Информатика, кибернетика и программирование

Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U-образного ферромагнитного сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) головки создается магнитное поле. При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой электромагниты

Устройство накопителя на жестких магнитных дисках.

Принцип магнитной записи Рабочий слой диска Ферритовые головки Головки с металлом в зазоре Тонкопленочные головки Магниторезистивные головки Гигантские магниторезистивные головки Ползунок Конструкция каркаса с головками чтения/записи Механизмы привода головок Привод с шаговым двигателем Привод с подвижной катушкой Обратная связь Двигатель привода дисков Плата управления Лицевая панель Кабели и разъемы накопителей Элементы конфигурации

Принцип магнитной записи

Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U-образного ферромагнитного сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) головки создается магнитное поле (рис. 1). При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой электромагниты, полярность которых можно очень быстро изменить, переключив направление пропускаемого электрического тока.

На рис. 2 показан принцип записи информации. Магнитное поле в сердечнике частично распространяется в окружающее пространство благодаря наличию зазора, “пропиленного” в основании U-образного сердечника. Если вблизи зазора располагается другой ферромагнетик (рабочий слой носителя), то магнитное поле в нем локализуется, поскольку подобные вещества обладают меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух.

Рис.2 Принцип записи информации

Магнитный поток, пересекающий зазор, замыкается через носитель, что приводит к поляризации его магнитных частиц (доменов) в направлении действия поля. Направление поля и, следовательно, остаточная намагниченность носителя зависят от полярности электрического поля в обмотке головки. Гибкие магнитные диски обычно делаются на лавсановой, а жесткие — на алюминиевой или стеклянной подложке, на которую наносится слой ферромагнитного материала. Рабочий слой в основном состоит из окиси железа с различными добавками. Магнитные поля, создаваемые отдельными доменами на чистом диске, ориентированы случайным образом и взаимно компенсируются на любом сколько-нибудь протяженном (макроскопическом) участке поверхности диска, поэтому его остаточная намагниченность равна нулю.

Если участок поверхности диска при протягивании вблизи зазора головки подвергается воздействию магнитного поля, то домены выстраиваются в определенном направлении и их магнитные поля больше не компенсируют друг друга. В результате на этом участке появляется остаточная намагниченность, которую можно впоследствии обнаружить. Т.о. в результате протекания переменного тока импульсной формы в обмотке головки чтения/записи на вращающемся диске образуется последовательность участков с различной по знаку (направлению) остаточной намагниченностью.

Для последующего воспроизведения записанной информации наиболее важными оказываются те зоны, в которых происходит смена направления остаточного магнитного поля (зоны смены знака). Магнитная головка записывает данные на диск, размещая на нем зоны смены знака. При записи каждого бита (или битов) данных в специальных областях на диске располагаются последовательности зон смены знака. Эти области называются битовыми ячейками.

Битовая ячейка — это специальная область на диске, в которой головка размещает зоны смены знака. Геометрические размеры такой ячейки зависят от тактовой частоты сигнала записи и скорости, с которой перемещаются относительно друг друга головка и поверхность диска. Ячейка перехода — это область на диске, в которую можно записать только одну зону смены знака. При записи отдельных битов данных или их групп в ячейках формируется характерный “узор” из зон смены знака, зависящий от способа кодирования информации. Это связано с тем, что в процессе переноса данных на магнитный носитель каждый бит (или группа битов) с помощью специального кодирующего устройства преобразуется в серию электрических сигналов, не являющихся точной копией исходной последовательности импульсов.

Во время считывания головка ведет себя как детектор зон смены знака, выдавая импульсы напряжения при каждом пересечении зоны смены знака. На тех участках, где не происходит смена знака, импульсы не генерируются (выбросы отсутствуют).

На рис. 3 в графическом виде представлена взаимосвязь между формами импульсов (сигналов) во время считывания и записи и зонами смены знака, записанными на диске.

Во время считывания головка регистрирует зоны смены знака и выдает соответствующие импульсы - сигнал соответствует нулевому напряжению, если не обнаружены переходы от положительного знака к отрицательному или наоборот. Импульсы появляются только в тех случаях, когда головка пересекает зоны смены знака на магнитном носителе. Схема контроллера устройства учитывает тактовую частоту следования, записываемых импульсов и т.о. определяет, попадает ли импульс (и, следовательно, зона смены знака) в данную ячейку перехода.

Амплитуда зарегистрированного сигнала, поступающего с головки при считывании, очень мала, поэтому существует проблема шумов и помех. Поэтому для усиления сигнала используются высокочувствительные устройства. После усиления сигнал поступает на декодирующие схемы, которые предназначены для восстановления потока данных, идентичного потоку, поступавшему на накопитель при выполнении записи.

Итак, запись и считывание информации с диска основаны на принципах электромагнетизма. При записи данных на диск электрический ток пропускается через электромагнит (головку устройства), в результате чего создаются зоны намагниченности, которые и сохраняются на диске. Данные считываются с диска при перемещении головки над его поверхностью; при этом головка регистрирует изменения в зонах намагниченности и в результате генерирует слабые электрические сигналы, указывающие на наличие или отсутствие зон смены знака в записанных сигналах.

Рис. 3. Запись и считывание информации с магнитного диска

Принципы работы накопителей на жестких дисках

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый), как показано на рис. 4.

В накопителях обычно устанавливается несколько дисков (пластин, платтероов), и данные записываются на обеих сторонах каждого из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах). Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис. 5). Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.

Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения в настоящее время составляет 7 200, 10 000 и 15 000 об/мин. Скорость работы жесткого диска зависит от частоты его вращения, скорости перемещения системы головок и количества секторов на дорожке. При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пыль или произойдет сотрясение, головка “столкнется” с диском, вращающимся “на полном ходу”. Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего

Основные узлы накопителей на жестких дисках

Практически все накопители на жестких дисках состоят из одних и тех же основных узлов. Конструкции этих узлов и качество используемых материалов могут быть различными, но основные их рабочие характеристики и принципы функционирования одинаковы. К основным элементам конструкции типичного накопителя на жестком диске (рис. 6) относятся следующие:

• диски (платтеры);
• головки чтения/записи;
• механизм привода головок;
• воздушные фильтры
• двигатель привода дисков;
• печатная плата со схемами управления;
• лицевая панель;
• кабели и разъемы;
• элементы конфигурации (перемычки и переключатели).

Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA (печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными.

Рис. 6 . Основные узлы накопителя на жестком диске

Диски

Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. Установлен ряд стандартных размеров накопителей, которые определяются в основном размерами дисков, а именно:

• 5,25 дюйма (на самом деле — 130 мм, или 5,12 дюйма);
• 3,5 дюйма (на самом деле — 95 мм, или 3,74 дюйма);
• 2,5 дюйма (на самом деле — 65 мм, или 2,56 дюйма);
• 1 дюйм (на самом деле — 34 мм, или 1,33 дюйма).

Существуют также накопители с дисками больших размеров, например 8 дюймов, 14 дюймов и даже больше, но, как правило, эти устройства в персональных компьютерах не используются. Сейчас в настольных и некоторых портативных моделях чаще всего устанавливаются накопители формата 3,5 дюйма, а малогабаритные устройства (формата 2,5 дюйма и меньше) — в портативных системах.

В большинстве накопителей устанавливается минимум два диска, хотя в некоторых малых моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается физическими размерами накопителя, а именно высотой его корпуса. Раньше почти все диски производились из алюминиевого сплава, довольно прочного и легкого. Но со временем возникла потребность в накопителях, сочетающих малые размеры и большую емкость. Поэтому в качестве основного материала для дисков стало использоваться стекло, а точнее, композитный материал на основе стекла и керамики. Один из таких материалов называется MemCor. Он значительно прочнее, чем каждый из его компонентов в отдельности. Стеклянные диски отличаются большей прочностью и жесткостью, поэтому их можно сделать в два раза тоньше алюминиевых (а иногда еще тоньше). Кроме того, они менее восприимчивы к перепадам температур, т.е. их размеры при нагреве и охлаждении изменяются весьма незначительно. В настоящее время в некоторых накопителях, выпускаемых такими компаниями, как IBM, Seagate, Toshiba, Western Digital и Maxtor, используются стеклянные или стеклокерамические диски.

Рабочий слой диска

Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются два типа рабочего слоя - оксидный и тонкопленочный .

Оксидный слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. Наносят его следующим образом. Сначала на поверхность быстро вращающегося алюминиевого диска разбрызгивается суспензия порошка оксида железа в растворе полимера. За счет действия центробежных сил она равномерно растекается по поверхности диска от его центра к внешнему краю. После полимеризации раствора поверхность шлифуется. Затем на нее наносится еще один слой чистого полимера, обладающего достаточной прочностью и низким коэффициентом трения, и диск окончательно полируется. Чем выше емкость накопителя, тем более тонким и гладким должен быть рабочий слой дисков.

Добиться качества покрытия, необходимого для накопителей большой емкости, в рамках традиционной технологии оказалось невозможным, поскольку оксидный слой довольно мягкий, он крошится при “столкновениях” с головками (например, при случайных сотрясениях накопителя). Поэтому в современных моделях накопителей они полностью уступили место тонкопленочным дискам.

Тонкопленочный рабочий слой имеет меньшую толщину, он прочнее, и качество его покрытия гораздо выше. Эта технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось существенно уменьшить величину зазора между головками и поверхностями дисков, что позволило повысить плотность записи. Сначала тонкопленочные диски использовались только в высококачественных накопителях большой емкости, но сейчас они применяются практически во всех накопителях. Тонкопленочный рабочий слой называют также гальванизированным или напыленным , поскольку наносить тонкую пленку на поверхность дисков можно по-разному.

Тонкопленочный гальванизированный рабочий слой получают путем электролиза. Алюминиевую подложку диска последовательно погружают в ванны с различными растворами, в результате чего она покрывается несколькими слоями металлической пленки. Рабочим слоем служит слой из сплава кобальта толщиной всего около 1 микродюйма (приблизительно 0,025 мкм). Метод напыления рабочего слоя заимствован из полупроводниковой технологии. Суть его сводится к тому, что в специальных вакуумных камерах вещества и сплавы вначале переводятся в газообразное состояние, а затем осаждаются на подложку. На алюминиевый диск сначала наносится слой фосфорита никеля, а затем магнитный кобальтовый сплав. Его толщина при этом оказывается равной всего 1–2 микродюйма (0,025–0,05 мкм). Аналогично поверх магнитного слоя на диск наносится очень тонкое (порядка 0,025 мкм) углеродное защитное покрытие, обладающее исключительной прочностью. Это самый дорогостоящий процесс из всех описанных выше, так как для его проведения необходимы условия, приближенные к полному вакууму.

Как уже отмечалось, толщина магнитного слоя, полученного методом напыления, составляет около 0,025 мкм. Его исключительно гладкая поверхность позволяет сделать зазор между головками и поверхностями дисков гораздо меньшим, чем это было возможно раньше (0,076 мкм). Чем ближе к поверхности рабочего слоя располагается головка, тем выше плотность расположения зон смены знака на дорожке записи и, следовательно, плотность диска. Кроме того, при увеличении напряженности магнитного поля по мере приближения головки к магнитному слою увеличивается амплитуда сигнала; в результате соотношение “сигнал-шум” становится более благоприятным. И при гальваническом осаждении, и при напылении рабочий слой получается очень тонким и прочным. Поэтому вероятность “выживания” головок и дисков в случае их контакта друг с другом на большой скорости существенно повышается. И действительно, современные накопители с дисками, имеющими тонкопленочные рабочие слои, практически не выходят из строя при вибрациях и сотрясениях. Оксидные покрытия в этом отношении гораздо менее

надежны. Если заглянуть внутрь корпуса накопителя, то можно увидеть, что тонкопленочные покрытия дисков напоминают серебристую поверхность зеркал. Самое тонкое и прочное покрытие получается в процессе напыления, поэтому гальванический метод в последнее время применяется все реже.

Конструкции головок чтения/записи

По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Первые головки представляли собой сердечники с обмоткой (электромагниты). По современным меркам их размеры были огромными, а плотность записи — чрезвычайно низкой. За прошедшие годы конструкции головок прошли долгий путь развития от первых головок с ферритовыми сердечниками до современных типов.

В современных накопителях на жестких дисках чаще всего используются головки следующих четырех типов:

• ферритовые;
• с металлом в зазоре (MIG);
• тонкопленочные (TF);
• магниторезистивные (MR);
• гигантские магниторезистивные (GMR).

Ферритовые головки

Классические ферритовые головки впервые были использованы в первых накопителях компании IBM. Их сердечники делаются на основе прессованного феррита (на основе окиси железа). Магнитное поле в зазоре возникает при протекании через обмотку электрического тока. В свою очередь, при изменениях напряженности магнитного поля вблизи зазора в обмотке наводится электродвижущая сила. Таким образом, головка является универсальной, т.е. может использоваться как для записи, так и для считывания. Размеры и масса ферритовых головок больше, чем у тонкопленочных; поэтому, чтобы предотвратить их нежелательные контакты с поверхностями дисков, приходится увеличивать зазор.

За время существования ферритовых головок их первоначальная (монолитная) конструкция была значительно усовершенствована. Были разработаны, в частности, так называемые стеклоферритовые (композитные) головки, небольшой ферритовый сердечник которых установлен в керамический корпус. Ширина сердечника и магнитного зазора таких головок меньше, что позволяет повысить плотность размещения дорожек записи. Кроме того, снижается их чувствительность к внешним магнитным помехам.

По мере увеличения емкости накопителей ферритовые головки были полностью вытеснены другими разновидностями. Ферритовые головки непригодны для записи на носители с большой коэрцитивной силой, их частотная характеристика ограничена, а чувствительность низка (плохое соотношение “сигнал–шум”). Главное достоинство ферритовых головок — их дешевизна.

Головки с металлом в зазоре

Головки с металлом в зазоре (Metal-In-Gap — MIG) появились в результате усовершенствования конструкции композитной ферритовой головки. В таких головках магнитный зазор, расположенный в задней части сердечника, заполнен металлом. Благодаря этому существенно уменьшается склонность материала сердечника к магнитному насыщению, что позволяет повысить магнитную индукцию в рабочем зазоре и, следовательно, выполнить запись на диск с большей плотностью. Кроме того, градиент магнитного поля, создаваемого головкой с металлом в зазоре, выше, а это означает, что на поверхности диска формируются намагниченные участки с более четко выраженными границами (уменьшается ширина зон смены знака).

Эти головки позволяют использовать носители с большой коэрцитивной силой и тонкопленочным рабочим слоем. За счет уменьшения общей массы и улучшения конструкции такие головки могут располагаться ближе к поверхности носителя.

Головки с металлом в зазоре бывают двух видов: односторонние и двусторонние (т.е. с одним и с двумя металлизированными зазорами). В односторонних головках прослойка из магнитного сплава расположена только в заднем (нерабочем) зазоре, а в двусторонних — в обоих. Слой металла наносится методом вакуумного напыления. Индукция насыщения магнитного сплава примерно вдвое больше, чем у феррита, что, как уже отмечалось, позволяет

осуществлять запись на носители с большой коэрцитивной силой, которые используются в накопителях высокой емкости. Двусторонние головки в этом отношении лучше односторонних. Благодаря своим неоспоримым преимуществам некоторое время назад головки с металлом в зазоре полностью заменили традиционные ферритовые головки в высококачественных накопителях. Но постоянно возрастающие требования к емкости жестких дисков привели к тому, что их сейчас постепенно вытесняют тонкопленочные головки.

Тонкопленочные головки

Тонкопленочные (Thin Film — TF) головки производятся по технологии похожей на производство интегральных схем, т.е. путем фотолитографии. На одной подложке можно “напечатать” сразу несколько тысяч головок, которые получаются в результате маленькими и легкими. Рабочий зазор в тонкопленочных головках можно сделать очень узким, причем его ширина регулируется в процессе производства путем наращивания дополнительных слоев немагнитного алюминиевого сплава. Алюминий полностью заполняет рабочий зазор и хорошо защищает его от повреждений (сколов краев) при случайных контактах с диском. Собственно сердечник делается из сплава железа и никеля, индукция насыщения которого в 2–4 раза больше, чем у феррита.

Формируемые тонкопленочными головками участки остаточной намагниченности на поверхности диска имеют четко выраженные границы, что позволяет добиться очень высокой плотности записи. Благодаря небольшому весу и малым размерам головок можно значительно уменьшить просвет между ними и поверхностями дисков по сравнению с ферритовыми и MIG-головками: в некоторых накопителях его величина не превышает 0,05 мкм. В результате, во-первых, повышается остаточная намагниченность участков поверхности носителя и, во-вторых, увеличивается амплитуда сигнала и улучшается соотношение “сигнал–шум” в режиме считывания, что в итоге сказывается на достоверности записи и считывания данных.

При тех плотностях расположения дорожек и размещения данных вдоль дорожки, которые характерны для современных накопителей, сигнал воспроизведения с обычной ферритовой головки просто “потерялся” бы в шумах и помехах. Наконец, благодаря небольшой высоте тонкопленочных головок при тех же размерах корпуса накопителя удается установить большее количество дисков.

До недавнего времени тонкопленочные головки были значительно дороже остальных, но усовершенствование технологии производства и повышение требований к емкости накопителей привели, с одной стороны, к снижению стоимости тонкопленочных головок (она стала сопоставимой, а иногда и более низкой, чем цена ферритовых головок и головок с металлом в зазоре), а с другой — к их более широкому распространению.

В настоящее время тонкопленочные головки используются в большинстве накопителей высокой емкости, особенно в малогабаритных моделях, практически вытеснив головки с металлом в зазоре. Их конструкция и характеристики постоянно улучшаются, но, скорее всего, в ближайшее время они будут вытеснены магниторезистивными головками.

Магниторезистивные головки

Магниторезистивные (Magneto-Resistive — MR) головки появились сравнительно недавно. Они разработаны компанией IBM и позволяют добиться самых высоких значений плотности записи и быстродействия накопителей. Впервые магниторезистивные головки были установлены в накопителе на жестких дисках емкостью 1 Гбайт (3,5") компании IBM в 1991 году.

Все головки являются детекторами, т.е. регистрируют изменения в зонах намагниченности и преобразуют их в электрические сигналы, которые могут быть интерпретированы как данные. Однако при магнитной записи существует одна проблема: при уменьшении магнитных доменов носителя уменьшается уровень сигнала головки и существует вероятность принять шум за “настоящий” сигнал. Для решения этой проблемы необходимо иметь эффективную головку чтения, которая более достоверно сможет определить наличие сигнала.

Довольно давно был открыт еще один эффект магнетизма: при воздействии на проводник внешнего магнитного поля его сопротивление изменяется. При прохождении обычной головки над зоной смены знака на выходах обмотки формируется импульс напряжения. Иначе обстоит дело при считывании данных с помощью магниторезистивной головки. Ее сопротивление оказывается различным при прохождении над участками с разным значением остаточной (постоянной) намагниченности. Это явление и послужило основой для создания компанией IBM нового типа считывающих головок. Через головку протекает небольшой постоянный измерительный ток, и при изменении сопротивления изменяется и падение напряжения на ней.

Поскольку на основе магниторезистивного эффекта можно построить только считывающее устройство, магниторезистивная головка — это на самом деле две головки, объединенные в одну конструкцию. При этом записывающая часть представляет собой обычную индуктивную головку, а считывающая — магниторезистивную. Так как функции считывания и записи разделены между двумя отдельными узлами, каждый из них может быть спроектирован так, чтобы наилучшим образом выполнять предусмотренную операцию. Амплитуда выходного сигнала у такой головки оказывается примерно в четыре раза больше, чем у индуктивной.

Магниторезистивные головки дороже и сложнее головок других типов, поскольку в их конструкции есть добавочные элементы, а технологический процесс включает несколько дополнительных этапов. Ниже перечислены основные отличия магниторезистивных головок от обычных:

• к ним должны быть подведены дополнительные провода для подачи измерительного тока на резистивный датчик;
• в процессе производства используется 4–6 дополнительных масок (фотошаблонов);
• благодаря высокой чувствительности магниторезистивные головки более восприимчивы к внешним магнитным полям, поэтому их приходится тщательно экранировать.

Во всех рассмотренных ранее головках в процессе записи и считывания “работал” один и тот же зазор, а в магниторезистивной головке их два — каждый для своей операции. При разработке головок с одним рабочим зазором приходится идти на компромисс при выборе его ширины. Дело в том, что для улучшения параметров головки в режиме считывания нужно уменьшать ширину зазора (для увеличения разрешающей способности), а при записи зазор должен быть шире, поскольку при этом магнитный поток проникает в рабочий слой на большую глубину (“намагничивая” его по всей толщине). В магниторезистивных головках с двумя зазорами каждый из них может иметь оптимальную ширину. Еще одна особенность рассматриваемых головок заключается в том, что их записывающая (тонкопленочная) часть формирует на диске более широкие дорожки, чем это необходимо для работы считывающего узла (магниторезистивного). В данном случае считывающая головка “собирает” с соседних дорожек меньше магнитных помех.

Схема типичной магниторезистивной головки IBM показана на рис. 7. Здесь представлен весь узел головки вместе с ползунком. Считывающий элемент головки (магниторезистивный сенсор) состоит из железоникелевой пленки, отделенной небольшим промежутком от магнитного слоя. Эта пленка изменяет свое сопротивление в зависимости от магнитного поля. Защитные слои предохраняют сенсор считывающего элемента от “случайных” магнитных полей. В большинстве конструкций вторая защита выполняет функции записывающего элемента. Такой тип головок называют объединенными магниторезистивными головками. Записывающий элемент представляет собой обычную тонкопленочную индуктивную головку.

Рис. 7 . Поперечное сечение магниторезистивной головки

Гигантские магниторезистивные головки

В 1997 году IBM анонсировала новый тип магниторезистивных головок, обладающих намного большей чувствительностью. Они были названы гигантскими магниторезистивными головками (Giant Magnetoresistive — GMR). Такое название они получили на основе используемого эффекта (хотя по размеру были меньше стандартных магниторезистивных головок). Считывающий элемент гигантской магниторезистивной головки показан на рис. 8 . В настоящее время в большинстве накопителей на жестких дисках используется этот тип головок и в ближайшее время технология GMR будет доминирующей в производстве головок.

Рис. 8 . Поперечное сечение гигантской магниторезистивной головки

Ползунок

Ползунком называется деталь конструкции, благодаря которой головка поддерживается в подвешенном положении на нужном расстоянии от поверхности диска. Сам ползунок при этом тоже не соприкасается с поверхностью носителя. В большинстве случаев эта деталь по форме напоминает катамаран с двумя боковыми “поплавками” и центральной “рулевой рубкой” — магнитной головкой (рис. 9).

Тенденция к постоянному уменьшению размеров накопителей приводит к тому, что все их составные части, в том числе и ползунки, тоже уменьшаются. Например, размер стандартного мини-винчестера равен 0,160 x 0,126 x 0,034 дюймов (4 x 3,2 x 0,86 мм). Сейчас в большинстве накопителей высокой емкости и малогабаритных моделях используются ползунки меньших размеров (уменьшенных на 50%): 0,08 x 0,063 x 0,017 дюймов (2 x 1,6 x 0,43 мм). В новейших моделях размеры ползунка уменьшаются на 70%. Уменьшение размеров ползунка приводит к снижению массы подвижной системы, состоящей из головки, ползунка и рычага перемещения головки. Это, в свою очередь, позволяет перемещать их с большими ускорениями, т.е. уменьшить время перехода с одной дорожки на другую и в итоге — время доступа к данным. Кроме того, при этом можно уменьшить размеры зоны “парковки” головок (“посадочной полосы”) и соответственно увеличить полезную площадь дисков. Наконец, благодаря меньшей площади контактной поверхности ползунка уменьшается неизбежный износ поверхности носителя в процессе раскручивания и остановки дисков.

В новейших конструкциях ползунков их нижней стороне придается специальная форма, благодаря которой высота “полета” головок над поверхностью диска (величина воздушного просвета) поддерживается примерно одинаковой при работе как на внешних, так и на внутренних цилиндрах. При использовании обычных ползунков просвет между головкой и рабочим слоем диска существенно изменяется при переходе от внешних дорожек к внутренним и наоборот. Это связано с различиями в линейных скоростях разных участков поверхности диска относительно головок (линейная скорость зависит от радиуса вращения). Чем выше скорость, тем больше величина просвета. Такой эффект крайне нежелателен, особенно в новых накопителях с зонной записью, в которых линейные плотности записи (вдоль дорожек) одинаковы на всех цилиндрах. В этом случае для нормального считывания и записи величина воздушного просвета между головкой и рабочим слоем диска должна оставаться постоянной. Эту проблему можно решить, придав поверхностям ползунков специальную форму, что и делается в накопителях с зонной записью.

Конструкция каркаса с головками чтения/записи

В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно. Каждая головка установлена на конце рычага, закрепленного на пружине и слегка прижимающего ее к диску. Т.о. диск как бы зажат между парой головок (сверху и снизу). На рис. 10 показана стандартная конструкция механизма привода головок с подвижной катушкой.

Рис. 10. Головки чтения/записи и поворотный привод с подвижной катушкой

Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается и они отрываются от рабочих поверхностей (“взлетают”). Когда диск вращается на полной скорости, зазор между ним и головками может составлять 0,5–5 микродюймов (0,01–0,5 мкм) и даже больше. Именно из этих соображений сборка блоков HDA выполняется только в чистых помещениях, соответствующих требованиям класса 100 (или даже более высоким). Это означает, что в одном кубическом футе воздуха может присутствовать не более 100 пылинок размером до 0,5 мкм. (Для сравнения: стоящий неподвижно человек каждую минуту выдыхает порядка 500 таких частиц). Поэтому помещения оснащаются специальными системами фильтрации и очистки воздуха. Блоки HDA можно вскрывать только в таких условиях. Поддержка столь стерильных условий стоит немалых денег.

Существуют и другие способы создания стерильных условий. Например, монтажный стол, отгораживают от окружающего пространства воздушной завесой, причем непосредственно на рабочее место под давлением постоянно подается очищенный воздух.

Механизмы привода головок

Важной деталью накопителя также является механизм, который устанавливает их в нужное положение и называется приводом головок . Именно с его помощью головки перемещаются от центра к краям диска и устанавливаются на заданный цилиндр. Существует много конструкций механизмов привода головок, но их можно разделить на два основных типа:

• с шаговым двигателем;
• с подвижной катушкой.

Тип привода во многом определяет быстродействие и надежность накопителя, достоверность считывания данных, его температурную стабильность, чувствительность к выбору рабочего положения и вибрациям. Накопители с приводами на основе шаговых двигателей гораздо менее надежны, чем устройства с приводами от подвижных катушек. Привод — самая важная деталь накопителя. В табл. ____ приведены два типа привода головок накопителя на жестких дисках и показана зависимость характеристик устройства от конкретного типа привода.

Таблица. Зависимость характеристик накопителей от типа привода

Характеристика	Привод с шаговым двигателем	Привод с подвижной катушкой
Время доступа к данным	Большое	Малое
Стабильность температуры	Низкая (очень!)	Высокая
Чувствительность к выбору рабочего положения	Постоянная	Отсутствует
	Выполняется (не всегда)	Выполняется
Профилактическое обслуживание	Периодическое переформатирование	Не требуется
Общая надежность (относительная)	Низкая	Высокая

Итак, у накопителей с приводом на основе шагового двигателя средняя скорость доступа к данным достаточно низка (т.е. большое время доступа), они чувствительны к колебаниям температуры и выбору рабочего положения во время операций чтения и записи, в них не осуществляется автоматическая парковка головок (т.е. перемещение их на безопасную “посадочную полосу” при выключении питания). Кроме того, обычно один или два раза в год их приходится переформатировать, чтобы привести реальное расположение зон записи в соответствие с разметкой заголовков секторов. Вполне очевидно, что накопители с приводом головок от шаговых двигателей во всех отношениях уступают устройствам, в которых используются приводы с подвижными катушками.

В накопителях на гибких дисках для перемещения головок используется привод с шаговым двигателем. Его параметров (в том числе и точности) оказывается вполне достаточно для дисководов этого типа, поскольку плотность дорожек записи на гибких дисках значительно ниже (135 дорожек на дюйм), чем в накопителях на жестких дисках (более 5 000 дорожек на дюйм.

Привод с шаговым двигателем

Шаговый двигатель — это электродвигатель, ротор которого может поворачиваться только ступенчато, т.е. на строго определенный угол. Если покрутить его вал вручную, то можно услышать негромкие щелчки (или треск при быстром вращении), которые возникают всякий раз, когда ротор проходит очередное фиксированное положение. Шаговые двигатели могут устанавливаться только в фиксированных положениях. Размеры этих двигателей невелики (порядка нескольких сантиметров), а форма может быть разной — прямоугольной, цилиндрической и т.д. Шаговый двигатель устанавливается вне блока HDA, но его вал проходит внутрь через отверстие с герметизирующей прокладкой. Обычно двигатель располагается у одного из углов корпуса накопителя и его можно легко узнать.

Одна из самых серьезных проблем, свойственных механизмам с шаговыми двигателями, — нестабильность их температур. При нагреве и охлаждении диски расширяются и сжимаются, в результате чего дорожки смещаются относительно своих прежних положений. Поскольку механизм привода головок не позволяет сдвинуть их на расстояние, меньшее одного шага (переход на одну дорожку), компенсировать эти погрешности температур невозможно. Головки перемещаются в соответствии с поданным на шаговый двигатель количеством импульсов.

На рис. 11 показан внешний вид привода с шаговым двигателем.

Рис. 11. Внешний вид привода с шаговым двигателем

Привод с подвижной катушкой

Привод с подвижной катушкой используется практически во всех современных накопителях. В отличие от систем с шаговыми двигателями, в которых перемещение головок осуществляется вслепую, в приводе с подвижной катушкой используется сигнал обратной связи, чтобы можно было точно определить положения головок относительно дорожек и скорректировать их в случае необходимости. Такая система позволяет обеспечить более высокое быстродействие, точность и надежность, чем традиционный привод с шаговым двигателем. Привод с подвижной катушкой работает по принципу электромагнетизма (по конструкции он напоминает обычный громкоговоритель, в котором подвижная катушка, соединенная с диффузором, может перемещаться в зазоре постоянного магнита). В типичной конструкции привода подвижная катушка жестко соединяется с блоком головок и размещается в поле постоянного магнита. Катушка и магнит никак не связаны между собой; перемещение катушки осуществляется только под воздействием электромагнитных сил. При появлении в катушке электрического тока она так же, как и в громкоговорителе, смещается относительно жестко закрепленного постоянного магнита, передвигая при этом блок головки. Подобный механизм оказывается весьма быстродействующим и не столь шумным, как привод с шаговым двигателем.

В отличие от привода с шаговым двигателем, в устройствах с подвижной катушкой нет заранее зафиксированных положений. Вместо этого в них используется специальная система наведения (позиционирования), которая точно подводит головки к нужному цилиндру (поэтому привод с подвижной катушкой может плавно перемещать головки в любые положения). Эта система называется сервоприводом и отличается от ранее рассмотренной тем, что для точного наведения (позиционирования) головок используется сигнал обратной связи, несущий информацию о реальном взаимном расположении дорожек и головок. Эту систему часто называют системой с обратной связью (или с автоматической регулировкой).

Колебания температур не сказываются на точности работы привода с подвижной катушкой и обратной связью. При сжатии и расширении дисков все изменения их размеров отслеживаются сервоприводом, и положения головок (не будучи предопределенными) корректируются должным образом. Для поиска конкретной дорожки используется заранее записанная на диске вспомогательная информация (сервокод) и в процессе работы всегда определяется реальное положение цилиндра на диске с учетом всех отклонений температур. Поскольку сервокод считывается непрерывно, в процессе нагрева накопителя и расширения дисков, например, головки отслеживают дорожку и проблем со считыванием данных не возникает. Поэтому привод с подвижной катушкой и обратной связью часто называют системой слежения за дорожками.

Механизмы привода головок с подвижной катушкой бывают двух типов, которые отличаются только физическим расположением магнитов и катушек:

•  линейный;
•  поворотный.

Линейный привод (рис. 12) перемещает головки по прямой, строго вдоль линии радиуса диска. Катушки располагаются в зазорах постоянных магнитов.

Рис. 12. Линейный привод с подвижной катушкой

Главное достоинство линейного привода состоит в том, что при его использовании не возникают азимутальные погрешности, характерные для поворотного привода. (Под азимутом понимается угол между плоскостью рабочего зазора головки и направлением дорожки записи.) При перемещении с одного цилиндра на другой головки не поворачиваются и их азимут не изменяется.

Однако линейный привод имеет существенный недостаток: его конструкция слишком массивна. Чтобы повысить производительность накопителя, нужно снизить массу приводного механизма и самих головок. Чем легче механизм, тем с б о льшими ускорениями он может перемещаться с одного цилиндра на другой. Линейные приводы намного тяжелее поворотных, поэтому в современных накопителях они не используются.

Поворотный привод (см. рис. 10) работает по тому же принципу, что и линейный, но в нем к подвижной катушке крепятся концы рычагов головок. При движении катушки относительно постоянного магнита рычаги перемещения головок поворачиваются, передвигая головки к оси или к краям дисков. Благодаря небольшой массе такая конструкция может двигаться с большими ускорениями, что позволяет существенно сократить время доступа к данным. Быстрому перемещению головок способствует и тот факт, что плечи рычагов делаются разными: то, на котором смонтированы головки, имеет б о льшую длину.

К недостаткам этого привода следует отнести то, что головки при перемещении от внешних цилиндров к внутренним поворачиваются и угол между плоскостью магнитного зазора головки и направлением дорожки изменяется. Именно поэтому ширина рабочей зоны диска (зоны, в которой располагаются дорожки) оказывается зачастую ограниченной (для того чтобы неизбежно возникающие азимутальные погрешности оставались в допустимых пределах). В настоящее время поворотный привод используется почти во всех накопителях с подвижной катушкой.

Обратная связь

Для управления приводами с подвижной катушкой в разное время использовались три способа построения петли обратной связи:

• со вспомогательным “клином”;
• со встроенными кодами;
• со специализированным диском.

Они различаются технической реализацией, но, по сути, предназначены для достижения одной и той же цели: обеспечивать постоянную корректировку положения головок и их наведение (позиционирование) на соответствующий цилиндр. Основные различия между ними сводятся к тому, на каких участках поверхностей дисков записываются сервокоды.

При всех способах построения петли обратной связи для ее работы необходима специальная информация (сервокоды), которая записывается на диск при его изготовлении. Обычно она записывается в так называемом коде Грея . В этой системе кодирования при переходе от одного числа к следующему или предыдущему изменяется всего один двоичный разряд. При таком подходе информация считывается и обрабатывается намного быстрее, чем при обычном двоичном кодировании, и определение местоположения головки происходит практически без задержки. Сервокоды записываются на диск при сборке накопителя и не изменяются в течение всего срока его эксплуатации.

Запись сервокодов выполняется на специальном устройстве, в котором головки последовательно перемещаются на строго определенные позиции, и в этих положениях на диски записываются упомянутые выше коды. Для точной установки головок в таких устройствах используется лазерный прицел, а расстояния определяются интерференционным методом, т.е. с точностью до долей волны лазерного излучения. Поскольку перемещение головок в таком устройстве осуществляется механически (без участия собственного привода накопителя), все работы проводятся в чистом помещении либо с открытой крышкой блока HDA, либо через специальные отверстия, которые по окончании записи сервокодов заклеиваются герметизирующей лентой. Вы можете найти эти заклеенные отверстия на блоке HDA, причем на ленте обязательно будет написано, что, оторвав ее, вы потеряете право на гарантийное обслуживание.

Устройства для записи сервокодов стоят дорого и часто предназначаются для какой-либо конкретной модели накопителя. Некоторые фирмы, занимающиеся ремонтом накопителей, располагают такими устройствами, т.е. могут выполнить перезапись сервокодов при повреждении накопителя. Если же в ремонтной фирме нет устройства для записи сервокодов, то неисправный накопитель отсылается изготовителю. При обычных операциях считывания и записи удалить сервокоды невозможно. Этого нельзя сделать даже при низкоуровневом форматировании.

Поскольку привод с подвижной катушкой отслеживает реальное положение дорожек, ошибки позиционирования, возникающие со временем в накопителях с шаговым двигателем, в данных устройствах отсутствуют. На их работе не сказывается также расширение и сжатие дисков, происходящее вследствие колебаний температур. Во многих современных накопителях с приводом от подвижной катушки в процессе работы через определенные промежутки времени выполняется температурная калибровка. Эта процедура заключается в том, что все головки поочередно переводятся с нулевого на какой-либо другой цилиндр. При этом с помощью встроенной схемы проверяется, насколько сместилась заданная дорожка относительно своего положения в предыдущем сеансе калибровки, и вычисляются необходимые поправки, которые заносятся в оперативное запоминающее устройство в самом накопителе. Впоследствии эта информация используется при каждом перемещении головок, позволяя устанавливать их с максимальной точностью.

В большинстве накопителей температурная калибровка выполняется через каждые 5 мин в течение первого получаса после включения питания, а затем через каждые 25 мин. Некоторые пользователи полагают, что произошла ошибка при считывании данных, но на самом деле просто подошло время очередной калибровки. Заметим, что эта процедура выполняется в большинстве современных интеллектуальных накопителей (IDE и SCSI), что в конечном итоге позволяет подводить головки к дорожкам с максимально возможной точностью.

Однако по мере распространения программ мультимедиа подобные перерывы в работе накопителей становятся помехой. Дело в том, что при выполнении калибровки прекращаются все обмены данными с накопителем, например приостанавливается воспроизведение звуковых или видеофрагментов. Поэтому фирмы, производящие такие накопители, начали выпуск их специальных A/V-модификаций (A/V — Audio Visual), в которых начало очередной температурной калибровки задерживается до тех пор, пока не закончится текущий сеанс обмена данными.

Большинство новых моделей IDE- и SCSI-устройств относится к этому типу, т.е. воспроизведение звуковых и видеофрагментов не прерывается процедурами калибровки.

Кстати, о процедурах, выполняемых накопителями автоматически: большинство устройств, которые осуществляют автоматическую температурную калибровку, выполняют также свипирование диска (sweep). Дело в том, что, хотя головки не касаются носителя, они располагаются настолько близко к нему, что начинает сказываться воздушное трение. Несмотря на свою сравнительно малую величину, оно все же может привести к преждевременному износу поверхности диска в том случае, если головка будет постоянно (или почти постоянно) находиться над одной и той же дорожкой. Чтобы этого не произошло, выполняется следующая процедура. Если головка слишком долго остается неподвижной (т.е. операции считывания и записи не выполняются), то она автоматически перемещается на случайно выбранную дорожку, расположенную ближе к краям диска, т.е. в ту область, где линейная скорость диска максимальна, а следовательно, воздушный просвет между его поверхностью и головкой имеет наибольшую величину. Временная задержка выбирается относительно небольшой (обычно 9 мин). Если после перевода головки диск снова окажется “в простое” в течение такого же времени, то головка переместится на другую дорожку и т.д.

Вспомогательный клин

Такая система записи сервокодов использовалась в первых накопителях с подвижной катушкой. Вся информация, необходимая для наведения (позиционирования) головок, записывалась в кодах Грея в узком секторе (“клине”) каждого цилиндра непосредственно перед индексной меткой. Индексная метка обозначает начало каждой дорожки, т.е. вспомогательная информация записывается в предындексном интервале, расположенном в конце каждой дорожки. Этот участок необходим для компенсации неравномерности вращения диска и тактовой частоты записи, и контроллер диска обычно к нему не обращается. На рис. 13 продемонстрирован способ записи сервокодов во вспомогательном клине.

Рис.13. Вспомогательный клин

Некоторым контроллерам необходимо сообщать о том, что к ним подключен накопитель со вспомогательным клином. В результате они корректируют (сокращают) длину секторов, чтобы поместить область вспомогательного клина. Самый существенный недостаток подобной системы записи состоит в том, что считывание происходит только один раз при каждом обороте диска. Это означает, что во многих случаях для точного определения и коррекции положения головок диск должен совершить несколько оборотов. Недостаток этот был очевиден с самого начала, поэтому подобные системы никогда не были широко распространены, а сейчас и вовсе не используются.

Встроенные коды

Такой метод реализации обратной связи представляет собой улучшенный вариант системы со вспомогательным клином (рис. 14). В данном случае сервокоды записываются не только в начале каждого цилиндра, но и перед началом каждого сектора. Это означает, что сигналы обратной связи поступают на схему привода головок несколько раз в течение каждого оборота диска и головки устанавливаются в нужное положение намного быстрее. Еще одно преимущество (по сравнению с системой со специализированным диском) заключается в

том, что сервокоды записываются на всех дорожках, поэтому может быть скорректировано положение каждой головки (это касается тех случаев, когда отдельные диски в накопителе нагреваются или охлаждаются по-разному либо подвергаются индивидуальным деформациям).

Описанный способ записи сервокодов используется в большинстве современных накопителей. Как и в системах со вспомогательным клином, встроенные сервокоды защищены от стирания и любые операции записи блокируются, если головки оказываются над участками со служебной информацией. Поэтому даже при низкоуровневом форматировании удалить сервокоды невозможно.

Система со встроенными сервокодами работает лучше, чем со вспомогательным клином, потому что служебная информация (сервокоды) считывается несколько раз за каждый оборот диска. Но вполне очевидно, что еще более эффективной должна быть система, в которой цепь обратной связи работает непрерывно , т.е. сервокоды считываются постоянно.

Рис. 14. Встроенные сервокоды

Системы со специализированным диском

При реализации данного способа сервокоды записываются вдоль всей дорожки, а не только один раз в ее начале или в начале каждого сектора. Естественно, если так поступить со всеми дорожками накопителя, то в нем не останется места для данных. Поэтому одна сторона одного из дисков выделяется исключительно для записи сервокодов. Термин специализированный диск означает, что одна сторона диска предусмотрена только для записи служебной информации (сервокодов) и данные здесь не хранятся. Такой подход на первый взгляд может показаться довольно расточительным, но необходимо учесть, что ни на одной из сторон остальных дисков сервокоды уже не записываются. Поэтому общие потери дискового пространства оказываются примерно такими же, как и при использовании системы встроенных кодов.

При сборке накопителей со специализированным диском одна из сторон определенного диска изымается из нормального использования для операций чтения/записи; вместо этого на ней записывается последовательность сервокодов, которые в дальнейшем используются для точного позиционирования головок. Причем обслуживающая эту сторону диска сервоголовка не может быть переведена в режим записи, т.е. сервокоды, как и во всех рассмотренных выше системах, невозможно стереть ни при обычной записи данных, ни при форматировании низкого уровня. На рис. 15 приведена схема накопителя со специализированным диском для сервокодов. Чаще всего верхняя головка или одна из центральных головок предназначены для считывания сервокодов.

Рис. 15. Система со специализированным диском

Когда в накопитель поступает команда о переводе головок на конкретный цилиндр, внутреннее электронное устройство использует полученные сервоголовкой сигналы для точного определения положения всех остальных головок. В процессе движения головок номера дорожек непрерывно считываются с поверхности специализированного диска. Когда под сервоголовкой оказывается искомая дорожка, привод останавливается. После этого выполняется точная настройка положения головок и лишь затем выдается сигнал разрешения записи. И хотя только одна головка (сервоголовка) используется для считывания сервокодов, все остальные смонтированы на общем жестком каркасе, поэтому если одна головка будет находиться над нужным цилиндром, то и все остальные тоже.

Отличительный признак накопителя со специализированным диском — нечетное количество головок. Практически во всех накопителях большой емкости используется описанный способ записи сервокодов, благодаря которому ихчитывание происходит постоянно, независимо от положения головок. Это позволяет добиться максимальной точности позиционирования головок. Существуют также накопители, в которых сочетаются оба метода корректировки положения головок: со встроенными кодами и со специализированным диском. Однако такие накопители встречаются редко.

Автоматическая парковка головок

При выключении питания рычаги с головками опускаются на поверхности дисков. Накопители способны выдержать тысячи “взлетов” и “посадок” головок, но желательно, чтобы они происходили на специально предназначенных для этого участках поверхности дисков, на которых не записываются данные. При этих взлетах и посадках происходит износ (абразия) рабочего слоя, так как из-под головок вылетают “клубы пыли”, состоящие из час-

тиц рабочего слоя носителя; если же во время взлета или посадки произойдет сотрясение на-

копителя, то вероятность повреждения головок и дисков существенно возрастет.

Одним из преимуществ привода с подвижной катушкой является автоматическая парковка головок . Когда питание включено, головки позиционируются и удерживаются в рабочем положении за счет взаимодействия магнитных полей подвижной катушки и постоянного магнита. При выключении питания поле, удерживающее головки над конкретным цилиндром, исчезает, и они начинают бесконтрольно скользить по поверхностям еще не остановившихся дисков, что может стать причиной повреждений. Для того чтобы предотвратить возможные повреждения накопителя, поворотный блок головок подсоединяется к возвратной пружине. Когда компьютер включен, магнитное взаимодействие обычно превосходит упругость пружины. Но при отключении питания головки под воздействием пружины перемещаются в зону парковки до того, как диски остановятся.

Таким образом, чтобы в накопителях с приводом от подвижной катушки привести в действие механизм парковки головок, достаточно просто выключить компьютер; никакие специальные программы для этого не нужны. В случае внезапного исчезновения питания головки паркуются автоматически.

Воздушные фильтры и акклиматизация жестких дисков

Почти во всех накопителях на жестких дисках используется два воздушных фильтра: фильтр рециркуляции и барометрический фильтр. В отличие от сменных фильтров, которые устанавливались в старых накопителях больших машин, они располагаются внутри корпуса и не подлежат замене в течение всего срока службы накопителя.

В старых накопителях происходила постоянная перекачка воздуха снаружи внутрь устройства и наоборот сквозь фильтр, который нужно было периодически менять. В современных устройствах от этой идеи отказались. Фильтр рециркуляции в блоке HDA предназначен только для очистки внутренней “атмосферы” от небольших частиц рабочего слоя носителя, которые, несмотря на все предпринимаемые меры, все же осыпаются с дисков при взлетах и посадках головок (а также от любых других мелких частиц, которые могут проникнуть внутрь HDA). Поскольку накопители персональных компьютеров герметизированы и в них не происходит перекачки воздуха снаружи, они могут работать даже в условиях сильного загрязнения окружающего воздуха (рис. 16).

Рис.16. Направление воздушного потока в корпусе HDA

Блок HDA герметичен не полностью. Внешний воздух проникает внутрь HDA сквозь барометрический фильтр, так как это необходимо для выравнивания давления изнутри и снаружи блока. Именно потому, что жесткие диски не являются полностью герметичными устройствами, компании-изготовители указывают для них диапазон высот над уровнем моря, в котором они сохраняют работоспособность (обычно от –300 до +3 000 м). В более разреженном воздухе просвет между головками и поверхностями носителей оказывается недостаточным. Вентиляционное отверстие необходимо, чтобы выровнять давление снаружи и внутри устройства, а загрязнению внутри накопителя препятствует барометрический фильтр, установленный на этом отверстии. Фильтр способен задерживать частицы размером более 0,3 мкм, что соответствует стандартам чистоты атмосферы внутри блока HDA. В некоторых устройствах используются более плотные (тонкие) фильтры, позволяющие задерживать еще более мелкие частицы. Существуют полностью герметичные накопители, но с воздухом внутри под давлением, подобные накопители могут работать на любой высоте и даже в экстремальных условиях — выдерживать сотрясения, большие колебания температур. Такие накопители предназначены для военных и промышленных целей.

Барометрический фильтр не препятствует проникновению влаги внутрь блока HDA, поэтому по прошествии некоторого времени влажность воздуха внутри блока будет такой же, как и снаружи. Если влага начнет конденсироваться внутри блока HDA и в это время будет включено питание компьютера, то возникнут серьезные проблемы. В инструкциях по эксплуатации большинства жестких дисков приводятся таблицы или графики их акклиматизации при изменении условий окружающей среды (температуры и влажности).

Таблица. Период акклиматизации накопителя

Исходная температура, °С	Время акклиматизации, ч
4	13
–1	15
–7	16
–12	17
–18	18
–23
–29	22
–34 и ниже	27

Особенно важно соблюдать эти условия при внесении накопителя с холода в теплое помещение, поскольку в такой ситуации конденсация влаги практически неизбежна. Данное обстоятельство в первую очередь должны учитывать владельцы портативных систем с жесткими дисками. Чем холоднее накопитель, тем дольше он должен прогреваться перед включением.

Двигатель привода дисков

Двигатель, приводящий во вращение диски, часто называют шпиндельным (spindle). Шпиндельный двигатель всегда связан с осью вращения дисков, никакие приводные ремни или шестерни для этого не используются. Двигатель должен быть бесшумным: любые вибрации передаются дискам и могут привести к ошибкам при считывании и записи.

Частота вращения двигателя должна быть строго определенной. Обычно она колеблется от 7 200 до 10000-15000 об/мин или больше, а для ее стабилизации используется схема управления двигателем с обратной связью (автоподстройкой), позволяющая добиться желаемой точности. Таким образом, контроль за частотой вращения двигателя осуществляется автоматически, и никакие устройства, позволяющие сделать это вручную, в накопителях не предусмотрены. В описаниях некоторых диагностических программ говорится, что с их помощью можно измерить частоту вращения дисков. На самом деле единственное, на что они способны, — это оценить ее возможное значение по временным интервалам между моментами появления заголовков секторов. Измерить частоту вращения с помощью программы в принципе невозможно, для этого нужны специальные приборы (тестеры). Информация о частоте вращения дисков не передается (и не должна передаваться) через интерфейс контроллера жесткого диска. Раньше ее можно было оценить, считывая подряд достаточно большое количество секторов и измеряя временные интервалы, через которые появляется соответствующая информация. Но это имело смысл только тогда, когда все диски разбивались на одинаковое число секторов (17), а номинальная частота их вращения составляла 3 600 об/мин.

Использование зонной записи, появление накопителей с различными номинальными частотами вращения, встроенные буферы и кэш-память, приводит к тому, что программно вычислить истинную частоту вращения дисков невозможно.

В большинстве накопителей шпиндельный двигатель располагается в нижней части, под блоком HDA. Однако во многих современных устройствах он встраивается внутрь блока HDA и представляет собой центральную часть блока дисков-носителей. Такая конструкция позволяет, не изменяя размера накопителя по вертикали, увеличить количество дисковых пластин (платтероов) в блоке (в “стопке”).

Шпиндельный двигатель потребляет от 12-вольтного источника питания довольно значительную мощность. Она возрастает еще в 2–3 раза по сравнению со стационарным значением при разгоне (раскручивании) дисков. Длится такая перегрузка несколько секунд после включения компьютера. Если в компьютере установлено несколько накопителей, то, чтобы не подвергать чрезмерной нагрузке блок питания, можно попытаться организовать их поочередное включение. Задержанный запуск шпиндельного двигателя предусмотрен в большинстве накопителей SCSI и IDE.

Плата управления

На плате управления монтируются электронные схемы для управления шпиндельным двигателем и приводом головок, а также для обмена данными с контроллером (представленными в заранее оговоренной форме). В накопителях IDE контроллер устанавливается непосредственно в накопителе, а для SCSI могут использоваться дополнительные платы расширения.

Довольно часто неисправности возникают не в механических узлах накопителей, а в платах управления. На первый взгляд это утверждение может показаться странным, поскольку общеизвестно, что электронные узлы надежнее механических, тем не менее факт остается фактом. Поэтому многие неисправные накопители можно отремонтировать, заменив плату управления или ее элемент, а не все устройство. Эта возможность особенно привлекательна потому, что вы сможете вновь получить доступ к записанным в накопителе данным.

Примечание*. Подробнее о схеме (плате) управления смотрите в лекциях.

Лицевая панель

В комплекты многих накопителей на жестких дисках в качестве необязательных элементов могут входить лицевые панели (рис. 17). Но на сегодняшний день в большинстве случаев лицевая панель является частью корпуса компьютера, а не самого накопителя.

Рис. 17 . Стандартная лицевая панель накопителя на жестких дисках

Кабели и разъемы накопителей

В большинстве накопителей на жестких дисках предусмотрены следующие по меньшей мере два типа разъемов: интерфейсный разъем (или разъемы) и разъем питания (см. рис.18).

Рис. 18 Подключение жесткого диска ATA (IDE)

Через интерфейсные разъемы (см. рис. 19, 20,21) передаются данные и команды в накопитель и обратно. Многие стандарты интерфейсов предусматривают подключение 1 нескольких накопителей к одному кабелю (шине). Однако большинство современных устройств I D E (ATA ), SATA и SCSI подключаются с помощью одного кабеля.

Рис. 19. Внешний вид 40-контактного разъема интерфейсного кабеля (шлейфа) ATA

Рис. 20. Схема унифицированного 50-контактного разъема, используемо го для

подключения 2,5-дюймовых дисководов ATA (позиции A , D , C , D – для подключения питания)

Рис. 21, Внешний вид шлейфа (кабеля) типа ATA (IDE)

Разъемы питания накопителей на жестких дисках имеют 2 D -образную форму. Форма разъема выполняет роль ключа и не позволяет выполнить неправильное подключение. В большинстве накопителей используются два напряжения питания (5 и 12 В), но малогабаритным моделям, разработанным для портативных компьютеров, достаточно напряжения 5 В. Как правило, от источника в 12 В питается схема управления шпиндельным двигателем и привод головок, а напряжение 5 В поступает на электронные компоненты. Накопители на жестких дисках потребляют большую мощность, чем дисководы для гибких дисков. Поэтому, при подключении нескольких HDD следует определится с мощностью блока питания.

Потребление тока от источника в 12 В зависит от размеров устройства: чем больше отдельных платтеров входит в “пакет” и чем больше диаметр каждого из них, тем большая мощность необходима для приведения их в движение. Кроме того, для получения большей частоты вращения дисков необходимо также увеличивать мощность. Например, потребляемая мощность для накопителей формата 3,5 дюйма в среднем примерно в 2–4 раза меньше, чем для полноразмерных устройств формата 5,25 дюйма. Некоторые накопители особо малых форматов (2,5 и 1,8 дюйма) потребляют всего около 1 Вт электрической мощности.

Иногда на корпусе носителя имеется зажим для заземления, который необходим для того, чтобы обеспечить надежный контакт между общим проводом накопителя и корпусом системы. В компьютерах, где накопители крепятся непосредственно к корпусу с помощью металлических винтов, специальный провод заземления не нужен. В некоторых компьютерах накопители монтируются на пластмассовых или стеклотекстолитовых направляющих, которые, естественно, электрически изолируют корпус накопителя от корпуса системы. В этом случае их обязательно нужно соединить дополнительным проводом, подключаемым к упомянутому зажиму. При плохом заземлении накопителя возникают сбои в его работе, ошибки при считывании и записи и т.п.

Элементы конфигурации

При установке накопителя в компьютер обычно необходимо переставить или отключить специальные перемычки (джамперы), а иногда и нагрузочные резисторы. Эти элементы конфигурации изменяются в зависимости от интерфейса и от производителя накопителя.

Переключатели для двухдисковой конфигурации ATA (IDE )

Установка двух накопителей IDE в одном компьютере может выполняться с помощью одного или двух интерфейсных шлейфов. Джамперы конфигурации позволяют определить, каким образом подключаются устройства к IDE -контроллеру.

В стандарте IDE предусмотрен способ организации совместной работы двух последовательно подключенных жестких дисков. Статус жесткого диска (первичный или вторичный) определяется либо путем перестановки имеющейся в нем перемычки с обозначением Master для первичного и Slave для вторичного, либо подачей по одной из линий интерфейса управляющего сигнала CSEL (Cable SELect — выбор кабеля).

При установке в системе только одного жесткого диска его контроллер реагирует на все команды, поступающие от компьютера. Если жестких дисков два (а следовательно, и два контроллера), то команды поступают на оба контроллера одновременно. Их надо настраивать так, чтобы каждый жесткий диск реагировал только на адресованные ему команды. Именно для этого и служит перемычка (переключатель) Master/Slave и управляющий сигнал CSEL.

Большинство накопителей IDE можно сконфигурировать следующим образом:

• первичный (один накопитель);
• первичный (два накопителя);
• вторичный (два накопителя);
• выбор кабеля.

Каждому из контроллеров двух жестких дисков необходимо сообщить его статус — первичный или вторичный. В большинстве новых накопителей используется только один переключатель (первичный/вторичный), а на некоторых еще и переключатель существования вторичного диска (slave present).

На рис. 22 показано расположение описанных переключателей на задней части накопителя.

В некоторых современных накопителях можно не устанавливать переключатели, т.е. по умолчанию принимается определенная конфигурация накопителя. Все необходимые для правильной работы накопителя положения переключателей приводятся в документации к накопителю.

Рис. 22. Переключатели (джамперы) накопителя ATA (IDE)

1 В интерфейсе SCSI допускается подключение до семи накопителей к одному кабелю (Wide SCSI-2 поддерживает до 15 устройств). В стандартах ST-506/412 или ESDI для данных и управляющих сигналов предусмотрены отдельные разъемы

2 Могут быть, как и у дисководов для гибких дисков.

PAGE 16

Рис. 1. При пропускании тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле

Батарея

Направление тока

Магнитные поля

окружают проводники

Рис. 4. Дорожки и секторы накопителя на жестких дисках

Рис. 5. Цилиндр накопителя на жестких дисках

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать
46883.		Методы диагност обследования больных туберкульозом лёгких	34.5 KB
	Диагностика (туберкулодиагностика) - метод изучения инфицированности микобактериями туберкулеза, а также реактивности инфицированных или вакцинированных людей, основанный на применении туберкулиновых проб.
46884.		ТУБЕРКУЛЁЗ ВНУТРИГРУДНЫХ ЛИМФАТИЧЕСКИХ УЗЛОВ	34.5 KB
	ТУБЕРКУЛЁЗ ВНУТРИГРУДНЫХ ЛИМФАТИЧЕСКИХ УЗЛОВ Туберкулёз внутригрудных лимфатических узлов обычно морфологически подразделяют на инфильтративную форму сходную с прикорневой пневмонией характеризующейся преимущественно перифокальными реакциями вокруг поражённых узлов и туморозную форму сходную с опухолевыми заболеваниями и характеризующуюся преимущественно гиперплазией лимфатических узлов и казеозом. При хорошо работающей педиатрической службе туберкулёз внутригрудных лимфатических узлов чаще выявляют при обследовании ребёнка или подростка...
46886.		ИСКУССТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ БАЗЫ	34.99 KB
	К категории искусственных технологических баз относятся также такие технологические базы которые в целях повышения точности базирования обрабатываемой заготовки в приспособлении предварительно обрабатываются с более высокой точностью чем это требуется для готового изделия по чертежу.Характерным примером искусственных технологических баз могут служить центровые отверстия не требующиеся для готового пала и необходимые исключительно из технологических соображений.
46887.		Особенности философии Возрождения. Человек как центральная проблема философии эпохи Возрождения	35 KB
	Гуманизм представляет собой в эту эпоху образ мышления где идея блага человека объявляется главной целью социального и культурного развития. Обращение к человеку не просто анализ его земного бытия а показатель сущности человека в мире. Путь творческой деятельности и творчества Особое значение приобретает не только духовная красота человека но и его телесная красота. Индивидуализм как принципиальная установка при рассмотрении человека становится средством обоснования его самоценности необходимости освобождения от...
46888.		Метод проектов	35 KB
	Для комплексного решения задач технологического обучения используются различные методы в том числе выполнение творческих проектов целью которых является включение учащихся в процесс преобразовательной деятельности от разработки идеи до ее осуществления. Выполняя проекты школьники осваивают методы инновационной творческой деятельности учатся самостоятельно находить и анализировать информацию получать и применять знания по различным отраслям приобретать умения и навыки практической работы опыт...
46889.		Планування площадки з «нульовим» балансом земляних мас	35 KB
	Розроблення ґрунтів здійснюють з метою підготовки основи під будинки та споруди для зміни природного рельєфу місцевості. Процес розроблення ґрунту складається з трьох основних операцій: розроблення ґрунту його переміщення транспортування та укладання з ущільненням. Розроблення може виконуватись з метою створення виїмки та насипу. Під час виконання земляних робіт велике значення має транспортування ґрунту до місця його призначення тому важливим завданням технолога є вибір і розроблення найефективніших методів розроблення та...
46890.		ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОПОРНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ	35.14 KB
	В подобных случаях технолог вынужден использовать дополнительные опорные поверхности несущие на себе дополнительные опорные точки сверх шести теоретически необходимых. Дополнительные опорные поверхности могут быть естественными т. Примером использования дополнительной опорной поверхности может служить токарная обработка длинного вала.
46891.		Государственная отраслевая политика	36.67 KB
	Базовыми видами оценок основных средств являются: первоначальная восстановительная и остаточная стоимость. Полная первоначальная стоимость основных средств предприятия представляет собой сумму фактических затрат в действующих ценах на: приобретение или создание средств труда: возведение зданий и сооружений покупку транспортировку установку и монтаж машин и оборудования и др. По полной первоначальной стоимости основные средства принимаются на баланс предприятия и она остается неизменной в течение всего срока службы средств труда и...

Накопители на жестких магнитных дисках — устройство и основные низкоуровневые характеристики

Некогда простому пользователю компьютера следовало досконально разбираться в его устройстве, языках программирования и прочих, не относящихся напрямую к его непосредственной деятельности, вещах. Просто потому, что первые компьютеры выпускались «голыми» — без какого-либо программного обеспечения. Хочешь работать с компьютером? Учись разговаривать на его «языке». Либо общайся через посредника.

Позднее компьютерная техника развивалась по тому же сценарию, что и вся остальная — в эту область пришло разделение труда. Во-первых, произошло разделение на собственно пользователей, которые применяли для решения своих задач не компьютеры как таковые, а пакеты специализированных прикладных программ, и программистов, которые эти самые программы и писали. Последние тоже быстро разделились на системных и прикладных. Первые по-прежнему должны были разбираться в «железе» досконально, ведь их работой было написание операционных систем и прочих приложений «низкого уровня», в частности — сред для разработки программ. А вторые уже не привязывались сильно к аппаратуре, используя труд первых. Их задачей была разработка прикладных программ, отвечающих потребностям пользователей.

К моменту появления первых персональных компьютеров вся эта многоуровневая система в общем виде уже была выстроена. Но были и свои особенности. В частности, «прослойка» в виде ОС была слишком уж тонкой — писать более-менее сложные прикладные программы, не обращаясь непосредственно к аппаратуре, не получалось. Да и не так много на тот момент было прикладных программ, причем «сложность» их с точки зрения сегодняшнего дня была невысокой, так что иногда пользователю приходилось становиться самому программистом и писать для себя необходимый софт. Впрочем, первое время многих это вполне устраивало (немалое количество персоналок покупали тогда настоящие энтузиасты компьютерной техники), но свой отпечаток на ситуацию на рынке накладывало. Недаром многие руководства пользователя MS DOS начинались с описания команд системы, а заканчивались примерами применения недокументированных прерываний:)

С тех беспечальных времен утекло уже немало воды. Многие современные пользователи не знают даже о всех возможностях постоянно используемых ими приложений. Чего уж там говорить об устройстве операционной системы или особенностях упрятанной в системный блок аппаратуры! С одной стороны, это не может не радовать — не знают, поскольку нет необходимости это знать. Люди сейчас просто играют в игры, смотрят фильмы, слушают музыку, переписываются с друзьями по всему земному шару, причем сразу после покупки и установки компьютера на рабочий стол, а не после того, как изучат программирование и архитектуру ЭВМ и сами напишут все необходимые программы.

С другой же стороны, подобная ситуация неминуемо приводит к ряду проблем, как только начинают решаться вопросы более сложные, нежели запуск приложения. В частности, компьютеры пока еще бесплатно не раздаются. А разные модели имеют разные возможности, производительность и цену. И как сделать правильный выбор, чтобы потом о нем не жалеть? Это с электрическими чайниками все просто — лишь три критичных параметра: емкость, мощность и дизайн. Причем все три просты и понятны на бытовом уроне. Последний можно оценить визуально, емкость говорит о том, сколько чая вы можете приготовить за одну операцию, а мощность — сколько времени на это потребуется. С компьютерами же пока все сложнее, благо их функциональность выше. Так что и производительность не есть что-то строго заданное, она определяется решаемыми задачами. Идеальная игровая станция может оказаться не лучшим выбором для видеомонтажа, а хороший компьютер для обработки видео избыточен для «офисных задач» и т. п. Поэтому нередко приходится оценивать не компьютеры в целом, а их компоненты. Следовательно, нужно хотя бы знать, какие;) Еще лучше, когда известны принципы их работы — это позволяет быстро, пусть и грубо, оценить и скоростные (и не только скоростные) параметры. Например, это верно для жестких дисков: человек, который понимает их устройство, не удивляется тому, что модели для ноутбуков медленнее и меньше по емкости, нежели настольные.

В общем, знать устройство компьютера и принципы работы его компонентов и сейчас временами полезно. К сожалению, количество подобной информации в свободном доступе за последние годы уменьшилось — это лет 20 назад каждое «пособие для начинающих» включало в себя описания того, как все это устроено и работает, сегодня же авторы обычно считают, что человек это либо уже знает, либо ему это не интересно. Откуда же должны браться базовые знания? Вопрос остается открытым. Поэтому мы постараемся на него ответить. По крайней мере, в отношении таких важных устройств, как накопители на жестких магнитных дисках. Итак, сегодня вашему вниманию предлагается статья из серии «Как это работает?», из которой желающие смогут узнать, как устроены винчестеры с точки зрения физики и как это сказывается на их быстродействии. Поскольку статья предназначена для начинающих, не стоит писать потом гневных писем по поводу того, что информация изложена поверхностно и не учтен ряд тонких нюансов — с ними мы со временем попробуем разобраться, ну а пока займемся фундаментом.

НЖМД с точки зрения механики

Как бы ни были громоздки и тяжеловесны канцеляризмы эпохи 70-х, но зачастую они понятнее и точнее, нежели более простые заимствованные термины. Действительно: сколько информации несет в себе слово «винчестер»? Близко к нулю — современные пользователи в основной своей массе даже не знают, почему за жесткими дисками закрепилось это название. А вот напишешь «НЖМД» — и сразу можно о многом задуматься, просто расшифровав аббревиатуру. Итак, наши сегодняшние герои — Накопители на Жестких Магнитных Дисках.

С первым словом все понятно: термином «накопитель» обозначаются практически все устройства хранения информации в случае их самодостаточности, либо этот термин относят к приводу (для сменных носителей). Винчестеры и USB-флэшдрайвы принадлежат к первой категории — они включают в себя и носитель информации, и всю логику работы с ним, в отличие от, например, оптических дисководов или картоводов, где носитель сменный, причем это принципиальное его качество. Со вторым словом тоже вроде все понятно: бывают и накопители на гибких дисках — в просторечии, тот самый дисковод, который ныне уже стал редкостью, но 20-30 лет назад был весьма важным, а то и (в персональных компьютерах) вообще единственным устройством хранения данных. Некоторые принципы хранения данных на гибких и жестких дисках одинаковы, однако между соответствующими устройствами есть и принципиальные различия, в результате чего и пришлось в свое время жестко разграничить эти накопители.

Теперь о дисках. Такая форма носителя информации принята не случайно — круглый диск является фигурой вращения. Причем, опять же, замечу, что диски — не единственный возможный вариант: в свое время активно применялись и накопители на магнитных барабанах. А вот накопителей на «магнитных квадратах» или треугольниках доселе не встречалось (хотя сейчас над ними уже работают, но они и по принципу функционирования совершенно не похожи на привычные накопители) :) Почему так — мы поговорим чуть позднее. Пока же на будущее запомним, что рабочим телом в винчестерах являются диски. Обычно даже не один, а несколько, насаженных на одну ось и формирующих пакет жестких дисков .

Отсюда сразу вытекают несколько низкоуровневых физических параметров накопителя: диаметр дисков, их количество и угловая скорость вращения. Первые два ограничены сверху требованиями форм-фактора накопителя, да и третий на них сильно завязан. Все дело в наличии силы трения, победить которую полностью — невозможно. Соответственно, чем больше дисков в пакете и/или больше их диаметр, тем пакет тяжелее, а значит (при фиксированной скорости вращения), тем бо́льшую мощность должен иметь электродвигатель, который всю эту конструкцию «разгоняет» до рабочего режима и в нем поддерживает. Это первое ограничение, причем достаточно серьезное: количество энергии нередко достаточно жестко лимитировано. Вторым фактором является то, что сложность изготовления конструкции из быстровращающихся дисков большого диаметра растет в геометрической прогрессии по мере увеличения диаметра и количества дисков. Дело в том, что в реальном мире диски не являются идеально тонкими и ровными, так что следует учитывать разные досадные побочные явления, сопутствующие вращению. Такие, как, например, биения краев в вертикальной плоскости, тем бо́льшие, чем больше диаметр диска. Разумеется, усовершенствование технических процессов изготовления пластин позволяет ослабить воздействие этих факторов, но происходит это достаточно медленно.

Магнитный слой

Возвращаемся к аббревиатуре и вспоминаем, что у нас вращаются не просто какие-то там абстрактные диски, а магнитные, т. е. имеющие покрытие с определенными магнитными свойствами. Именно благодаря ему диски и способны хранить информацию. На первом уровне абстракции можно принять, что каждый микроскопический участок определенной площади (о чем чуть позже) хранит ровно один бит данных. Соответственно, его можно считать или записать.

Магнитное покрытие также имеет свои характеристики. Во-первых, это его площадь нанесения, которая несколько меньше, нежели весь диск. Использовать области у самых краев обычно чревато последствиями из-за особенностей технологии изготовления — не получается в этих областях нанести покрытие идеально. То же самое можно сказать и о центре. Соответственно, вся рабочая область заключена между двумя числами — минимальным и максимальным радиусом, первый из которых строго больше нуля, а второй — строго меньше радиуса самого диска. И вторым важнейшим параметром является плотность записи, т. е. величина, обратная площади, потребной на хранение единицы информации. На практике же этим значением пользуются не часто, оперируя величинами продольной и поперечной плотностей записи, что связано с механикой работы самого накопителя. Изучим этот вопрос поподробнее.

Головки, дорожки, сектора

Несмотря на то что для хранения информации используется почти вся поверхность диска, в каждый момент времени мы можем работать лишь с небольшой ее частью (иначе не нужно было бы и с вращением огород городить). Для чтения или записи данных используется магнитная головка (по одной на каждую используемую сторону дисков в пакете), летящая над поверхностью диска на небольшой высоте. Соответственно, за один оборот диска под ней проходит целая концентрическая дорожка, а для доступа к соседним областям головку необходимо смещать к центру или в обратном направлении. Совокупность всех дорожек, расположенных на равном расстоянии от центра на разных дисках, кстати, именуется цилиндром. Каждая дорожка имеет отличную от нуля ширину, так что на диске помещается конечное их количество. Сколько? Зависит от ширины рабочего слоя (которая, в свою очередь, определяется в основном диаметром диска) и от поперечной плотности записи. Ну или наоборот: поперечная плотность записи — это показатель того, сколько дорожек мы можем разместить в одном дюйме при текущем уровне технологии производства дисков и головок. Обычно определяющим является второе — резкое увеличение поперечной плотности связано с внедрением новых технологий производства магнитных головок, позволяющих им оперировать с дорожками меньшей ширины. Происходит такое, к сожалению, достаточно редко, зато сразу же существенно увеличивает емкость дисков.

Продольная же плотность записи показывает, сколько бит информации можно вместить на один дюйм длины окружности, которую собой представляет дорожка, рассматриваемая в качестве математической абстракции. Эта характеристика тоже зависит от уровня технологии производства дисков и головок, однако менее подвержена скачкообразным изменениям, поскольку при одной и той же технологии производства головок может быть увеличена за счет улучшения характеристик магнитного покрытия (либо переход на новую технологию, либо улучшение текущей). Правда, несмотря на то что продольная плотность измеряется в битах на дюйм, на самом деле с отдельными битами на дисках не работают — слишком уж мелкая величина. И с байтами, обычно, тоже. Разве что в очень-очень старых компьютерах емкость запоминающих устройств была столь небольшой, что процессору удавалось адресовать не только каждый байт оперативной памяти, но и каждый байт на магнитных барабанах (диски тогда еще не применялись), поэтому иерархическая система памяти не требовалась — она вся могла считаться оперативной.

Однако к моменту появления первых персональных компьютеров емкость дисковых накопителей стала уже слишком большой, чтобы адресовать напрямую каждый байт, так что они окончательно стали устройствами с так называемым блочным доступом: минимальной единицей информации, которую можно считать с диска или записать на него, является блок или сектор. Типичный его размер для IBM PC и последователей составляет, кстати, 512 байт. Хотя изначально допустимы были и другие значения, но стандартными они не стали, так что масса программного обеспечения просто неспособна работать с секторами, отличными от указанного выше размера. Только сейчас некоторые производители жестких дисков начали применять увеличенные в восемь раз секторы (по 4К байт, соответственно), однако этот процесс находится лишь в начальной стадии.

В любом случае, на дорожке должно помещаться целое количество секторов. Причем крайне желательно, чтобы на соседних дорожках количество секторов было одинаковым. В случае дискет или первых винчестеров так и вовсе — считалось, что все дорожки содержат одинаковое количество секторов. Так что фактическая продольная плотность записи весьма быстро возрастала от окраин к центру, вместе с уменьшением длины дорожек. Причем максимальное ее значение ограничивалось технологией, так что, по сути, бо́льшая часть площади внешних дорожек расходовалась нерационально. Впрочем, пока дорожек было мало (на дискетах, например, их количество равно 40 или 80), с этим можно было мириться, а вот с ростом поперечной плотности записи такие потери становились все более и более существенными. Некоторое время с ними ничего не могли поделать, поскольку системное программное обеспечение было рассчитано на постоянное количество секторов на дорожке, однако по мере совершенствования дисковых интерфейсов и переноса большей части электроники непосредственно в накопитель реальную физическую структуру последнего от программ удалось спрятать.

Программы продолжали считать, что на диске количество секторов на дорожку является постоянной величиной, но на деле одинаковым оно осталось лишь в пределе ограниченной полосы из нескольких десятков дорожек, зато таковых зон стало несколько. Конечно, определенные потери дискового пространства есть и при данном методе, поскольку реальная и технологическая плотности записи обязаны совпадать на внутренних дорожках каждой зоны, а на внешних первая быстро становится меньше второй, так что часть информации, которую физически можно было бы разместить на диске, просто «не помещается». Однако потери эти много меньше, чем при наличии всего одной зоны. Ну а по сложности реализации данный метод лишь немногим сложнее «однозонного» и куда проще подхода, при котором количество секторов было бы различным на всех дорожках.

В общем, к чему все это? К тому, что из-за блочной организации дискового пространства с точки зрения операционных систем и прочего программного обеспечения теоретическая продольная плотность записи (обычно указываемая для всего жесткого диска) на практике недостижима. Точнее, достижима она лишь для нескольких дорожек — внутренних в каждой зоне, а на внешних реальная плотность записи ниже теоретической. Впрочем, благодаря зонной организации, отличается она не так уж и сильно, так что для наших целей можно считать и продольную, и поперечную плотность записи постоянными характеристиками НЖМД. Но очень слабо зависящими от производителя — как мы увидим далее, для всех потребительских характеристик накопителя желательно, чтобы плотность записи (в обоих направлениях) была бы максимальной. Именно поэтому о плотности записи вспоминают лишь тогда, когда при смене линеек накопителей производителю удается ее увеличить. А искусственно ее занижать (по сравнению с технологически возможной) просто невыгодно. Вот и не занижают.

Теперь же, разобравшись более-менее с низкоуровневыми характеристиками винчестеров, поднимемся на уровень выше — к тем параметрам, которые нужны нам, как пользователям, на практике.

Емкость

Начнем с самого простого, а для многих — основного и чуть ли не единственного параметра. Действительно: приступая к выбору винчестера, большинство сначала определяется с его емкостью, а потом уже (если есть желание) начинает выбирать конкретную модель из нескольких равных по объему. Кроме того, начинать с этого параметра удобно потому, что он достаточно прост:)

Действительно, чему равна емкость НЖМД? Количеству жестких дисков (точнее, рабочих поверхностей — не у каждого диска используются обе стороны из-за ограничений по высоте накопителя, но нам сейчас это не совсем важно), умноженному на емкость каждого из них. А емкость одной рабочей поверхности (одной стороны диска) равна его площади, умноженной на плотность записи. Площадь же круга (опять же — мы помним, что у нас, скорее, кольцо, поскольку внутренние и внешние области не используются, однако их размеры обычно постоянны, так что можно и упростить картину для ясности) пропорциональна квадрату его диаметра. Таким образом, увеличивая диаметр дисков и их количество в пакете при сохранении плотности записи, мы очень быстро увеличиваем емкость накопителя, причем диаметр более важен: количество дисков дает лишь линейный рост емкости, а диаметр — квадратичный. А при равных количестве и диаметре дисков подобный же эффект дает увеличение плотности записи. В общем, для получения максимальной емкости увеличивать нужно все, кроме скорости вращения — она ни малейшего влияния не оказывает.

Энергопотребление

Почему мы ставим эту характеристику на второе место — выше производительности? Мода сейчас такая — на энергоэффективность. Во-первых. Во-вторых же, в фаворе ныне и портативные компьютеры, которые по объемам продаж уже обогнали стационарных, а там экономия энергии не прихоть, а насущная необходимость — многие готовы ради лишнего часа автономной работы пожертвовать и половиной производительности.

Итак, что же влияет на потребление энергии? Очевидно, что плотность записи на нее не влияет. А вот все механические характеристики дисков влияют, причем отрицательным образом. Действительно — работа силы трения тем выше, чем выше скорость вращения, следовательно, низкооборотистые диски будут всегда экономичнее высокооборотистых. Причем при одинаковой скорости вращения требуется тем более мощный электродвигатель, чем тяжелее пакет дисков. А последний тем тяжелее (при прочих равных), чем больше в нем дисков и чем больше их диаметр. Таким образом, для максимальной экономии энергии нужно уменьшать диаметр дисков, их количество и скорость их вращения .

Заметим, что выше описан, так сказать, экстенсивный (т. е. чисто количественный) способ экономии энергии. Кроме него есть и интенсивный — развивать технологии. Например, если мы освоим новый материал для производства дисков, который позволит сделать их более легкими, то при том же диаметре и количестве дисков уменьшится масса всего пакета, а следовательно, и сила трения, и потребляемая на ее преодоление мощность. Аналогичного эффекта можно добиться, применив улучшенные подшипники в системе подвеса дисков. Улучшение технологии магнитных головок позволяет им работать с меньшими областями намагничивания и обходиться в работе меньшими токами, а это тоже благотворно влияет на энергопотребление. В общем, есть масса безусловно полезных способов борьбы с излишним потреблением энергии, которыми пользуются все производители. Но очень часто бывает так, что все технологические ухищрения уже применены, а достигнутого уровня экономии все равно недостаточно. В этом случае не остается ничего иного, кроме как использовать экстенсивные методы.

Скорость выполнения последовательных операций

И вот, наконец-то, мы добрались и до производительности. Начнем с линейных операций, благо многие до сих пор считают скорость копирования файлов мерилом производительности винчестеров. В общем случае это абсолютно неправильно, хотя… если основная и единственная задача накопителя — служить хранилищем видеотеки, то, действительно, последовательные операции наиболее важны: мы работаем с большими файлами, причем читаем или записываем их исключительно последовательно от начала к концу.

Как рассчитать предельную скорость линейных операций? Очень просто — она тем выше, чем большее количество битов информации проходит мимо магнитной головки за единицу времени. Соответственно, очень важное значение имеет последовательная плотность записи — чем она выше, тем больше скорость. Вторым же компонентом в этом произведении является обычная «физическая» скорость движения диска относительно головки, разная для каждой дорожки, поскольку при постоянной угловой скорости вращения диска линейная зависит от радиуса дорожки. Именно поэтому получается такой любопытный эффект, что на внешних дорожках скорость последовательных чтения и записи намного выше, чем на внутренних. Благодаря ему нередко диски массовых серий умудряются на внешних дорожках обгонять своих высокопроизводительных собратьев того же поколения с большей скоростью вращения. А вот диски разных поколений практически всегда имеют разную скорость выполнения последовательных операций даже при одинаковых физических параметрах — плотность записи различается существенно.

В общем, подводя итоги, для увеличения скоростей линейных чтения и записи производителям необходимо увеличивать плотность записи, скорость вращения дисков и их диаметр (последнее никак не повлияет на внутренние дорожки, зато повысит скорость на внешних и, соответственно, увеличит ее и в среднем).

Скорость выполнения случайных операций

Что касается более актуальных ныне (из-за многозадачности современных операционных систем) операций со случайным доступом к дискам, то тут все гораздо сложнее, нежели с «прямолинейной» логикой линейных. Для начала разберемся, каков именно физический смысл времени доступа к информации, определяющего скорость выполнения случайных операций.

Итак, нам необходим определенный блок с данными (мы помним, что именно он является наименьшей единицей). Мы не можем просто взять его и получить (что легко делается в носителях на базе флэш-памяти — там по номеру блока нужный выдается сразу, где бы он ни располагался, что и обеспечивает этим накопителям превосходное время доступа как минимум на операциях чтения) — сначала нужно переместить головку на нужную дорожку, а потом дождаться прохождения под ней нужного сектора. Сумма же времени выполнения этих операций и будет давать нам время доступа.

С первым компонентом все достаточно просто: время, нужное на «попадание» на запрошенную дорожку, прямо пропорционально диаметру пластины. Некогда его «портила» и поперечная плотность записи, поскольку применялись шаговые двигатели, способные за одну операцию сместить головку только на одну дорожку, однако те времена давно прошли. Теперь — только диаметр, да и то косвенно: определенное время на перемещение головки действительно требуется, а в худшем случае ее придется «прогнать» по всему радиусу. Однако сколько на диске дорожек — не слишком важно: внутренние схемы по номеру дорожки определяют примерное ее физическое местоположение и перемещают головку куда нужно (по крайней мере, пытаются), так что уже после первой же операции позиционирования в подборе нужного места участвует не более чем десяток дорожек, вне зависимости от их общего количества на диске.

Ладно — нужную дорожку мы нашли, теперь осталось дождаться нужного сектора. Когда? Угадать сложно — в лучшем случае мы получим нужный нам блок данных сразу же после позиционирования, в худшем его придется ждать целый оборот диска (если он только что «проскочил»). Согласно законам статистики, из этого следует, что в среднем у нас на ожидание нужных данных будет требоваться пол-оборота диска. Из чего неумолимо следует, что чем выше скорость вращения диска, тем меньше время ожидания.

После того, как сектор окажется в нужном месте, его требуется прочитать или записать, так что теоретически на полную скорость выполнения случайных операций влияют и все те факторы, что важны для последовательных операций. Однако на самом деле ими вполне можно пренебречь — блоки данных настолько невелики, что само физическое их чтение занимает много меньше времени, чем позиционирование головки и ожидание. Таким образом, для получения минимального времени доступа к данным (и, следовательно, максимальной производительности на случайных операциях) необходимо уменьшать диаметр диска и увеличивать его скорость вращения .

Некоторые практические примеры

Несложно заметить, что все требования к физическим параметрам жестких дисков весьма противоречивы — например, для увеличения скорости последовательных операций диаметр диска нужно увеличивать, а вот для лучшего поведения на случайных запросах требуется поступать в точности наоборот. Именно поэтому конструкторам постоянно приходится идти на компромиссы, а диски для разных сегментов рынка абсолютно разные. Посмотрим — какие. Для лучшего закрепления материала:)

Диски массовых серий

Требуется: высокая емкость при низкой стоимости.

Желательно: высокая производительность на линейных и случайных операциях.

Нежелательно: высокое энергопотребление.

Совокупность этих требований быстро позволяет понять, почему все диски массовых серий у разных производителей одинаковые. Действительно — для получения максимальной емкости и высокой производительности на последовательных операциях требуется увеличивать диаметр дисков, поэтому в этом классе он всегда максимальный и регулируется не особенностями технологии, а сторонними факторами. Например, долгие годы (да и сейчас пока еще) типичным диаметром пластин для массовых дисков было 3,5 дюйма, однако все больший рост популярности ноутбуков, возможно, приведет к существенному увеличению доли дисков на 2,5 дюйма, переориентации промышленности на них и «отмиранию» более крупных винчестеров (как это было в свое время с моделями на 5,25″). Хотя производители будут сопротивляться этому всеми силами — недаром они иногда даже пытаются идти против течения с тем или иным успехом. Достаточно вспомнить серию Quantum Bigfoot: пятидюймовые винчестеры, которые начали выпускаться уже во времена тотального господства меньших форм-факторов. Ну и что? Большой диаметр пластин помогал им иметь достаточную емкость даже при одном диске (что сильно упрощало и удешевляло механику) и неплохую скорость выполнения последовательных операций даже при низкой частоте вращения. Все испортили только медлительные случайные операции, из-за которых диски слабо годились для применения в компьютере в единственном числе. В общем, опередили они свое время — вот сейчас во времена массового использования видеотек на жестких дисках очень многие не отказались бы от пятидюймового монстрика терабайт эдак на 10 (что при нынешнем уровне технологий вполне достижимо для таких моделей), который будет использоваться как раз только для хранения и воспроизведения мультимедийных файлов (т. е. будет либо вторым в компьютере, либо вообще станет основой для стационарного ВЖД).

Почему производители не увеличивают количество дисков в этих моделях? На самом деле, увеличивают: несколько лет назад типичным было применение всего двух пластин, ныне же три-четыре для старших моделей в линейках — стандарт де-факто. Но слишком ускорять такой процесс не получается, поскольку, во-первых, ограничены внешние размеры, а во-вторых, многодисковые винчестеры требуют применения более сложной (и дорогой!) механики. По тем же причинам очень медленно растет со временем и «оборотистость» таких накопителей: дорого в производстве и не слишком-то нужно (на емкости не сказывается, а скорость последовательных операций лучше наращивать при помощи плотности записи). В общем, по всем этим причинам на сегодняшний день стандартным вариантом для массовых жестких дисков стал следующий: пластины диаметром 3,5 дюйма, общим количеством до четырех (пять в некоторых моделях одного производителя), вращающиеся со скоростью 7200 оборотов в минуту.

Высокоскоростные накопители

Требуется: высокая скорость выполнения случайных операций.

Желательна: высокая производительность на линейных шаблонах.

Попробуем подняться классом выше — на уровень накопителей для рабочих станций и серверов. Здесь не нужна слишком уж высокая емкость отдельного диска — они все равно используются в составе массивов. Да и из двух видов производительности существенно более важны случайные модели доступа. Именно поэтому производители таких моделей практически всегда предлагают рынку высокооборотистые (частота вращения 10-15 тысяч оборотов в минуту) модели на пластинах уменьшенного диаметра (2,5-2,8 дюйма). Как мы уже писали выше, это приводит к тому, что по скорости выполнения последовательных операций они не сильно-то лучше представителей массовых серий, да еще и очень сильно отстают от них по емкости: пластины маленькие, и их меньше (иначе слишком уж растет сложность изготовления накопителя и его энергопотребление). Впрочем, при этом скоростные показатели даже на последовательных шаблонах «более равномерны», поскольку выше скорость на внутренних дорожках, ну а производительность на случайных операциях, естественно, существенно выше, чем у всех остальных семейств жестких дисков.

Энергоэффективные НЖМД

Требуется: высокая емкость при низкой стоимости и энергопотреблении.

В последнее время направление «экологичных винчестеров» развивается бурными темпами. Во многом это связано с тем, что производительность не так уж и важна в ряде сфер. Особенно для некомпьютерного применения — в бытовом магнитофоне, к примеру, любая скорость будет избыточной, поскольку даже HD-поток исчисляется десятками мегабит, а даже самые древние винчестеры на последовательных операциях (случайных в таком устройстве не будет вовсе) способны на десятки мегабайт в секунду. Внешние жесткие диски до последнего времени были ограничены производительностью наиболее распространенного интерфейса USB 2.0, так что высокая скорость самому винчестеру тут тоже не нужна. Да и в компьютере вовсе не обязательно использовать диски с одинаковой скоростью — если винчестеров несколько, то часть из них, используемая преимущественно для хранения больших объемов данных, может быть медленнее «основного», на который установлена операционная система и прикладные программы. Но если скорость не важна, то на первое место начинают выходить уже такие параметры, как энергопотребление и шум, а уменьшить их, сохраняя емкость, можно простым снижением скорости вращения. Причем нельзя сказать, что производительность этих моделей так уж плоха — плотность-то записи растет постоянно (без этого увеличивать объем не получится), так что скорость выполнения линейных операций обычно несколько ниже, чем у массовых моделей того же поколения, но выше, чем у более ранних устройств (причины этого объяснены выше). В общем, в этот класс ныне попадают винчестеры с пластинами по 3,5 дюйма, но более низкой скоростью вращения, чем у типовых накопителей (7200 оборотов в минуту). Насколько более низкой? Зависит от моделей. Обычно от 5000 до 5900 об/мин, хотя мы не удивимся, если через некоторое время скорость вращения продолжит снижаться и далее.

Мобильные винчестеры

Требуется: компактность, низкое энергопотребление.

Желательна: высокая емкость.

Иногда потребление накопителей даже предыдущего класса оказывается слишком высоким, а в некоторых сферах их применение просто невозможно — например, в большинство ноутбуков винчестер на пластинах по 3,5 дюйма просто не поместится. Выход очевиден — нужно уменьшать диаметр пластин. Обычно это 2,5 дюйма, хотя бывает и меньше. От высокоскоростных же накопителей эти модели отличаются низкой скоростью вращения — максимум 7200 об/мин, а чаще 5400 или даже 4200 оборотов в минуту. Связано это не только с требованиями экономичности, но и с тем, что желательно получить максимально возможную емкость — так площадь пластины используется более полно, чем в моделях высокой производительности, в том числе и «неудобные» внутренние и самые дальние от центра дорожки. Но работают такие винчестеры медленно еще и по другой причине — приходится использовать и более компактную (а следовательно, и низкопроизводительную) механику магнитных головок. Все это приводит к тому, что даже самые быстрые ноутбучные модели медленнее не только массовых, но и энергоэффективных настольных винчестеров. Даже при большей скорости вращения и несмотря на уменьшенные пластины — головки приходится перемещать на меньшее расстояние, но и движутся они медленнее. Таким образом, топовый мобильный винчестер по скорости будет всегда проигрывать самому бюджетному «зеленому». А по емкости проиграет и массовому — ввиду жесткого ограничения на энергопотребление, в дисках с более высокой скоростью вращения приходится использовать меньшее количество пластин. Но этот самый уровень энергопотребления и в одном, и в другом случае просто недостижим для менее портативного класса винчестеров.

Итого

В целом, как видим, все достаточно просто и легко объяснимо. Правда у особо дотошных читателей уже наверняка на языке вертится вопрос — а почему же тогда диски разных производителей (и даже разных семейств одного производителя) даже при примерно равных низкоуровневых характеристиках нередко сильно различаются по производительности? Самый простой, но на деле ничего не объясняющий ответ — а потому, что у них разная электроника. В чем там бывают различия и как они сказываются на производительности и других характеристиках — все это будет темой следующих статей.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тверской государственный технический университет»

(ГОУВПО «ТГТУ»)

Курсовая работа

по курсу Интерфейсы периферийных устройств

А.Г. Никифоров

Специальность 230101 ВМКСС

• Введение
• 1. Жесткий диск.
• 4. Контроллеры жестких дисков
• 6. Работа жесткого диска
• 7. Тенденции развития магнитных накопителей информации
• Заключение

Введение

Большинство цифровой информации хранится на жестких дисках компьютеров. Данное устройство является довольно сложным, поскольку содержит собственный процессор-контроллер, память, схемы управления механикой и ввода-вывода. Накопители на жестких магнитных дисках прошли большой путь от громоздких агрегатов, до миниатюрных устройств. Возросло число информации, размещающихся на носителях, или иначе их ёмкость. В наиболее массовых потребительских дисках она достигла одного терабайта.

Cамый первый накопитель на жеcтком диcке был разработан фирмой IBM в начале 70-х годов. Этот четырнадцатидюймовый диcк хранил по 30 Мбайт информации на каждой cтороне, что нашло отражение в названии "винчеcтер". Емкоcть диcка 30/30 перекликается с названием извеcтного ружья фирмы "Winchester". Этот накопитель до cих пор иcпользуетcя на некоторых вычиcлительных центрах в качеcтве cтолика для чая. Первый cерийный накопитель на жеcтких диcках - 3340 - был cоздан фирмой IBM в 1973 году. Он имел емкоcть 140 Мбайт и cтоил 8600 долларов. Эти винчеcтерcкие диcки предназначалиcь для иcпользования на больших универcальных ЭВМ. Через 15 лет IBM приcпоcобила жеcткие диcки для иcпользования в перcональных компьютерах, однако оcновная концепция и принцип работы оcталиcь такими же, как и в первом накопителе 30/30.

Жесткие магнитные диски относятся к устройствам с прямым доступом -- информация почти мгновенно доступна из любой части диска. В отличие от оперативной памяти, служат для постоянного хранения информации.

Задачей данной курсовой работы является изучение принципа работы жесткого диска, его устройства, основных характеристик и способов повышения качества работы устройств.

Все поставленные задачи при выполнении работы были успешно решены.

1. Ж есткий диск . Принципы магнитной записи на жесткий диск

Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель (носители), устройство чтения/записи и интерфейсную часть, называемую контроллером жесткого диска. Типичной конструкцией жесткого диска является исполнение в виде одного устройства - камеры, внутри которой находится один или более дисковых носителей насажанных на один шпиндель и блок головок чтения/записи с их общим приводящим механизмом(рисунок 1). Рядом с камерой носителей и головок располагаются схемы управления головками, дисками и интерфейсная часть. На интерфейсной карте устройства располагается интерфейс дискового устройства, а контроллер с его интерфейсом располагается на самом устройстве. С интерфейсным адаптером схемы накопителя соединяются при помощи комплекта шлейфов.

Рисунок 1. Устройство жесткого диска

Информация заносится на концентрические дорожки, равномерно распределенные по всему носителю. В случае большего, чем один диск, числа носителей все дорожки, находящиеся одна под другой, называются цилиндром. Операции чтения/записи производятся подряд над всеми дорожками цилиндра, после чего головки перемещаются на новую позицию.

Герметичная камера предохраняет носители не только от проникновения механических частиц пыли, но и от воздействия электромагнитных полей. Камера не является абсолютно герметичной т.к. соединяется с окружающей атмосферой при помощи специального фильтра, уравнивающего давление внутри и снаружи камеры. Воздух внутри камеры максимально очищен от пыли, т.к. малейшие частички могут привести к порче магнитного покрытия дисков и потере данных и работоспособности устройства.

Диски вращаются постоянно со скоростью вращения носителей от 4500 до 10000 об/мин, что обеспечивает высокую скорость чтения/записи. По величине диаметра носителя чаще других производятся 5.25,3.14,2.3 дюймовые диски.

В настоящее время наиболее часто применяются шаговые и линейные двигатели механизмов позиционирования и механизмы перемещения головок в целом.

В системах с шаговым механизмом и двигателем головки перемещаются на определенную величину, соответствующую расстоянию между дорожками. Дискретность шагов зависит либо от характеристик шагового двигателя, либо задается серво-метками на диске, которые могут иметь магнитную или оптическую природу.

В системах с линейным приводом головки перемещаются электромагнитом, а для определения необходимого положения служат специальные сервисные сигналы, записанные на носитель при его производстве и считываемые при позиционировании головок. Во многих устройствах для серво-сигналов используется целая поверхность и специальная головка или оптический датчик.

Линейные приводы перемещают головки значительно быстрее, чем шаговые, кроме того они позволяют производить небольшие радиальные перемещения "внутри" дорожки, давая возможность отследить центр окружности серво-дорожки. Этим достигается положение головки, наилучшее для считывания с каждой дорожки, что значительно повышает достоверность считываемых данных и исключает необходимость временных затрат на процедуры коррекции. Как правило, все устройства с линейным приводом имеют автоматический механизм парковки головок чтения/записи при отключении питания устройства.

Принципы магнитной записи на жесткий диск

Принцип магнитной записи электрических сигналов на движущийся магнитный носитель основан на явлении остаточного намагничивания магнитных материалов. Запись и хранение информации на магнитном носителе производится путем преобразования электрических сигналов в соответствующие им изменения магнитного поля, воздействия его на магнитный носитель и сохранения следов этих воздействий в магнитном материале длительное время, благодаря явлению остаточного магнетизма. Воспроизведение электрических сигналов производится пут ем обратного преобразования. Система магнитной записи состоит из носителя записи и взаимодействующих с ним магнитных головок (рисунок 2).

Рисунок 2. Принцип записи и считывания информации с магнитного носителя

При цифровой магнитной записи в магнитную головку поступает ток, при котором поле записи через определенные промежутки времени изменяет свое направление на противоположное. В результате под действием поля рассеяния магнитной головки происходят намагничивание или перемагничивание отдельных участков движущегося магнитного носителя.

При периодическом изменении направления поля записи в рабочем слое носителя возникает цепочка участков с противоположным направлением намагниченности, которые соприкасаются друг с другом одноименными полюсами. Рассмотренный вид записи, когда участки рабочего слоя носителя перемагничиваются вдоль его движения, называется продольной записью (рисунок 3).

Чередующиеся участки с различным направлением намагниченности, возникшие в магнитном покрытии, являются магнитными доменами (битовыми ячейками). Чем меньше размер ячейки, тем выше плотность записи информации. Однако с уменьшением размера ячейки возрастает взаимное влияние их размагничивающих полей, направленных в сторону, противоположную намагниченности в ячейках, что при уменьшении битовой ячейки ниже критического значения приводит к самопроизвольному размагничиванию.

Рисунок 3. Последовательность участков с противоположным направлением намагниченности

Для магнитной записи используются носители в виде магнитных пластин (дисков). Пластины изготавливаются процессом напыления множественных металлических пленок и защитного слоя покрытия на очень плоскую, бездефектную стеклянную или алюминиевую подложку. Информация размещается в виде концентрических окружностей, называемых дорожками (рисунок 4). В современных НЖМД плотность дорожек достигает значений 4,3*104 дорожек на один сантиметр радиуса пластины.

Рисунок 4. Размещение дорожек на поверхности диска

2. Структура хранения информации на жестком диске

Наименьшая единица информации, которой оперирует система управления жесткого диска, носит название сектора. В подавляющем числе современных носителей сектор равен 512 байтам. Используемая в настоящий момент система адресации секторов называется LBA (Logical block addressing). Для дисков небольшой ёмкости или с целью обратной совместимости со старым оборудованием, может быть использована система адресации CHS. Аббревиатура CHS расшифровывается как Cylinder, Head, Sector - цилиндр, головка, сектор. Из названия понятен смысл этого типа адресации, как привязанной к частям устройства жесткого диска. Преимущество LBA над CHS в том, что вторая имеет ограничение на максимальное число адресуемых секторов, в количественном представлении равное 8,4 гигабайта, LBA данного ограничения лишена.

Первый сектор жесткого диска (а точнее нулевой) носит название MBR (Master Boot Record) или главной загрузочной записи. В начале этого сектора находится код, куда передает управление базовая система ввода вывода компьютера при его загрузке. В дальнейшем этот код передает управление загрузчику операционной системы. Так же в 0 секторе находится таблица разделов жесткого диска. Раздел представляет собой определенный диапазон секторов. В таблицу заносится запись о разделе, с номером его начального сектора и размером. Всего в таблице разделов может находиться четыре таких записи.

Раздел, запись о котором находится в таблице разделов нулевого сектора, носит названия первичного (primary). Из-за упомянутых ограничений таких разделов на одном диске может быть максимум четыре. Некоторые операционные системы устанавливаются только на первичные тома. При необходимости использования большего числа разделов в таблицу заносится запись о расширенном (extended) разделе. Данный тип раздела представляет собой контейнер, в котором создаются логические (logical) разделы. Логических томов может быть неограниченное количество, однако в ОС семейства Windows число одновременно подключенных томов ограничено количеством букв латинского алфавита. Эти три типа разделов имеют наиболее широкую поддержку среди подавляющего числа операционных систем и наибольшее распространение. Фактически в домашних условиях, либо масштабе клиентских машин организаций встречаются именно эти типы разделов. Однако типы разделов не ограничиваются этими тремя видами. Существует большое число специализированных разделов, но и они используют первичные тома в качестве контейнеров.

Раздел - это размеченное пространство на диске, чтобы сохранить в нем какую либо информацию для организации структуры хранения данных должна быть создана файловая система. Данный процесс носит названия форматирования раздела. Типов файловых систем существует много, в ОС семейства Windows используются FAT/NTFS, в операционных системах на ядре Линукс применяются Ext2/3FS, ReiserFS, Swap. Существует множество утилит для кроссплатформенного доступа к различным ФС из неподдерживающих их изначально операционных систем. Partition Manager 8.5 позволяет просматривать содержимое и копировать данные из этих файловых систем.

Некоторые файловые системы, например FAT/NTFS оперируют более крупными структурами данных на жестком диске, носящими название кластеров. Кластер может включать произвольное число секторов. Манипулирование размером кластера приносит дополнительный выигрыш к производительности файловой системы или расходованию свободного пространства.

Физическое хранение, методы кодирования информации

И нформация на поверхностях накопителя хранится в виде последовательности мест с переменной намагниченностью, обеспечивающих непрерывный поток данных при считывании их при помощи последовательного чтения. Вся информация и места ее хранения делятся на служебную и пользовательскую информацию. Служебная и пользовательская информация хранится в областях дорожек называемых секторами. Каждый сектор содержит область пользовательских данных - место, куда можно записать информацию, доступную в последующем для чтения и зону серво-данных, записываемых один раз при физическом форматировании и однозначно идентифицирующих сектор и его параметры (используется или нет, физический адрес сектора, ЕСС код и т.п.) . Вся серво-информация не доступна обычным процедурам чтения/записи и носит абсолютно уникальный характер в зависимости от модели и производителя накопителя.

В отличие от дискет и старых накопителей на ЖД, диски современных накопителей проходят первичную, или низкоуровневую, разметку (Low Level Formatting) на специальном заводском высокоточном технологическом стенде. В ходе этого процесса на диски записываются служебные метки - серво-информация, а также формируются привычные дорожки и сектора. Таким образом, если когда-то новый накопитель нужно было "форматировать на низком уровне", то сейчас этого делать не то чтобы не нужно - это просто невозможно без специального сложнейшего оборудования, а различные "программы низкоуровневого форматирования" чаще всего просто обнуляют содержимое секторов с проверкой их читаемости, хотя порой могут и необратимо испортить служебную разметку и серво-информацию служебных секторов.

Появление различных методов кодирования данных секторов связано, прежде всего, с техническими особенностями устройств хранения и передачи информации и желанием производителей наиболее полно использовать физическое пространство носителей информации. В настоящее время используется несколько различных методов кодирования данных.

Частотная модуляция (Frequency Modulation - FM) - метод, используемый в накопителях на сменных магнитных дисках. Кодирование методом FM можно назвать кодированием с единичной плотностью. Метод предполагает запись на носитель в начале каждого битового элемента данных бита синхронизации. Битовый элемент определяется как минимальный интервал времени между битами данных, получаемый при постоянной скорости вращения диска носителя. Метод гарантирует одну перемену направления магнитного потока за единицу времени вращения. Такой временной интервал соответствует максимальной продольной плотности магнитного потока 2330 перемен на 1 см и скорости передачи данных - 125 Кбит/сек. Простота кодирования и декодирования по методу FM определяется постоянной частотой следования синхроимпульсов. Однако, наличие этих бит синхронизации и является одним из недостатков данного метода, т.к. результирующий код малоэффективен с точки зрения компактности данных (половина пространства носителя занимается битами синхронизации). Это один из первых методов, не используемый в настоящее время в накопителях на ЖД.

Модифицированная частотная модуляция (Modified Frequency Modulation - MFM) - улучшенный метод FM. Модификация заключается в сокращении вдвое длительности битового элемента - до 4 мкс и использовании бит синхронизации не после каждого бита данных, а лишь в случаях, когда в предшествующем и текущем битовых элементах нет ни одного бита данных. Такой способ кодирования позволяет удвоить емкость носителя и скорость передачи данных, по сравнению с методом FM, т.к. в одном и том же битовом элементе никогда не размещаются бит синхронизации и данных, а на один битовый элемент приходится только одна перемена направления магнитного потока. Также, в настоящее время не используется.

Запись с групповым кодированием (Run Limited Length - RLL) - метод, полностью исключающий запись на диск каких-либо синхронизационных бит. Синхронизация достигается за счет использования бит данных. Однако, такой подход требует совершенно иной схемы кодирования, т.к. простое исключение бит синхронизации приведет к записи последовательностей из одних нулей или единиц в которых не будет ни одной перемены полярности магнитного потока. Метод RLL происходит от методов, используемых для кодирования данных при цифровой записи на магнитную ленту. При этом, каждый байт данных разделяется на два полубайта, которые кодируются специальным 5-ти разрядным кодом, суть которого - добиться хотя бы одной перемены направления магнитного потока для каждой пары его разрядов. Что означает, необходимость наличия в любой комбинации 5-ти разрядных кодов не более двух стоящих рядом нулевых бит. Из 32 комбинаций 5 бит такому условию отвечают 16. Они и используются для кодирования по методу RLL. При считывании происходит обратный процесс. При применении метода кодирования RLL скорость передачи данных возрастает с 250 до 380 Кбит/с, а число перемен полярности магнитного потока до 3330 перемен/см. При этом длительность битового элемента снижается до 2.6 мкс. Поскольку, максимальный интервал времени до перемены магнитного потока известен (два последовательно расположенных нулевых бита), биты данных могут служить битами синхронизации, что делает метод кодирования RLL самосинхронизирующимся и самотактируемым. Метод MFM является частным случаем метода RLL. Для обозначения типа используемого RLL метода применяется аббревиатура вида: RLL2,7, RLL1,7, RLL2,8, RLL1,8, где первая цифра - минимальная, а вторая - максимальная длина последовательности бит - нулей, содержащихся между соседними единицами. Аббревиатура метода MFM в терминологии RLL записывается как RLL1,3.

Модифицированная запись с групповым кодированием (Advanced Run Limited Length - ARLL) - улучшенный метод RLL, в котором, наряду с логическим уплотнением данных, производится повышение частоты обмена между контроллером и накопителем.

Логическое хранение и кодирование информации

Для обеспечения наиболее оптимальной производительности и работы накопителя как запоминающего устройства, а также, для улучшения программного интерфейса, накопители не используются системами в первичном виде, а в них, на основе физически присутствующих структур - дорожек и секторов, используется логическая структура хранения и доступа к информации. Ее тип и характеристики зависят от используемой операционной системы и называется она - файловой системой. В настоящее время имеется достаточно много типов различных файловых систем, практически столько же, сколько и различных операционных систем, однако, все они основывают свои логические структуры данных на нескольких первичных логических структурах. Рассмотрим их подробнее.

Первый сектор жесткого диска содержит хозяйственную загрузочную запись - Master Boot Record (MBR) которая содержит загрузочную запись - Boot Record (BR) , выполняющуюся в процессе загрузки ОС. Загрузочная запись жестких дисков является объектом атаки компьютерных вирусов, заражающих MBR. За загрузчиком расположена таблица разделов - Partition Table (PT) , содержащая 4 записи - элементы логических разделов - Partitions. Завершается MBR специальной сигнатурой - последовательностью из 2-х байт с шестнадцатиричными значениями 55H и ААH, указывающая на то, что данный раздел, после которого расположена сигнатура, является последним разделом в таблице. Ниже представлена структура MBR.

жесткий диск информация хранение

Таблица 1. Структура MBR

Каждый элемент таблицы разделов содержит информацию о логическом разделе. Первым байтом в элементе раздела идет флаг активности раздела (0 - не активен, 128 (80H) - активен). Он служит для определения, является ли раздел системным загрузочным и необходимости производить загрузку операционной системы с него при старте компьютера. Активным может быть только один раздел. Небольшие программы, называемые менеджерами загрузки (Boot Manager) , могут располагаться в первых секторах диска. Они интерактивно запрашивают пользователя с какого раздела производить загрузку и соответственно корректируют флаги активности разделов. За флагом активности раздела следует байт номера головки с которой начинается раздел. За ним следует два байта, означающие соответственно номер сектора и номер цилиндра загрузочного сектора, где располагается первый сектор загрузчика операционной системы. Загрузчик операционной системы представляет собой маленькую программу, осуществляющую считывание в память начального кода операционной системы во время ее старта. Затем следует байт - кодовый идентификатор операционной системы, расположенной в разделе. За байтом кода операционной системы расположен байт номера головки конца раздела, за которым идут два байта - номер сектора и номер цилиндра последнего сектора распределенного разделу. Ниже представлен формат элемента таблицы разделов.

Таблица 2.Таблица разделов

Название записи элемента Partition Table	Длина, байт
Флаг активности раздела
Номер головки начала раздела
Номер сектора и номер цилиндра загрузочного сектора раздела
Кодовый идентификатор операционной системы
Номер головки конца раздела
Номер сектора и цилиндра последнего сектора раздела
Младшее и старшее двухбайтовое слово относительного номера начального сектора
Младшее и старшее двухбайтовое слово размера раздела в секторах

Завершают элемент раздела - младшее и старшее двухбайтовое слово относительного номера первого сектора раздела и размер раздела в секторах соответственно.

Номера сектора и номер цилиндра секторов в разделах занимают 6 и 10 бит соответственно. Ниже представлен формат записи, содержащей номера сектора и цилиндра.

Благодаря наличию такой структуры как MBR на одном физическом жестком носителе может располагаться несколько файловых систем различного типа различных операционных систем.

Структуры MBR представляют собой важнейшую информацию, повреждение которой приводит к частичной или полной потере доступа к данным логических устройств жесткого диска и возможно, к невозможности загрузки операционной системы с поврежденного носителя.

Первый раздел жесткого диска в MS-DOS называется главным разделом (Primary Partition) , а второй расширенным (Extended Partition) . Главный раздел всегда должен присутствовать на диске, с него происходит загрузка MS-DOS. Расширенного же раздела может не быть, он создается лишь в том случае, когда необходимо получить более одного логического устройства на физическом диске. Логический раздел размещает в себе такие структуры файловой системы как логические диски или устройства, или тома (оформленные как подразделы) , загрузчик операционной системы, таблицы распределения файлов, области пользовательских данных в которых размещаются записи о каталогах и файлах и данные файлов. По своей структуре логические подразделы или диски схожи с разделами. Основным отличием является то, что их число может быть более четырех, а последний элемент каждого показывает является ли он последним логическим подразделом раздела, или указывает на следующий элемент таблицы логических устройств или подразделов. Таблица подразделов строится только на расширенной таблице разделов, каждый ее элемент соответствует логическому устройству с односимвольным именем D:, E: и т.д.. Главная таблица разделов содержит только одно логическое устройство - диск С:. Таблица подразделов создается при создании расширенной таблицы разделов, а число элементов таблицы подразделов определяется пользователем. При определении числа логических устройств пользователь определяет и долю дискового пространства расширенного раздела, отводимую каждому логическому устройству - задает объем логических дисков. В дальнейшем, число и объем логических устройств не может быть изменено без потери данных, расположенных на перераспределяемых логических устройствах.

3. Форматирование жесткого диска

Важнейшим этапом при подготовке или эксплуатации жесткого диска является форматирование. Форматирование hdd-это полное стирание данных с винчестера для подготовки к дальнейшей работе. Современные диски выпускаются уже отформатированными.

Виды форматирования

· Низкоуровневое форматирование винчестера

Низкоуровневое форматирование -- это процесс нанесения информации о позиции треков и секторов, а также запись служебной информации для сервосистемы. Этот процесс иногда называется "настоящим" форматированием, потому что он создает физический формат, который определяет дальнейшее расположение данных. Когда в первый раз запускается процесс низкоуровневого форматирования винчестера, пластины жесткого диска пусты, т.е. не содержат абсолютно никакой информации о секторах, треках и т.п. Это последний момент, когда у жесткого диска абсолютно пустые пластины. Информация, записанная во время этого процесса, больше никогда не будет переписана.

Старые жесткие диски имели одинаковое количество секторов на трек и не имели встроенных контроллеров, так что низкоуровневым форматированием занимался внешний контроллер жесткого диска, и единственной нужной ему информацией было количество треков и количество секторов на трек. Используя эту информацию, внешний контроллер мог отформатировать жесткий диск. Современные жесткие диски имеют сложную внутреннюю структуру, включая изменение количества секторов на трек при движении от внешних треков к внутренним, а также встроенную сервоинформацию для контроля за приводом головок. Также современные накопители используют технологию "невидимых" плохих секторов, т.е. могут незаметно для пользователя и системы автоматически пропускать плохие сектора. Вследствие такой комплексной структуры данных, все современные жесткие диски проходят низкоуровневое форматирование только один раз -- на заводе-изготовителе. Нет никакого способа в домашних условиях произвести настоящее низкоуровневое форматирование любого современного жесткого диска, будь это IDE/ATA, IDE/SATA или SCSI винчестер. Причем это невозможно сделать даже в условиях хорошего сервисного центра (в сервисном центре можно произвести как бы "среднеуровневое" форматирование, которое может заменить информацию о пропускаемых сбойных секторах, но перезаписать физическое распределение секторов и служебную сервоинформацию не получится).

Старые жесткие диски нуждались в неоднократном низкоуровневом форматировании на протяжении всей своей жизни, в связи с эффектами температурного расширения, связанного с применением шаговых моторов в приводе головок, у которых перемещение головок было разбито на сетку с фиксированным шагом. С течением времени у таких накопителей смещалось физическое расположение секторов и треков, что не позволяло правильно считать информацию, применяя шаговый двигатель в приводе магнитных головок. Т.е. головка выходила на нужную, по мнению контроллера, позицию, в то время как позиция заданного трека сместилась, что приводило в появлению сбойных секторов. Эта проблема решалась переформатированием накопителя на низком уровне, перезаписывая треки и сектора по новой сетке шагов привода головок. В современных накопителях, использующих в приводе головок звуковую катушку, проблема температурного расширения ушла на второй план, вынуждая производить лишь температурную рекалибровку рабочих параметров привода головок.

· Высокоуровневое форматирование винчестера

После завершения процесса низкоуровневого форматирования винчестера получают диск с треками и секторами, но содержимое секторов будет заполнено случайной информацией. Высокоуровневое форматирование -- это процесс записи структуры файловой системы на диск, которая позволяет использовать диск в операционной системе для хранения программ и данных. В случае использования операционной системы DOS, для примера, команда format выполняет эту работу, записывая в качестве такой структуры главную загрузочную запись и таблицу размещения файлов. Высокоуровневое форматирование выполняется после процесса разбивки диска на партиции (разделы), даже если будет использоваться только один раздел во весь объем накопителя. В современных операционных системах процесс разбиения винчестера на разделы и форматирования может выполнятся как в процессе установки операционной системы, так и на уже установленной системе, используя графический интуитивно понятный интерфейс.

Различие между высокоуровневым и низкоуровневым форматированием велико. Нет необходимости производить низкоуровневое форматирование для стирания информации с жесткого диска т.к. высокоуровневое форматирование подходит для большинства случаев. Оно перезаписывает служебную информацию файловой системы, делая винчестер чистым, однако, сами файлы при этом процессе не стираются, стирается только информация о местонахождении файла. Т.е. после высокоуровневого форматирования винчестера содержавшего файлы, мы будем иметь чистый диск, свободный от каких-либо файлов, но, используя различные способы восстановления данных, можно добраться до старых файлов, которые были на диске до его форматирования. Все операционные системы используют различные программы для высокоуровневого форматирования, т.к. они используют различные типы файловых систем. Тем не менее, низкоуровневое форматирование, как процесс разметки треков и секторов на диске, одинаков. Различается только сама технология записи треков и секторов на диск. Это делают специальные устройства, называемые серво-врайтеры. /6/

4. Контроллеры жестких дисков

Контроллер накопителя физически расположен на плате электроники и предназначен для обеспечения операций преобразования и пересылке информации от головок чтения/записи к интерфейсу накопителя. Контроллер жестких дисков представляет собой сложнейшее устройство - микрокомпьютер, со своим процессором, ОЗУ и ПЗУ, схемами и системой ввода/вывода и т.п. Однако, в большинстве случаев, производители размещают их в одном или двух микрочипах.

Контроллер занимается множеством операций преобразования потока данных. Так как длина дорожек неравна, данные на различные дорожки необходимо записывать неравномерно. Это становится проблемой, по сравнению с гибкими дисками, для носителей с высокой плотностью записи (число дорожек более 1000) . Простые контроллеры, как правило, записывают одно и тоже количество информации на каждую дорожку, независимо от ее длины. Для этого контроллер упаковывает данные более плотно, начиная с определенной по счету дорожки. Цилиндр, с которого начинается более плотная упаковка данных, называется цилиндром начальной прекомпенсации (Starting Cylinder for Precompensation - SCP) . Для компенсации искажения информации при чтении, запись данных производится с предварительным смещением битов, которое учитывает искажения.

Многие производители создают устройства, которые записывают различный объем информации на внутренние и внешние дорожки за счет размещения на них разного числа секторов. Это возможно, благодаря аппаратному скрытию от программ и пользователя физических характеристик устройства на уровне его контроллера и/или интерфейса (устройства с IDE, EIDE и SCSI интерфейсами). Накопители имеют различное физическое и логическое число цилиндров.

Многие операционные системы, работающие с накопителями на ЖМД через BIOS, разработаны таким образом, что не могут оперировать числом цилиндров более 1024. Поскольку в настоящее время, накопители больших объемов (более 1Мб) имеют более 1024 физических цилиндра, то применяется программный пересчет, при котором, накопитель определяется его контроллером и процедурами BIOS как имеющий не более 1024 цилиндра, но имеющий некоторое нереальное число головок, поверхностей и секторов. Функция же пересчета для отыскания нужного сектора ложится либо на BIOS ПК, либо на BIOS контроллера, либо на интерфейс.

Данные, записываемые в сектора, защищаются от некоторых ошибок чтения/записи при помощи расчета и записи вместе с ними контрольной суммы - кода контроля ошибок (Error Correction Code - ECC). Записывая байты на диск, адаптер производит накопление циклическим делением входных данных на специальный полином остатка от деления, который представляет уникальную комбинацию бит и записывается контроллером вместе с данными. Число байт ECC для каждого устройства определяется видом используемого полинома. При считывании данных производится аналогичное накопление и расчет контрольной суммы. В случае несовпадения результатов рассчитываемого и хранимого с данными ECC, производится попытка восстановления - коррекции данных при помощи полинома, имеющихся данных и контрольной суммы. Число байт данных, которое может быть скорректировано, определяется порядком используемого полинома. Чем она выше, тем большее количество байт подряд может быть скорректировано, но тем длиннее и сам код ECC.

Используются разные полиномы, и число байт ECC может быть от 4 до 8 и более. Число же бит информации, требуемое для записи одного байта, зависит от используемого метода кодирования. Необходимо отметить, что восстановление данных при помощи полинома и кода ECC происходит на уровне контроллера и прозрачно для программ и пользователя, однако, на основе процедур BIOS программным путем можно получить информацию о том, была ли произведена процедура коррекции.

Большинство современных накопителей поддерживают режимы работы контроллеров Ultra DMA, DMA2, и PIO. DMA - Direct Memory Access - прямой доступ к памяти - режим взаимодействия контроллера накопителя и интерфейса ПК, при котором обмен данными по интерфейсу осуществляется без участия центрального процессора ПК. Режим DMA позволяет заметно разгрузить процессор по сравнению с режимом PIO (Programmed Input/Output - программный ввод/вывод), при котором все пересылки выполняет непосредственно центральный процессор ПК. Это достигается за счет использования специального контроллера и канала прямого доступа к оперативной памяти ПК, без участи центрального процессора. Все современные накопители могут работать в режиме DMA2, если это поддерживается операционной системой, а скорость обмена при этом может достигать, в зависимости от модели, 16.6 Мб/с. А накопители и системы с поддержкой режима Ultra DMA, при использовании соответствующего драйвера, могут передавать и принимать информацию со скоростью 33.3 Мб/с. Однако, это лишь предельно возможные скорости обмена данными контроллера с буфером накопителя.

Реальная же скорость чтения/записи даже в лучших моделях с интерфейсом ATA в настоящее время не превышает 10-11 Мб/с. Основная нагрузка при работе ложится именно на чтение/запись, передача данных в буфер и из буфера занимает лишь малую часть этого времени, и сам факт перехода на Ultra DMA дает прирост лишь в единицы процентов. Но накопители с Ultra DMA, обычно, имеют высокую скорость вращения шпинделя, а следовательно - и более высокую скорость чтения/записи.

В настоящее время, наиболее распространены два стандарта на подключение винчестера к компьютеру. Первый, наиболее распространенный среди домашних и офисных ПК - IDE (Integrated Device Electronics - устройство со встроенным контроллером), также именуемый как ATA (AT Attachment - подключаемый к АТ). Второй чаще всего можно встретить в серверах и высокопроизводительных рабочих станциях - SCSI (Small Computer System Interface). Этот интерфейс не является специализированным для дисковых устройств. Помимо жестких дисков и CD-ROM приводов, существует огромная масса устройств, работающих по этому стандарту.

Стандарт интерфейса IDE был разработан по некоторым причинам. Наиболее существенными являются:

· Более простой способ подключения винчестера к шине компьютера. Жесткий диск стандарта IDE с одинаковой легкостью можно подключить к высокопроизводительной системной шине компьютера и медленному LPT-порту. Конечно, в последнем случае обмен данными будет гораздо ниже, но такая возможность есть.

· Повышение быстродействия. Контроллер диска расположен непосредственно на устройстве, что позволяет передавать минуя длинные интерфейсные провода.

Подключить IDE-устройство к компьютеру можно несколькими способами. Наиболее распространенный - подключение с помощью 40-проводного кабеля (тип интерфейса AT-BUS). Интерфейс 16-битный. Второй тип - PC Card ATA - с помощью PC Card (PCMCIA), также имеющий 16-битный интерфейс. Этот тип используется в основном в переносных компьютерах. Кроме подключения, типы интерфейса ATA различаются также и по скорости передачи данных. Основной - CАM ATA (Common Access Method) - стандарт определенный ANSI. Обеспечивает совместимость IDE-устройств на уровне сигналов и команд. Также позволяет подключать до двух устройств на один кабель. Длина кабеля составляет не более 46см.

ATA-2 является расширением спецификации ATA. Имеет два канала, что позволяет подключать до 4-х устройств, поддержка дисков объемом до 8Гб. Поддерживает режимы работы PIO Mode 3, DMA Mode 1, Block mode. Об этих терминах мы поговорим чуть ниже.

Следующим расширением является Fast ATA-2. Отличается только поддержкой DMA Mode 2, что позволяет достичь скорости передачи данных до 13.3 Мбайт/сек и наличием PIO Mode 4.

ATA-3. Это расширение больше направленно на повышение надежности. Включается в себя улучшенное средство управлением питания и технологию SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology - технология слежения, анализа и предупреждения).

Ultra DMA/33 - скорость обмена данными по шине составляет 33 Мбайт/сек. Кроме этого добавлен контроль передаваемых данных. Относительно недавно появился стандарт UDMA/66, в котором скорость увеличена до 66 Мбайт/сек, и недавно объявлен UDMA/100.

Следует отметить, что указанные цифры, являются лишь максимально возможными значениями. Реально скорость передачи данных может быть существенно ниже. Это зависит от частоты вращения дисков, скорости работы электроники, работы памяти и процессора.

Помимо вышеперечисленных типов, существует еще расширение ATAPI (ATA Package Interface). Это расширение предназначено для подключения к интерфейсу ATA накопителей CD-ROM, CDRW, стримеров (накопителей на магнитных лентах), ZIP дисководов и других устройств.

Все вышеперечисленные стандарты между собой электрически совместимы.

DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к памяти). При работе в этом режиме, обмен данными между буфером винчестера и памятью компьютера осуществляется непосредственно контроллером винчестера. Режимы DMA подразделяются на однословные (single word) и многословные (multi word), в зависимости от количества слов передаваемых за один сеанс работы с шиной. В случае однословного режима, максимальная скорость обмена составляет до 8.3 Мбайт/сек. При использовании многословного режима - до 20 Мбайт/сек. Обращения производятся в паузах между обращениями центрального процессора к памяти. Такой режим экономит процессорное время, но несколько снижает скорость обмена.

LBA (Logical Block Addressing) - адресация логических блоков. Стандарт ATA адресует сектор по классической схеме - номер цилиндра, головки и сектора. Однако, из-за исторически сложившихся причин, BIOS компьютера и операционная система DOS ограничивали количество секторов (63) и цилиндров (1024). В результате этого и появилось ограничение на объем жесткого диска в 540Мб. При режиме LBA, адрес передается в виде линейного абсолютного номера сектора. Винчестер в этом случае сам преобразует его в нужные ему номера цилиндров, головок и секторов. Это позволило обойти ограничения на объем жесткого диска, однако для DOS оно по прежнему составляет 8Гб. Работа устройства возможна только в случае поддержки этого режима драйвером (BIOS) и самим устройством.

Существует также и режим Large - этот режим используется Award BIOS для работы с жесткими дисками до 1Гб, не поддерживающими режим LBA. Использовать этот режим с дисками более 1Гб не рекомендуется. /7/

Таблица 3. Сравнение интерфейсов

	Проп. способность, Мбит/с	Максимальная длина кабеля, м	Кабель питания	Количество накопителей на канал	Число проводников в кабеле	Другие особенности
			Да (3,5") / Нет (2,5")			Controller+2Slave, горячая замена невозможна
						Host/Slave, возможна горячая замена на некоторых контроллерах
		нет данных
			Да/Нет (зависит от типа интерфейса и накопителя)
		4,5 (при последовательном соединении до 72 м)				устройства равноправны, горячая замена возможна
		5 (при последовательном соединении, через хабы, до 72 м)				Host/Slave, горячая замена возможна
		нет данных	Да/Нет (зависит от типа накопителя)	нет данных		Двунаправленный, совместим с USB 2.0
						устройства равноправны, горячая замена возможна
						горячая замена возможна

5. Характеристика жестких дисков. Основные физические и логические параметры

Плата электроники современного накопителя на жестких магнитных дисках представляет собой самостоятельный микрокомпьютер с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и прочими традиционными атрибутами присущими компьютеру. На плате могут располагаться множество переключателей и перемычек.

Все накопители соответствуют стандартам, определяемым либо независимыми комитетами и группами стандартизации, либо самими производителями. Среди множества технических характеристик отличающих одну модель от другой можно выделить некоторые, наиболее важные с точки зрения пользователей и производителей.

Диаметр дисков (disk diameter) - параметр довольно свободный. Наиболее распространены накопители с диаметром дисков 2.2,2.3,3.14 и 5.25 дюймов. Диаметр дисков определяет плотность записи на дюйм магнитного покрытия. Накопители большего диаметра содержат большее число дорожек, и в них, как правило используются более простые технологии изготовления носителей, предназначенных для меньшей плотности записи. Они медленнее и имеют меньшее число дисков, но более надежны. Накопители с меньшим диаметром больших объемов имеют более высокотехнологичные поверхности и высокие плотности записи информации, а также большее число дисков.

Число поверхностей (sides number) - определяет количество физических дисков нанизанных на шпиндель. Выпускаются накопители с числом поверхностей от 1 до 8 и более. Однако, наиболее распространены устройства с числом поверхностей от 2 до 5. Число поверхностей прямо определяет физический объем накопителя и скорость обработки операций на одном цилиндре. Так как операции на поверхностях цилиндра выполняются всеми головками синхронно, то при равных всех остальных условиях, более быстрыми окажутся накопители с большим числом поверхностей.

Число цилиндров (cylinders number) - определяет сколько дорожек (треков) будет располагаться на одной поверхности. В настоящее время все накопители емкостью более 1 Гигабайта имеют число цилиндров более 1024, вследствие чего, для распространенных ОС применяются унифицированные режимы доступа с пересчетом и эмуляцией и виртуализацией числа головок, цилиндров и секторов (LBA и Large) .

Число секторов (sectors count) - общее число секторов на всех дорожках всех поверхностей накопителя. Определяет физический неформатированный объем устройства.

Число секторов на дорожке (sectors per track) - общее число секторов на одной дорожке. Часто, для современных накопителей показатель условный, т.к. они имеют неравное число секторов на внешних и внутренних дорожках, скрытое от системы и пользователя интерфейсом устройства.

Частота вращения шпинделя (rotational speed или spindle speed) - определяет, сколько времени будет затрачено на последовательное считывание одной дорожки или цилиндра. Частота вращения измеряется в оборотах в минуту (rpm) . Для дисков емкостью до 1 гигабайта она обычно равна 5,400 оборотов в минуту, а у более вместительных достигает 7,200 и 10000 rpm.

Время перехода от одной дорожки к другой (track-to-track seek time) обычно составляет от 3.5 до 5 миллисекунд, а у самых быстрых моделей может быть от 0.6 до 1 миллисекунды. Переход с дорожки на дорожку является самым длительным процессом в серии процессов произвольного чтения/записи на дисковом устройстве. Показатель используется для условной оценки производительности при сравнении накопителей разных моделей и производителей.

Время успокоения головок (head latency time) - время, проходящее с момента окончания позиционирования головок на требуемую дорожку до момента начала операции чтения/записи. Является внутренним техническим показателем, входящим в показатель - время перехода с дорожки на дорожку.

Время установки или время поиска (seek time) - время, затрачиваемое устройством на перемещение головок чтения/записи к нужному цилиндру из произвольного положения.

Среднее время установки или поиска (average seek time) - усредненный результат большого числа операций позиционирования на разные цилиндры, часто называют средним временем позиционирования. Среднее время поиска имеет тенденцию уменьшаться с увеличением емкости накопителя, т. к повышается плотность записи и увеличивается число поверхностей. Для 540-мегабайтных дисков наиболее типичны величины от 10 до 13, а для дисков свыше гигабайта - от 7 до 10 миллисекунд. Среднее время поиска является одним из важнейших показателей оценки производительности накопителей, используемых при их сравнении.

Время ожидания (latency) - время, необходимое для прохода нужного сектора к головке, усредненный показатель - среднее время ожидания (average latency) , получаемое как среднее от многочисленных тестовых проходов. После успокоения головок на требуемом цилиндре контроллер ищет нужный сектор. При этом, последовательно считываются адресные идентификаторы каждого проходящего под головкой сектора на дорожке. В идеальном, с точки зрения производительности случае, под головкой сразу окажется нужный сектор, в плохом - окажется, что этот сектор только что "прошел" под головкой, и, до окончания процесса успокоения необходимо будет ждать полный оборот диска для завершения операции чтения/записи. Это время у накопителей объемом от 540 мегабайт до 1 гигабайта составляет примерно 5.6, а у дисков свыше гигабайта - 4.2 миллисекунды и менее.

Время доступа (access time) - суммарное время, затрачиваемое на установку головок и ожидание сектора. Причем, наиболее долгим является промежуток времени установки головок.

Среднее время доступа к данным (average access time) - время, проходящее с момента получения запроса на операцию чтения/записи от контроллера до физического осуществления операции - результат сложения среднего время поиска и среднего времени ожидания. Среднее время доступа зависит от того, как организовано хранение данных и насколько быстро позиционируются головки чтения записи на требуемую дорожку. Среднее время доступа - усредненный показатель от многочисленных тестовых проходов, и обычно, оно составляет от 10 до 18 миллисекунд и используется как базовый показатель при сравнительной оценке скорости накопителей различных производителей.

Скорость передачи данных (data transfer rate) , называемая также пропускной способностью (throughput) , определяет скорость, с которой данные считываются или записываются на диск после того, как головки займут необходимое положение. Измеряется в мегабайтах в секунду (MBps) или мегабитах в секунду (Mbps) и является характеристикой контроллера и интерфейса. Различают две разновидности скорости передачи - внешняя и внутренняя. Скорость передачи данных, также является одним из основных показателей производительности накопителя и используется для ее оценки и сравнения накопителей различных моделей и производителей.

Внешняя скорость передачи данных (external data transfer rate или burst data transfer rate) показывает, с какой скоростью данные считываются из буфера, расположенного на накопителе в оперативную память компьютера. В настоящее время, накопители с интерфейсами EIDE или Fast ATA, обычно, имеют внешнюю скорость передачи данных от 11.1 до 16.6 мегабайта в секунду, а для накопителей с интерфейсами SCSI-2 - этот параметр находится в пределах от 10 до 40 мегабайт в секунду.

Внутренняя скорость передачи данных (internal transfer rate или sustained transfer rate) отражает скорость передачи данных между головками и контроллером накопителя и определяет общую скорость передачи данных в тех случаях, когда буфер не используется или не влияет (например, когда загружается большой графический или видеофайл) . Внутренняя скорость передачи данных очень сильно зависит от частоты вращения шпинделя.

Размер кеш-буфера контроллера (internal cash size) . Встроенный в накопитель буфер выполняет функцию упреждающего кэширования и призван сгладить громадную разницу в быстродействии между дисковой и оперативной памятью компьютера. Выпускаются накопители с 128,256 и 512 килобайтным буфером. Чем больше объем буфера, тем потенциально выше производительность при произвольном "длинном" чтении/записи. Также, более емкий буфер обеспечивает рост производительности дисковой подсистемы, во-первых, при работе с объемными упорядоченными (записанными на диски последовательно) данными, а во-вторых - при одновременном обращении к диску множества приложений или пользователей, как это происходит в многозадачных сетевых ОС.

Средняя потребляемая мощность (capacity) . При сборке мощных настольных компьютеров учитывается мощность, потребляемая всеми его устройствами. Современные накопители на ЖД потребляют от 5 до 15 Ватт, что является достаточно приемлемым, хотя, при всех остальных равных условиях, накопители с меньшей потребляемой мощностью выглядат более привлекательно. Это относится не только к экономии электроэнергии, но и надежности, т.к. более мощные накопители рассеивают избыток энергии в виде тепла и сильно нагреваются. А как известно, проблемы, связанные с изменением свойств магнитных носителей напрямую зависят от их температуры и коэффициента расширения/сжатия материала.

Уровень шума (noise level) , разумеется, является эргономическим показателем. Однако, он также, является и некоторым показателем сбалансированности механической конструкции, т.к. шум в виде треска - есть не что иное как звук ударов позиционера шагового или линейного механизма, а, даже микро- удары и вибрация так не желательны для накопителей и приводят к более быстрому их износу.

Физический и логический объем накопителей. Носители жестких дисков, в отличие от гибких, имеют постоянное число дорожек и секторов, изменить которое невозможно. Эти числа определяются типом модели и производителем устройства. Поэтому, физический объем жестких дисков определен изначально и состоит из объема, занятого служебной информацией (разметка диска на дорожки и сектора) и объема, доступного пользовательским данным. Физический объем жесткого диска, также, зависит от типа интерфейса, метода кодирования данных, используемого физического формата и др. Производители накопителей указывают объемы дисков в миллионах байт, предполагая исходя из десятичной системы исчисления, что в одном мегабайте 1000000 байт. Однако, ПО оперирует не десятичной, а двоичной системами, полагая, что в одном килобайте не 1000 байт, а 1024. Такие несложные разногласия в системах исчисления приводят к несоответствиям при оценке объема накопителей, данном в описании и - выдаваемом различными программными тестами.

...

Подобные документы

Жесткий диск (винчестер): общее понятие, предназначение, структура. Основные операции по обслуживанию дисков. Процесс форматирования диска. Логические и физические дефекты, возникающие на диске и методы их устранения. Дефрагментация и очистка винчестера.

презентация , добавлен 23.10.2013


Внутреннее устройство большинства дисковых накопителей. Форматирование жесткого магнитного диска (винчестера). Физическая архитектура и логическая структура дисковых накопителей. Функции файловой системы. Физические и логические параметры жестких дисков.

реферат , добавлен 19.02.2011


Магнитные накопители как важнейшая среда хранения информации в ЭВМ. Виды, конструкция и функционирование магнитных накопителей. Магнитные носители: гибкий магнитный диск, флэш-память, супердискета. Компакт-диски и универсальные цифровые диски, их форматы.

реферат , добавлен 23.04.2011


Производители жестких дисков и их классификация. Повышение плотности записи на винчестере. Дисковые массивы, некоторые аспекты реализации RAID-систем. Файловые системы FAT 16, FAT 32, NTFS. Диски со встроенным шифрованием. Форматирование жесткого диска.

книга , добавлен 10.09.2013


Анализ принципа действия накопителей на жестких магнитных дисках персональных компьютеров. Перфокарта как носитель информации в виде карточки из бумаги, картона. Основные функции файловой системы. Способы восстановления информации с RAID-массивов.

дипломная работа , добавлен 15.12.2012


Накопитель на гибких магнитных дисках. Сменные носители информации. Устройство накопителя для гибких магнитных дисков. Доступ к информации, записанной в одном цилиндре. Технические характеристики дискеты. Накопители на жестком диске и их устройство.

презентация , добавлен 13.08.2013


Сравнительный анализ и оценка характеристик накопителей на гибких и жестких магнитных дисках. Физическое устройство, организация записи информации. Физическая и логическая организация данных, адаптеры и интерфейсы. Перспективные технологии производства.

дипломная работа , добавлен 16.04.2014


Запоминающие устройства на жестких магнитных дисках. Устройство жестких дисков. Интерфейсы жестких дисков. Интерфейс ATA, Serial ATA. Тестирование производительности накопителей на жестких магнитных дисках. Сравнительный анализ Serial ATA и IDE-дисков.

презентация , добавлен 11.12.2013


Накопитель на жёстких магнитных дисках как основной накопитель данных в большинстве компьютеров. Строение устройства. Блок электроники. Особенности геометрии дисков со встроенными контроллерами. Адресация памяти. Виды интерфейсов. Тенденции развития.

презентация , добавлен 20.11.2013


Жесткий диск как основное устройство для хранения информации. Основные характеристики и общий вид внешнего и внутреннего диска. Интерфейс, емкость, физический размер, скорость вращения шпинделя и передачи данных. Установка и обслуживание жестких дисков.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Введение
• 1.2 Работа НГМД
• 1.4 Адаптеры на НГМД
• 2.2 Характеристики НЖМД
• 2.3 Физическая организация данных в НЖМД
• 2.4 Логическая организация данных в НЖМД
• 2.5 Интерфейсы НЖМД
• 2.6 Перспективные технологии производства НЖМД
• 2.7 Сравнительный анализ НГМД и НЖМД.
• Заключение
• Глоссарий
• Список используемых сокращений
• Список используемой литературы
• Приложения

Введение

В ыпускаемые промышленностью накопители информации представляют собой гамму запоминающих устройств, с различным принципом действия, физическими и техническими эксплуатационными характеристиками. Носитель информации это материальный объект, используемый для хранения информации Накопитель же это механическое устройство, управляющее записью, хранением и считыванием данных. Различают накопители на гибких магнитных дисках и накопители на жестких магнитных дисках. Основным свойством и назначением накопителей информации является ее хранение и воспроизведение. Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и другими характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные - магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения воспроизведения и записи цифровой информации. Поэтому, в связи с видом и техническим исполнением носителя информации различают: электронные, дисковые и ленточные устройства . Далее речь в моей выпускной квалификационной работе пойдет о дисковых носителях информации, а в частности о сравнительном анализе и оценке возможностей накопителей на жестких и гибких магнитных дисках.

Накопители на гибких и на жестких магнитных дисках (далее НГМД и НЖМД соответственно) являются внешними накопителями или внешней памятью . Внешняя память относится к внешним устройствам персонального компьютера (далее ПК), подключается с помощью шлейфов к материнской плате компьютера и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач (Рис 1. Приложения 1). В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (HDD) и гибких (HD) магнитных дисках. В основу записи, хранения и считывания информации положены два физических принципа, магнитный и оптический. В НГМД и НЖМД используется магнитный принцип. При магнитном способе запись информации производится на магнитный носитель (диск, покрытый ферромагнитным лаком) с помощью магнитных головок.

В процессе записи головка с сердечником из магнитомягкого материала (малая остаточная намагниченность) перемещается вдоль магнитного слоя магнитожесткого носителя (большая остаточная намагниченность). Электрические импульсы создают в головке магнитное поле, которое последовательно намагничивает (1) или не намагничивает (О) элементы носителя. При считывании информации намагниченные участки носителя вызывают в магнитной головке импульс тока (явление электромагнитной индукции). Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую. Для подключения НГМД и НЖМД к ПК используются специальные устройства, которые, называются адаптерами либо контроллерами. Эти устройства вставляются в разъем системной шины ПК, а НГМД и НЖМД подключаются к ним с помощью специальных кабелей.

В последующих разделах излагаются вопросы функционирования НГМД и НЖМД в ПК типа IBM PC/XT, IBM PC/AT и совместимых с ними.

накопитель жесткий магнитный диск

Назначение НГМД и НЖМД - хранение больших объемов информации, запись, а также выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Как известно, первые ЭВМ (электронно-вычислительные машины) были однозадачными, то есть программировались и создавались для решения только одной задачи, например для расчета ядерных реакций или траекторий ракет . Это были ЭВМ на лампах, и полупроводниках, однако с развитием техники появились программируемые машины, на которых программа задавалась с помощью перфокарт, но на всех этих машинах не было запоминающего устройства, то есть они только принимали информацию, обрабатывали и воспроизводили, но не хранили её. Однако с развитием компьютерной техники, в частности, персональных компьютеров, появилась необходимость в накопителях информации. Примерно в это время (начало 70-х), с появлением персонального компьютера и появляются понятия накопителей. Вначале это были накопители на гибких дисках, содержащие операционную систему, т.е. они работали так: при загрузке компьютера дискета вставлялась в дисковод, с которой загружалась операционная система в оперативную память компьютера и после чего пользователь мог запускать программы и работать с ними. Этого было достаточно для ранних операционных систем, например MS DOS, но не очень удобно, т.к. дискеты и по сегодняшний день не отличаются надежностью, поэтому выходом оказалось создание накопителей на жестких магнитных дисках. Способ чтения и записи на накопителях одинаков - с использованием магнитных полей, но реализация этого принципа с помощью НЖМД оказалась более удачной, т.к. жесткие магнитные диски отличаются бо льшим объемом и надежностью, поэтому этот накопитель стал основной памятью компьютера уже в начале 80-х годов и достигал объема уже в несколько раз большего, чем у НГМД. В последствии, с появлением операционных систем семейства Windows (версий 3.1 и 3.11) гибкие диски не могли обеспечить хранение и оперативную загрузку операционных систем , что окончательно определило НЖМД как основную память, на который и стали записывать программы и операционные системы и делают это по сей день. Что же произошло далее с накопителями на гибких магнитных дисках? Они стали использоваться как средства переноса информации между компьютерами, т.к. для той же цели НЖМД оказались непригодны, хоть у них и больше объем памяти и скорость чтения/записи, но они находятся внутри системного блока и для снятия или подключения требуется завершать работу компьютера. Гибкие же диски оставались практически единственным оперативным способом для обмена информацией между персональными компьютерами вплоть до середины 90-х годов и хотя сейчас в западных странах с появлением DVD и SD-RW приводов, а также объединения компьютеров в сеть повсеместно отказываются от применения дискет (большинство офисных компьютеров, объединенных с помощью локальных сетей уже не оборудуются НГМД), но в СНГ сейчас степень развития компьютеризации на сегодняшний день такова, что невозможно отказаться от накопителей на гибких магнитных дисков виду их оперативности и повсеместного присутствия, что подтверждается не уменьшаемыми объемами продаж гибких магнитных дискет .

Исторически оба накопителя были практически не различимы по важности для архитектуры ПК, но бо льшее развитие к настоящему моменту получили накопители на жестких магнитных дисках, которые и являются основным запоминающим устройством современного ПК. На первоначальных этапах, скорости работы и объемы хранимой информации на НГМД и НЖМД практически не отличались, это было во времена ПК на базе процессоров i80386 и i80486, под управлением системы MS DOS, т.к. это обуславливалось распределением памяти и файловой системой и физически объем памяти не мог превысить 512 Кбайт. Но с появлением же файловых систем FAT 16 и FAT 32, а особенно NTFS позволило увеличить емкость жестких дисков в тысячи раз, тогда как первые НЖМД мерялись в мегабайтах, то сейчас их значения достигают десятков, а то и сотен гигобайт. Накопители же на гибких магнитных дисках, пройдя эволюцию от 5,25 дюймовых дискет (имелись также сейчас давно неиспользуемые 8 дюймовые дискеты) до 3,5 дюймовых (самых распространенных сейчас среди пользователей ПК), дискет, объем записываемой информации на которых от 720 Кб до 2,88 Мб, поэтому ясно, что на сегодняшний день никто не рассматривает их, как альтернативу НЖМД, однако и у них есть своя ниша, из-за которой от них не могут отказаться даже современные производители компьютерной техники, хотя такие заявления неоднократно звучали, в частности от корпорации SONY, занимающей значительное место на рынке производства дискет, а также от SAMSUNGа, производителя дисководов. Почему же так происходит, что даже в новейшие конфигурации компьютеров включают накопители на гибких магнитных дисков? Ответ прост, производители не могут отказаться от НГМД, т.к. по оперативности переноса небольших, как правило, текстовых файлов (Word, Excel), гибкие магнитные диски лидируют, а если учесть, что многие пользователи имеют устаревшие модели компьютеров, не оснащенные более совершенными способами переноса файлов (например, CD-RW дисководами или не объединены в сеть), а работают как электронные пишущие машинки, то понятно, что полностью отказаться от НГМД в ближайшее время не получится . Как видно из вышеуказанного, возникает вопрос, чем на сегодняшний день различаются данные накопители, каково их развитие и перспективы, надежность, а также стоит ли отказываться от НГМД.

Целью моей работы является сравнительный анализ и оценка характеристик НГМД и НЖМД. Задачи, решаемые из поставленной цели:

1) Рассмотреть физическое устройство НГМД и НЖМД, их работу;

2) Выявить их характеристики и дать им оценку;

3) Рассмотреть перспективные технологии гибких и жестких дисков;

4) Провести сравнительный анализ НГМД и НЖМД.

Актуальность работы, исходя из вышесказанного не вызывает сомнений. Практической значимостью работы заключается в том, что на основе представленных сведений можно сделать анализ среди накопителей и выбрать наиболее подходящий, что будет полезно знать не только начинающим пользователям, но и профессионалам в этой сфере, так как на сегодняшний день анализ статей показал, что объективной информации по этой теме крайне мало и она не систематизирована.

1) подобрана и проанализирована имеющаяся по тематике выпускной квалификационной работы литература;

2) Решены поставленные задачи из цели работы;

1. Накопители на гибких магнитных дисках

Существуют различные виды НГМД, они состоят из двух частей - дисковода и дискеты (носителя информации). Наиболее широко распространены устройства с диаметром носителя 203мм (8") 133мм (5,25") и 89мм (3,5"). В профессиональных ЭВМ наиболее часто используют НГМД с диаметром диска 133 и 89мм. В современных дискетах для хранения информации используются обе стороны магнитного диска. Такие дискеты называются двусторонними. Раньше в некоторых моделях ПК использовались односторонние дискеты. Для обозначения количества рабочих поверхностей на некоторых импортных дискетах можно увидеть аббревиатуру: SS - Single Sided (односторонняя дискета), DS - Double Sided (двусторонняя дискета) .

За время, прошедшее со времени появления накопителей на гибких магнитных дисках быстро возрастала их популярность как средства массовой памяти с произвольной выборкой для малых компьютеров. Одной из причин этого феноменального роста было то, что за это время емкость дискеты возросла более чем в 10 раз. Примерно 40% этого увеличения явилось результатом улучшений механической части дискового привода, позволивших вдвое повысить плотность размещения дорожек и перейти к записи на обеих сторонах диска. Но остальные 60% - это следствие внедрения различных методов кодирования данных, позволяющих более эффективно использовать рабочую поверхность диска.

1.1 Физическое устройство НГМД

Устройство НГМД (Рис 2 Приложения 1) включает гибкий магнитный диск (диски называются гибкими потому, что пластиковый диск, расположенный внутри защитного конверта, действительно гнется, именно поэтому защитный конверт изготовлен из твердого пластика.), пять основных систем (приводной механизм, механизм позиционирования, механизм центрирования и крепления, систему управления и контроля, систему записи и считывания) и три специальных датчика. Диск покрывается сверху специальным магнитным слоем, которых обеспечивает хранение данных. Информация записывается с двух сторон диска по дорожкам, которые представляют собой концентрические окружности. Каждая дорожка разделяется на секторы. Центральным отверстием дискета одевается на усеченный конусообразный вал шпиндель (ступицу), который вращается с постоянной скоростью. В кассете имеется окно овальной формы - отверстие головки вытянутое в радиальном направлении. Через это отверстие магнитная головка прижимается к диску, производя в необходимых местах его поверхности запись - считывание данных контактным способом. Магнитная головка, перемещаясь в прорези кассеты, позволяет записывать электромагнитным способом данные в виде последовательности бит на концентрические окружности - дорожки. Два небольших выреза на кромке кассеты расположенные симметрично относительно окна головки обеспечивают ее позиционирование и фиксацию в НГМД. Справа от них на кассете имеется прямоугольный вырез, заклеенный специальной светонепроницаемое полоской, который запрещает запись и непреднамеренное стирание. В НГМД имеется специальный датчик обнаруживающий наличие данного выреза .

Плотность записи данных зависит от плотности нанесения дорожек на поверхность, т.е. числа дорожек на поверхности диска, а также от плотности записи информации вдоль дорожки. Доступ магнитных головок записи/считывания к носителю осуществляется через скользящую металлическую заслонку на корпусе дискеты. Когда дискета вставляется в дисковод заслонка автоматически смещается. Конструкция дискеты имеет ключ (срезанный угол корпуса), предотвращающий ее некорректную установку в дисковод. Приспособление для защиты от записи размещено в нижней части дискеты. Для идентификации параметров плотности записи на дискете с левой стороны располагается квадратное отверстие.

Полезная поверхность диска, предназначенная для записи/считывания информации, представляет собой набор дорожек расположенных с определенным шагом. Зная число дорожек (N), число секторов (M) и размер одного сектора (S), можно вычислить объем гибкого диска (V):

V= 2*N*M*S

На 133мм дискетах располагаются 40 или 80 дорожек. Нумерация дорожек начинается с внешней стороны (нулевой дорожки) и заканчивается последней внутренней. Позиция дорожки 00 определяется в накопителе с помощью специального фотоэлектрического датчика. Сама дорожка разбивается на отдельные секторы. У 133мм дискеты обычно 8, 9 или 16 секторов на дорожке. Информационная емкость сектора 128, 256, 512 или 1024 байт. Начало участков записи определяется имеющемся на диске и в кассете специальным круглым индексным отверстием. Когда индексное отверстие при вращении проходит под соответствующим отверстием кассеты еще один специальный фотоэлектрический датчик вырабатывает короткий электрический сигнал, по которому обнаруживается позиция начала дорожки. Дисководы 3,5" работают с двухсторонними дискетами емкостью 512 байт по 9 или 18 секторов на дорожку. Обычно на диске используется 80 дорожек.

Обычно при покупке на поверхность диска не нанесены дорожки и секторы. В таком случае нужно подготовить диск для записи данных, т.е. отформатировать. Для этого в состав системного программного обеспечения включена специальная программа, которая производит форматирование диска. Форматирование - это процесс разметки диска на дорожки и секторы. Дисковод для гибких дисков относится к группе накопителей прямого доступа и устанавливается внутри системного блока (Рис 3 Приложения 1). Диск вставляется внутрь дисковода и при обращении к нему соответствующей программы головка записи/чтения устанавливается на нужное место. Один двигатель дисковода обеспечивает вращение диска внутри защитного конверта. Чем выше скорость вращения, тем быстрее считывается информация, а значит, увеличивается скорость обмена информацией. Второй двигатель перемещает головки записи/чтения по поверхности диска и определяет другую характеристику внешней памяти - время доступа информации. Типичный приводной механизм гибкого магнитного диска содержит микродвигатель постоянного тока вращения диска и шпиндель. Обычно скорость вращения 300 или 360 оборотов в минуту (об/мин). Вращение диска с нужной скоростью обеспечивается сервосистемой.

Позиционирующая система служит для установки магнитной головки точно над определенной дорожкой на поверхности носителя. Перемещение каретки с магнитной головкой в радиальном направлении осуществляется с помощью первичной передачи шагового двигателя при подаче на последний импульсного напряжения.

Механизм центрирования и крепления обеспечивает крепление и прецизионное центрирование дискета с помощью корпусного замка.

Механическая часть системы записи/считывания состоит из магнитных головок с устройствами прижима головок, расположенных на подвижной каретке. Устройства прижима механически осуществляют прижим дискеты к головке. Возможен вариант, когда головка прижимается к дискете с помощью соленоида.

Системой управления и контроля управляются и контролируются отдельные механические узлы накопителя, процесс записи/считывания и связи с адаптером НГМД. Обычно в профессиональной ЭВМ к одному адаптеру можно подключить несколько НГМД.

Для подключения определенных НГМД применяются микропереключатели. Контрольные и управляющие логические схемы служат для сбора информации о характеристиках рабочих состояний НГМД и выдачи соответствующих сообщений.

Электронные схемы системы позиционирования обеспечивают оптимальное по времени позиционирование подвижной каретки с магнитной головкой относительно необходимой дорожки.

Для управления двигателями служат электронные схемы регулирования и усиления сигналов, подаваемых на двигатели: шаговый (для привода каретки) и постоянный ток (для привода дискеты). Усилители записи предназначены для усиления сигналов записи, подаваемых на магнитные головки, а усилители считывания используются для усиления считываемых магнитной головкой сигналов и для подготовки их к дальнейшей обработке.

Защитный конверт диска имеет область доступа к данным и средства закрепления диска на кронштейне внутри дисковода для обеспечения вращения диска. Для обращения к диску, вставленному в дисководе, компьютер использует специальные имена. Как правило, дисководу для считывания информации с трехдюймового диска присваивается имя в виде латинской буквы с двоеточием А:, а для 5-дюймового или второго трехдюймового - в виде латинской буквы с двоеточием В:. Наличие после буквы двоеточия позволяет компьютеру отличать имя дисковода от буквы.

Правила работы с дисками рекомендуют не дотрагиваться до поверхности диска руками, не держать диски вблизи сильного магнитного поля, не подвергать их нагреванию. И конечно, лучше всего сделать его копию на случай выхода диска из строя.

1.2 Работа НГМД

Основные внутренние элементы дисковода - дискетная pама, шпиндельный двигатель, блок головок с приводом и плата электроники.

Шпиндельный двигатель - плоский многополюсный, с постоянной скоростью вращения 300 об/мин. Двигатель привода блока головок - шаговый, с червячной, зубчатой или ленточной передачей.

Для опознания свойств дискеты на плате электроники возле пеpеднего торца дисковода установлено три механических нажимных датчика: два - под отвеpстиями защиты и плотности записи, и тpетий - за датчиком плотности - для определения момента опускания дискеты. Вставляемая в щель дискета попадает внутpь дискетной pамы, где с нее сдвигается защитная штоpка, а сама pама при этом снимается со стопора и опускается вниз - металлическое кольцо дискеты при этом ложится на вал шпиндельного двигателя, а нижняя поверхность дискеты - на нижнюю головку (сторона 0). Одновременно освобождается верхняя головка, которая под действием пружины прижимается к верхней стороне дискеты. На большинстве дисководов скорость опускания рамы никак не ограничена, из-за чего головки наносят ощутимый удар по поверхностям дискеты, а это сильно сокращает срок их надежной работы. В некоторых моделях дисководов (Teac, Panasonic, ALPS) предусмотрен замедлитель-микpолифт для плавного опускания pамы. Для продления срока службы дискет и головок в дисководах без микpо-лифта рекомендуется при вставлении дискеты пpидеpживать пальцем кнопку дисковода, не давая раме опускаться слишком резко. На валу шпиндельного двигателя имеется кольцо с магнитным замком, который в начале вращения двигателя плотно захватывает кольцо дискеты, одновременно центpиpуя ее на валу. В большинстве моделей дисководов сигнал от датчика опускания дискеты вызывает кpатковpеменный запуск двигателя с целью ее захвата и центpиpования.

Дисковод соединяется с контpоллеpом при помощи 34-пpоводного кабеля, в котором четные провода являются сигнальными, а нечетные - общими. Общий вариант интерфейса пpедусматpивает подключение к контpоллеpу до четырех дисководов, вариант для IBM PC - до двух. В общем варианте дисководы подключаются полностью параллельно друг другу, а номер дисковода (0.3) задается перемычками на плате электроники; в варианте для IBM PC оба дисковода имеют номер 1, но подключаются при помощи кабеля, в котоpом сигналы выбоpа (пpовода 10-16) пеpевеpнуты между pазъемами двух дисководов. Иногда на pазъеме дисковода удаляется контакт 6, игpающий в этом случае pоль механического ключа. Интеpфейс дисковода достаточно пpост и включает сигналы выбоpа устpойства (четыpе устpойства в общем случае, два - в ваpианте для IBM PC), запуска двигателя, перемещения головок на один шаг, включения и записи, считываемые/записываемые данные, а также информационные сигналы от дисковода - начало дорожки, признак установки головок на нулевую (внешнюю) дорожку, сигналы с датчиков и т.п. Вся работа по кодированию информации, поиску дорожек и секторов, синхронизации, коppекции ошибок выполняется контpоллеpом.

1.3 Методы и организация записи информации НГМД

В контроллере НГМД данные обрабатываются в двоичном коде и передаются в НГМД в последовательном коде. В НГМД используются три основных метода записи:

· метод частотной модуляции;

· метод модифицированной частной модуляции (МЧМ);

· метод кодирования с ограничением расстояния между переходами намагниченности RLL.

Данные пользователя на дискете располагаются вместе со служебной информацией, необходимой для нумерации отдельных областей, отделения их друг от друга, для контроля информации и т.д.

В НГМД используют стандартные форматы информации, позволяющие унифицировать схему НГМД и адаптеров. Вся информация, записанная на дискете, подразделяется на секторы. Максимальное число секторов на дорожке определяется оперативной системой ПЭВМ. Расположение секторов нумеруется от 1 до М, начиная с физического начала дорожки, определяемого сигналом ИНДЕКС. Произведение числа дорожек на количество секторов записи позволяет определить информационную емкость дискеты. Каждый сектор включает в себя две области: поле служебной информации и поле данных пользователя. Служебная информация составляет идентификатор сектора, позволяющий отличать этот сектор от других. Он включает несколько отдельных частей:

1) адресный маркер (метку) - специальный код, отличающийся от данных; он указывает начало сектора и служебной информации (применяются определенные битовые комбинации тактовых импульсов, которые не появляются в режиме записи);

2) номер дорожки, содержащий код порядкового номера дорожки на которой расположен данный сектор;

3) номер головки, который указывает на одну из двух магнитных головок расположенных на соответствующих сторонах дискеты;

4) номер сектора - код определяющий логический номер сектора, который может не совпадать с физическим номером сектора;

5) длину сектора - код, указывающий объем поля данных в секторе;

6) контрольные байты - код, предназначенный для контроля ошибок считывания информации (по результатам считывания составляется контрольный код, и если он не совпадает с записанным в идентификаторе, то это означает ошибку при считывании).

Поле данных используется для хранения основной информации. Пригодность участков для записи определяется при форматировании. Поле данных начинается с адресного маркера и заканчивается контрольными байтами. Рассмотрим подробнее организацию данных в НГМД.

Физическая организация данных

Перед использованием чистой дискеты она должна быть размечена. Процедура разметки (форматирования) дискеты заключается в том, что в определенные места каждой дорожки записываются служебные последовательности символов, называемые форматом. Формат предназначен для того, чтобы аппаратура адаптера дисководов могла однозначно определить позицию головки на дорожке, в нужное, время переключиться с поиска нужного сектора на запись или чтение поля данных и проверить достоверность записанных и прочитанных данных. Все операции записи данных сопровождаются накоплением и записью в конце поля данных двух байтов контрольной суммы. Эта контрольная сумма, иначе называемая кодом циклического контроля (CRC - Cyclic Redundency Check), подсчитывается с помощью полинома, вид которого показан ниже:

Х16 + Х12 + Х5 + Х + 1

При операциях чтения и проверки данных на внутренних регистрах контроллера НГМД происходит накопление контрольной суммы по этому же алгоритму, а затем накопленная и записанная контрольные суммы сравниваются. При их совпадении прочитанные или проверенные данные считаются достоверными, при несовпадении - вырабатывается сигнал сбоя данных.

Логическая организация данных

Как сказано выше, первая выполняемая на новом диске операция - это форматирование. Этот процесс позволяет придать диску его окончательную структуру. В ходе форматирования определяется, в частности, количество дорожек и число секторов на дорожке.

В операционной системе MS-DOS предусмотрены четыре логических области дискеты:

1) загрузочный сектор;

2) таблица размещения файлов - FAT (Files Allocation Table);

3) каталог;

4) область данных.

Загрузочный сектор содержит короткую программу начальной загрузки ОС в память компьютера. Независимо от формата записи эта программа всегда занимает один сектор - первый сектор на цилиндре, имеющем номер ноль. В следующих секторах расположена таблица размещения файлов (FAT). Она содержит информацию, определяющую расположение записанных на дискету файлов. Отметим, что соседние фрагменты файла отнюдь не обязательно записываются в соседних секторах. Новые файлы могут занимать место, освобожденное в результате стирания ранее записанных. В связи с важностью информации, хранящейся в FAT, на дискете находятся две копии таблицы. Непосредственно за таблицей размещения файлов находится каталог. В нем записываются основные параметры (например, длина) файлов, записанных в области данных.

Величина области данных, каталога и FAT зависит от числа секторов на дискете, которое в свою очередь обусловлено форматом записи данных. В MS-DOS длина сектора составляет 512 байтов, но число секторов может быть различным и зависит от версии системы и типа накопителя.

Главная загрузочная и загрузочная запись

Первый сектор гибкого диска (сектор 1, дорожка 0, головка 0) содержит так называемую главную загрузочную запись (Master Boot Record). Эта запись занимает не весь сектор, а только его начальную часть.

Сама по себе главная загрузочная запись является программой. Эта программа во время начальной загрузки операционной системы с НМД помещается по адресу 7COOh: OOOOh, после чего ей передается управление. Загрузочная запись продолжает процесс загрузки операционной системы.

В первом секторе активного раздела расположена загрузочная запись (Boot Record), которую не следует путать с главной загрузочной записью (Master Boot Record). Загрузочная запись считывается в оперативную память главной загрузочной записью, после чего ей передается управление. Загрузочная запись и выполняет загрузку операционной системы.

Первый сектор на системной дискете занижает загрузочная запись (Boot Record). Эта запись считывается из активного раздела диска программой главной загрузочной записи (Master Boot Record) и запускается на выполнение. Задача загрузочной записи - выполнить загрузку операционной системы. Каждый тип операционной системы имеет свою загрузочную запись. Даже для разных версий одной и той же операционной системы программа загрузки может выполнять различные действия.

Кроме программы начальной загрузки операционной системы в загрузочной записи находился параметры, описывающие характеристики данного логического диска. Все эти параметры располагаются в самом начале сектора, в его так называемой форматированной области. Формат этой области изменился в версии 4.0 операционной системы MS-DOS.

Логический номер сектора MS-DOS предоставляет программе возможность работы с так называемыми логическими номерами секторов. Это номера секторов внутри логического диска.

Для адресации сектора при помощи функций BIOS необходимо указывать номер дорожки, номер головки и номер сектора на дорожке. MS-DOS организует "сквозную" нумерацию секторов, при которой каждому сектору логического диска присваивается свой номер. Порядок нумерации выбран таким, что при последовательном увеличении номера сектора вначале увеличивается номер головки, затем - номер дорожки. Это сделано для сокращения перемещений блока головок при обращении к последовательным логическим номерам секторов.

Пусть, например, у нас есть дискета с девятью секторами на дорожке. Сектор с логическим номером, равным единице, расположен на нулевой дорожке и для обращения к нему используется нулевая головка. Это первый сектор на дорожке, он имеет номер 1. Следующий сектор на нулевой дорожке имеет логический номер 2, последний сектор на нулевой дорожке имеет логический номер 9. Сектор с логическим номером 10 расположен также на нулевой дорожке. Это тоже первый сектор на дорожке, но теперь для доступа к нему используется головка с номером 1. И так далее, по мере увеличения логического номера сектора изменяются номера головок и дорожек.

Прямой и последовательный доступ

Начнем с магнитных лент. При использовании магнитных лент информация записывается в виде файлов с последовательным доступом. Последовательный доступ означает, что для чтения какого-либо файла требуется вначале прочитать (или просмотреть) все предыдущие файлы. При записи информация может добавляться в конец ленты, после той информации, которая была записана в последний раз.

Для такого устройства, как магнитный диск, возможна запись информации либо последовательным, либо прямым методом доступа. Использование прямого метода доступа позволяет программе позиционировать головки сразу нужный файл. Например, при чтении записи можно задать номер сектора на определенной дорожке и номер головки, где она расположена, либо смещение записи относительно начала файла в байтах.

Как правило, прямой метод доступа более эффективен.

1.4 Адаптеры на НГМД

Для обеспечения управления работой НГМД и согласования интерфейсов дисководов с интерфейсом системной шины в составе ПЭВМ необходимо электронное оборудование адаптера НГМД.

Адаптер НГМД переводит команды, поступающие с ПЗУ BIOS в электрические сигналы управляющие НГМД, а также преобразует поток импульсов, считываемых магнитной головкой, в информацию воспроизводимую ПЭВМ. Конструктивно электронное оборудование адаптера НГМД может быть размещено на системной плате, либо совмещено с оборудованием других адаптеров (НЖМД портов и т.д.). Большинство адаптеров предназначено для работы с дисководами использующими код МЧМ. Основным функциональным блоком адаптера НГМД является контроллер НГМД, выполненный конструктивно обычно в виде БИС . Наиболее часто в качестве БИС контроллеров НГМД используются ИМС 8272 фирмы Intel и ИМС 765 фирмы NEC.

Для центрального процессора адаптер НГМД доступен программно через регистр управления и два порта контроллера НГМД - регистр состояния и регистр данных.

Значение отдельных разрядов регистра управления определяют: выбор НГМД, сброс контроллера, включение двигателя, разрешение прерывания и ПДП. Для организации обмена информацией между центральным процессором и адаптером используется регистр состояния контроллера, доступный только для считывания.

Регистр данных служит для запоминания данных, команд, параметров и информации о состоянии НГМД. При записи регистр данных используется как буфер, в который побайтно подаются данные от процессора.

Дешифратор адреса распознает базовые адреса программно доступных регистров.

Контроллер НГМД выполняет набор команд, среди которых основные - позиционирование, форматирование, считывание, запись, проверка состояния и др. Исполнение каждой команды имеет три фазы: подготовительную, исполнения и заключительную. В подготовительной фазе центральный процессор передает контроллеру управляющие байты, которые включают код операции и параметры, необходимые для ее исполнения. На основании управляющей информации в фазе исполнения контроллер выполняет действия, заданные командой. В заключительной фазе через регистр данных считывается содержимое регистров состояния, хранящих информацию о результатах выполнения заданной команды и состоянии НГМД.

Правильно эксплуатируемый диск выдерживает несколько месяцев непрерывной работы на одной дорожке, но ведь таких дорожек на диске несколько десятков. Дискеты высокого качества известных и опытных изготовителей гарантируют в среднем 70 млн. проходов головки по дорожке, что на практике сводится к более чем 20-летней интенсивной эксплуатации. Правила работы с дисками рекомендуют не дотрагиваться до поверхности диска руками, не держать диски вблизи сильного магнитного паля, не подвергать их нагреванию. И конечно, лучше всего сделать его копию на случай выхода диска из строя. На этом месте я хотел бы перейти к рассмотрению накопителей на жестких магнитных дисках.

2. Накопители на жестких магнитных дисках

Эволюция персональных компьютеров связана с изменениями накопителей на жестких дисках. Жесткие магнитные диски, или "винчестеры", являются обязательным компонентом персонального компьютера. Первые ПК не имели таких накопителей, в компьютерах PC XT эти устройства уже использовались, а в PC/AT жестким дискам придавалось особое значение. Первый накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД) появился в далеком июне 1956 г. И даже его создатель Рейнолд Джонсон, руководитель одной из исследовательских лабораторий IBM, скорее всего, вряд ли мог предположить, сколь огромное влияние окажет его изобретение на все последующее развитие компьютерной индустрии. Первый жесткий диск имел емкость около 5 Мбайт. Устройство состояло из 50 дисков диаметром 24 дюйма, вращающихся с частотой 1200 об/мин, среднее время поиска составляло около 1 с.

Наименование диска - жесткий - подчеркивает его отличие от гибкого диска: магнитное покрытие наносится на жесткую подложку. Термин жесткий диск (hard disk) используется, в основном, в англоязычных странах. В продаже первый накопитель на жестких дисках появился в 1973 г. и имел кодовое обозначение "30/30" (двусторонний диск емкостью 30 + 30 Мбайт). Это кодовое обозначение совпадало с обозначением калибра легендарного охотничьего ружья "винчестер", использовавшегося при завоевании Дикого Запада. Такие же намерения были и у разработчиков жесткого диска; наименование "винчестер" получило широкое распространение. В настоящее время как основными производителями, так и дочерними фирмами выпускаются несколько десятков типов накопителей на жестких дисках. Зачастую используются оригинальные конструкционные материалы, имеются отличия в расположении узлов, но принципы работы большинства накопителей одинаковы .

2.1 Физическое устройство НЖМД

Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель (носители) и устройство чтения/записи, а также, нередко, и интерфейсную часть, называемую собственно контроллером жесткого диска. Жесткий диск - это несколько алюминиевых пластин, покрытых магнитным слоем, которые вместе с механизмом считывания и записи заключены в герметически закрытый корпус внутри системного блока. Накопитель на жестком диске, выглядит как прочный металлический корпус, к которому снизу прикреплена печатная плата с электронными компонентами (Рис 4 Приложения 1). Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя (Рис.5 Приложения 1). Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех. В корпусе же находятся элементы для закрепления накопителя в компьютере. Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы (Рис 6 Приложения 1). Механизмы - это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение. Кроме того, у некоторых типов накопителей внутри находится воздушный фильтр, который адсорбирует образующиеся во время работы частицы пыли. Вскрывать корпус можно только в производственных условиях, в так называемой "чистой зоне", что исключает попадание внутри пыли и других вредных веществ. Накопителя зарубежных фирм, как правило, имеют специальную надпись на верхней крышке корпуса. Надпись обычно выполняет роль предохранительной пломбы и гласит следующее: "Вскрытие изделия, прекращает действие гарантий" .

На лицевой панели накопителя зачастую можно увидеть светодиодный индикатор. Этот индикатор включается тогда, когда происходит обращение к данному НЖМД. В ПК типа IBM PC/XT старых моделей, при использовании двух НЖМД, в исходном состояния оба индикатора выключены и включение одного из них происходит только на время активизации контроллером линии интерфейса "выбор". В ПК типа IBM PC/AT и в IBM PC/XT новых моделей индикатор одного из НЖМД постоянно включен, т.к. контроллер не сбрасывает сигнал "выбор" того НЖМД, обращение к которому было последним. Соответственно, при использовании одного НЖМД в этих моделях, он включен постоянно. Истинный факт обращения к НЖМД индицируется на передней панели ПК.

Диск представляет собой круглую металлическую пластину с очень ровной поверхностью, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Количество дисков может быть различным, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить".

Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности представьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Для корректного считывания данных увеличение плотности записи требует соответствующего уменьшения так называемой "магнитной толщины". Она численно равна произведению величины магнитного момента на толщину магнитного слоя. Традиционное решение, применявшееся до настоящего времени, - использование более тонкого магнитного слоя, что означает, в свою очередь, меньшую энергию магнитного домена. Но чем меньше размер магнитного домена, направление намагниченности которого определяет бит информации (0 или 1), тем меньшая энергия требуется для изменения направления намагниченности на противоположное. Возникает впечатление, что снижать размер домена выгодно, но как только энергия, необходимая для изменения направления намагниченности, будет сравнима по порядку с тепловой энергией частиц, жесткие диски больше нельзя будет считать надежным способом хранения данных. Ведь повышение температуры на несколько градусов будет автоматически означать потерю данных без возможности их восстановления, так как направление намагниченности будет произвольно изменяться под действием тепла. Такое явление принято называть эффектом супер парамагнетизма. Разумеется, с серийными образцами ничего подобного не произойдет, поскольку ни один производитель не пойдет на увеличение объема в обмен на риск потери данных. Тем не менее, количество информации растет с каждым днем, а значит, необходимость увеличивать объемы хранимой на дисках информации существует, т.е. в какой-то момент место НЖМД могут занять накопители данных, работающие по совершенно другой технологии. Исследования в этом направлении уже ведутся.

Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Для того чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности.

Головки перемещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы "плывут" на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. Держатель головки представляет собой крыло, парящее над поверхностью, благодаря тому, что поверхность увлекает с собой частицы воздуха, создавая таким образом набегающий на крыло поток. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Дорожка это концентрическое кольцо на поверхности магнитного диска, на которое записываются данные, а сектор - деление дисковых дорожек, представляющее собой основную единицу размера, используемую накопителем. Секторы обычно содержат по 512 байтов.

В настоящее время, для позиционирования головок чтения/записи, наиболее часто, применяются шаговые и линейные двигатели механизмов позиционирования и механизмы перемещения головок в целом.

В системах с шаговым механизмом и двигателем головки перемещаются на определенную величину, соответствующую расстоянию между дорожками. Дискретность шагов зависит либо от характеристик шагового двигателя, либо задается серво-метками на диске, которые могут иметь магнитную или оптическую природу. Для считывания магнитных меток используется дополнительная серво-головка, а для считывания оптических - специальные оптические датчики.

В системах с линейным приводом головки перемещаются электромагнитом, а для определения необходимого положения служат специальные сервисные сигналы, записанные на носитель при его производстве и считываемые при позиционировании головок. Во многих устройствах для серво-сигналов используется целая поверхность и специальная головка или оптический датчик. Такой способ организации серво-данных носит название выделенная запись серво-сигналов. Если серво-сигналы записываются на те же дорожки, что и данные и для них выделяется специальный серво-сектор, а чтение производится теми же головками, что и чтение данных, то такой механизм называется встроенная запись серво-сигналов. Выделенная запись обеспечивает более высокое быстродействие, а встроенная - повышает емкость устройства.

Линейные приводы перемещают головки значительно быстрее, чем шаговые, кроме того, они позволяют производить небольшие радиальные перемещения "внутри" дорожки, давая возможность отследить центр окружности серводорожки. Этим достигается положение головки, наилучшее для считывания с каждой дорожки, что значительно повышает достоверность считываемых данных и исключает необходимость временных затрат на процедуры коррекции. Как правило, все устройства с линейным приводом имеют автоматический механизм парковки головок чтения/записи при отключении питания устройства.

Парковкой головок называют процесс их перемещения в безопасное положение. Это - так называемое "парковочное" положение головок в той области дисков, где ложатся головки. Там, обычно, не записано никакой информации, кроме серво-данных, это специальная "посадочная зона" (Landing Zone). Для фиксации привода головок в этом положении в большинстве ЖД используется маленький постоянный магнит, когда головки принимают парковочное положение - этот магнит соприкасается с основанием корпуса и удерживает позиционер головок от ненужных колебаний. При запуске накопителя схема управления линейным двигателем "отрывает" фиксатор, подавая на двигатель, позиционирующий головки, усиленный импульс тока. В ряде накопителей используются и другие способы фиксации - основанные, например, на воздушном потоке, создаваемом вращением дисков. В запаркованном состоянии накопитель можно транспортировать при достаточно плохих физических условиях (вибрация, удары, сотрясения), т.к. нет опасности повреждения поверхности носителя головками. В настоящее время на всех современных устройствах парковка головок накопителей производится автоматически внутренними схемами контроллера при отключении питания и не требует для этого никаких дополнительных программных операций, как это было с первыми моделями.

Во время работы все механические части накопителя подвергаются тепловому расширению, и расстояния между дорожками, осями шпинделя и позиционером головок чтения/записи меняется. В общем случае это никак не влияет на работу накопителя, поскольку для стабилизации используются обратные связи, однако некоторые модели время от времени выполняют рекалибровку привода головок, сопровождаемую характерным звуком, напоминающим звук при первичном старте, подстраивая систему к изменившимся расстояниям.

Число дисков, головок и дорожек накопителя устанавливается изготовителем исходя из свойств и качества дисков. Изменить эти характеристики нельзя. Количество секторов на диске зависит от метода записи. В одном секторе располагается 512 байт (в системе DOS). Зная эту величину, всегда можно рассчитать общий объем накопителя:

V - С Н S В

где С - количество цилиндров; Н - количество головок; S - количество секторов на дорожку; В - размер сектора.

Описанное выше разбиение называется низкоуровневым (LowLewel) форматированием. Такое форматирование нижнего уровня чаще всего выполняет изготовитель, используя специальные программные средства (например, Speed Store или Disk Manager) или команды DOS. Перед первым использованием дисков необходимо произвести их логическое форматирование - специальным образом инициализировать их (с помощью программы format). Для обращения к жесткому диску используется имя, заданное латинской буквой С:. В случае, если установлен второй жесткий диск, ему присваивается следующая буква латинского алфавита D:.

В компьютере предусмотрена возможность с помощью специальной системной программы условно разбивать один диск на несколько. Такие диски, которые не существуют как отдельное физическое устройство, а представляют лишь часть одного физического диска, называют логическими дисками. Логическим дискам присваиваются имена, в качестве которых используются буквы латинского алфавита С:,D:,E:,F: и т.д.

Кроме внутреннего жесткого диска, установленного в системном блоке, в персональном компьютере могут использоваться накопители на сменных жестких дисках, которые, как правило, имеют автономное внешнее исполнение.

Хранение и извлечение данных с диска требует взаимодействия между операционной системой, контроллером жесткого диска и электронными и механическими компонентами самого накопителя.

Электроника жесткого диска спрятана в нижней части винчестера. Она расшифровывает команды контроллера жесткого диска и передает их в виде изменяющегося напряжения на шаговый двигатель, перемещающий магнитные головки к нужному цилиндру диска. Кроме того, она управляет приводом шпинделя, стабилизируя скорость вращения пакета дисков, генерирует сигналы для головок при записи, усиливает эти сигналы при чтении и управляет работой других электронных узлов накопителя. Плата электроники современного накопителя на жестких магнитных дисках представляет собой самостоятельный микрокомпьютер с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и прочими традиционными атрибутами присущими компьютеру. На плате могут располагаться множество переключателей и перемычек, однако не все из них предназначены для использования пользователем. Как правило, руководства пользователя описывают назначение только перемычек, связанных с выбором логического адреса устройства и режима его работы, а для накопителей с интерфейсом SCSI - и перемычки, отвечающие за управление резисторной сборкой (стабилизирующей нагрузкой в цепи) .

Подобные документы

Конструкция, общее устройство и принцип действия накопителей на жестких магнитных дисках. Основные характеристики винчестеров: емкость, среднее время поиска, скорость передачи данных. Наиболее распространенные интерфейсы жестких дисков (SATA, SCSI, IDE).

презентация , добавлен 20.12.2015


Запоминающие устройства на жестких магнитных дисках. Устройство жестких дисков. Интерфейсы жестких дисков. Интерфейс ATA, Serial ATA. Тестирование производительности накопителей на жестких магнитных дисках. Сравнительный анализ Serial ATA и IDE-дисков.

презентация , добавлен 11.12.2013


Технические характеристики накопителей на жестких магнитных дисках и их устройство. Питание и охлаждение накопителей. Неисправности аппаратной и программной частей. Программы для проведения диагностики поверхности накопителя, его головок и электроники.

курсовая работа , добавлен 19.05.2013


Анализ принципа действия накопителей на жестких магнитных дисках персональных компьютеров. Перфокарта как носитель информации в виде карточки из бумаги, картона. Основные функции файловой системы. Способы восстановления информации с RAID-массивов.

дипломная работа , добавлен 15.12.2012


Характеристика внешней памяти компьютера. Виды памяти компьютера и накопителей. Классификация запоминающих устройств. Обзор внешних магнитных носителей: накопители прямого доступа, на жестких магнитных дисках, на оптических дисках и карты памяти.

курсовая работа , добавлен 27.02.2015


Накопители на гибких магнитных дисках позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, не используемую постоянно на компьютере, делать архивные копии программных продуктов, содержащихся на жестком диске.

реферат , добавлен 18.07.2008


Накопитель на гибких магнитных дисках. Сменные носители информации. Устройство накопителя для гибких магнитных дисков. Доступ к информации, записанной в одном цилиндре. Технические характеристики дискеты. Накопители на жестком диске и их устройство.

презентация , добавлен 13.08.2013


Внешние запоминающие устройства для хранения программ и данных. История развития ВЗУ. Характеристика накопителей на магнитной ленте (стримеров) и на гибких магнитных дисках. Типы дисководов, устройство и виды дискеты. Способ записи на гибкий диск.

реферат , добавлен 16.11.2011


Накопители на жестких магнитных дисках. Винчестеры с интерфейсом Serial ATA. Магнитные дисковые накопители. Приводы для чтения CD-ROM (компакт-дисков). Возможные варианты загрузки диска в привод. Флэш-память, основные ее преимущества перед дискетами.

презентация , добавлен 20.09.2010


Отображение текстовой или графической информации на компьютере. Ввод данных и управление различными объектами операционной системы. Внешние и внутренние устройства. Устройства записи-считывания информации на гибких магнитных и жёстких магнитных дисках.

Накопители на жестких магнитных дисках типа "винчестер" предназначены для долговременного хранения информации в составе компьютера. Название «винчестер» НЖМД получил в 1973 г., когда фирма IBM изготовила герметичный пакет из двух заменяемых дисков по 30 Мб каждый. Цифры 30 / 30 ассоциировались у пользователей с калибром популярной в США двустволки «Винчестер 30 / 30». В 1983 г. ЭВМ PC XT стали комплектоваться несъемными винчестерами емкостью 10 Мб со средним временем доступа 100 мс.

Магнитный накопитель из алюминиевого сплава или стеклянных пластин диаметром 3.5 или 2.5 толщиной 0.125 дюйма. На пластины методом напыления наносится несколько тонких слоев магнитных и немагнитных материалов, способных намагничиваться на малых участках поверхности. Пластины крепятся на оси небольшого шпиндельного бесшумного двигателя (Д), который вращается с постоянной скоростью (рис. 4.3). Из-за ограничения на размер и вес НЖМД, используемого в составе персонального компьютера, число пластин ограничено и в настоящее время не превышает 12.

Наиболее часто число пластин равно от двух до четырёх (головок от 4 до 8), а наружные диски иногда имеют только по одной внутренней рабочей поверхности. Обычно диски имеют нижнюю и верхнюю рабочие поверхности. К каждой рабочей поверхности подводятся одна головка чтения/записи (Г1, ..., Гn). Головки изготовляются по тонкопленочной технологии и представляют собой специальные полупроводниковые кристаллы с U-образным зазором, обращенным к пластине. U-образная форма используется для создания подъемной силы, возникающей за счет движения воздуха при вращении дисков. Головка парит над поверхностью с зазором, исчисляемым микронами.

Рис. 4.3. Схема НЖМД

В настоящее время в накопителях более 1 Гб используются магниторезистивные головки (MR), которые имеют в составе тонкопленочную головку (TF) для записи и магниторезистивную для считывания. TF представляют собой микрокатушки из нескольких витков на печатной миниатюрной плате. Внутри катушки располагается сердечник из сплава никеля и железа с высокой индукцией. Зазор в сердечнике путем напыления заполняется немагнитным алюминием и защищается от повреждений при контактах с диском. Чтобы исключить порчу пластин от попадания частиц в область зазора между головкой и рабочей поверхностью, диски размещают в герметичном корпусе, заполненном инертным газом.

Легкость головки и малый зазор между диском и головкой (около 15 нм) позволяют намагничивать дорожку вглубь поверхности диска, обеспечивая надежность записи/считывания и хранения информации. Вторая часть головки MR представляет собой головку считывания, в основе которой используется датчик-резистор, меняющий свое сопротивление в зависимости от величины магнитного поля. Через резистор протекает постоянный измерительный ток, который изменяется от напряженности магнитного поля в моменты t сз при движении вдоль дорожки. Для уменьшения помех от соседних дорожек, резистор приподнимают над дорожкой. Установка головок на заданную i-ю дорожку (цилиндр диаметром di для всех пластин) выполняется катушкой-соленоидом (К), перемещающей приводную ручку (Р), как показано на
рис. 4.3. Для перемещения головок на необходимую дорожку в автоматическую следящую систему (СУ) подается сигнал Ei, который сравнивается с сигналом х , поступающим со специальной головки (Гс) или контакта переменного сопротивления R. При наличии разницы в сравниваемых сигналах СУ перемещает шток (Ш) соленоида в сторону требуемого диаметра di. При отключении питания винчестер автоматически паркуется пружиной (П) перемещая головки во внутреннюю область диска, как правило, на последнюю дорожку. Число дорожек определяется типом накопителя и для жестких дисков их число составляет несколько тысяч. Малый зазор между головкой и поверхностью диска позволяет достичь высокой радиальной и линейной плотности записи (100 Гбит/кв.дюйм) и увеличить емкость НЖМД до нескольких десятков и даже сотен Гб.

Основными параметрами винчестера являются емкость (Ё), скорость обмена (V пр) и время доступа к данным (t ср). Емкость любого накопителя прямо пропорциональна величине форм - фактора (размера). Форм - фактор указывает на сечение отсека для НЖМД. Если он равен 3.5 ´ 1, то это соответствует отсеку 4 ´ 1 ´ 6 дюймов, используемому для одного 3.5² винчестера. Чем больше размеры дисков и их число в пакете, тем больше емкость. Однако с увеличением диаметра пластин на разных дорожках существенно изменяется скорость движения диска относительно головок, увеличивается время перемещения головок с внутренней дорожки на внешнюю и среднее время доступа. Эти параметры ограничивают изготовление дисков больших размеров, чем 3.5. Поэтому увеличение емкости диска постоянно происходит за счет увеличения TPI, BPI и способов кодирования – декодирования информации. К тому же, увеличение плотности записи позволяет увеличить скорость считывания данных при той же скорости вращения диска. Так, фирма Fujutsu в новой модели 3.5 НЖМД достигла плотности 10.2 Гб на одной 3.5 пластине с головками MR и каналом PRML. Эта фирма выпускает бесшумные НЖМД с использованием подшипников с жидким трением. Другие фирмы изготавливают пластины с плотностью записи на пластину 20 Гб и более.

Скорость обмена характеризуется двумя параметрами: скоростью передачи между НЖМД и ОЗУ и быстродействием передачи между буфером винчестера и поверхностного диска V д. Скорость передачи (transfer rate) между НЖМД и ОЗУ измеряется величиной V пр (Мб/с) как отношение величины пересылаемого массива к времени, затраченному на его пересылку. Она определяется, в основном, типом интерфейса.

2.1. Режимы передачи данных

Для передачи данных между винчестером и памятью PC используются два режима:

Режим программного ввода/вывода PIO;

Режим прямого доступа к памяти DMA.

В режиме PIO информации с кэш-буфера (ОЗУ винчестера) жесткого диска сначала считыва­ется центральным процессором и только потом записывается в основную оперативную память. В зависимости от длительности цикла считывания и количества сек­торов, передаваемых за одно обращение к диску, различают режимы PIO0 (PIO Mode 0), PIO1, PIO2, PIO3, PIO4, PIO5. Характеристики режимов PIO приведены в табл. 4.3.

В режиме PIO за одно обращение к НЖМД обычно передается содержимое одного сектора (512 байт), а в режиме PIO 4 – 16 (или больше) секторов. Это способствует увеличению скорости передачи данных с 3.3 Мб в режиме PIO 0 до 20 Мб/с в режиме PIO 5 с использованием интерфейсов IDE или EIDE.

Однако режим PIO традиционно используются в однозадачных операционных системах. В многозадачных опера­ционных системах чаще используются режимы прямого доступа к оперативной памяти DMA. Ввод/вывод данных в этом режиме осуществляется в ОЗУ ПК, минуя МП. Обмен происходит под управлением контроллера НЖМД в паузах между обращениями МП к ОЗУ, что занижает скорость обмена, но освобождает МП от операции передачи данных между ОЗУ и НЖМД. Для режимов DMA используются специальные контроллеры и драйверы. Режимы DMA подразделяются на однословные DMA 0,1,2 (Singleword) и многословные DMA 33,100 (Multiword) в зависимости от количества слов, передаваемых за один цикл работы с системной шиной. Характеристики ранних способов реализации DMA представлены в табл. 4.4.

Для обеспечения большей производительности DMA в начале был разработан и внедрен режим Ultra DMA/33. Интерфейс Ultra АТА/33 (Ultra DMA/33 и АТА-33), предложенный компанией Quantum, обеспечивает передачу данных в режиме Multiword DMA со скоростью 33 Мб/с. В отличие от режима DMA 2, в режиме Ultra АТА/33 (рис. 4.4.) передача данных осуществляется по переднему и зад­нему фронтам тактового сигнала (ТИ). Это позволяет в 2 раза увеличить ско­рость передачи без увеличения тактовой частоты системной шины. Стандарт Ultra DMA/33 отличается от предыдущих версий IDE не только скоростью обмена. Впервые в нем используется механизм обнаружения ошибок с помощью циклического контрольного кода.

С появлением процессоров Pentium контроллеры EIDE обеспечивают функ­цию управления шиной (Bus Master). Это связано с тем, что в многозадачных операционных системах для повышения быстродействия вычислений МП освобождается от ввода/вывода данных между ОЗУ и НЖМД. По­этому контроллеры внешних устройств (EIDE в том числе) стали оборудо­ваться собственными микропроцессорами ввода/вывода. В этом случае МП выдает команду контроллеру EIDE, которая указывает ему, откуда он должен взять данные и в какую область памяти их поместить. После получения этих ука­заний контроллер захватывает управление системной шиной (PCI) и выполняет операции по считыванию данных с накопителей информации (например, с винчес­тера, приводов CD-ROM, CD-R, CD-RW) непосредственно в ОЗУ с по­мощью канала DMA. Однако выигрыш в производительности ПК при использовании функции Bus Master будет значителен лишь при одновременной работе нескольких при­ложений. Функцию Bus Master поддерживают практически все современные чипсеты.

(дан. 1, дан. 2)

данные 1

данные 2

данные 4

данные 3

Рис. 4.4. Принцип передачи данных в интерфейсах АТА и Ultra ATA/33

Лекция 16: Интерфейсы устройств ввода-вывода

IDE. В качестве интерфейса винчестера с системной шиной на системной плате давно используются IDE (ATA), EIDE (Fast ATA, ATA-2, ATA-3) и SCSI. Первый IDE интерфейс компаний Compaq и Western Digital, интегрированный в плате винчестера для 8/16 - разрядных шин ISA для ЭВМ типа AT, названный IDE ATA и выпущенный в 1986 г., был стандартизирован в 1990 г. для обслуживания двух НЖМД. Интерфейс IDЕ очень быстро завоевал популяр­ность среди производителей и пользователей ПК. При этом стоимость винчестера увеличи­лась незначительно, а винчестер стал подключаться непосредственно к слоту на системной плате, представляющему собой усеченный слот шины ISA, или к плате адаптера. Ранее на плате адаптера был интегрирован контроллер НГМД, а также располагались параллельные и/или последовательные интерфейсы и игровой порт. В новых системных платах все эти компоненты интегрированы непосредственно в один из СБИС чипсета. Важнейшей идеей в создании IDE является сборка основных частей платы контроллера в самом НЖМД и обеспечение совместимости его с любыми системными платами. Он рассчитан на единовременную обработку одной процедуры программного ввода/вывода в режимах PIO - 0, PIO - 1, PIO - 2. В формате CHS предел емкости НЖМД с IDE определяется произведением

Ё max = C ´ H ´ S (цилиндры х головки х сектора)

Ё max = 65 536 ´ 16 ´ 255 ´ 512 (байт) = 139.9 Гб. Однако стандарт BIOS системных плат совсем недавно поддерживал лишь Ё max = C ´ H ´ S = 1024 ´ 255 ´ 63 ´ 512 (байт) = 8.4 Гб. Учет совместных ограничений IDE и BIOS на величины С, H, S ограничивал максимальную емкость НЖМД без соответствующего программного обеспечения величиной, равной

Ё max = 1024 ´ 16 ´ 63 ´ 512 (байт) = 504 Мб.

Емкости НЖМД 504 Мб уже в ЭВМ с i 486 стало недостаточно, поэтому IDE АТА был усовершенствован. Новый стандарт EIDE позволяет расширить предел максимальной емкости НЖМД.

EIDE (Fast ATA) (торговое название фирмы Western Digital) PIO-3 и MultiWord DMA1 с передачей нескольких слов в режиме прямого доступа к памяти ОЗУ. Усовершенствованный Fast ATA2 поддерживает режимы: PIO-4 и MultiWord DMA 2. Новый, с измененной BIOS, стандарт EIDE через контроллер EIDE может удваивать/учетверять число головок с пропорциональным уменьшением числа цилиндров. Это позволяет расширить предел максимальной емкости НЖМД до 8.4 Гб и более за счет реализации режима логического адреса LBA, когда ФА < C, H, S > преобразуется в 28 разрядный логический адрес < C *, H *, S * >. Однако при использовании FAT возникает проблема, ограничивающая емкость диска. Она заключается в том, что с увеличением емкости диска увеличивается минимальный размер кластера (число секторов обмена и наименьшая емкость записи) с 8 Кб (для НЖМД до 504 Мб) до 64 Кб с дисками большой емкости. При малых размерах файлов эти кластеры заполняются не полностью. Память используется неэффективно.

Число подключенных устройств к EIDE может достигать четырех, в том числе CD - ROM или стримеры. Новые режимы EIDE позволяют за 1 обмен считать данные, содержащие сразу несколько (2, 4, 8, 16 и более) стандартных 512 - байтных секторов (Multiple). А новый интерфейс IDE (ATA - 3) поддерживает стандарт Ultra DMA и позволяет увеличить быстродействие обмена Ultra DMA винчестеров с ОЗУ через контроллер Ultra DMA системной платы. В режиме Ultra быстродействие обмена соответствует: DMA 0 – 16.6 Мб/с; DMA 1 – 24.9 Мб/с; DMA 2 (DMA 33) – 33.3 Мб/с; Ultra ATA/66 – 66.6 Мб/с; Ultra ATA/100 – 100 Мб/с. Новый последовательный 4-жильный интерфейс Serial ATA-1,6 с быстродействием обмена (3 или 6) Гб/с разрабатывается для дальнейшего увеличения быстродействия ЭВМ и совместимости с параллельным интерфейсомIDE.

SCSI был спроектирован для повышения быстродействия обмена внешних устройств с системной шиной и числа подключаемых периферийных устройств для многозадачных и многопользовательских операционных систем. Он подсоединяется через главный адаптер к PCI и имеет 8/16 - битную шину данных. К шине SCSI подсоединяются устройства, которым устанавливаются номера ID = 0, 1, ..., 7. Номера ID позволяют устройствам осуществлять обмен по ШД без участия МП с использованием форматов и команд SCSI. Интерфейс SCSI поддерживает Ёmax = 8.4 Гб. Путем увеличения быстродействия обмена (“fast” – быстрый) и разрядности шины расширения (“wide” – многоразрядный) он имеет следующие модификации :

SCSI-1 – 8 бит / до 5 Мб/с;

Fast SCSI (SCSI - 2) – 8 бит / до 10 Мб/с;

Ultra SCSI – 8 бит / до 20 Мб/с;

Fast Wide SCSI – 16 бит / до 20 Мб/с;

Ultra Wide SCSI (SCSI - 3) – 16 бит / до 40 Мб/с;

Ultra 160 SCSI – 160 Мб/с;

Ultra 320 SCSI – 320 Мб/с.

Практически во всех модификациях в SCSI устанавливается мультисегментный кэш-буфер с емкостью более 512 Кб для одновременного обслуживания нескольких конкурирующих процессов ввода/вывода. Интерфейс SCSI имеет некоторые преимущества перед интерфейсом АТА:

Возможность подключения до 27 устройств (например, Ultra SCSI-III);

Возможность подключать внутренние и внешние устройства;

Диски SCSI-винчестеров вращаются с повышенной скоростью 7200, 10000 или 15 000 об/мин, и время доступа к ним составляет меньше 5 – 7 мс;

Длина 50-жильного плоского кабеля SCSI может достигать 6 м.

Имея в своём составе более качественное оборудование, SCSI стоит в 1,5 раза дороже ATA и применяется чаще всего в серверах.

2.3. Интерлив

В современных винчестерах параметр интерлив (количество оборотов диска для чтения всей дорожки), или как его еще называют Interleave-фактор (рис. 4.5), не оказывает существенного влияния на быстродействие обмена при наличии достаточной емкости памяти кэш-буфера. Однако рассмотрение этого параметра позволяет описать принцип обмена винче­стера секторами с кэш-буфером. При вращении диска головка считывает 512-байтный сектор и посылает данные в буферный регистр контроллера, откуда данные передаются процессору. Диск продолжает вращаться, головка считывания переходит к следующему сектору, но контроллер при ограниченном объеме кэш-буфера все еще занят обменом данными с процессором. Поэтому для того чтобы прочитать следующий сектор при освобождении контроллера головка должна ожидать полного оборота диска или пропустить часть секторов. При чтении всего кластера, который располагается в соседних секторах, секторы считываются подряд, без задержки. Если емкость буфера мала и необходима передача данных в ОЗУ, то часть секторов пропускается до момента освобождения буфера. Так, в режиме 3:1 (рис. 4.5, б ) пропускается два сектора.

Рис. 4.5. Размещение кластеров при режиме обмена 1:1 и 3:1

Диски более ранних выпусков организованы так, что сектора файла данных располагаются на дорожке диска не друг за другом, а в другом порядке, учитывающем интерлив и способность обмена с МП с поворотом НЖМД. При этом при позиционировании головки контроллер имеет достаточно времени для передачи информации без лишнего оборота диска. При освобождении контроллера он обращается к соответствующему сектору.

Современные контроллеры работают по другому принципу: для организации непрерывного чтения секторов данные считываются из нескольких секторов ("с подозрением" на их необходимость) и запоминаются в кэш-буфе­ре, откуда впоследствии они могут быть извлечены. Преимущество такого способа заключается в том, что контроллер помещается в дисковод, в котором механика и электроника работают оптимальным образом.

На быстродействие передачи данных V д между буфером винчестера и поверхностностью диска, кроме времени поиска нужной дорожки t cр, существенно влияет: скорость вращения пластин V в; число физических секторов S на дорожке; способ их чередования (интерлив); размер кэш - буфера; тип данных (последовательные, фрагментированные) и режим обмена. Поэтому скорость V д обмена между буфером винчестера и поверхностностью диска у наилучших моделей обычно не превышает 10 Мб/c. Если дорожка уже позиционирована, то скорость обмена определяется в основном двумя величинами: временем поиска сектора (равно половине периода Т вращения пластины) и скоростью считывания секторов. С учётом этих величин V д приблизительно определяется по формуле:

V д = 0.5 ´ S ´ 512 / (T ´ I) (Кб/с),

где S - число физических секторов (S = 80 - 160 и зависит от номера дорожки);

Т = 1 / V в – период вращения (при V в = 7 200 об/мин T » 8 мс);

I – интерлив, количество оборотов диска для чтения всей дорожки (у лучших НЖМД I = 1).

Подставляя лучшие параметры дисков, получаем V д » 160 ´ 0,5 ´ 512 / 8 ´ 1024 = 5 Мб/с. При учёте времени поиска нужной дорожки t c скорость обмена между кэш-буфером винчестера и поверхностностью диска V д будет меньше и будет определяться способом заполнения пластин. Пластины могут заполняться последовательно (сначала один диск, затем другой и т. д.) или в режиме заполнения дорожками, когда сначала заполняются все крайние внешние дорожки у всех пластин, затем запись смещается к центру. Режим заполнения дорожками встречается чаще, и поэтому незаполненные информацией НЖМД обладают большим быстродействием, чем заполненные, т. к. информация на внутренних дорожках читается медленнее, и количество секторов на дорожках неодинаково – на внутренних цилиндрах их меньше, чем на внешних.

2.4. Характеристики НЖМД

Типичная блок – схема управления НЖМД, размещаемая на печатной плате винчестера представлена на рис. 4.6. Любой винчестер IDE или SCSI имеет пакет магнитных дисков, блок магнитно-резистивных головок, систему позиционирования, канал считывания записи, сепаратор данных и микроконтроллер. Сепаратор данных выделяет из входного считываемого сигнала импульсы синхронизации и данные. Микроконтроллер по специальным адресным меткам распознает поля идентификации и данных сектора. В поле идентификатора находится закодированная информация об адресе сектора < C, H, S >. МП устанавливает правильность позиционирования головок и выполняет микрооперации записи/считывания следующим образом.

Цифровая система УУ НЖМД воспринимает команды с системной шины от центрального процессора через микроконтроллер обмена диска с шиной SCSI и включает буфер секторов для временного хранения данных, участвующих в обмене. МП УУ накопителя принимает поступающий с системной шины логический адрес < C *, H *, S * >, преобразует его в физический адрес < С, H, S >, и, через МП и контроллер управления двигателем и приводом головок, позиционируют соответствующий цилиндр С. Для чего величина, определяющая место < C > цилиндра на пластине Ei, сравнивается с сигналом положения приводной ручки х (см. рис. 4.3). При наличии отличной от нуля разницы Ei - х из СУ поступает сигнал, который усиливает и возбуждает ток в соленоиде К, перемещая привод головки вглубь или на край диска в зависимости от знака величины рассогласования.

Перемещаясь, приводная ручка уменьшает величину Ei - х до нуля и МП НЖМД по положению маркера (по коду поля идентификации) подключает требуемую головку к сектору < S > и каналу записи/считывания, включающего шифратор для записи или импульсный детектор и дешифратор (DC) в режиме считывания.

Рис. 4.6. Схема управления НЖМД

Характеристики некоторых 3.5-дюймовых НЖМД представлены в табл. 4.5. Из таблицы видно, что скорость вращения V в дисков увеличилась. В старых винчестерах она была равна 3 600 об/мин, теперь она чаще всего равна 7 200 об/мин. Только в дорогих НЖМД с SCSI интерфейсом она равна 15 000 об/мин. Высокие скорости вращения диска (7 200 об/мин) и перемещения микроскопических головок позволяют получить в лучших конструкциях НЖМД среднее время доступа к информации около 8 мс. Время поиска нужной дорожки зависит от исходного положения головки и является наименьшим, если головка находится на соседней дорожке (track to track seek) t cд. Величина t cд для лучших НЖМД равна 1 – 3 мс.

Если поиск ведется случайным образом с равновероятным переходом на любую дорожку, можно говорить о среднем времени доступа (average seek) t cр. Существенно увеличилась у новых моделей НЖМД емкость до 20 Гб и более. Все НЖМД для ускорения доступа к данным оснащаются кэш-буфером емкостью 2 Мб и часто 8 Мб. Для повышения надежности НЖМД применяется система диагностики и оповещения отказов S.M.A.R.T. и специальные способы обнаружения сбоев и коррекции.

Таблица 4.5 Характеристики НЖМД
Фирма Модель	Ё диска / головок, Гб	Vв, об/мин	Кэш-буфер, Мб	t cр, мс	Интерфейс
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

Технология S.M.A.R.T. была разработана с участием крупнейших производителей винчестеров. Для ана­лиза надежности жесткого диска используются две группы параметров: па­раметры естественного старения диска и текущие параметры.

К параметрам первой группы относятся:

Количество оборотов двигателя за время работы;

Количество перемещений головок чтения/записи за время работы.

К параметрам второй группы относятся, например, такие:

Расстояние между головкой чтения/записи и рабочей поверхностью;

Скорость обмена данными между дисками и кэш-памятью винчестера;

Количество переназначенных поврежденных (bad) секторов;

Скорость поиска данных на диске.

Вся информация S.M.A.R.T. записывается на специальных дорожках. Существует три версии (I, II, III) технологии S.M.A.R.T. В S.M.A.R.T. III осуществляется предсказание ошибок, осуществляется сканирование поверхности и в дополнение к I, II предыдущим версиям опреде­ляет и восстанавливает проблемные сектора. BIOS позволяет пользователю управлять режимом работы S.M.A.R.T. с выдачей сообщений о состоянии НЖМД. При этом средняя наработка на отказ винчестера MTBF, как средне статистическое время между сбоями, равна 500 тыс. часов (при 40 - 50 тыс. циклов включения/выключения), что на порядок выше других компонент ЭВМ.

IBM, Fujitsu, Quantum и другие фирмы в НЖМД используют для повышения плотности записи и надежности вместо алюминиевых стеклянные и кремниевые пластины из-за их большей жесткости и чистоты. Это также способствует уменьшению их веса. Также многие компании, например, IBM, стремятся уменьшить размеры пластин (чем меньше пластина, тем меньше вибрация) вводя новые 27-миллимитровые стандарты. Прогнозы компаний: увеличение плотности записи информации скоро составят 300 Гбит на кв. дюйм. Продолжается поиск альтернативы магнитным дискам. Среди таких инноваций – органические магнитные пленки и структуры с нанесенными ячейками. Производители полагают, что новые технологии потеснят магнитные носители.

Основными недостатками магнитных дисков являются: старение материалов подложки, ограничивающее срок службы до 5 лет; потеря данных от воздействия случайных электромагнитных полей; размагничивание в процессе хранения; чувствительность к ударам и тряске.

Лекция 17: Оптические накопители

В 1972 г. компания Phllips продемонстрировала систему Video Long Play. В ней был использован для записи данных принцип "засечек". Он стал началом развития CD-, а в дальнейшем и DVD-технологий. Первый стандарт оптических накопителей CD-ROM, включающий систему записи на компакт-диск произвольных цифровых данных, разработан в 1984 г. фирмами Philips и Sony.

Массово компакт-диск постоянной памяти СD-RОМ выпускается с 1988 г. как накопитель информации емкостью 650 Мб. Эта информация соответствует примерно 330 000 страницам текста или 74 минутам высококачественного звучания. На данный момент существует несколько стандартов CD-ROM – это AAD, DDD, ADD. Буквы этой аббревиатуры отражают формы звукового сигнала, использованные при создании диска: первая – при исходной записи, вторая – при обработке и сведении, третья – конечный мастер-сигнал, с которого формируется диск. "A" обозначает аналоговую (Analog) форму, "D" – цифровую (Digital). Мастер-сигнал для CD всегда существует только в цифровой форме, поэтому третья буква аббревиатуры всегда "D". При записи и обработке сигнала в аналоговой форме сохраняются высшие гармоники, но возрастает уровень шума. При обработке в цифровой форме высшие гармоники принудительно обрезаются на половине частоты дискретизации.

Компакт - диски CD-ROM изготавливаются толщиной 1.2 мм с внешним диаметром 12 см, с внутренним отверстием 15 мм из полимерного материала, который покрыт с нижней стороны пленкой из сплава алюминия (рис. 4.7.). Эта пленка является носителем информации, которая после записи защищается дополнительным слоем лака. Верхний слой является нерабочим, и на него наносятся этикетки и надписи.

Рис. 4.7. Информационный слой на CD-ROM

Изготовление дисков происходит в несколько стадий, включающих:

Запись выжиганием лазерным лучом штрихов ("засечка", пит) в течение более 1.5 часов на мастер-диск;

Получение с мастер-диска копий матриц из твердого металла;

Изготовление копии рабочих дисков путем оттиска (штамповки) матрицами.

В результате оттиска на поверхности диска остается спиральная дорожка шириной 0.6 мкм с расстоянием между витками 1.6 мкм с углублениями в виде штриха 0.12 мкм с ТРI = 16 000. Дорожка начинается вблизи центрального отверстия и оканчивается в 5 мм от внешнего края. Длина спирали достигает 5 км. Принцип работы накопителя CD-ROM можно упрощенно пояснить с помощью рис. 4.8. Диск вращается двигателем (D1), система управления которого обеспечивает постоянную скорость перемещения дорожки относительно считывающего устройства на любом внутреннем или внешнем витке спирали. При этом скорость считывания данных для формирования звука строго постоянна и равна 75 блокам в секунду (150 Кб/с).

В каждом блоке записано 2 352 байта. Из них 2 048 полезных и 288 контрольных, которые используются для восстановления данных ("провалов" из-за царапин, сора) длиной до 1 000 бит, 16 для синхронизации. Контрольные биты позволяют избежать ошибок с вероятностью 10 -25 . Двигатель положения (D2) предназначен для перемещения подвижной каретки (ПК) с зеркалом и фокусирующей линзой к нужному витку спиральной дорожки по командам встроенного микропроцессора.

Рис. 4.8. Принцип работы накопителя CD-ROM

Полупроводниковый лазер (ППЛ) излучает инфракрасный луч с длиной волны в 4 раза превышающей глубину штриха. Этот луч проходит через разделительную призму (РП), отражаясь от зеркала (3). Затем через фокусирующую линзу (ФЛ1) он точно направляется на дорожку и отражается от нее с разной интенсивностью в зависимости от штриха или плато. Поскольку диаметр светового пятна, формируемого на дорожке лазерным лучом, больше, чем размер штриха, при одновременном отражении луча от дна штриха и основной поверхности между отраженными волнами возникает гасящая интерференция, интенсивность отраженного луча уменьшается. При отсутствии штриха световое пятно отражается одинаково, интерференция не происходит, интенсивность отраженного луча сохраняется. Отраженный от дорожки луч воспринимается фокусирующей линзой (ФЛ1) и через РП и фокусирующую линзу (ФЛ2) воспринимается фотодатчиком (ФД), который преобразует оптические сигналы в электрические. Электрический сигнал, снимаемый с ФД при просмотре штриха в CD, принимается за логическую единицу. Электрические сигналы передаются затем в звуковую плату или в ОЗУ. При передаче в звуковую плату (карту) цифровые последовательности преобразуются в аналоговые сигналы, усиливаются и могут быть прослушаны через наушники или динамики.

Если сигналы с диска представляют собой массивы цифровых данных для компьютера, то они преобразуются в параллельный двоичный код встроенным микропроцессором, который затем может их передать в сегменты ОЗУ ЭВМ. В отличие от звуковых записей, передаваемых в звуковую плату синхронно, цифровые данные с CD могут быть считаны в ОЗУ с увеличенной 4, 6, 8, 10 раз скоростью. Накопитель и CD-ROM, имеющие такие скорости, называют 4 – 10 скоростными. Они считывают данные и передают их в системную шину со скоростью 600, 900, 1200, 1500 Кб/с и имеют лучшее среднее время доступа к блокам диска около 100 мс. На скорости свыше 5 000-6 000 об/мин надежное считывание становится практически невозможным, поэтому последние модели 12- и более скоростных CD-ROM при чтении данных работают в режиме CAV (постоянная угловая скорость), вращая диск с максимально возможной скоростью. В этом режиме скорость поступления данных с диска меняется в зависимости от положения головки, увеличиваясь от начала к концу диска. Указанная в паспорте скорость (например, 24x) достигается только на внешних участках диска, а на внутренних она падает примерно до 1200-1500 Кб/с. В дисководах со скоростями 20 и 24 быстродействие зависит от места считывания информации с компакт - диска и их средняя скорость соответствует около х14 при поддержке BIOS режима PIO-4.

3.1. Перезаписываемые оптические накопители

Кроме CD-ROM все более широкое применение находят стандарты CD-R (Recordable - записываемый) и CD-RW (ReWritable - перезаписываемый). Для однократной записи CD-R используются так называемые "болванки", представляющие собой обычный компакт-диск, в котором отражающий слой выполнен преимущественно из золотой или серебряной пленки. Между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала (красителя), темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные "засечкам".

Перезаписываемые диски CD-RW имеют семислойную структуру, отличающуюся от дисков CD-R, которые содержат пять слоев, как показано на рис. 4.9. В CD-RW используется промежуточный слой из металлопластика, изменяющий под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно. В результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критической температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагреве до температуры значительно ниже критической восстанавливает кристаллическое состояние. Такие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность существенно ниже однократных CD, что затрудняет их считывание в обычных приводах. Для чтения CD-RW необходим привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника (Auto Gain Control), хотя некоторые обычные приводы CD-ROM и бытовые проигрыватели способны читать их наравне с обычными дисками. Способность привода читать CD-RW носит название Multiread.

Перезаписываемый диск может иметь такую же структуру и файловую систему, что и CD-R, либо на нем может быть организована специальная файловая система UDF, позволяющая динамически создавать и уничтожать отдельные файлы на диске.

,

Рис.4.9. Структура записи на CD-R и CD-RW

3.2. Цифровой универсальный диск

Стандарт для DVD был разработан в 1995 г. совместно несколькими компаниями (Hitachi, JVC, Philips и др.). На DVD-диски можно записывать не только видео, но и аудио и любые другие данные, поэтому он чаще применятся как цифровой универсальный диск (Versatile). Главное отличие DVD-дисков от CD-дисков – разница в объёмах информации. Ёмкость DVD увеличена несколькими способами:

Во-первых, для чтения DVD-дисков используется лазер с меньшей длиной волны, чем для чтения CD-дисков, что позволило существенно увеличить плотность записи;

Во-вторых, стандартом предусмотрены двухслойные диски, для которых на одной стороне записываются данные в два слоя. При этом один слой полупрозрачный, что позволяет осуществлять чтение "сквозь" первый слой.

С повышением плотности записи и уменьшением длины волны считывающего лазера изменилось требование к толщине защитного пластмассового слоя, для DVD-дисков он составляет всего 0.6 мм в отличие от 1,2 мм, используемых в CD-дисках. Однако что бы сохранить привычные размеры диска и избежать излишней хрупкости DVD-дисков, они заливаются пластиком с двух сторон, чтобы итоговая толщина диска составила те же 1,2 мм. Это позволило записывать данные на обе стороны DVD-дисков и таким образом удваивать их ёмкость. Основные виды DVD дисков следующие :

DVD-5 (4.7 Гб) с записью данных одним слоем на одной стороне;

DVD-9 (8.5 Гб) с записью данных в два слоя на одной стороне;

DVD-10 (9.4 Гб) с записью данных на двух сторонах по одному слою;

DVD-14 (13.24 Гб) с записью данных в два слоя на одной стороне, один слой на другой;

DVD-18 (17 Гб) с записью данных на двух сторонах по два слоя.

Характеристики оптических дисков фирмы Samsung представлены в табл. 4.6.

Поскольку DVD-диск часто используют для передачи графики, мультимедиа и просмотра видеофильмов, то для качественного воспроизведения картинок (720х576 точек глубиной цвета 24 бит, в европейском стандарте PAL) требуется скорость передачи данных 30 Мб/с, а для просмотра фильма нужна емкость диска около 100 Гб. С целью снижения требований к скорости передачи данных (V пр) и увеличения объема данных используется алгоритм сжатия MPEG-2. Это позволяет снизить скорость потока данных до 3 – 4 Мб/с. При сжатии удаляется уменьшить до 97 % избыточной информации практически без ущерба для качества картинки. Чтобы восстановить считанные с DVD-диска данные, информацию необходимо декодировать, т.е. восстановить избыточную информацию, удаленную при сжатии. Это можно сделать либо программно без применения специализированных аппаратных средств, либо с использованием аппаратного DVD-декодера.

Для DVD-дисков, также как и для CD дисков, существуют форматы перезаписи – это DVD-RAM и DVD+RW емкостью до 2,6 Гб и до 3 Гб соответственно, но оба этих формата несовместимы между собой. Принцип перезаписи у них такой же, как и у CD технологий, но запись ведется по слоям и плотность на диске более высокая.

В настоящее время для CD и DVD накопителей применяется несколько интерфейсов, это EIDE, ATAPI, SCSI, а также USB.

Таблица 4.6 Характеристики оптических накопителей
Параметры	CD-RW (SW-208)	DVD-ROM (SD-612)
Скорость записи CD (Кб/с)	1200 (8х)	-
Скорость перезаписи CD (Кб/с)	600 (4х)	-
Скорость чтения CD (Кб/с)	4800 (32х)	6000 (40х)
Скорость чтения DVD (Кб/с)	-	16200 (12х)
Интерфейс	EIDE	EIDE
Размер буфера (Кб)
Выходная аудио мощность (Вт)	0,7	0,7
Запись CD-R 650 (Мб)	+	-
Запись CD-RW 700/650/550 (Мб)	+	-

3.3. Оптические накопители нового поколения

В накопителях нового поколения, так называемых флюоресцентных дисках (FM-диски), используется принцип "фотохромизма". Это явление проявляется в органическом материале, содержащем частицы фотохрома, которые под воздействием лазерного луча определенной длины волны испускают флюоресцентное свечение. Изначально фотохром не обладает флуоресцентными свойствами. Запись осуществляется под воздействием лазера большой мощности на участки, где инициируется фотохимическая реакция, в результате которой и начинают проявляться флюоресцентные свойства. При считывании частицы фотохрома в участках, облученных лазером, опять возбуждаются посредством лазера меньшей мощности и начинает флюоресцировать. Это свечение улавливается фотоприемником и принимается как значение "1". Особенность FM-диска отражается на характеристике накопителя:

Многослойность, прозрачность и однородность;

Низкие потери сигнала при прохождении через несколько слоев;

Флуоресцентное свечение элементов "прозрачно" для всех слоёв диска;

Меньшая чувствительность, чем у CD/DVD, к различным недостаткам устройств считывания;

Флуоресцентное свечение с любого слоя не когерентно, исключается интерференция, которая присутствует в технологиях CD/DVD;

Флуоресцентная технология совместима с CD и DVD форматами распределения данных на каждом слое.

Сравнительные характеристики флуоресцентного диска емкостью 50 Гб представлены в таб. 4.7.

Из табл. 4.7 видно, что FM-диск позволяет хранить и использовать больше данных, чем CD-диски или DVD-диски, и может быть, в скором времени FM-диски заменят другие оптические накопители.

Лекция 17: Шины микропроцессорной: системы и циклы обмена

Самое главное, что должен знать разработчик микропроцессорных систем - это принципы организации обмена информацией по шинам таких систем. Без этого невозможно разработать аппаратную часть системы, а без аппаратной части не будет работать никакое программное обеспечение.

За более чем 30 лет, прошедших с момента появления первых микропроцессоров, были выработаны определенные правила обмена, которым следуют и разработчики новых микропроцессорных систем. Правила эти не слишком сложны, но твердо знать и неукоснительно соблюдать их для успешной работы необходимо. Как показала практика, принципы организации обмена по шинам гораздо важнее, чем особенности конкретных микропроцессоров. Стандартные системные магистрали живут гораздо дольше, чем тот или иной процессор. Разработчики новых процессоров ориентируются на уже существующие стандарты магистрали. Более того, некоторые системы на основе совершенно разных процессоров используют одну и ту же системную магистраль. То есть магистраль оказывается самым главным системообразующим фактором в микропроцессорных системах.

Обмен информацией в микропроцессорных системах происходит в циклах обмена информацией. Под циклом обмена информацией понимается временной интервал, в течение которого происходит выполнение одной элементарной операции обмена по шине. Например, пересылка кода данных из процессора в память или же пересылка кода данных из устройства ввода/вывода в процессор. В пределах одного цикла также может передаваться и несколько кодов данных, даже целый массив данных, но это встречается реже.

Циклы обмена информацией делятся на два основных типа:

· Цикл записи (вывода), в котором процессор записывает (выводит) информацию;

· Цикл чтения (ввода), в котором процессор читает (вводит) информацию.

В некоторых микропроцессорных системах существует также цикл «чтение-модификация-запись» или же «ввод-пауза-вывод». В этих циклах процессор сначала читает информацию из памяти или устройства ввода/вывода, затем как-то преобразует ее и снова записывает по тому же адресу. Например, процессор может прочитать код из ячейки памяти, увеличить его на единицу и снова записать в эту же ячейку памяти. Наличие или отсутствие данного типа цикла связано с особенностями используемого процессора.

Особое место занимают циклы прямого доступа к памяти (если режим ПДП в системе предусмотрен) и циклы запроса и предоставления прерывания (если прерывания в системе есть). Когда в дальнейшем речь пойдет о таких циклах, это будет специально оговорено.

Во время каждого цикла устройства, участвующие в обмене информацией, передают друг другу информационные и управляющие сигналы в строго установленном порядке или, как еще говорят, в соответствии с принятым протоколом обмена информацией.

Длительность цикла обмена может быть постоянной или переменной, но она всегда включает в себя несколько периодов сигнала тактовой частоты системы. То есть даже в идеальном случае частота чтения информации процессором и частота записи информации оказываются в несколько раз меньше тактовой частоты системы.

Чтение кодов команд из памяти системы также производится с помощью циклов чтения. Поэтому в случае одношинной архитектуры на системной магистрали чередуются циклы чтения команд и циклы пересылки (чтения и записи) данных, но протоколы обмена остаются неизменными независимо от того, что передается - данные или команды. В случае двухшинной архитектуры циклы чтения команд и записи или чтения данных разделяются по разным шинам и могут выполняться одновременно.