sektoren kann jedoch variieren und hängt von der Systemversion und dem Laufwerkstyp ab.

heimStiefelUndStiefelaufzeichnen

Der erste Sektor einer Diskette (Sektor 1, Spur 0, Kopf 0) enthält den sogenannten Master Boot Record. Dieser Eintrag belegt nicht den gesamten Sektor, sondern nur seinen Anfangsteil.

Der Master Boot Record selbst ist ein Programm. Beim ersten Booten des Betriebssystems mit NMD wird dieses Programm an der Adresse 7COOh: OOOOh abgelegt und anschließend die Kontrolle darauf übertragen. Der Boot-Record setzt den Bootvorgang des Betriebssystems fort.

Der erste Sektor der aktiven Partition enthält den Boot Record, der nicht mit dem Master Boot Record verwechselt werden sollte. Der Boot-Record wird vom Master-Boot-Record in den RAM eingelesen und anschließend wird ihm die Kontrolle übertragen. Der Boot-Record ist das, was das Betriebssystem startet.

Der erste Sektor auf der Systemdiskette wird vom Boot Record unterschätzt. Dieser Datensatz wird vom Master Boot Record-Programm von der aktiven Festplattenpartition gelesen und ausgeführt. Die Aufgabe des Boot-Records besteht darin, das Betriebssystem zu booten. Jeder Betriebssystemtyp verfügt über einen eigenen Boot-Record. Sogar für verschiedene Versionen Das Bootprogramm kann verschiedene Aktionen auf demselben Betriebssystem ausführen.

Zusätzlich zum Startprogramm des Betriebssystems enthielt der Startdatensatz Parameter, die die Eigenschaften eines bestimmten logischen Laufwerks beschreiben. Alle diese Parameter befinden sich ganz am Anfang des Sektors, in seinem sogenannten formatierten Bereich. Das Format dieses Bereichs hat sich in Version 4.0 des MS-DOS-Betriebssystems geändert.

Logische Sektornummern MS-DOS bietet dem Programm die Möglichkeit, mit sogenannten logischen Sektornummern zu arbeiten. Dies sind die Sektornummern innerhalb des logischen Laufwerks.

Um einen Sektor mithilfe von BIOS-Funktionen anzusprechen, müssen Sie die Spurnummer, die Kopfnummer und die Sektornummer auf der Spur angeben. MS-DOS organisiert eine „End-to-End“-Sektornummerierung, bei der jedem Sektor der logischen Festplatte eine eigene Nummer zugewiesen wird. Die Nummerierungsreihenfolge wird so gewählt, dass bei sequenzieller Erhöhung der Sektornummer zuerst die Kopfnummer und dann die Spurnummer erhöht wird. Dies geschieht, um die Bewegung des Kopfblocks beim Zugriff auf aufeinanderfolgende logische Sektornummern zu reduzieren.

Nehmen wir zum Beispiel an, wir haben eine Diskette mit neun Sektoren auf einer Spur. Auf der Spur Null befindet sich ein Sektor mit einer logischen Nummer gleich Eins, auf den über Kopf Null zugegriffen wird. Dies ist der erste Sektor auf der Spur, er trägt die Nummer 1. Der nächste Sektor auf Spur Null hat die logische Nummer 2, der letzte Sektor auf Spur Null hat die logische Nummer 9. Der Sektor mit der logischen Nummer 10 liegt ebenfalls auf Spur Null. Dies ist auch der erste Sektor auf der Spur, aber jetzt wird Kopf Nummer 1 verwendet, um darauf zuzugreifen. Und so weiter, wenn die logische Sektornummer zunimmt, ändern sich die Kopf- und Spurnummern.

GeradeUndkonsistentZugang

Beginnen wir mit Magnetbändern. Bei der Verwendung von Magnetbändern werden Informationen in Form von sequentiellen Zugriffsdateien aufgezeichnet. Sequentieller Zugriff bedeutet, dass Sie zum Lesen einer Datei zunächst alle vorherigen Dateien lesen (oder anzeigen) müssen. Bei der Aufnahme können Informationen am Ende des Bandes nach den zuletzt aufgezeichneten Informationen hinzugefügt werden.

Bei einem Gerät wie einer Magnetplatte ist es möglich, Informationen entweder mit einer seriellen oder einer Direktzugriffsmethode aufzuzeichnen. Durch die Verwendung der Direktzugriffsmethode kann das Programm die Köpfe sofort positionieren erforderliche Datei. Beim Lesen eines Datensatzes können Sie beispielsweise die Sektornummer auf einer bestimmten Spur und die Nummer des Kopfes, in dem er sich befindet, oder den Offset des Datensatzes relativ zum Anfang der Datei in Bytes angeben.

Im Allgemeinen ist die Direktzugriffsmethode effizienter.

1.4 Adapter für Schwimmerantriebe

Um die Steuerung des Betriebs des Float-Laufwerks und die Koordination der Festplattenschnittstellen mit der Systembus-Schnittstelle als Teil des PCs zu gewährleisten, ist eine elektronische Ausrüstung des Float-Laufwerksadapters erforderlich.

Der Float-Laufwerksadapter übersetzt Befehle vom BIOS-ROM in elektrische Signale, die das Float-Laufwerk steuern, und wandelt außerdem den vom Magnetkopf gelesenen Impulsfluss in vom PC reproduzierte Informationen um. Strukturell kann die elektronische Ausstattung des HDD-Adapters auf der Systemplatine platziert oder mit der Ausstattung anderer Adapter (HDD-Anschlüsse etc.) kombiniert werden. Die meisten Adapter sind für den Betrieb mit Laufwerken konzipiert, die den MFM-Code verwenden. Der Hauptfunktionsblock des Float-Drive-Adapters ist der Float-Drive-Controller, der üblicherweise in Form eines LSI ausgeführt ist. Am häufigsten werden IC 8272 von Intel und IC 765 von NEC als LSD-Controller für NGMD verwendet.

Für den Zentralprozessor ist der Float-Drive-Adapter per Software über ein Steuerregister und zwei Ports des Float-Drive-Controllers – ein Statusregister und ein Datenregister – zugänglich.

Der Wert einzelner Bits des Steuerregisters wird bestimmt durch: Auswahl des Float-Laufwerks, Zurücksetzen des Controllers, Einschalten der Engine, Aktivieren von Interrupts und DMA. Um den Informationsaustausch zwischen dem Zentralprozessor und dem Adapter zu organisieren, wird ein schreibgeschütztes Controller-Statusregister verwendet.

Das Datenregister dient zur Speicherung von Daten, Befehlen, Parametern und Informationen über den Status des Float-Antriebs. Beim Schreiben dient das Datenregister als Puffer, in den byteweise Daten vom Prozessor geliefert werden.

Der Adressdecoder erkennt die Basisadressen der per Software zugänglichen Register.

Der Float-Antriebscontroller führt eine Reihe von Befehlen aus, darunter Positionierung, Formatierung, Lesen, Schreiben, Statusprüfung usw. Die Ausführung jedes Befehls erfolgt in drei Phasen: Vorbereitung, Ausführung und Abschluss. In der Vorbereitungsphase übermittelt der Zentralprozessor Steuerbytes an die Steuerung, die den Operationscode und die für seine Ausführung notwendigen Parameter enthalten. Basierend auf den Steuerinformationen in der Ausführungsphase führt der Controller die durch den Befehl angegebenen Aktionen aus. In der letzten Phase werden die Inhalte der Statusregister, die Informationen über die Ergebnisse der Ausführung eines bestimmten Befehls und den Zustand des Float-Laufwerks speichern, über das Datenregister gelesen.

Eine ordnungsgemäß verwendete Diskette hält mehrere Monate Dauerbetrieb auf einer Spur aus, es befinden sich jedoch mehrere Dutzend solcher Spuren auf der Diskette. Disketten Gute Qualität Namhafte und erfahrene Hersteller garantieren durchschnittlich 70 Millionen Kopfdurchläufe entlang der Strecke, was in der Praxis einer intensiven Nutzung von mehr als 20 Jahren entspricht. Die Regeln für die Arbeit mit Datenträgern empfehlen, die Oberfläche der Datenträger nicht mit den Händen zu berühren, Datenträger nicht in die Nähe eines starken Magnetfelds zu halten und sie keiner Hitze auszusetzen. Und natürlich ist es am besten, eine Kopie davon zu erstellen, falls die Festplatte ausfällt. An dieser Stelle möchte ich nun auf Festplatten eingehen.

2. Festplattenlaufwerke

Die Entwicklung von Personalcomputern geht mit Veränderungen bei der Festplattenspeicherung einher. Hartmagnetplatten oder „Festplatten“ sind ein wesentlicher Bestandteil eines Personalcomputers. Die ersten PCs verfügten nicht über solche Laufwerke, PC XT-Computer nutzten diese Geräte bereits und PC/AT Festplatte wurde besondere Bedeutung beigemessen. Das erste Festplattenlaufwerk (HDD) erschien bereits im Juni 1956. Und selbst sein Schöpfer, Reynolds Johnson, Leiter eines der IBM-Forschungslabors, konnte sich höchstwahrscheinlich kaum vorstellen, welche enormen Auswirkungen seine Erfindung auf die spätere Entwicklung des Festplattenlaufwerks haben würde Computerindustrie. Die erste Festplatte hatte eine Kapazität von etwa 5 MB. Das Gerät bestand aus 50 Scheiben mit einem Durchmesser von 24 Zoll, die sich mit einer Frequenz von 1200 U/min drehten, die durchschnittliche Suchzeit betrug etwa 1 s.

Der Name der Festplatte – hart – unterstreicht den Unterschied zu einer flexiblen Festplatte: Auf einem starren Substrat ist eine magnetische Beschichtung aufgebracht. Der Begriff Festplatte wird hauptsächlich im englischsprachigen Raum verwendet. Die erste Festplatte kam 1973 auf den Markt und trug die Codierung „30/30“ (doppelseitige Festplatte mit einer Kapazität von 30 + 30 MB). Diese Codebezeichnung stimmte mit der Kaliberbezeichnung des legendären Winchester-Jagdgewehrs überein, das bei der Eroberung des Wilden Westens verwendet wurde. Die Festplattenentwickler hatten die gleichen Absichten; Der Name „Winchester“ verbreitete sich. Derzeit produzieren sowohl große Hersteller als auch Tochterunternehmen mehrere Dutzend Arten von Festplatten. Oft werden originale Baumaterialien verwendet, es gibt Unterschiede in der Lage der Knoten, aber die Funktionsweise der meisten Antriebe ist gleich.

2.1 Physisches Gerät der Festplatte

Festplattenlaufwerke vereinen die Medien und das Lese-/Schreibgerät in einem Gehäuse sowie häufig auch einen Schnittstellenteil, den sogenannten Festplattencontroller. Bei einer Festplatte handelt es sich um mehrere mit einer Magnetschicht beschichtete Aluminiumplatten, die zusammen mit dem Lese- und Schreibmechanismus in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse innerhalb der Systemeinheit untergebracht sind. Das Festplattenlaufwerk sieht aus wie ein robustes Metallgehäuse, an dessen Unterseite eine Leiterplatte mit elektronischen Bauteilen befestigt ist (Abb. 4 in Anhang 1). Es ist vollständig versiegelt und schützt das Laufwerk vor Staubpartikeln, die, wenn sie in den engen Spalt zwischen Kopf und Plattenoberfläche gelangen, die empfindliche Magnetschicht beschädigen und die Platte beschädigen können (Abb. 5 in Anhang 1). Darüber hinaus schirmt das Gehäuse das Laufwerk vor elektromagnetischen Störungen ab. Das Gehäuse enthält Elemente zur Sicherung des Laufwerks im Computer. Im Inneren des Gehäuses befinden sich alle Mechanismen und einige elektronische Komponenten (Abb. 6 in Anhang 1). Die Mechanismen sind die Platten selbst, auf denen Informationen gespeichert sind, die Köpfe, die Informationen auf die Platten schreiben und lesen, und die Motoren, die alles in Bewegung setzen. Darüber hinaus verfügen einige Antriebsarten über einen Luftfilter im Inneren, der im Betrieb entstehende Staubpartikel absorbiert. Das Öffnen des Gehäuses ist nur unter Produktionsbedingungen möglich, in der sogenannten „Clean Zone“, die das Eindringen von Staub und anderen Schadstoffen verhindert. Laufwerke ausländischer Hersteller tragen in der Regel eine besondere Beschriftung auf der Gehäuseoberseite. Die Aufschrift dient meist als Sicherheitssiegel und lautet wie folgt: „Beim Öffnen des Produkts erlischt die Garantie.“

Auf der Vorderseite des Laufwerks ist häufig eine LED-Anzeige zu sehen. Diese Anzeige leuchtet auf, wenn auf diese Festplatte zugegriffen wird. Bei PCs wie IBM PC/XT älterer Modelle kommt es bei Verwendung von zwei Festplatten zu Originalzustand Beide Anzeigen sind ausgeschaltet und eine davon ist nur eingeschaltet, während der Controller die „Select“-Schnittstellenleitung aktiviert. Bei PCs vom Typ IBM PC/AT und bei IBM PC/XT neuer Modelle leuchtet die Anzeige einer der Festplatten ständig, weil Der Controller setzt das „Auswahl“-Signal der Festplatte, auf die zuletzt zugegriffen wurde, nicht zurück. Dementsprechend ist bei Verwendung einer Festplatte in diesen Modellen diese immer eingeschaltet. Der tatsächliche Zugriff auf die Festplatte wird auf der Vorderseite des PCs angezeigt.

Die Scheibe ist eine runde Metallplatte mit einer sehr glatten Oberfläche, die mit einer dünnen ferromagnetischen Schicht beschichtet ist. Die Technologie seiner Anwendung ähnelt der bei der Herstellung integrierter Schaltkreise verwendeten Technologie.

Die Anzahl der Scheiben kann unterschiedlich sein, die Anzahl der Arbeitsflächen ist dementsprechend doppelt so groß (zwei auf jeder Scheibe). Letzteres (sowie das für die magnetische Beschichtung verwendete Material) bestimmt harte Kapazität Scheibe. Manchmal werden die Außenflächen der Außenscheiben (oder eine davon) nicht genutzt, wodurch die Höhe des Antriebs reduziert werden kann, gleichzeitig aber auch die Anzahl der Arbeitsflächen reduziert wird und möglicherweise ungerade ausfällt.

Magnetköpfe lesen und schreiben Informationen auf Datenträger. Das Aufnahmeprinzip ähnelt im Allgemeinen dem eines herkömmlichen Tonbandgeräts. Digitale Informationen werden in einen elektrischen Wechselstrom umgewandelt, der dem Magnetkopf zugeführt und dann an die Magnetplatte übertragen wird, jedoch in Form eines Magnetfelds, das die Platte wahrnehmen und „merken“ kann.

Die magnetische Beschichtung der Scheibe besteht aus vielen winzigen Bereichen spontaner Magnetisierung. Stellen Sie sich zur Veranschaulichung vor, dass die Scheibe mit einer Schicht sehr kleiner Kompasspfeile bedeckt ist, die in verschiedene Richtungen zeigen. Solche Pfeilpartikel werden Domänen genannt. Unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes richten sich die domäneneigenen Magnetfelder entsprechend ihrer Richtung aus. Nach Beendigung des äußeren Feldes bilden sich auf der Oberfläche der Scheibe Zonen mit Restmagnetisierung. Auf diese Weise werden die auf der Festplatte aufgezeichneten Informationen gespeichert. Bereiche mit Restmagnetisierung induzieren, wenn sich die Platte gegenüber dem Spalt des Magnetkopfes dreht, in ihr eine elektromotorische Kraft, die je nach Größe der Magnetisierung variiert. Um Daten korrekt lesen zu können, erfordert eine Erhöhung der Aufzeichnungsdichte eine entsprechende Verringerung der sogenannten „magnetischen Dicke“. Es ist numerisch gleich dem Produkt aus dem magnetischen Moment und der Dicke der magnetischen Schicht. Die bisher verwendete traditionelle Lösung besteht darin, eine dünnere magnetische Schicht zu verwenden, was wiederum eine geringere magnetische Domänenenergie bedeutet. Aber je kleiner die magnetische Domäne ist, deren Magnetisierungsrichtung durch das Informationsbit (0 oder 1) bestimmt wird, desto weniger Energie ist erforderlich, um die Magnetisierungsrichtung in die entgegengesetzte Richtung zu ändern. Es scheint, dass eine Reduzierung der Domänengröße von Vorteil ist, aber sobald die zur Änderung der Magnetisierungsrichtung erforderliche Energie mit der thermischen Energie der Partikel vergleichbar ist, können Festplatten nicht mehr als zuverlässige Möglichkeit zur Datenspeicherung angesehen werden. Denn ein Temperaturanstieg um mehrere Grad führt automatisch zu einem Datenverlust ohne Wiederherstellungsmöglichkeit, da sich die Magnetisierungsrichtung unter dem Einfluss von Wärme zufällig ändert. Dieses Phänomen wird allgemein als Superparamagnetismus-Effekt bezeichnet. Bei Produktionsmustern wird dies natürlich nicht passieren, da kein Hersteller bereit ist, das Volumen zu erhöhen und dafür das Risiko eines Datenverlusts in Kauf zu nehmen. Allerdings wächst die Informationsmenge täglich, was bedeutet, dass die Menge der auf Datenträgern gespeicherten Informationen, d.h. An die Stelle der Festplatten könnten irgendwann Datenspeicher treten, die mit einer völlig anderen Technologie arbeiten. Die Forschung in diese Richtung ist bereits im Gange.

Das auf der Spindelachse montierte Scheibenpaket wird von einem kompakt darunter angeordneten Spezialmotor angetrieben. Um die Betriebsbereitschaft des Antriebs zu verkürzen, läuft der Motor beim Einschalten einige Zeit im Zwangsmodus. Daher muss das Netzteil des Computers über eine Spitzenleistungsreserve verfügen.

Die Köpfe bewegen sich mit Hilfe eines Präzisions-Schrittmotors und scheinen in einem Abstand von Bruchteilen eines Mikrometers von der Oberfläche der Platte zu „schweben“, ohne diese zu berühren. Der Kopfhalter ist ein Flügel, der über der Oberfläche schwebt, da die Oberfläche Luftpartikel mit sich führt und so eine Strömung erzeugt, die auf den Flügel strömt. Durch die Aufzeichnung von Informationen entstehen auf der Oberfläche der Platten magnetisierte Bereiche in Form konzentrischer Kreise. Sie werden Magnetspuren genannt. Eine Spur ist ein konzentrischer Ring auf der Oberfläche einer Magnetplatte, auf den Daten geschrieben werden, und ein Sektor ist eine Unterteilung von Plattenspuren, die die vom Laufwerk verwendete Grundeinheit der Größe darstellt. Sektoren enthalten typischerweise 512 Bytes.

Derzeit werden zur Positionierung von Lese-/Schreibköpfen am häufigsten Schritt- und Linearmotoren oder Positionierungsmechanismen und Mechanismen zum Bewegen von Köpfen im Allgemeinen verwendet.

Bei Systemen mit Schrittmechanismus und Motor bewegen sich die Köpfe um einen bestimmten Betrag, der dem Abstand zwischen den Spuren entspricht. Die Diskretion der Schritte hängt entweder von den Eigenschaften des Schrittmotors ab oder wird durch Servomarkierungen auf der Platte eingestellt, die magnetischer oder optischer Natur sein können. Zum Lesen magnetischer Markierungen wird ein zusätzlicher Servokopf verwendet, zum Lesen optischer Markierungen kommen spezielle optische Sensoren zum Einsatz.

Bei Systemen mit Linearantrieb werden die Köpfe durch einen Elektromagneten bewegt, und zur Bestimmung der erforderlichen Position werden spezielle Servicesignale verwendet, die während der Produktion auf dem Medium aufgezeichnet und bei der Positionierung der Köpfe ausgelesen werden. Viele Geräte nutzen eine ganze Oberfläche und einen speziellen Kopf oder optischen Sensor für Servosignale. Diese Methode zum Organisieren von Servodaten wird als dedizierte Servoaufzeichnung bezeichnet. Wenn Servosignale auf dieselben Spuren wie Daten geschrieben werden und ihnen ein spezieller Servosektor zugewiesen wird und das Lesen von denselben Köpfen wie das Lesen von Daten erfolgt, wird dieser Mechanismus als integrierte Aufzeichnung von Servosignalen bezeichnet. Die dedizierte Aufzeichnung sorgt für eine höhere Leistung, während die integrierte Aufzeichnung die Kapazität des Geräts erhöht.

Linearaktuatoren bewegen Köpfe viel schneller als Schrittaktuatoren und ermöglichen auch kleine radiale Bewegungen „innerhalb“ der Spur, wodurch die Mitte des Kreises der Servospur verfolgt werden kann. Dadurch wird die beste Kopfposition zum Lesen jeder Spur erreicht, was die Zuverlässigkeit der gelesenen Daten erheblich erhöht und zeitaufwändige Korrekturverfahren überflüssig macht. Grundsätzlich verfügen alle Linearantriebsgeräte über einen automatischen Mechanismus zum Parken der Schreib-/Leseköpfe, wenn das Gerät ausgeschaltet ist.

Beim Parken der Köpfe werden diese in eine sichere Position gebracht. Dies ist die sogenannte „Parkposition“ der Köpfe im Bereich der Scheiben, auf denen die Köpfe aufliegen. Normalerweise werden dort außer Servodaten keine Informationen aufgezeichnet; es handelt sich um eine spezielle „Landezone“. Um den Kopfantrieb in dieser Position zu fixieren, verwenden die meisten Festplatten einen kleinen Permanentmagneten, wenn sich die Köpfe in der Parkposition befinden – dieser Magnet steht in Kontakt mit der Unterseite des Gehäuses und verhindert unnötige Vibrationen des Kopfpositionierers. Wenn der Antrieb startet, „reißt“ die Steuerschaltung des Linearmotors die Verriegelung ab und liefert einen erhöhten Stromimpuls an den Motor, der die Köpfe positioniert. Eine Reihe von Antrieben nutzen auch andere Fixierungsmethoden – beispielsweise basierend auf dem Luftstrom, der durch die Rotation der Scheiben entsteht. Im geparkten Zustand kann das Laufwerk unter relativ schlechten physikalischen Bedingungen (Vibrationen, Stöße, Erschütterungen) transportiert werden, da Es besteht keine Gefahr einer Beschädigung der Medienoberfläche durch die Köpfe. Derzeit wird bei allen modernen Geräten das Parken des Antriebskopfes automatisch durch die internen Schaltkreise der Steuerung beim Ausschalten der Stromversorgung durchgeführt und erfordert keine zusätzlichen Softwarevorgänge, wie dies bei den ersten Modellen der Fall war.

Während des Betriebs unterliegen alle mechanischen Teile des Laufwerks einer thermischen Ausdehnung und die Abstände zwischen den Spuren, Spindelachsen und Schreib-/Lesekopf-Positionierer ändern sich. Im Allgemeinen hat dies keinerlei Auswirkungen auf die Funktion des Antriebs, da sie der Stabilisierung dienen. Rückmeldungen Allerdings kalibrieren einige Modelle von Zeit zu Zeit den Kopfantrieb neu, begleitet von einem charakteristischen Geräusch, das an das Geräusch beim ersten Start erinnert, und passen das System an veränderte Entfernungen an.

Die Anzahl der Platten, Köpfe und Spuren des Laufwerks wird vom Hersteller basierend auf den Eigenschaften und der Qualität der Platten festgelegt. Diese Eigenschaften können nicht geändert werden. Die Anzahl der Sektoren auf einer Festplatte hängt von der Aufzeichnungsmethode ab. Ein Sektor enthält 512 Bytes (in einem DOS-System). Wenn Sie diesen Wert kennen, können Sie jederzeit das gesamte Speichervolumen berechnen:

V - C H S B

wobei C die Anzahl der Zylinder ist; N – Anzahl der Köpfe; S – Anzahl der Sektoren pro Spur; B ist die Sektorgröße.

Die oben beschriebene Aufteilung wird als LowLewel-Formatierung bezeichnet. Diese Low-Level-Formatierung wird am häufigsten vom Hersteller mithilfe spezieller Formatierungen durchgeführt Software(wie Speed ​​Store oder Disk Manager) oder DOS-Befehle. Bevor Sie die Datenträger zum ersten Mal verwenden, müssen Sie sie logisch formatieren – initialisieren Sie sie auf besondere Weise (mit dem Formatierungsprogramm). In Verbindung zu treten Festplatte Es wird der Name verwendet, der durch den lateinischen Buchstaben C: angegeben wird. Falls installiert zweite hart Auf der Festplatte wird ihm der nächste Buchstabe des lateinischen Alphabets D: zugewiesen.

Der Computer bietet die Möglichkeit, mithilfe einer speziellen Funktion Systemprogramm Teilen Sie eine Festplatte bedingt in mehrere auf. Solche Datenträger, die nicht als separates physisches Gerät existieren, sondern nur einen Teil eines physischen Datenträgers darstellen, werden als logische Datenträger bezeichnet. Logischen Laufwerken werden Namen mit den Buchstaben des lateinischen Alphabets C:, D:, E:, F: usw. zugewiesen.

Zusätzlich zur eingebauten internen Festplatte Systemeinheit, ein Personal Computer kann Speichergeräte auf Wechselfestplatten verwenden, die in der Regel ein in sich geschlossenes äußeres Design haben.

Das Speichern und Abrufen von Daten auf einer Festplatte erfordert eine Interaktion zwischen dem Betriebssystem, dem Festplattencontroller und den elektronischen und mechanischen Komponenten der Festplatte selbst.

Die Festplattenelektronik ist an der Unterseite der Festplatte versteckt. Es dekodiert die Befehle des Festplattencontrollers und übermittelt sie in Form einer variierenden Spannung an einen Schrittmotor, der die Magnetköpfe zum gewünschten Zylinder der Festplatte bewegt. Darüber hinaus steuert es den Spindelantrieb, stabilisiert die Rotationsgeschwindigkeit des Plattenpakets, erzeugt beim Schreiben Signale für die Köpfe, verstärkt diese Signale beim Lesen und steuert den Betrieb anderer elektronischer Komponenten des Laufwerks. Die Elektronikplatine eines modernen Festplattenlaufwerks ist ein unabhängiger Mikrocomputer mit eigenem Prozessor, Speicher, eigenen Ein-/Ausgabegeräten und anderen traditionellen Eigenschaften eines Computers. Auf der Platine befinden sich möglicherweise viele Schalter und Jumper, aber nicht alle davon sind für den Benutzergebrauch vorgesehen. In den Benutzerhandbüchern wird in der Regel nur der Zweck der Jumper beschrieben, die mit der Auswahl der logischen Adresse des Geräts und seines Betriebsmodus verbunden sind, und bei Laufwerken mit SCSI-Schnittstelle die Jumper, die für die Steuerung der Widerstandsbaugruppe (Stabilisierung der Last im Stromkreis) verantwortlich sind. .

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Anzeigen von Text- oder Grafikinformationen auf einem Computer. Dateneingabe und Verwaltung verschiedener Betriebssystemobjekte. Externe und interne Geräte. Geräte zum Aufzeichnen und Lesen von Informationen auf flexiblen Magnet- und Hartmagnetplatten.

Festplatten vom Typ Winchester sind für die langfristige Speicherung von Informationen als Teil eines Computers konzipiert. Den Namen „Festplatte“ erhielt die Festplatte im Jahr 1973, als IBM eine versiegelte Packung aus zwei austauschbaren Festplatten mit jeweils 30 MB herstellte. Benutzer assoziierten die Zahlen 30/30 mit dem Kaliber der in den USA beliebten Doppelflinte Winchester 30/30. Im Jahr 1983 wurden PC XT-Computer mit nicht entfernbaren Festplatten mit einer Kapazität von 10 MB und einer durchschnittlichen Zugriffszeit von 100 ms ausgestattet.

Magnetischer Speicher Hergestellt aus Aluminiumlegierung oder Glasplatten mit einem Durchmesser von 3,5 oder 2,5 und einer Dicke von 0,125 Zoll. Auf die Platten werden durch Sputtern mehrere dünne Schichten aus magnetischen und nichtmagnetischen Materialien aufgebracht, die sich in kleinen Bereichen der Oberfläche magnetisieren lassen. Die Platten sind auf der Achse eines kleinen geräuschlosen Spindelmotors (D) montiert, der sich mit konstanter Geschwindigkeit dreht (Abb. 4.3). Aufgrund von Beschränkungen hinsichtlich Größe und Gewicht der Festplatte, die als Teil eines Personalcomputers verwendet wird, ist die Anzahl der Platten begrenzt und beträgt derzeit nicht mehr als 12.

Meistens beträgt die Anzahl der Platten zwei bis vier (Köpfe 4 bis 8), und externe Festplatten haben manchmal nur eine interne Arbeitsfläche. Typischerweise haben Scheiben eine untere und eine obere Arbeitsfläche. An jede Arbeitsfläche ist ein Schreib-/Lesekopf (G1, ..., Gn) angeschlossen. Die Köpfe werden in Dünnschichttechnik hergestellt und sind spezielle Halbleiterkristalle mit einem U-förmigen Spalt zum Wafer hin. Die U-Form wird verwendet, um Auftrieb zu erzeugen, der durch die Luftbewegung beim Drehen der Scheiben erzeugt wird. Der Kopf schwebt mit einem in Mikrometern gemessenen Spalt über der Oberfläche.

Reis. 4.3. HDD-Diagramm

Derzeit verwenden Laufwerke mit mehr als 1 GB magnetoresistive Köpfe (MR), die einen Dünnschichtkopf (TF) zum Schreiben und einen magnetoresistiven Kopf zum Lesen enthalten. TFs sind Mikrospulen mit mehreren Windungen auf einer Miniaturplatine. Im Inneren der Spule befindet sich ein Kern aus einer Nickel-Eisen-Legierung mit hoher Induktion. Der Spalt im Kern wird durch Aufsprühen mit nichtmagnetischem Aluminium gefüllt und vor Beschädigungen beim Kontakt mit der Scheibe geschützt. Um eine Beschädigung der Platten durch Partikel zu verhindern, die in den Spaltbereich zwischen Kopf und Arbeitsfläche gelangen, werden die Scheiben in einem versiegelten Gehäuse untergebracht, das mit einem Inertgas gefüllt ist.

Das geringe Gewicht des Kopfes und der kleine Spalt zwischen der Platte und dem Kopf (ca. 15 nm) ermöglichen die Magnetisierung der Spur tief in der Oberfläche der Platte und gewährleisten so die Zuverlässigkeit des Aufzeichnens/Lesens und Speicherns von Informationen. Der zweite Teil des MR-Kopfes ist ein Lesekopf, der auf einem Sensorwiderstand basiert, der seinen Widerstand abhängig von der Stärke des Magnetfeldes ändert. Durch den Widerstand fließt ein konstanter Messstrom, der in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke zu den Zeitpunkten t sz bei der Bewegung entlang der Strecke variiert. Um Störungen durch benachbarte Gleise zu reduzieren, wird der Widerstand über das Gleis angehoben. Montage der Köpfe an gegeben i-th Die Spur (ein Zylinder mit einem Durchmesser di für alle Platten) wird durch eine Magnetspule (K) erzeugt, die den Antriebsgriff (P) bewegt, wie in gezeigt
Reis. 4.3. Um die Köpfe auf die gewünschte Spur zu bewegen, wird dem automatischen Trackingsystem (SU) ein Signal Ei zugeführt, das mit dem Signal verglichen wird X, kommend von einem speziellen Kopf (Гс) oder einem Kontakt mit variablem Widerstand R. Wenn es einen Unterschied in den verglichenen Signalen gibt, bewegt das Steuersystem den Magnetstab (Ш) in Richtung des erforderlichen Durchmessers di. Beim Ausschalten der Stromversorgung wird die Festplatte automatisch durch eine Feder (P) geparkt und bewegt die Köpfe in den inneren Bereich der Festplatte, normalerweise zum letzten Titel. Die Anzahl der Spuren richtet sich nach der Art des Laufwerks und beträgt bei Festplatten mehrere Tausend. Der kleine Spalt zwischen Kopf und Plattenoberfläche ermöglicht es, hohe radiale und lineare Aufzeichnungsdichten (100 Gbit/Quadratzoll) zu erreichen und die Festplattenkapazität auf mehrere zehn oder sogar Hunderte GB zu erhöhen.

Die Hauptparameter einer Festplatte sind Kapazität (Ё), Austauschgeschwindigkeit (Vpr) und Datenzugriffszeit (t cv). Die Kapazität eines Laufwerks ist direkt proportional zur Größe des Formfaktors (Größe). Der Formfaktor gibt den Abschnitt des Festplattenfachs an. Wenn es 3,5 x 1 ist, entspricht dies einem 4 x 1 x 6 Zoll großen Schacht, der für eine 3,5²-Festplatte verwendet wird. Je größer die Festplatten und deren Anzahl im Paket, desto größer ist die Kapazität. Mit zunehmendem Durchmesser der Platten auf verschiedenen Spuren ändern sich jedoch die Bewegungsgeschwindigkeit der Platte relativ zu den Köpfen, die Zeit, die die Köpfe für die Bewegung von der inneren zur äußeren Spur benötigen, und der durchschnittliche Zugriff erheblich die Zeit nimmt zu. Diese Parameter begrenzen die Produktion von Scheiben größer als 3,5. Daher kommt es aufgrund einer Zunahme von TPI, BPI und Methoden zum Kodieren und Dekodieren von Informationen ständig zu einer Erhöhung der Festplattenkapazität. Darüber hinaus können Sie durch die Erhöhung der Aufzeichnungsdichte die Datenlesegeschwindigkeit bei gleicher Feserhöhen. So erreichte Fujutsu im neuen 3,5-HDD-Modell eine Dichte von 10,2 GB auf einer 3,5-Platte mit MR-Köpfen und einem PRML-Kanal. Dieses Unternehmen produziert leise Festplatten mit Lagern mit Flüssigkeitsreibung. Andere Unternehmen produzieren Platten mit einer Aufnahmedichte pro Platte von 20 GB oder mehr.

Die Austauschgeschwindigkeit wird durch zwei Parameter charakterisiert: die Übertragungsrate zwischen HDD und RAM und die Übertragungsgeschwindigkeit zwischen Festplattenpuffer und Oberflächenfestplatte V d. Die Übertragungsrate (Transferrate) zwischen HDD und RAM wird durch den Wert gemessen V pr (Mb/s) als Verhältnis der Größe des übertragenen Arrays zur Zeit, die für seinen Versand aufgewendet wurde. Sie wird hauptsächlich durch den Schnittstellentyp bestimmt.

2.1. Datenübertragungsmodi

Zur Datenübertragung zwischen Festplatte und PC-Speicher werden zwei Modi verwendet:

PIO-Software-Eingabe-/Ausgabemodus;

DMA-Direktspeicherzugriffsmodus.

Im PIO-Modus werden Informationen aus dem Cache-Puffer (Festplatten-RAM) der Festplatte zunächst vom Zentralprozessor gelesen und erst dann in den Haupt-RAM geschrieben. Abhängig von der Dauer des Lesezyklus und der Anzahl der pro Plattenzugriff übertragenen Sektoren werden die Modi PIO0 (PIO Mode 0), PIO1, PIO2, PIO3, PIO4, PIO5 unterschieden. Die Eigenschaften der PIO-Modi sind in der Tabelle aufgeführt. 4.3.

Im PIO-Modus wird normalerweise der Inhalt eines Sektors (512 Bytes) pro Festplattenzugriff übertragen, im PIO-4-Modus sind es 16 (oder mehr) Sektoren. Dies trägt dazu bei, die Datenübertragungsrate von 3,3 MB im PIO 0-Modus auf 20 MB/s im PIO 5-Modus unter Verwendung von IDE- oder EIDE-Schnittstellen zu erhöhen.

Der PIO-Modus wird jedoch traditionell in Single-Tasking-Betriebssystemen verwendet. In Multitasking-Betriebssystemen werden häufiger DMA-Modi für den direkten Zugriff auf den Arbeitsspeicher verwendet. Die Dateneingabe/-ausgabe erfolgt in diesem Modus im PC-RAM unter Umgehung des MP. Der Austausch erfolgt unter der Kontrolle des HDD-Controllers in den Pausen zwischen den MP-Aufrufen an den RAM, was die Austauschgeschwindigkeit verringert, den MP jedoch von der Datenübertragung zwischen RAM und HDD befreit. Für DMA-Modi werden spezielle Controller und Treiber verwendet. Die DMA-Modi werden in Einzelwort-DMA 0,1,2 (Einzelwort) und Mehrwort-DMA 33.100 (Mehrwort) unterteilt, abhängig von der Anzahl der während eines Arbeitszyklus mit dem Systembus übertragenen Wörter. Die Merkmale früher DMA-Implementierungsmethoden sind in der Tabelle dargestellt. 4.4.

Um eine höhere DMA-Leistung bereitzustellen, wurde zunächst der Ultra DMA/33-Modus entwickelt und implementiert. Die von Quantum vorgeschlagene Ultra ATA/33-Schnittstelle (Ultra DMA/33 und ATA-33) ermöglicht die Datenübertragung im Multiword-DMA-Modus mit einer Geschwindigkeit von 33 Mbit/s. Im Gegensatz zum DMA 2-Modus werden im Ultra ATA/33-Modus (Abb. 4.4.) Daten an der steigenden und fallenden Flanke des Taktsignals (TI) übertragen. Dadurch können Sie die Übertragungsgeschwindigkeit verdoppeln, ohne die Taktfrequenz des Systembusses zu erhöhen. Der Ultra DMA/33-Standard unterscheidet sich von früheren Versionen der IDE nicht nur in der Austauschgeschwindigkeit. Zum ersten Mal wird ein zyklischer Prüfcode-Fehlererkennungsmechanismus verwendet.

Mit dem Aufkommen von Pentium-Prozessoren bieten EIDE-Controller Bus-Master-Funktionalität. Dies liegt daran, dass in Multitasking-Betriebssystemen der MP von der Ein-/Ausgabe von Daten zwischen dem RAM und der Festplatte befreit wird, um die Berechnungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Daher wurden externe Gerätecontroller (einschließlich EIDE) mit eigenen I/O-Mikroprozessoren ausgestattet. In diesem Fall gibt der MP einen Befehl an den EIDE-Controller, der ihm mitteilt, woher er die Daten beziehen soll und in welchem ​​Speicherbereich sie abgelegt werden sollen. Nach Erhalt dieser Anweisungen übernimmt der Controller die Kontrolle über den Systembus (PCI) und führt Vorgänge aus, um Daten von Speichergeräten (z. B. von einer Festplatte, CD-ROM-, CD-R-, CD-RW-Laufwerken) direkt in den RAM zu lesen Verwendung des DMA-Kanals. Allerdings ist der Leistungsvorteil des PCs bei Verwendung der Bus-Master-Funktion nur dann signifikant, wenn mehrere Anwendungen gleichzeitig ausgeführt werden. Die Bus-Master-Funktion wird von fast allen modernen Chipsätzen unterstützt.

(Dan. 1, Dan. 2)

Daten 1

Daten 2

Daten 4

Daten 3

Reis. 4.4. Das Prinzip der Datenübertragung in ATA- und Ultra ATA/33-Schnittstellen

Vorlesung 16: E/A-Geräteschnittstellen

IDE. IDE (ATA), EIDE (Fast ATA, ATA-2, ATA-3) und SCSI werden seit langem als Schnittstelle zwischen der Festplatte und dem Systembus auf dem Motherboard verwendet. Die erste IDE-Schnittstelle von Compaq und Western Digital, die auf einer Festplattenplatine für 8/16-Bit-ISA-Busse für AT-Computer integriert war und 1986 als IDE ATA bezeichnet wurde, wurde 1990 für die Bedienung von zwei Festplatten standardisiert. Die IDE-Schnittstelle erfreute sich bei PC-Herstellern und -Anwendern schnell großer Beliebtheit. Gleichzeitig stiegen die Kosten für die Festplatte leicht an und die Festplatte wurde direkt an einen Steckplatz auf der Systemplatine, bei dem es sich um einen verkürzten ISA-Bus-Steckplatz handelt, oder an eine Adapterplatine angeschlossen. Bisher verfügte das Adapterboard über einen integrierten HDD-Controller, sowie parallele und/oder serielle Schnittstellen und einen Game-Port. Neue Motherboards integrieren alle diese Komponenten direkt in einen der VLSI-Chipsätze. Die wichtigste Idee bei der Erstellung einer IDE besteht darin, die Hauptteile der Controllerplatine in der Festplatte selbst zusammenzubauen und deren Kompatibilität mit allen Motherboards sicherzustellen. Es ist für die gleichzeitige Verarbeitung eines Programm-Eingabe-/Ausgabevorgangs in den Modi PIO – 0, PIO – 1, PIO – 2 konzipiert. Im CHS-Format wird die Kapazitätsgrenze einer Festplatte mit IDE durch das Produkt bestimmt

Ё max = C ´ H ´ S (Zylinder x Köpfe x Sektoren)

Ё max = 65.536 ´ 16 ´ 255 ´ 512 (Byte) = 139,9 GB. Allerdings unterstützte der BIOS-Standard von Motherboards neuerdings nur Ё max = C ´ H ´ S = 1024 ´ 255 ´ 63 ´ 512 (Bytes) = 8,4 GB. Unter Berücksichtigung der gemeinsamen Einschränkungen von IDE und BIOS auf die Werte C, H, S begrenzte die maximale Kapazität der Festplatte ohne die entsprechende Software auf einen Wert gleich

Ё max = 1024 ´ 16 ´ 63 ´ 512 (Bytes) = 504 MB.

Im Rechner sind bereits Festplattenkapazitäten von 504 MB verbaut ich Da 486 nicht mehr ausreichte, wurde die ATA-IDE verbessert. Mit dem neuen EIDE-Standard können Sie die maximale Festplattenkapazitätsgrenze erweitern.

EIDE(Fast ATA) (Handelsname von Western Digital) PIO-3 und MultiWord DMA1 mit Mehrwortübertragung im Direktzugriffsmodus auf den RAM-Speicher. Das verbesserte Fast ATA2 unterstützt die Modi: PIO-4 und MultiWord DMA 2. Der neue EIDE-Standard mit einem modifizierten BIOS kann über den EIDE-Controller die Anzahl der Köpfe verdoppeln/vierfachen und gleichzeitig die Anzahl der Zylinder proportional reduzieren. Dadurch können Sie die maximale Festplattenkapazität auf 8,4 GB oder mehr erweitern, indem Sie beim FA den logischen LBA-Adressmodus implementieren< C, H, S >in eine logische 28-Bit-Adresse umgewandelt< C *, H *, S * >. Allerdings gibt es bei der Verwendung von FAT ein Problem, das die Festplattenkapazität begrenzt. Es liegt darin, dass mit zunehmender Festplattenkapazität die minimale Clustergröße (die Anzahl der Austauschsektoren und die kleinste Aufnahmekapazität) von 8 KB (für Festplatten bis 504 MB) auf 64 KB bei Festplatten mit hoher Kapazität steigt. Bei kleinen Dateigrößen werden diese Cluster nicht vollständig gefüllt. Der Speicher wird ineffizient genutzt.

Die Anzahl der an EIDE angeschlossenen Geräte kann bis zu vier betragen, einschließlich CD-ROMs oder Streamern. Mit den neuen EIDE-Modi können Sie Daten mit mehreren (2, 4, 8, 16 oder mehr) Standard-512-Byte-Sektoren (Multiple) in einem Austausch lesen. Und die neue IDE-Schnittstelle (ATA-3) unterstützt den Ultra DMA-Standard und ermöglicht es Ihnen, die Geschwindigkeit des Austauschs von Ultra DMA-Festplatten mit RAM über den Ultra DMA-Controller des Motherboards zu erhöhen. Im Ultra-Modus entspricht die Austauschgeschwindigkeit: DMA 0 – 16,6 Mbit/s; DMA 1 – 24,9 Mbit/s; DMA 2 (DMA 33) – 33,3 Mbit/s; Ultra ATA/66 – 66,6 Mbit/s; Ultra ATA/100 – 100 Mbit/s. Neue serielle 4-Draht-Schnittstelle Serial ATA-1.6 mit Austauschgeschwindigkeit (3 oder 6) Gbit/s wird entwickelt, um die Computergeschwindigkeit und Kompatibilität mit der parallelen IDE-Schnittstelle weiter zu erhöhen.

SCSI wurde entwickelt, um die Geschwindigkeit des Austauschs externer Geräte mit dem Systembus und die Anzahl der angeschlossenen Peripheriegeräte für Multitasking- und Mehrbenutzer-Betriebssysteme zu erhöhen. Es wird über einen Host-Adapter an PCI angeschlossen und verfügt über einen 8/16-Bit-Datenbus. Geräte werden mit ID-Nummern = 0, 1, ..., 7 an den SCSI-Bus angeschlossen. ID-Nummern ermöglichen den Austausch von Geräten über SD ohne Beteiligung des MP unter Verwendung von SCSI-Formaten und -Befehlen. Die SCSI-Schnittstelle unterstützt Ёmax = 8,4 GB. Durch die Erhöhung der Austauschgeschwindigkeit („fast“ – fast) und der Erweiterungsbusbreite („wide“ – multi-bit) ergeben sich folgende Modifikationen:

SCSI-1 – 8 Bit / bis zu 5 Mbit/s;

Fast SCSI (SCSI - 2) – 8 Bit / bis zu 10 Mbit/s;

Ultra SCSI – 8 Bit / bis zu 20 Mbit/s;

Fast Wide SCSI – 16 Bit / bis zu 20 Mbit/s;

Ultra Wide SCSI (SCSI - 3) – 16 Bit / bis zu 40 Mbit/s;

Ultra 160 SCSI – 160 Mbit/s;

Ultra 320 SCSI – 320 Mbit/s.

Fast alle Modifikationen von SCSI installieren einen Multisegment-Cache-Puffer mit einer Kapazität von mehr als 512 KB, um mehrere konkurrierende I/O-Prozesse gleichzeitig zu bedienen. Die SCSI-Schnittstelle hat gegenüber der ATA-Schnittstelle einige Vorteile:

Möglichkeit zum Anschluss von bis zu 27 Geräten (z. B. Ultra SCSI-III);

Möglichkeit zur Verbindung interner und Externe Geräte;

SCSI-Festplatten drehen mit hohen Geschwindigkeiten von 7200, 10000 oder 15.000 U/min und die Zugriffszeit auf sie beträgt weniger als 5–7 ms;

Das 50-adrige flache SCSI-Kabel kann bis zu 6 m lang sein.

Mehr haben als hochwertige Ausrüstung, SCSI kostet 1,5-mal mehr als ATA und wird am häufigsten in Servern verwendet.

2.3. Interliv

Bei modernen Festplatten hat der Interleave-Parameter (die Anzahl der Plattenumdrehungen zum Lesen der gesamten Spur), oder auch Interleave-Faktor genannt (Abb. 4.5), keinen wesentlichen Einfluss auf die Austauschleistung, wenn er ausreichend ist Cache-Puffer-Speicherkapazität. Die Berücksichtigung dieses Parameters ermöglicht es uns jedoch, das Prinzip des Festplattenaustauschs mit einem Cache-Puffer zu beschreiben. Während sich die Festplatte dreht, liest der Kopf einen 512-Byte-Sektor und sendet die Daten an das Pufferregister des Controllers, von wo aus die Daten an den Prozessor übertragen werden. Die Festplatte dreht sich weiter, der Lesekopf bewegt sich zum nächsten Sektor, aber der Controller ist mit einer begrenzten Cache-Puffergröße immer noch damit beschäftigt, Daten mit dem Prozessor auszutauschen. Um den nächsten Sektor zu lesen, wenn der Controller losgelassen wird, muss der Kopf daher auf eine vollständige Umdrehung der Festplatte warten oder einige Sektoren überspringen. Beim Lesen des gesamten Clusters, der sich in benachbarten Sektoren befindet, werden die Sektoren ohne Verzögerung nacheinander gelesen. Wenn die Pufferkapazität gering ist und eine Datenübertragung in den RAM erforderlich ist, werden einige Sektoren übersprungen, bis der Puffer freigegeben wird. Im 3:1-Modus (Abb. 4.5, B) werden zwei Sektoren übersprungen.

Reis. 4.5. Platzierung der Cluster im 1:1- und 3:1-Austauschmodus

Festplatten früherer Versionen sind so organisiert, dass sich die Sektoren der Datendatei nicht nacheinander, sondern in einer anderen Reihenfolge auf der Festplattenspur befinden, wobei das Zusammenspiel und die Möglichkeit zum Austausch mit dem MP durch Drehen berücksichtigt werden Festplatte. Gleichzeitig hat der Controller beim Positionieren des Kopfes genügend Zeit, Informationen ohne unnötige Plattenrotation zu übertragen. Beim Loslassen des Controllers greift dieser auf den entsprechenden Sektor zu.

Moderne Controller arbeiten nach einem anderen Prinzip: Um das kontinuierliche Lesen von Sektoren zu organisieren, werden Daten aus mehreren Sektoren („mit Verdacht“ auf deren Notwendigkeit) gelesen und in einem Cache-Puffer gespeichert, von wo aus sie später abgerufen werden können. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass der Controller im Diskettenlaufwerk untergebracht ist, in dem die Mechanik und Elektronik optimal funktionieren.

Die Geschwindigkeit der Datenübertragung V d zwischen dem Festplattenpuffer und der Plattenoberfläche wird neben der Suchzeit nach der gewünschten Spur t cp maßgeblich beeinflusst durch: die Rotationsgeschwindigkeit der Platten V c; Anzahl der physischen Sektoren S auf der Strecke; die Methode, sie abzuwechseln (Interliving); Cache-Puffergröße; Datentyp (sequentiell, fragmentiert) und Austauschmodus. Daher ist die Geschwindigkeit V d des Austauschs zwischen dem Festplattenpuffer und der Festplattenoberfläche y die besten Modelleüberschreitet in der Regel nicht 10 Mbit/s. Wenn die Spur bereits positioniert ist, wird die Austauschgeschwindigkeit hauptsächlich durch zwei Größen bestimmt: die Sektorsuchzeit (entspricht der halben Rotationsperiode T der Platte) und die Sektorlesegeschwindigkeit. Unter Berücksichtigung dieser Werte wird V d näherungsweise durch die Formel bestimmt:

V d = 0,5 ´ S ´ 512 / (T ´ I) (Kb/s),

wobei S die Anzahl der physischen Sektoren ist (S = 80 – 160 und abhängig von der Spurnummer);

T = 1 / V in – Rotationsperiode (bei V in = 7.200 U/min T » 8 ms);

I – Interleaving, die Anzahl der Festplattenumdrehungen, um die gesamte Spur zu lesen (für die besten Festplatten ist I = 1).

Wenn wir die besten Festplattenparameter einsetzen, erhalten wir V d » 160 ´ 0,5 ´ 512 / 8 ´ 1024 = 5 MB/s. Unter Berücksichtigung der Suchzeit t c für den gewünschten Titel ist die Austauschrate zwischen dem Festplatten-Cache-Puffer und der Plattenoberfläche V d geringer und wird durch die Befüllung der Platten bestimmt. Die Platten können nacheinander gefüllt werden (zuerst eine Platte, dann eine andere usw.) oder im Track-Fill-Modus, bei dem zuerst alle äußersten Spuren aller Platten gefüllt werden und dann die Aufnahme in die Mitte verschoben wird. Der Modus des Füllens mit Spuren ist häufiger anzutreffen, und daher haben Festplatten, die nicht mit Informationen gefüllt sind, eine höhere Leistung als gefüllte, da Informationen auf den internen Spuren langsamer gelesen werden und die Anzahl der Sektoren auf den Spuren nicht gleich ist - Auf den Innenzylindern gibt es weniger davon als auf den Außenzylindern.

2.4. Eigenschaften der Festplatte

Eine typische Block-HDD-Steuerschaltung, platziert auf einer Festplatten-Leiterplatte, ist in Abb. dargestellt. 4.6. Jede IDE- oder SCSI-Festplatte verfügt über ein Paket aus Magnetplatten, einen Block magnetisch-resistiver Köpfe, ein Positionierungssystem, einen Lese-/Schreibkanal, einen Datenseparator und einen Mikrocontroller. Der Datenseparator trennt Taktimpulse und Daten vom Eingangslesesignal. Der Mikrocontroller erkennt die Identifikations- und Sektordatenfelder anhand spezieller Adressmarkierungen. Das Kennungsfeld enthält verschlüsselte Informationen über die Sektoradresse< C, H, S >. Der MP stellt die korrekte Positionierung der Köpfe her und führt Schreib-/Lese-Mikrooperationen wie folgt durch.

Das digitale System der Festplatte empfängt Befehle vom Systembus vom Zentralprozessor über den Plattenaustausch-Mikrocontroller mit dem SCSI-Bus und enthält einen Sektorpuffer zur temporären Speicherung der am Austausch beteiligten Daten. Die MP CU des Antriebs übernimmt die vom Systembus kommende logische Adresse< C *, H *, S * >, wandelt es in eine physische Adresse um< С, H, S >, und positionieren Sie über den MP und die Motor- und Kopfantriebssteuerung den entsprechenden Zylinder C. Warum ist der Wert, der die Position bestimmt?< C >Zylinder auf Platte Ei, verglichen mit dem Positionssignal des Antriebsgriffs X(siehe Abb. 4.3). Wenn es eine Differenz ungleich Null gibt Ei - X Von der Steuereinheit wird ein Signal empfangen, das den Strom im Magnetventil K verstärkt und erregt, wodurch der Kopfantrieb je nach Vorzeichen der Nichtübereinstimmung tiefer in oder an den Rand der Platte bewegt wird.

Durch die Bewegung des Antriebsgriffs verringert sich der Wert von Ei - X auf Null und MP HDD entsprechend der Markierungsposition (durch Identifikationsfeldcode) verbindet den erforderlichen Kopf mit dem Sektor< S >und einen Schreib-/Lesekanal, einschließlich eines Encoders zum Schreiben oder eines Impulsdetektors und -decoders (DC) im Lesemodus.

Reis. 4.6. HDD-Steuerkreis

Die Eigenschaften einiger 3,5-Zoll-Festplatten sind in der Tabelle dargestellt. 4.5. Die Tabelle zeigt, dass die Rotationsgeschwindigkeit V der Scheiben zugenommen hat. Bei alten Festplatten lag sie bei 3.600 U/min, heute sind es meist 7.200 U/min. Nur bei teuren Festplatten mit SCSI-Schnittstelle sie beträgt 15.000 U/min. Hohe Festp(7.200 U/min) und die Bewegung mikroskopischer Köpfe ermöglichen es, bei den besten Festplattendesigns eine durchschnittliche Informationszugriffszeit von etwa 8 ms zu erreichen. Die Zeit, die benötigt wird, um den gewünschten Titel zu finden, hängt davon ab Startposition Köpfe und ist am kleinsten, wenn sich der Kopf auf einer benachbarten Spur befindet (Spur-zu-Spur-Suche) t cd. Der Wert von t cd für die besten Festplatten beträgt 1 – 3 ms.

Erfolgt die Suche zufällig mit einem gleich wahrscheinlichen Übergang zu einer beliebigen Spur, kann man von der durchschnittlichen Zugriffszeit (Average Seek) t cp sprechen. Die Kapazität neuer HDD-Modelle ist deutlich auf 20 GB oder mehr gestiegen. Um den Datenzugriff zu beschleunigen, sind alle Festplatten mit einem Cache-Puffer mit einer Kapazität von 2 MB und häufig 8 MB ausgestattet. Um die Zuverlässigkeit der Festplatte zu erhöhen, wird das S.M.A.R.T-Diagnose- und Fehlerbenachrichtigungssystem verwendet. und spezielle Methoden zur Fehlererkennung und -behebung.

Tabelle 4.5 Eigenschaften der Festplatte
Firmenmodell	E-Disk/Köpfe, GB	Vв, U/min	Cache-Puffer, MB	t cf, ms	Schnittstelle
IBM DTLA-307020	20.5 2/3	7 200	-	8.5	ATA/100
Maxtor DiamonMax80H8	81.9 4/8	5 400		9.0	ATA/100
Seagate Barracuda 180 ST1181677LW	181.6 12/24	7 200		8.2	Ultra 160 SCSI
Western Digital WD200BB	1/2	7 200		10.9	ATA/100
Fujitsu AL7LX MAM 3367NP	36.7 4/8	15 000		3.5	Ultra 320 SCSI ATA/100

S.M.A.R.T.-Technologie wurde unter Beteiligung der größten Festplattenhersteller entwickelt. Um die Zuverlässigkeit einer Festplatte zu analysieren, werden zwei Gruppen von Parametern verwendet: Parameter der natürlichen Alterung der Festplatte und aktuelle Parameter.

Zu den Parametern der ersten Gruppe gehören:

Anzahl der Motorumdrehungen während des Betriebs;

Die Anzahl der Lese-/Schreibkopfbewegungen während des Betriebs.

Zu den Parametern der zweiten Gruppe zählen beispielsweise:

Abstand zwischen Schreib-/Lesekopf und Arbeitsfläche;

Geschwindigkeit des Datenaustauschs zwischen Festplatten und Festplatten-Cache;

Anzahl der neu zugewiesenen fehlerhaften Sektoren;

Geschwindigkeit der Datensuche auf der Festplatte.

Alle Informationen S.M.A.R.T. auf speziellen Spuren aufgenommen. Es gibt drei Versionen (I, II, III) der S.M.A.R.T-Technologie. Im S.M.A.R.T. III wird eine Fehlervorhersage durchgeführt, ein Oberflächenscan durchgeführt und zusätzlich zu den vorherigen Versionen I, II werden Problemsektoren identifiziert und wiederhergestellt. Das BIOS ermöglicht dem Benutzer die Steuerung des S.M.A.R.T. mit der Ausgabe von Meldungen über den Status der Festplatte. Gleichzeitig beträgt die durchschnittliche Zeit zwischen Ausfällen einer MTBF-Festplatte, als durchschnittliche statistische Zeit zwischen Ausfällen, 500.000 Stunden (mit 40 - 50.000 Ein-/Aus-Zyklen), was eine Größenordnung höher ist als andere Computerkomponenten.

IBM, Fujitsu, Quantum und andere HDD-Unternehmen verwenden Glas- und Siliziumwafer anstelle von Aluminiumwafern, um die Aufzeichnungsdichte und Zuverlässigkeit aufgrund ihrer größeren Steifigkeit und Reinheit zu erhöhen. Dies hilft auch, ihr Gewicht zu reduzieren. Außerdem streben viele Unternehmen, zum Beispiel IBM, durch die Einführung neuer 27-mm-Standards danach, die Wafergröße zu reduzieren (je kleiner der Wafer, desto weniger Vibrationen). Unternehmensprognosen: Die Erhöhung der Informationsaufzeichnungsdichte wird bald 300 Gbit pro Quadratmeter erreichen. Zoll. Die Suche nach einer Alternative zu Magnetplatten geht weiter. Zu diesen Innovationen zählen organische magnetische Filme und Strukturen mit abgeschiedenen Zellen. Die Hersteller gehen davon aus, dass neue Technologien magnetische Medien verdrängen werden.

Die Hauptnachteile von Magnetplatten sind: Alterung der Trägermaterialien, wodurch die Lebensdauer auf 5 Jahre begrenzt wird; Datenverlust durch Exposition gegenüber zufälligen elektromagnetischen Feldern; Entmagnetisierung während der Lagerung; Empfindlichkeit gegenüber Stößen und Erschütterungen.

Vorlesung 17: Optischer Speicher

1972 stellte Phllips das Video Long Play-System vor. Zur Datenaufzeichnung wurde das Serifenprinzip verwendet. Es markierte den Beginn der Entwicklung der CD- und später der DVD-Technologie. Der erste optische CD-ROM-Speicherstandard, der ein System zum Aufzeichnen beliebiger digitaler Daten auf einer CD beinhaltete, wurde 1984 von Philips und Sony entwickelt.

Die Compact Disc oder CD-ROM mit permanentem Speicher wird seit 1988 als Informationsspeichergerät mit einer Kapazität von 650 MB in Massenproduktion hergestellt. Diese Informationen entsprechen etwa 330.000 Seiten Text oder 74 Minuten hochwertiger Audioqualität. Derzeit gibt es mehrere CD-ROM-Standards – AAD, DDD, ADD. Die Buchstaben dieser Abkürzung spiegeln die Audiowellenformen wider, die zur Erstellung der Disc verwendet wurden: der erste für die Originalaufnahme, der zweite für die Verarbeitung und Mischung und der dritte für das endgültige Mastersignal, aus dem die Disc besteht. „A“ bezeichnet die analoge Form, „D“ bezeichnet die digitale Form. Das Mastersignal einer CD liegt immer nur in digitaler Form vor, daher ist der dritte Buchstabe der Abkürzung immer „D“. Bei der Aufnahme und Verarbeitung eines Signals in analoger Form bleiben höhere Harmonische erhalten, der Rauschpegel steigt jedoch an. Bei der digitalen Verarbeitung werden höhere Harmonische zwangsweise bei der halben Abtastfrequenz abgeschnitten.

Compact Discs CD-ROMs bestehen aus einer Dicke von 1,2 mm mit einem Außendurchmesser von 12 cm und einem Innenloch von 15 mm aus Polymermaterial, das auf der Unterseite mit einer Aluminiumlegierungsfolie bedeckt ist (Abb. 4.7.). Dieser Film ist ein Informationsträger, der nach der Aufnahme durch eine zusätzliche Lackschicht geschützt wird. Die oberste Schicht ist nicht funktionsfähig und wird mit Etiketten und Beschriftungen versehen.

Reis. 4.7. Informationsschicht auf CD-ROM

Die Herstellung von Discs erfolgt in mehreren Schritten, darunter:

Aufnahme durch Einbrennen von Strichen mit einem Laserstrahl („Notching“, Pit) für mehr als 1,5 Stunden auf eine Master-Disc;

Erhalten von Kopien von Hartmetallmatrizen von der Masterplatte;

Erstellen einer Kopie von Arbeitsplatten durch Bedrucken (Stempeln) mit Matrizen.

Durch den Aufdruck verbleibt auf der Oberfläche der Scheibe eine spiralförmige Spur von 0,6 µm Breite mit einem Windungsabstand von 1,6 µm und Rillen in Form einer 0,12 µm dicken Linie mit TPI = 16.000. Die Spur beginnt in der Nähe des zentralen Lochs und endet 5 mm vom Außenrand entfernt. Die Länge der Spirale beträgt 5 km. Das Funktionsprinzip eines CD-ROM-Laufwerks lässt sich anhand von Abb. vereinfachen. 4.8. Die Scheibe wird von einem Motor (D1) gedreht, dessen Steuersystem eine konstante Bewegungsgeschwindigkeit der Spur relativ zum Lesegerät bei jeder Innen- oder Außendrehung der Spirale gewährleistet. Gleichzeitig ist die Datenlesegeschwindigkeit für die Tonerzeugung streng konstant und beträgt 75 Blöcke pro Sekunde (150 Kb/s).

Jeder Block enthält 2.352 Bytes. Davon sind 2.048 nützlich und 288 Kontrolldaten, die zur Wiederherstellung von Daten („Ausfälle“ aufgrund von Kratzern, Trümmern) mit einer Länge von bis zu 1.000 Bits dienen, 16 zur Synchronisierung. Mit Prüfbits können Sie Fehler mit einer Wahrscheinlichkeit von 10 -25 vermeiden. Der Positionsmotor (D2) dient dazu, den beweglichen Schlitten (PC) mit Spiegel und Fokussierlinse entsprechend den Befehlen des eingebauten Mikroprozessors in die gewünschte Drehung der Spiralbahn zu bewegen.

Reis. 4.8. Funktionsprinzip eines CD-ROM-Laufwerks

Ein Halbleiterlaser (SSL) sendet einen Infrarotstrahl mit einer Wellenlänge aus, die viermal so groß ist wie die Tiefe des Strichs. Dieser Strahl durchläuft das Trennprisma (RP) und wird vom Spiegel (3) reflektiert. Anschließend wird es durch die Fokussierlinse (FL1) präzise auf die Spur gelenkt und von dieser je nach Streifen oder Plateau unterschiedlich stark reflektiert. Da der Durchmesser des vom Laserstrahl auf der Spur erzeugten Lichtflecks größer ist als die Größe des Streifens, kommt es zu einer Aufhebung der Interferenz zwischen den reflektierten Wellen, wenn der Strahl gleichzeitig von der Unterseite des Streifens und der Hauptoberfläche reflektiert wird die Intensität des reflektierten Strahls nimmt ab. Ohne Strich wird der Lichtfleck gleichmäßig reflektiert, es treten keine Interferenzen auf und die Intensität des reflektierten Strahls bleibt erhalten. Der von der Spur reflektierte Strahl wird von der Fokussierlinse (FL1) und durch die RP- und Fokussierlinse (FL2) von einem Fotosensor (PD) wahrgenommen, der optische Signale in elektrische umwandelt. Das vom PD empfangene elektrische Signal beim Betrachten eines Schlaganfalls auf einer CD wird als logisch angesehen. Anschließend werden elektrische Signale übertragen Soundkarte oder im RAM. Bei der Übertragung auf die Soundkarte (Karte) werden digitale Sequenzen umgewandelt analoge Signale, werden verstärkt und können über Kopfhörer oder Lautsprecher gehört werden.

Wenn die Signale von der Festplatte Arrays digitaler Daten für den Computer darstellen, werden sie vom eingebauten Mikroprozessor in parallelen Binärcode umgewandelt, der sie dann an die RAM-Segmente des Computers übertragen kann. Im Gegensatz zu Audioaufnahmen, die synchron zur Soundkarte übertragen werden, können digitale Daten von einer CD mit 4-, 6-, 8- oder 10-mal schnellerer Geschwindigkeit in den RAM eingelesen werden. Laufwerke und CD-ROMs mit solchen Geschwindigkeiten werden als 4-10-Geschwindigkeit bezeichnet. Sie lesen Daten und übertragen sie mit Geschwindigkeiten von 600, 900, 1200, 1500 KB/s an den Systembus und haben die beste durchschnittliche Zugriffszeit auf Plattenblöcke von etwa 100 ms. Bei Geschwindigkeiten über 5.000–6.000 U/min wird ein zuverlässiges Lesen fast unmöglich, daher arbeiten die neuesten Modelle von CD-ROMs mit 12 Geschwindigkeiten oder höher beim Lesen von Daten im CAV-Modus (konstante Winkelgeschwindigkeit) und drehen die Festplatte mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit. In diesem Modus variiert die Geschwindigkeit, mit der Daten von der Festplatte eintreffen, je nach Position des Kopfes und nimmt vom Anfang bis zum Ende der Festplatte zu. Die im Pass angegebene Geschwindigkeit (z. B. 24x) wird nur auf den äußeren Abschnitten der Festplatte erreicht und sinkt auf den inneren Abschnitten auf etwa 1200-1500 Kb/s. Bei Laufwerken mit Geschwindigkeiten von 20 und 24 hängt die Leistung davon ab, wo Informationen von der CD gelesen werden, und ihre durchschnittliche Geschwindigkeit entspricht etwa x14 mit Unterstützung BIOS-Modus PIO-4.

3.1. Wiederbeschreibbarer optischer Speicher

Neben CD-ROM werden zunehmend auch die Standards CD-R (Recordable) und CD-RW (ReWritable) verwendet. Für die einmalige CD-R-Aufnahme werden sogenannte „Rohlinge“ verwendet, bei denen es sich um normale CDs handelt, bei denen die reflektierende Schicht überwiegend aus Gold- oder Silberfolie besteht. Zwischen ihm und der Polycarbonatbasis befindet sich eine Aufzeichnungsschicht aus organischem Material (Farbstoff), die bei Erwärmung dunkler wird. Während des Aufnahmevorgangs erhitzt der Laserstrahl ausgewählte Punkte auf der Schicht, die sich verdunkeln und kein Licht mehr zur reflektierenden Schicht durchlassen, wodurch Bereiche entstehen, die „Kerben“ ähneln.

Wiederbeschreibbare CD-RW-Discs haben eine siebenschichtige Struktur, anders als CD-R-Discs, die fünf Schichten enthalten, wie in Abb. 4.9. CD-RW verwendet eine Zwischenschicht aus Metall-Kunststoff, die unter dem Einfluss eines Strahls ihren Phasenzustand von amorph zu kristallin und zurück ändert. Dadurch ändert sich die Transparenz der Ebene. Die Aufzeichnung von Zustandsänderungen erfolgt dadurch, dass das Material der Aufzeichnungsschicht beim Erhitzen über eine kritische Temperatur in einen amorphen Zustand übergeht und nach dem Abkühlen darin verbleibt, und wenn es auf eine Temperatur deutlich unterhalb der kritischen Temperatur erhitzt wird, es stellt den kristallinen Zustand wieder her. Solche Datenträger können Tausende bis Zehntausende Wiederbeschreibzyklen überstehen. Allerdings ist ihr Reflexionsvermögen deutlich geringer als bei Einweg-CDs, sodass sie in herkömmlichen Laufwerken nur schwer lesbar sind. Um CD-RWs zu lesen, benötigen Sie ein Laufwerk mit automatischer Verstärkungsregelung des Fotodetektors (Auto Gain Control), obwohl einige herkömmliche CD-ROM-Laufwerke und Heimplayer diese auch lesen können normale Festplatten. Die Fähigkeit des Laufwerks, CD-RW zu lesen, wird Multiread genannt.

Eine wiederbeschreibbare Disc kann die gleiche Struktur und das gleiche Dateisystem wie eine CD-R haben oder über ein spezielles UDF-Dateisystem verfügen, mit dem einzelne Dateien auf der Disc dynamisch erstellt und zerstört werden können.

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Abb.4.9. Aufnahmestruktur auf CD-R und CD-RW

3.2. Digitale vielseitige Disc

Der DVD-Standard wurde 1995 gemeinsam von mehreren Unternehmen (Hitachi, JVC, Philips usw.) entwickelt. DVD-Discs können nicht nur Video, sondern auch Audio und andere Daten aufzeichnen und werden daher häufiger als digitale Versatile-Discs (Versatile) verwendet. Der Hauptunterschied zwischen DVDs und CDs besteht in der unterschiedlichen Informationsmenge. Die DVD-Kapazität wird auf verschiedene Weise erhöht:

Erstens wird zum Lesen von DVDs ein Laser mit einer kürzeren Wellenlänge verwendet als zum Lesen von CDs, was die Aufzeichnungsdichte deutlich erhöht hat;

Zweitens sieht der Standard Dual-Layer-Discs vor, bei denen die Daten in zwei Schichten auf einer Seite aufgezeichnet werden. In diesem Fall ist eine Schicht durchscheinend, was ein Ablesen „durch“ die erste Schicht ermöglicht.

Mit zunehmender Aufzeichnungsdichte und abnehmender Wellenlänge des Leselasers haben sich die Anforderungen an die Dicke der schützenden Kunststoffschicht geändert; bei DVD-Discs beträgt sie nur noch 0,6 mm, im Gegensatz zu 1,2 mm bei CD-Discs. Um jedoch die üblichen Abmessungen der Disc beizubehalten und eine übermäßige Zerbrechlichkeit von DVD-Discs zu vermeiden, werden diese auf beiden Seiten mit Kunststoff gefüllt, sodass die endgültige Dicke der Disc gleich 1,2 mm beträgt. Dadurch war es möglich, Daten auf beiden Seiten von DVDs aufzuzeichnen und so deren Kapazität zu verdoppeln. Haupttypen DVD-Discs die folgende:

DVD-5 (4,7 GB) mit Datenaufzeichnung in einer Schicht auf einer Seite;

DVD-9 (8,5 GB) mit Datenaufzeichnung in zwei Schichten auf einer Seite;

DVD-10 (9,4 GB) mit Datenaufzeichnung auf zwei Seiten, jeweils ein Layer;

DVD-14 (13,24 GB) mit Datenaufzeichnung in zwei Schichten auf der einen Seite, eine Schicht auf der anderen;

DVD-18 (17 GB) mit Datenaufzeichnung auf zwei Seiten, zwei Schichten.

Die Eigenschaften der optischen Datenträger von Samsung sind in der Tabelle dargestellt. 4.6.

Da eine DVD häufig zum Übertragen von Grafiken, Multimedia und zum Ansehen von Videos verwendet wird, erfordert eine hochwertige Bildwiedergabe (720 x 576 Pixel mit 24-Bit-Farbtiefe, im europäischen PAL-Standard) eine Datenübertragungsrate von 30 Mbit/s und bis Um einen Film anzusehen, benötigen Sie eine Festplattenkapazität von etwa 100 GB. Um die Anforderungen an die Datenübertragungsrate (Vpr) zu reduzieren und das Datenvolumen zu erhöhen, wird der MPEG-2-Komprimierungsalgorithmus verwendet. Dadurch können Sie die Datenflussrate auf 3 - 4 Mbit/s reduzieren. Beim Komprimieren werden bis zu 97 % der redundanten Informationen entfernt, ohne dass die Bildqualität beeinträchtigt wird. Um von einer DVD gelesene Daten wiederherzustellen, müssen die Informationen dekodiert werden, d. h. Wiederherstellen redundanter Informationen, die während der Komprimierung gelöscht wurden. Dies kann entweder programmgesteuert ohne den Einsatz spezieller Hardware oder mithilfe eines Hardware-DVD-Decoders erfolgen.

Sowohl für DVDs als auch für CDs gibt es Wiederbeschreibformate – das sind DVD-RAM und DVD+RW mit einer Kapazität von bis zu 2,6 GB bzw. bis zu 3 GB, beide Formate sind jedoch nicht miteinander kompatibel. Ihr Umschreibprinzip ist das gleiche wie bei CD-Technologien, die Aufzeichnung erfolgt jedoch in Schichten und die Dichte auf der Platte ist höher.

Derzeit werden mehrere Schnittstellen für CD- und DVD-Laufwerke verwendet: EIDE, ATAPI, SCSI und USB.

Tabelle 4.6 Eigenschaften optischer Laufwerke
Optionen	CD-RW (SW-208)	DVD-ROM (SD-612)
CD-Schreibgeschwindigkeit (Kbit/s)	1200 (8x)	-
CD-Schreibgeschwindigkeit (Kbit/s)	600 (4x)	-
CD-Lesegeschwindigkeit (Kb/s)	4800 (32x)	6000 (40x)
DVD-Lesegeschwindigkeit (Kb/s)	-	16200 (12x)
Schnittstelle	EIDE	EIDE
Puffergröße (KB)
Audio-Ausgangsleistung (W)	0,7	0,7
Brennen von CD-Rs 650 (MB)	+	-
CD-RW-Aufnahme 700/650/550 (MB)	+	-

3.3. Optische Laufwerke der neuen Generation

Speichergeräte der neuen Generation, sogenannte Fluoreszenzplatten (FM-Platten), nutzen das Prinzip der „Photochromie“. Dieses Phänomen manifestiert sich in einem organischen Material, das photochrome Partikel enthält, die, wenn sie einem Laserstrahl einer bestimmten Wellenlänge ausgesetzt werden, ein fluoreszierendes Leuchten aussenden. Photochrom hat zunächst keine fluoreszierenden Eigenschaften. Die Aufnahme erfolgt unter dem Einfluss eines Hochleistungslasers an Stellen, an denen eine photochemische Reaktion ausgelöst wird, wodurch fluoreszierende Eigenschaften auftreten. Beim Auslesen werden die photochromen Partikel in den vom Laser bestrahlten Bereichen durch einen Laser geringerer Leistung erneut angeregt und beginnen zu fluoreszieren. Dieses Leuchten wird vom Fotodetektor erfasst und als Wert „1“ angenommen. Die Besonderheit der FM-Platte spiegelt sich in den Eigenschaften des Laufwerks wider:

Vielschichtig, transparent und gleichmäßig;

Geringer Signalverlust beim Durchlaufen mehrerer Schichten;

Das fluoreszierende Leuchten der Elemente ist für alle Schichten der Scheibe „transparent“;

Weniger empfindlich als CD/DVD gegenüber verschiedenen Mängeln von Lesegeräten;

Das fluoreszierende Leuchten einer beliebigen Schicht ist nicht kohärent, Interferenzen, die bei CD/DVD-Technologien auftreten, werden eliminiert;

Die Fluoreszenztechnologie ist mit CD und CD kompatibel DVD-Formate Datenverteilung auf jeder Ebene.

Vergleichsmerkmale Leuchtstoffplatten mit einer Kapazität von 50 GB sind in der Tabelle aufgeführt. 4.7.

Vom Tisch 4.7 zeigt, dass FM-Disks mehr Daten speichern und nutzen können als CDs oder DVDs, und FM-Disks könnten bald andere optische Speichergeräte ersetzen.

Vorlesung 17: Mikroprozessorbusse: Systeme und Austauschzyklen

Das Wichtigste, was ein Entwickler von Mikroprozessorsystemen wissen sollte, sind die Prinzipien der Organisation des Informationsaustauschs über die Busse solcher Systeme. Ohne dies ist es unmöglich, die Hardware des Systems zu entwickeln, und ohne die Hardware wird keine Software funktionieren.

In den mehr als 30 Jahren, die seit dem Erscheinen der ersten Mikroprozessoren vergangen sind, wurden bestimmte Austauschregeln entwickelt, die von den Entwicklern neuer Mikroprozessorsysteme befolgt werden. Diese Regeln sind nicht allzu kompliziert, aber für eine erfolgreiche Arbeit ist es notwendig, sie genau zu kennen und strikt einzuhalten. Wie die Praxis gezeigt hat, sind die Prinzipien der Organisation des Busaustauschs viel wichtiger als die Eigenschaften bestimmter Mikroprozessoren. Standardsystembusse halten viel länger als ein bestimmter Prozessor. Entwickler neuer Prozessoren orientieren sich an bestehenden Busstandards. Darüber hinaus verwenden einige Systeme, die auf völlig unterschiedlichen Prozessoren basieren, dasselbe System-Backbone. Das heißt, das Backbone erweist sich als der wichtigste systembildende Faktor in Mikroprozessorsystemen.

Der Informationsaustausch in Mikroprozessorsystemen erfolgt in Informationsaustauschzyklen. Unter dem Informationsaustauschzyklus versteht man das Zeitintervall, in dem ein elementarer Austauschvorgang auf dem Bus stattfindet. Zum Beispiel das Senden von Datencode vom Prozessor an den Speicher oder das Senden von Datencode von einem Eingabe-/Ausgabegerät an den Prozessor. Innerhalb eines Zyklus können auch mehrere Datencodes oder sogar ein ganzes Datenarray übertragen werden, was jedoch seltener vorkommt.

Informationsaustauschzyklen werden in zwei Haupttypen unterteilt:

· Schreib-(Ausgabe-)Zyklus, in dem der Prozessor Informationen schreibt (ausgibt);

· Lesezyklus (Eingabezyklus), in dem der Prozessor Informationen liest (eingibt).

Einige Mikroprozessorsysteme verfügen auch über einen Lese-Änderungs-Schreib- oder Eingabe-Pause-Ausgabe-Zyklus. In diesen Zyklen liest der Prozessor zunächst Informationen aus dem Speicher oder einem E/A-Gerät, wandelt sie dann irgendwie um und schreibt sie erneut an dieselbe Adresse. Beispielsweise kann der Prozessor Code aus einer Speicherzelle lesen, ihn um eins erhöhen und ihn in dieselbe Speicherzelle zurückschreiben. Das Vorhandensein oder Fehlen dieses Zyklustyps hängt mit den Eigenschaften des verwendeten Prozessors zusammen.

Einen besonderen Platz nehmen Zyklen des direkten Speicherzugriffs (sofern der DMA-Modus im System vorgesehen ist) und Zyklen der Anforderung und Bereitstellung von Unterbrechungen (sofern Unterbrechungen im System vorhanden sind) ein. Wenn wir in Zukunft über solche Zyklen sprechen, wird dies ausdrücklich erwähnt.

Während jedes Zyklus übermitteln die am Informationsaustausch beteiligten Geräte einander Informationen und Steuersignale in einer streng festgelegten Reihenfolge oder, wie man auch sagt, gemäß dem akzeptierten Informationsaustauschprotokoll.

Die Zykluszeit kann konstant oder variabel sein, sie umfasst jedoch immer mehrere Zyklen des Systemtaktsignals. Das heißt, selbst im Idealfall sind die Häufigkeit des Lesens von Informationen durch den Prozessor und die Häufigkeit des Schreibens von Informationen um ein Vielfaches geringer als die Frequenz des Systemtakts.

Das Auslesen von Befehlscodes aus dem Systemspeicher erfolgt ebenfalls über Lesezyklen. Daher wechseln sich bei einer Single-Bus-Architektur Befehlslesezyklen und Datenübertragungszyklen (Lesen und Schreiben) auf dem Systembus ab, die Austauschprotokolle bleiben jedoch unverändert, unabhängig davon, was übertragen wird – Daten oder Befehle. Bei einer Dual-Bus-Architektur werden die Zyklen des Lesens von Befehlen und des Schreibens bzw. Lesens von Daten auf verschiedene Busse aufgeteilt und können gleichzeitig ausgeführt werden.