1. Что такое жесткий диск?

Жесткий диск (часто называемый винчестером) – устройство, предназначенное для длительного хранения информации. В отличие от оперативной памяти (ОЗУ или RAM ), теряющей информацию при отключении питания, жесткий диск хранит информацию постоянно. Жесткий диск чаще всего имеет объем больше, чем оперативная память.

1.1. Основные компоненты и принцип работы жесткого диска

Жесткий диск состоит из гермоблока и платы с электронными элементами. На платеразмещена вся управляющая электроника, за исключением предусилителя, размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от головок. В гермоблокеразмещенывсе механические части: пластины (диски), шпиндель (ось), магнитные головки чтения/записи, двигатель.

Пластины имеют форму диска и изготавливаются из металла (чаще всего используется алюминий), керамики или стекла. Обе стороны каждой пластины покрыты тонким слоем намагничивающегося материала. В последнее время для этогоиспользуется оксид хрома, который имеет большую износостойкость, чем покрытие наоснове оксида железа, используемого в ранних моделях. Количество пластин определяет физический объем накопителя.

Пластины установлены на центральной оси или шпинделе. Шпиндель вращает все пластины с одинаковой скоростью.

С левой илиправой стороны отшпинделя, находится поворотный позиционер , несколько напоминающий по виду башенный кран: с одной стороны оси находятся обращенные кдискамтонкие,длинныеи легкие несущиемагнитных головок , а с другой -короткий и более массивный хвостовиксобмоткой электромагнитного привода. На каждую пластину приходится по два коромысла, расположенные с разных сторон. Таким образом, каждой стороне каждой пластины соответствует одна головка чтения/записи.

Чем меньше головка и чем ниже она парит над поверхностью диска, тем меньшие магнитные области она может записывать, и, следовательно, тем больше данных можно записать на диск. Головка чтения/записи напоминает подковообразный магнит, так как она образована противоположными полюсами магнита, обращенными друг к другу через узкий промежуток. Этот промежуток делается исключительно узким, чтобы лишь очень малые области поверхности диска испытывали влияние поля в любой момент вращения, что ведет к увеличению плотности записи.

При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией пластин. Такое движение совместно с вращением пластины позволяет головкам получить доступ ко всей поверхности пластины.Угол между осями позиционера и шпинделяи расстояние от оси позиционера до головок подобраны так, чтобыось головки при поворотах как можно меньше отклонялась от касательной к дорожке.

В более ранних моделях коромысло было закреплено наоси шагового двигателя,ирасстояние между дорожками определялось величиной шага.В современных моделяхиспользуются соленоидные позиционеры с линейным двигателем, который не имееткакой-либо дискретности, а установка на дорожку производится по сигналам, записанным напластинах,чтодаетзначительное увеличение точности привода и плотности записи на дисках.

Обмотку позиционера окружает статор,представляющийсобой постоянный магнит. При подаче вобмоткутока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением. Динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливатьпозиционерв любое положение. Такая система приводаполучила названиеVoiceCoil (звуковая катушка) - поаналогиисдиффузором громкоговорителя. Когда позиционер с шаговым мотором переводит головки на большое расстояние, он продвигает их шагами от дорожки к дорожке. Напротив, соленоидным системам достаточно один раз изменить значение магнитного поля, и головки перемещаются прямо по назначению. Это свойство позволяет соленоидным системам работать значительно быстрее систем с шаговым мотором.

Нахвостовикеобычно расположена так называемая магнитная защелка- маленький постоянныймагнит, который при крайнем внутреннем положении головок (landing zone-посадочная зона) притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло в этомположении.Этотакназываемое парковочное положение головок,которыепри этом лежат на поверхности диска, соприкасаясьс нею. В некоторых моделях для фиксации позиционера предусмотрен специальный электромагнит, якорь которого в свободном положении блокирует движениекоромысла. В посадочной зоне дисков информация не записывается.

Двигатель , вращающий диски, расположен под дисками или встроен в шпиндель. При включении питания, процессор жесткого диска выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической скорости вращения дисков плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту от долей до единиц микрон над поверхностями пластин – головки “всплывают”. С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки держатся на воздушной подушке, не касаясь поверхностей дисков.

После достижения дисками скорости вращения, близкой к номинальной, головки выводятся из зоны парковки, и начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения. Затем выполняется считывание информации из служебной зоны (в частности, таблицы переназначения дефектных участков). В завершение инициализации выполняется тестирование позиционера путем перебора заданной последовательности дорожек. Если тестирование прошло успешно, процессор выставляет на интерфейс признак готовности и переходит в режим работы по интерфейсу.

Во время работыпостоянно работает система слежения за положением головки на диске:изнепрерывно считываемого сигнала выделяется сигнал рассогласования, которыйподается в схему обратной связи, управляющую током обмотки позиционера.Врезультате отклонения головки от центра дорожки в обмотке возникает сигнал, стремящийся вернуть ее на место.

При отключении питания процессор, используя энергию, оставшуюся в конденсаторах платы, либо извлекая энергию из обмоток двигателя, который при этом работает как генератор, выдает команду на установку позиционера в парковочное положение. В некоторых жестких дисках этому способствует помещенное между дисками подпружиненное коромысло, постоянно испытывающее давление воздуха. При ослаблении воздушного потока коромысло дополнительно толкает позиционер в парковочное положение, где тот фиксируется защелкой.

Гермоблок заполнен обычным обеспыленным воздухом под атмосферным давлением. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока и постоянно очищается фильтром, установленным на однойиз его сторон. В крышках гермоблоков некоторых жестких дисков специально делаются небольшие отверстия, заклеенныетонкойпленкой, которые служат для выравнивания давления внутрии снаружи. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром.

Внутригермоблока также размещенпредусилитель сигнала, снятого с головок, и их коммутатор. Позиционер соединенс платой предусилителя гибким ленточным кабелем, однако в отдельных винчестерах (в частности - некоторыемодели Maxtor AV) питание обмотки подведено отдельными одножильнымипроводами, которые имеют тенденцию ломаться при активной работе.

У однихмоделейвинчестеровосишпинделяи позиционера закреплены только в одном месте -накорпусе винчестера, у других онидополнительно крепятся винтамик крышке гермоблока. Вторые модели более чувствительны к микродеформации при креплении - достаточно сильной затяжки крепежных винтов, чтобы возникнедопустимыйперекососей. В ряде случаев такой перекос может стать труднообратимым или необратимым совсем.

Плата электроники - съемная, подключается кгермоблоку через один-два разъема различной конструкции. На плате расположены основной процессор винчестера, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) с программой, рабочее ОЗУ, которое обычно используется и в качестве дискового буфера (буфер нужен для согласования скоростей потоков данных на уровне чтения/записи и внешнего интерфейса, его часто ошибочно называют кэшем), цифровой сигнальный процессор (DSP) для подготовки записываемых и обработки считанных сигналов, и интерфейсная логика. На одних винчестерах программа процессора полностью хранится в ПЗУ, на других определенная ее часть записана в служебной области диска. На диске такжемогутбыть записаны параметры накопителя (модель, серийный номер, секторы конфигурации, таблицы дефектов, и т.д.). Некоторыевинчестеры хранят эту информацию в электрически перепрограммируемом ПЗУ (EEPROM).

Многие винчестеры имеют на плате электроники специальный технологический интерфейс с разъемом, через который при помощи стендового оборудования можно выполнять различные сервисныеоперацииснакопителем - тестирование, форматирование, переназначение дефектных участков и т.п.

Жесткий диск посредством шлейфа (40 или 80 жил) соединяется с материнской платой или отдельным контроллером.

1.2. Хранение, запись и чтение данных

Поверхность жесткого диска содержит намагниченные частицы металла. Каждая частица имеет северный и южный полюс. Головка чтения-записи может прикладывать магнитное поле к небольшой группе этих частиц, изменяя их полярность так, что север становится югом и наоборот. Минимальная площадь поверхности диска, которая может сохранять такие изменения магнитного потока, называется магнитным доменом . В то время как диск вращается под головкой, она все время меняет полярность магнитного поля, создавая последовательность изменений полярности на диске.

Данные на жестком диске записываются в виде последовательности двоичных (бинарных) битов (бит – цифра двоичной системы счисления, т.е. “0” или “1”). Каждый бит хранится как магнитный заряд (положительный или отрицательный) на магнитном слое пластины. При записи информации, данные посылаются к жесткому диску в виде последовательности битов. После получения диском данных, используются головки для магнитной записи. В этот момент головка генерирует поток магнитных импульсов, кодирующих данные на поверхности диска. Изменение полярности отвечает значению “1”, а отсутствие изменения – значению “0”. Информация не обязательно хранятся последовательно; например, данные одного файла могут быть записаны в разные местана разных пластинах.

Когда компьютер запрашивает данные, хранящиеся на диске, пластины начинают вращаться, а головки – двигаться, пока не будет найдена область с запрашиваемой информацией. Головка пассивно "парит" над поверхностью диска, и, когда микроскопические магниты, образующие магнитные домены, проходят под ней, они влияют на магнитное поле головки. Электроника дисковода многократно усиливает эти слабые возмущения, превращая их в последовательности нулей и единиц, которые затем поступают в микросхемы памяти компьютера.

Может показаться,что набор из восьми "1" и "0",составляющийодин байт данных, просто записывается в виде восьми последовательных магнитных доменов вдоль дорожкидиска. Это довольно далеко отистинногоположения дел. Слишкоммногоданных пакуется в малуюо6ласть, и если бы в данные не была добавлена дополнительная информация,то существовала бы слишком большая вероятность ошибки. Электроника контроллера должнавыполнить сложную работу. Как контроллеру узнать, какая часть диска проходит подголовками? Ведь если оношибется хотя быв позиции одного магнитного домена, то это может привести к непредсказуемым последствиям.

Ответ заключается в том, чтоконтроллер ориентируется наначало секторов, читаяспециальную информацию, записанную при форматировании диска.Но,когда головка летит над данными сектора, контроллер должен уследить за тысячами доменов, пока онвновь не встретит форматную информацию.Если изменения магнитногопотока носилирегулярный характер,контроллер мог бы легко отслеживать положение головки чтения-записи. Но сектор может быть заполнен нулями,при этом тысячимагнитных доменовпронесутсябезединого изменения магнитного потока, и о6язательно произойдет сбой. Поэтой причине данные должны быть закодированы так, чтобы не встречалось подряд слишком много нулей (отсутствие изменения магнитного потока).

Висходномметодечастотной модуляции (ЧМ) каждый второй магнитный домен отводился под синхроимпульс.Пропадалаполовина дисковогопространства.Потом возникла идея кодировать изменения магнитного потока по отношению кпредыдущемубиту.Врезультатеполучилсяметод модифицированной частотной модуляции (МЧМ).МЧМнетолькоизбавляет от бита синхроимпульса,но и упаковывает на диске вдвое больше данных, чем при ЧМ-кодировании. Существует также кодирование с ограниченным числом повторов (RLL - run length limited). Кодирование с ограниченным числом повторовпереводит данные вспециальные кодовыепоследовательности. Эти коды выбраны за определенные численные характеристики, в особенности за возможное количествовстречающихсяподряднулей.За этим стоит весьма сложная логика, норезультат оченьпрост: на диск удаетсяупаковатьбольшеданных.

2. Что такое форматирование?

Компьютер должен иметь возможность быстро получить доступ к нужной информации. Однако даже самые маленькие диски могут хранить миллионы и миллионы битов. Каким образом компьютер знает где искать необходимые данные? Для решения этой проблемы диск разбивается на части, позволяя проще найти информацию. Базовая форма организации диска называется форматированием . Форматирование подготавливает жесткий диск для чтения и записи данных. Существуют два типа форматирования: физический и логический .

2.1. Физическое форматирование

Жесткий диск перед логическим форматированием должен быть отформатирован физически.Ранние модели винчестеров, как и гибкие диски, изготовлялись с чистыми магнитнымиповерхностями;первоначальнаяразметка(физическое или низкоуровневое форматирование) производилась потребителем поегоусмотрению, и могла быть выполнена любое количество раз. Для современных моделейразметка производится в процессе изготовления;при этом на диски записывается сервоинформация - специальныеметки,необходимые для стабилизации скорости вращения, поиска секторов и слежениязаположением головок на поверхностях. Специальные датчики на головке чтения/записи следят за этими метками; когда они фиксируют сильное изменение поля, контроллер знает, что головка уходит от центра дорожки и изменяет соответст вующим образом величину тока в соленоиде.

Раньше часто для записи сервоинформации использовалась отдельная сервоповерхность (DSS - dedicated servo surface, dedicated - выделенная), при этом целая сторона одной из пластин отдается под серводанные. По этой поверхности настраивались головки всех остальныхповерхностей. Такая систематребовалавысокойжесткости крепления головок, чтобы между ними не возникало расхождений после начальной разметки. Сейчас сервоинформация записывается в промежутках между секторами (embedd ed - встроенная), что позволяет снятьограничениена жесткость подвижной системы. В некоторых моделях применяется комбинированная система слежения - встроенная сервоинформация всочетаниисвыделеннойповерхностью;приэтом грубая настройка выполняется по выделеннойповерхности, а точная - по встроенным меткам.

Поскольку сервоинформация представляет собой опорнуюразметку диска, контроллер винчестера не в состоянии самостоятельновосстановить ее в случае порчи. При программном форматировании такого винчестера возможна только перезапись заголовков и контрольных сумм секторов данных.

При начальной разметке и тестировании современного винчестера на заводе почти всегда обнаруживаются дефектные сектора,которые заносятся в специальную таблицу переназначения. При обычной работе контроллер жесткого диска подменяетэти сектора резервными, которые специально оставляются дляэтой цели на каждойдорожке, группе дорожекили выделенной зоне диска. Благодаря этому новый винчестерсоздает видимость полного отсутствия дефектов поверхности, хотя на самомделеониестьпочти всегда.

Физическое форматирование подразделяет пластины жесткого диска на базовые элементы: дорожки, сектора и цилиндры. По этим элементам определяются адреса, по которым данные читаются и записываются физически.

Каждая сторона пластины разбита на концентрические дорожки . Дорожки идентифицированы числами, начиная с нулевой дорожки на внешней стороне пластины.

Дорожки делятся на сектора , используемые для хранения фиксированного количества данных. Сектора обычно содержат 528 байт информации. 16 байт отводится для служебной информации (адресная информация и контрольная сумма), а остальные 512 байт – для данных. Количество секторов в дорожке не фиксировано из-за разных радиусов и методов записи. Так как физический радиус дорожки варьируется от самого меньшего радиуса внутренней дорожки к наибольшему радиусу внешней, нулевой дорожки, то число секторов в дорожке постепенно повышаетсяот меньших, внутренних дорожек к большим, внешним дорожкам. Однако, это изменение не линейное.

Дорожки на равном расстоянии от центра на всех поверхностях пластин объединяются в цилиндры . Например, третьи дорожки каждой стороны каждой пластины расположены на одном расстоянии от шпинделя. Если представить все эти дорожки соединенными вертикально, то их объединение примет форму цилиндра.

Зоны – группы цилиндров, каждые с одним и тем же количеством дорожек, которые в свою очередь, имеют одинаковое количество секторов. Чтобы минимизировать потери, количество зон, установленных на диске может быть 10 и более.

Таким образом, для доступа к определенному сектору нужно:

1) отвести головки на нужное расстояние от центра, то есть позиционировать на определенный цилиндр;

2) начать просмотр дорожки на нужной пластине, активировав соответствующую головку;

3) производить чтение всей информации до появления заголовка сектора, номер которого (номер содержится в этом заголовке) совпадает с нужным для операции чтения или записи.

В соответствии с такой схемой нахождения необходимой информации на жестком диске такой метод адресации называется CHS-адресацией (Cylinder-Head-Sector). Стороны и головки, нумеруются с 0. Нумерация дорожек такженачинается с 0.Соответственно цилиндр 0 состоит из самых внешних дорожек всехпластин. Какнистранно,нумерация секторов начинается с 1.

Компьютерные аппаратные средства и программное обеспечение часто работают с цилиндрами. Если данные записаны на диск в одном цилиндре, то они могут быть доступны без передвижения головок чтения/записи. А движения головок медленные, по отношению к вращению диска и переключению между головками. Поэтому хранение информации по цилиндрам значительно увеличивает производительность.

Важным понятием является плотность цилиндра . Плотность цилиндра говорит о числе секторов, содержащихся в цилиндре. Она равна числу секторов на дорожке, умноженному на число сторон пластин. Диски с высокой плотностью цилиндра предпочтительнее, поскольку они могут уместить большой файл на меньшем числе цилиндров. При этом при чтении файла понадобится меньше перемещений головок и дисковод будет работать быстрее. Фирмы-производители увеличивают плотность цилиндра, создавая дисководы с большим числом пластин или используя покрытие и электронику, позволяющие достичь больших плотностей данных, что дает большее число секторов на дорожку.

После физического форматирования жесткого диска, магнитные свойства поверхности пластин могут постепенно ухудшаться. В результате чего, становится все сложней и сложней считывать данные с пораженных областей и записывать данные на пораженные области. Сектора, которые не могут больше использоваться для хранения информации, называются сбойными (bad sectors ).

Пораженные области могут образовываться и в других случаях. Сильные вибрации или сбой механики могут вызвать удар головки чтения/записи об оксидное покрытие и оставить на нем углубление. Импульс вращающихся пластин делает это столкновение весьма энергичным. В месте удара головки данные уже не могут быть записаны, а если это место содержало данные, они оказываются потерянными. Но что еще хуже, частицы магнитного материала при ударе освобождаются и получают возможность свободно блуждать внутри дисковода. Эти частицы могут быть много больше, чем зазор между головками и поверхностями пластин; задев такую частицу, головка подлетит вверх и, упав обратно, разрушит новую порцию данных. Иногда частицы прилипают к головке и нарушают ее магнитное поле.

Большинство современных компьютеров могут определять сбойные сектора. Такие сектора просто помечаются и больше не используются.

2.2. Логическое форматирование

После физического форматирования, жесткий диск должен быть отформатирован логически. Логическое форматирование устанавливает файловую систему на диске, позволяя операционным системам (таким как DOS , OS /2, Windows , Linux ) использовать доступное дисковое пространство для хранения данных и доступа к ним. Различные операционные системы используют различные файловые системы, поэтому тип логического форматирования зависит от операционной системы, которую планируется установить.

3. Гибкий диск

Гибкиедиски работают на том же принципе,что и жесткие,но их устройство несколько иное.Головки чтения-записи слегка прижимаютсяк поверхности диска при закрытии дверцы дисковода. Покрытие диска делается толстым,чтобы противостоять трению головок и предохранительного конверта. Так как гибкие диски являются гибкими, они подвержены деформации; размеры диска постоянно меняются с температурой и влажностью. А поскольку дискеты устанавливаются в дисководе на тонкой ступице, они теряютточнуюцентровку.По этим причинам положения дорожек не определены с такой точностью,как на жестком диске. В дисководах гибких дисков используются позиционеры головок с шаговым двигателем, который не следит за положением дорожек, а просто передвигает головку в место предполагаемого нахождения дорожки.Для преодоления этих недостатков на дискете размещают гораздоменьшедорожек,а ширина дорожки больше.

Почему у гибких дисков не бывает аварии головок?На самом деле гибкие диски как бы находятсявпостоянно аварийном состоянии,так как при их вращении головки все время лежат на поверхности.Но аварияподразумевает приложениебольшого усилия к малому участку поверхности диска, а конструкция дисковода гибких дисков исключает это. Дискета вращается медленно, головки имеют большой размер, а сама дискета гибкая. При воздействии на дисковод усилие, передаваемое головке, не увеличивается за счет вращения дискеты; оно приходится на большую площадь, да и сама дискета подается под ударом головки. В результатепрактически нет повреждения.Хотя аварий дискет и не бывает, они все же подвержены износу от трения головки и предохранительного конверта, В котором находится дискета. Вот почему гибкиедискиненаходятсяпостоянновсостояниивращения.

Как и жесткие диски, гибкие получают основной выигрыш в емкости не от упаковки большегоколичестваданныхна дорожку, а от упаковки большего числа дорожек на дискету. Как это ни парадоксально, чем меньше дискета, тем выше плотность дорожек. Уменьшение диаметра означает уменьшение деформаций дискеты. Втулка в жестком пластиковом конверте может точнее отцентрироватьдискету.Сам конверт делает дискету более плоской при вращении, так что она сильно не отклоняется от головок.

Подводя итог,можно сказать, что основой вторичной памяти остаются жесткие диски. Они работают все быстрее и быстрее и вмещают все больше и больше данных. И в них появляются много приспособлений,увеличивающих их надежность и производительность.К сожалению,они по-прежнему представляют угрозу целостности данных. Так как жесткие диски еще долго будут с нами, вы поступите разумно, хорошенько в нихразобравшись.

Раздел 3.Накопители информации.

Накопитель информации - устройство записи, воспроизведения и хранения информации, а носитель информации - это предмет, на который производится запись информации (диск, лента, твердотельный носитель).

Накопители информации могут быть классифицированы по следующим признакам:

Способу хранения информации: магнитоэлектрические, оптические, магнитооптические;

Виду носителя информации: накопители на гибких и жестких магнитных дисках, оптических и магнитооптических дисках, магнитной ленте, твердотельные элементы памяти;

Способу организации доступа к информации - накопители
прямого, последовательного и блочного доступа;

Типу устройства хранения информации - встраиваемые (внутренние), внешние, автономные, мобильные (носимые) и др.

Значительная часть накопителей информации, используемых в настоящее время, создана на базе магнитных носителей.

Физические основы процессов записи и воспроизведения информации на магнитных носителях заложены в работах физиков М. Фарадея () и (). В магнитных носителях информации цифровая запись производится на магниточувствительный материал. К таким материалам относятся некоторые разновидности оксидов железа, никель, кобальт и его соединения, сплавы, а также магнитопласты и магнитоэласты со связкой из пластмасс и резины, микропорошковые магнитные материалы.

Магнитное покрытие имеет толщину в несколько микрометров. Покрытие наносится на немагнитную основу, в качестве которой для магнитных лент и гибких дисков используются различные пластмассы, а для жестких дисков - алюминиевые сплавы и композиционные материалы подложки. Магнитное покрытие диска имеет доменную структуру, т. е. состоит из множества намагниченных мельчайших частиц. Магнитный домен (от лат. dominium - владение) - это микроскопическая, однородно намагниченная область в ферромагнитных образцах, отделенная от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами). Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего поля на поверхности домена образуются зоны остаточной намагниченности. Благодаря этому свойству на магнитном носителе сохраняется информация о действовавшем магнитном поле. При записи информации внешнее магнитное поле создается с помощью магнитной головки. В процессе считывания информации зоны остаточной намагниченности, оказавшись напротив магнитной головки, наводят в ней при считывании электродвижущую силу (ЭДС). Схема записи и чтения с магнитного диска дана на рис. 3.1. Изменение направления ЭДС в течение некоторого промежутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения - с нулем. Указанный промежуток времени называется битовым элементом.

Рис. 3.1 . Запись и чтение данных с магнитного диска

Поверхность магнитного носителя рассматривается как последовательность точечных позиций, каждая из которых ассоциируется с битом информации. Поскольку расположение этих позиций определяется неточно, для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помогают находить необходимые позиции записи. Для нанесения таких синхронизирующих меток должно быть произведено разбиение диска на дорожки и секторы - форматирование.

Организация быстрого доступа к информации на диске является важным этапом хранения данных. Оперативный доступ к любой части поверхности диска обеспечивается, во-первых, за счет придания ему быстрого вращения и, во-вторых, путем перемещения магнитной головки чтения/записи по радиусу диска. Гибкий диск вращается со скоростью 300-360 об/мин, а жесткий диск - 3600- 7200 об/мин.

Тема 3.1. Накопители на магнитных дисках.

План:

Накопители на гибких магнитных дисках. Накопители на жёстких магнитных дисках

2.1 Конструкция и принцип действия.

2.2 Интерфейсы жёстких дисков.

2.3 Основные характеристики.

1. Накопители на гибких магнитных дисках.

Накопители на гибких дисках относятся к устройствам долговременного хранения информации. Первый гибкий магнитный диск (ГМД) был создан в 1971 г. в лаборатории фирмы IBM, возглавляемой А. Шугартом, и имел диаметр 8". С 1975 г. начался серийный выпуск дисководов формата 5,25", а в 1981 г. стали стандартом диски диаметром 3,5". В 1986 г. фирма IBM начала выпуск гибких магнитных дисков (ГМД или дискет) 3,5" емкостью 720 Кбайт, а в 1987 г. многие фирмы-производители начали выпуск ГМД 3,5"емкостью 1,44 Мбайт. Фирма Toshiba в 1989 г. разработала новые диски емкостью 2,88 Мбайт. В настоящее время наибольшее распространение получили диски диаметром 3,5".

Для записи и считывания информации с ГМД используются периферийные устройства ПК - дисководы (Floppy Dick Drive - FDD ).

Конструктивно дисковод состоит из механических и электронных узлов: рабочего двигателя, рабочей головки, шагового двигателя и управляющей электроники.

Рабочий двигатель включается тогда, когда в дисковод вставлена дискета. Двигатель обеспечивает постоянную скорость вращения дискеты: для дисковода 3,5"- 300 об/мин. Время запуска двигателя - около 400 мс.

Рабочие головки служат для чтения и записи информации и располагаются над рабочей поверхностью дискеты. Поскольку обычно дискеты являются двухсторонними, т. е. имеют две рабочие поверхности, одна головка предназначена для верхней, а другая - для нижней поверхности дискеты.

Шаговые двигатели обеспечивают позиционирование и движение рабочих головок. Именно они издают характерный звук уже при включении ПК, перемещая головки для проверки работоспособности привода.

Управляющие электронные элементы дисковода чаще всего размещаются с его нижней стороны. Они выполняют функции передачи сигналов к контроллеру, т. е. отвечают за преобразование информации, которую считывают или записывают головки.

Для дискет размером 3,5"и емкостью 2,88 Мбайт, называемых ED дискетами (Extra High Density ), разработан специальный стандарт дисководов, поскольку обычные дисководы не могут работать с такими дискетами. Кроме того, для установки в малогабаритные корпуса выпускаются специальные дисководы (Slimline дисководы 3,5"), которые имеют уменьшенную высоту (19,5 мм) по сравнению с обычными 3,5" FDD (25,4 мм).

В качестве посредника между дисководом и ПК служит контроллер. В современных ПК на материнских платах контроллер уже установлен. Он интегрирован в одну из микросхем Chipset, а на материнской плате имеется специальный разъем для подключения кабелей. Современные котроллеры поддерживают два FDD, обеспечивают скорость обмена данными до 62 Кбайт/с для стандартных накопителей на дисках 3,5".

Дискеты (Floppe Disk Driver , сокращенно Floppy ) формата 3,5" являются современными носителями информации для приводов FDD.

На рис. 3.2 показано устройство дискеты 3,5".
Рис. 3.2. Конструкция дискеты размером 3,5"

Внутри футляра (корпуса) находится пластмассовый диск с нанесенным на него магнитным слоем - магнитный диск. На всех футлярах имеется вырез, защищенный легко перемещаемой шторкой для защиты диска от механических повреждений. После установки дискеты в дисковод шторка автоматически сдвигается и предоставляет доступ к диску для головок чтения/записи. Поскольку сам диск постоянно вращается внутри футляра, головки «просматривают» всю область дискеты, находясь при этом в постоянном контакте с ее поверхностью. Дискета снабжена отверстием со скользящей пластиковой задвижкой. Если задвижка не закрывает отверстие, то дискета защищена от записи. В основном в компьютерах применяются накопители на дискетах 3,5" емкостью 1,44 Мбайт - стандарт HD (High Density ), в то время как в старых ПК применяются диски емкостью 720 Кбайт - стандарт DD (Double Density ). Емкость самых новых дисков 3,5" достигает 2,88 Мбайт - стандарт ED со сверхвысокой плотностью записи.

Магнитные диски называются носителями информации с прямым доступом, так как вследствие вращения диска с высокой скоростью имеется возможность перемещать под головки чтения/ записи любую его часть. Таким образом, можно непосредственно обратиться к любой части записанных данных. Этому способствует специальная организация дисковой памяти, в соответствии с которой информационное пространство диска форматируется, т. е. разбивается на определенные участки: дорожки и секторы.

Дорожкой записи (Track) называется каждое из концентрических колец диска, на котором записаны данные. Поверхность диска разбивается на дорожки начиная с внешнего края, число дорожек зависит от типа диска.

В гибких магнитных дисках 3,5" емкостью 1,44 Мбайт число дорожек равно 80. Дорожки независимо от количества идентифицируются номером (внешняя дорожка имеет нулевой номер). Число дорожек на стандартном диске определяется плотностью записи, т. е. объемом информации, который можно надежно разместить на единице площади поверхности носителя. Для магнитных дисков определены две разновидности плотности записи - радиальная (поперечная) и линейная (продольная). Поперечная плотность записи измеряется числом дорожек, размещенных на кольце диска шириной 1", а линейная плотность - числом бит данных, которые можно записать на дорожке единичной длины.

Каждое кольцо дорожки разбивается на участки, называемые секторами . Например, гибкий диск 3,5" может иметь на дорожке 18 секторов (емкость диска 1,44 Мбайт) или 36 секторов (емкость диска 2,88 Мбайт).

Рис. 3.3. Разбиение магнитного диска на дорожки и секторы. при форматировании

Размер секторов различных дисков может составлять от 128 до 1024 байт, но в качестве стандарта принят размер сектора 512 байт. На рис. 3.3 показано разбиение магнитных дисков на дорожки и секторы. Секторам на дорожке присваиваются номера начиная с нуля. Сектор с нулевым номером на каждой дорожке резервируется для идентификации записываемой информации, но не для хранения данных.

Емкость дискеты вычисляется по следующей формуле:

емкость дискеты = число сторон х число дорожек на стороне х число секторов на дорожке х число байт в секторе.

2. Накопители на жестких магнитных дисках

Первый накопитель на жестких дисках (Hard Disk Drive - HDD ) был создан в 1973 г. по технологии фирмы IBM и имел кодовое обозначение «30/30» (двухсторонний диск емкостью 30 +30 Мбайт), которое совпало с названием известного охотничьего ружья «винчестер», использовавшегося при завоевании Дикого Запада. По этой причине накопители на жестких дисках получили название «винчестер». В 1979 г. Ф. Коннер и А. Шугарт организовали производство первых жестких пятидюймовых дисков емкостью 6 Мбайт.

По сравнению с дискетами HDD обладают такими преимуществами: значительно большая емкость (чтобы сохранить данные объемом 420 Мбайт, требуется один HDD или около 290 дискет 3,5" HD) и время доступа для NDD. Оно на порядок меньше, чем для приводов дискет.

2.1. Конструкция и принцип действия

Несмотря на большое разнообразие моделей винчестеров принцип их действия и основные конструктивные элементы одинаковы. На рис. 3.4 показаны основные элементы конструкции накопителя на жестком диске:

Магнитные диски;

Головки чтения/записи;

Механизм привода головок;

Двигатель привода дисков;

Приводы CD-ROM могут работать как со стандартным интерфейсом для подключения к разъему IDE (E-IDE), так и с высокоскоростным интерфейсом SCSI.

Самые популярные дисководы CD-ROM в России - изделия с торговыми марками Panasonic, Craetive, Samsung , Pioneer, Hitachi, Teac, LG.

2. Накопители с однократной записью CD - WORM / CD - R и многократной записью информации CD - RW

Накопители CD - WORM (Write Once Read Many ) или CD-R (CD - Recordable ) обеспечивают однократную запись информации на диск и последующее многократное считывание этой информации, в то время как накопители CD-RW (CD - Re Writable - перезаписывающий) позволяют осуществлять многократную запись на оптические диски.

Рис. 3.9. Строение дисков CD-ROM и CD-R/CD-WR

Для однократной записи используются диски, представляющие собой обычный компакт-диск, отражающий слой которого выполнен, как правило, из золотой или серебряной пленки. Между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой (рис. 3.9), выполненный из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч, длина волны которого, как и при чтении, составляет 780 нм, а интенсивность более чем в 10 раз выше, нагревает отдельные участки регистрирующего слоя, которые темнеют и рассеивают свет, образуя участки, подобные питам. Однако отражающая способность зеркального слоя и четкость питов у дисков CD-R ниже, чем у CD-ROM, изготовленных промышленным способом.

В перезаписываемых дисках CD-RW регистрирующий слой выполнен из органических соединений, известных под названиями цианин (Cyanine) и фталоцианин (Phtalocyanin), которые имеют свойство изменять свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно под воздействием лазерного луча. Такое изменение фазового состояния сопровождается изменением прозрачности слоя. При нагревании лазерным лучом выше некоторой критической температуры материал регистрирующего слоя переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагревании до температуры значительно ниже критической восстанавливает свое первоначальное (кристаллическое) состояние. В перезаписываемых дисках регистрирующий слой обычно выполняется из золота, серебра, иногда из алюминия и его сплавов.

Существующие перезаписываемые CD-RW-диски выдерживают от нескольких тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность значительно ниже штампованных CD-ROM и CD-R. В связи с этим для чтения CD-RW, как правило, применяется специальный привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника. Однако имеются модели приводов CD-ROM, маркируемые как Multiread, которые обеспечивают считывание дисков CD-RW.

Преимущество CD-R/RW дисков - они тускнеют и выходят из строя медленнее обычных, поскольку отражающий слой из золота и серебра менее подвержен окислению, чем алюминий в большинстве штампованных CD-ROM дисков. Недостатки CD-R/RW дисков - материал регистрирующего слоя CD-R/RW дисков более чувствителен к свету и, так же подвержен окислению и разложению. Кроме того, регистрирующая пленка находится в полужидком состоянии и потому весьма чувствительна к ударам и деформациям диска.

Информация на CD-R может быть записана несколькими способами. Наиболее распространен способ записи диска за один проход (disk - at - once ) , когда файл с жесткого диска записывается непосредственно за один сеанс и добавление информации на диск невозможно. В отличие от этого способ многосеансовой записи (track - at - once ) позволяет производить запись отдельных участков (треков) и постепенно наращивать объем информации на диске.

Как любые накопители, CD-R и CD-RW выпускаются в двух вариантах: со стандартным интерфейсом для подключения к разъему IDE (E - IDE ) и с высокоскоростным интерфейсом SCSI . Внешние дисководы CD-RW выпускаются с интерфейсами SCSI и USB.

Объем встроенной кэш-памяти важен для записывающих устройств, так как именно в ней накапливаются поступающие с жесткого диска данные. Средняя величина кэш-памяти 2 - 4 Мбайт.

Самыми популярными на российском рынке считаются накопители с торговыми марками Panasonic , Sony , Ricoh , Teac , Yamaha . Самые высококачественные и дорогие модели выпускаются фирмами Plextor и Hewlett - Packard . Среди недорогих IDE-дисководов популярны модели Mitsumi .

Благодаря дальнейшему развитию CD-технологий появились:

· модифицированные CD-R диски емкостью до 870 Мбайт - 1 Гбайт, выпущенные фирмами Traxdata, Philips и Sony;

· стандарт Double Density CD, предложенный Sony для дисков всех модификаций (CD, CD-R, CD-RW), позволяющий увеличить скорость традиционных CD до 1,3 Гбайт, или 150 минут аудиоинформации;

· диск FMD-ROM, содержащий до 100 рабочих слоев, суммарная емкость которых не менее 140 Гбайт. Каждый слой такого диска содержит люминесцентное вещество, испускающее свет под действием считывающего луча. Каждый слой светится по-разному, но в то же время прекрасно проницаем для лазерных лучей, что позволяет производить считывание информации одновременно с нескольких слоев.

3. Накопители DVD

Решение проблемы увеличения емкости оптических носителей информации на базе совершенствования технологии производства CD и приводов, а также имеющихся научно-технических решений в области высококачественного цифрового видео привело к созданию CD-дисков повышенной емкости. В 1995 г. фирмы - производители CD предложили свои стандарты компакт-дисков с увеличенной емкостью. Одним из этих стандартов стал формат SD (Super Density ). Во избежание многообразия и несовместимости стандартов в сентябре 1995 г. фирма Sony в союзе с восемью другими фирмами предложила новый универсальный формат записи данных на CD-DVD (Digital Versatile Disk ). Этот формат, удовлетворяющий требованиям к воспроизведению видеоизображений и к хранению данных, получил активную поддержку среди ведущих производителей CD.

Качество изображения, хранимого в формате DVD, соизмеримо с качеством профессиональных студийных видеозаписей , причем качество звука также не уступает студийному. Считывание звуковой информации в формате DVD производится со скоростью 384 Кбайт/с, что позволяет организовать многоканальное звуковое сопровождение.

Такие возможности дисков формата DVD обусловлены улучшенными параметрами рабочей поверхности дисков. На рис. 3.10 приведены параметры элементов рабочей поверхности дисков, записанных в форматах CD и DVD. Так же как и CD, диск формата DVD имеет диаметр 120 мм. В приводе DVD используется полупроводниковый лазер с длиной волны излучения в видимой области 0,63 - 0,65 мкм. Такое снижение длины волны (по сравнению с 0,78 мкм у обычного CD-привода) обеспечило возможность уменьшения размеров штрихов записи (пит) практически в два раза, а расстояние между дорожками записи - с 1,6 до 0,74 мкм. Питы располагаются по спирали, как на виниловых долгоиграющих пластинках.

Рис. 3.10 . Элементы рабочей поверхности дисков форматов CD и DVD

DVD-диски конструктивно выполняются односторонними и двухсторонними, однослойными и многослойными, как это показано на рис. 3.11. Односторонний однослойный DVD-диск обладает емкостью 4,7 Гбайта, а двухслойный - 8,5 Гбайта. Двухсторонний DVD-диск состоит из двух дисков толщиной по 0,6 мм, плотно соединенных друг с другом. На DVD-диске можно разместить полнометражный видеофильм (длительностью до 135 мин) с тремя каналами качественного звукового сопровождения и четырьмя каналами субтитров, применяя сжатие MPEG-2.

Рис. 3.11. Варианты исполнения DVD-дисков

В накопителях стандарта DVD применяется более узкий луч лазера, чем в приводах CD-ROM, что позволило уменьшить толщину защитного слоя диска в два раза: с 1,2 мм до 0,6 мм. Поскольку общая толщина диска должна была остаться неизменной (1,2 мм), под предохранительный слой был помещен укрепляющий слой.

На укрепляющем слое также стали записывать информацию, что привело к появлению двухслойных дисков DVD. Последовательное считывание информации с каждого слоя обеспечивается за счет изменения положения фокуса. Когда сфокусированным лазерным лучом считывается информация, записанная на первом слое, расположенном в глубине диска, луч беспрепятственно проходит через полупрозрачную пленку, образующую второй слой. По окончании считывания информации с первого слоя фокусировка луча лазера меняется по команде контроллера. Луч фокусируется в плоскости второго (наружного) полупрозрачного слоя, и считывание данных продолжается. Конструкция двухслойного одностороннего диска обеспечивает емкость 8,5 Гбайт.

Следующим шагом в развитии технологии DVD стало создание двухсторонних дисков, как однослойных, так и двухслойных, при этом емкость дисков составила 9,4 и 17 Гбайт при длительности воспроизведения записанной на них информации соответственно 4,5 и 8 ч.

Во избежание необходимости переворачивать вручную двухсторонний диск для доступа к данным на второй стороне наибольшую популярность получили приводы DVD, оснащенные двумя независимыми считывающими системами.

Приводы DVD-ROM поставляются как с аппаратным декодером MPEG-2 в виде карты расширения для шины PCI, так и с программным декодером. Записывающие DVD-R и перезаписывающие дисководы DVD-RW способны работать с однослойными односторонними дисками емкостью до 4,7 - 5,2 Гбайт при скорости записи информации около 1 Мбайт/с.

4. Накопители на магнитооптических дисках

Магнитооптический (МО) привод представляет собой накопитель информации, в основу которого положен магнитный носитель с оптическим (лазерным) управлением.

Магнитооптическая технология была разработана фирмой IBM в начале 1970-х гг. Первые опытные образцы магнитооптических накопителей представила в начале 1980-х гг. фирма Sony. Первые магнитооптические накопители вначале не пользовались спросом вследствие дороговизны и сложности, однако по мере развития технологии и снижения цен они стали занимать свое место на рынке технических средств информатизации. На рис. 3.12 представлено устройство типичного магнитооптического диска, имеющего одну рабочую поверхность. Выпускаются магнитооптические диски и с двумя рабочими поверхностями двух основных размеров - 3,5" и 5,25". Односторонний магнитооптический диск представляет собой последовательность слоев: защитного, диэлектрического, магнитооптического, диэлектрического, отражающего и подложки.

Технология изготовления магнитооптического диска состоит в следующем. На стеклопластиковую подложку наносится алюминиевое (либо золотое) покрытие, обеспечивающее отражение лазерного луча. Диэлектрические слои, окружающие с двух сторон магнитооптический слой, изготовлены из прозрачного полимера и защищают диск от перегрева, повышают чувствительность при записи и отражающую способность при считывании информации. Магнитооптический слой создается на основе порошка из сплава кобальта, железа и тербия. Свойства такого покрытия меняются как при температурном воздействии, так и при действии магнитного поля. Если нагреть диск свыше определенной температуры, возможно изменение магнитной поляризации посредством небольшого магнитного поля. Верхний защитный слой из прозрачного полимера, выполненный методом ультрафиолетового отверждения, предохраняет рабочую поверхность от механических повреждений. Благодаря такой технологии и помещению в специальный пластиковый конверт - картридж, магнитооптические диски обладают повышенной надежностью и не боятся воздействия неблагоприятных условий окружающей среды.

Рис. 3.12. Строение магнитооптического диска

Запись данных на МО-диск производится с использованием лазерной технологии. Луч лазера, сфокусированный на поверхности магнитооптического слоя в пятно с диаметром около 1 мкм, направляется в магнитооптический слой и нагревает его в точке фокусировки до температуры точки Кюри (около 200 °С) (рис. 3.13, а). При этой температуре резко падает магнитная проницаемость, и изменение магнитного состояния частиц выполняется относительно небольшим по величине магнитным полем магнитной головки. После охлаждения материала магнитная ориентация доменов в данной точке сохраняется. В зависимости от магнитной ориентации участка магнитного материала он интерпретируется как логический нуль или логическая единица. Данные записываются блоками по 512 байт.

Для изменения части информации в блоке необходимо перезаписывать его полностью, поэтому при первом проходе инициализируется (разогревается) весь блок, а при подходе сектора под магнитную головку происходит запись новых данных.

Считывание данных с диска происходит поляризованным лазерным лучом пониженной мощности, которой недостаточно для разогрева рабочего слоя: мощность лазера при считывании составляет 25 % мощности лазера при записи. Попадание луча на упорядочение ориентированные при записи данных магнитные частицы диска приводит к тому, что их магнитное поле незначительно изменяет поляризацию луча, т. е. наблюдается эффект Керра. На рис. 3.13, б дуговыми стрелками условно показана разная поляризация отраженного света.

Рис. 3.13. Схемы записи и чтения информации в магнитооптическом накопителе

Отражённый свет попадает на фоточувствительный приёмник, с помощью которого определяется изменение состояния его поляризации. В зависимости от этого светочувствительный элемент посылает двоичную единицу или двоичный ноль к контроллеру магнитооптического дисковода.

В отличие от компакт-диска данные на МО-диск теоретически можно записывать бесконечно, поскольку никаких необратимых процессов в материале носителя не происходит. Если нужно удалить старые данные, достаточно нагреть лазерным лучом соответствующие дорожки (секторы) и размагнитить их внешним магнитным полем.

Стандартные емкости МО-дисков: односторонних дисков 3,5" - 128, 230 и 640 Мбайт, двухсторонних - 600 и 650 Мбайт. Диски размером 5,25" выпускаются емкостью от 1,7 до 4,6 Гбайт.

Фирма Maxell выпускает 12"-диски однократной записи емкостью 3,5 Гбайт (односторонние) и 7 Гбайт (двухсторонние). Накопители для этих гигантских дисков, применяемых в системах архивирования, производит фирма Hitachi.

Быстродействие МО-накопителей ниже, чем накопителей со сменными магнитными носителями, хотя быстродействие новых моделей неуклонно возрастает. Одна из причин сравнительно низкого быстродействия МО-накопителей заключается в том, что скорость вращения диска всего 2000 об/мин. Кроме того, в МО-накопителях используется довольно массивная головка чтения/ записи, совмещающая в одном устройстве оптический и магнитный узлы.

Среднее время доступа к данным в МО-накопителях около 30 мс, а гарантийный срок работы (средняя наработка на отказ) -ч.

Технология магнитооптической записи непрерывно совершенствуется. Несколько фирм выпускают МО-накопители с частотой вращения МО-диска 3600 об/мин, но их стоимость довольно высока. Лидерами рынка накопителей на МО-дисках являются компании Sony , Fujitsu и Hewlett - Packard .

Магнитооптические диски и накопители большинства фирм-изготовителей соответствуют требованиям международных стандартов, выпускаются как в виде встраиваемых устройств, так и во внешнем автономном исполнении с интерфейсами IDE и SCSI.

Помимо обычных дисководов широкое распространение получили так называемые оптические библиотеки с автоматической сменой дисков, емкость которых достигает сотен гигабайт и даже нескольких терабайт. Время автоматической смены диска - несколько секунд, а время доступа и скорость обмена данными - такие же, как у обычных дисководов.

Контрольные вопросы.

1. Перечислите основные этапы процесса изготовления CD-дисков.

2. Из каких конструктивных частей состоит привод CD ROM? Их назначение.

3. Как производится организация данных на CD-ROM? Основные форматы CD – дисков

4. Привести основные характеристики перезаписываемых дисков.

5. Как производится запись информации на дисках CD-WORM, CD-R и CD-RW?

6. В чем основное преимущество накопителей DVD? Как производится считывание информации с двухслойного DVD-диска?

7. Как производятся запись и считывание информации с магнитооптических дисков? Их характеристики.

Тема 3.3. Другие виды накопителей.

План:

Накопители на магнитной ленте.

Внешние устройства хранения информации.

Flash – накопитель.

1. Накопители на магнитной ленте

Накопители на магнитной ленте применяются в системах резервного копирования. Резервное копирование данных необходимо, если емкость используемого накопителя на жестких дисках невелика и при этом на нем хранится много программ; результаты работы представлены большими массивами данных; отсутствует свободное место на жестком диске.

В качестве устройств записи данных на магнитную ленту (стримеров) сначала использовались катушечные накопители, аналогичные бытовым катушечным магнитофонам. В 1972 г. фирма ЗМ разработала первую кассету размером 15x10x1,6 см, предназначенную для хранения данных. Внутри кассеты находились две катушки, на которые лентопротяжным механизмом наматывалась лента в процессе чтения/записи. В 1983 г. был выпущен первый стандартный QIC (Quarter - Inch - Catridge - накопитель на магнитной ленте), емкость которого составляла 60 Мбайт. Запись данных производилась на девяти дорожках, а магнитная лента имела длину около 90 м. В дальнейшем был разработан стандарт на мини-кассеты (формат МС). Габариты мини-кассеты, согласно этому стандарту, 8,25 х 6,35 х 1,5 см. Основу магнитного слоя лент QIC составляет оксид железа.

Наибольшее распространение получили накопители на магнитной ленте QIC-40 и QIC-80 формата МС, емкость которых составляет соответственно 40 и 80 Мбайт. Запись информации на кассету QIC-40 производится на 20 дорожек, плотность записи данных -бит/дюйм.

Преимущества этих накопителей: удельная стоимость хранения данных на ленте (в пересчете на 1 Мбайт) значительно ниже, чем при использовании накопителей на гибких магнитных дисках, и, кроме того, ленточные накопители просты в использовании и надежны.

К недостаткам накопителей на кассетах QIC-40 и QIC-80 относится их низкое быстродействие, так как они подключаются к интерфейсу, предназначенному для накопителей на гибких дисках. Запись данных при этом производится со скоростью 250 - 500 Кбит/с, форматирование кассеты перед записью данных также требует много времени (например, для форматирования кассеты емкостью 60 Мбайт стандарта QIC-40 необходимо около полутора часов).

Дальнейшее развитие накопителей на магнитной ленте пошло по пути увеличения емкости кассет и повышения плотности записи данных. Были разработаны стандарты систем резервного копирования с емкостью кассет от 86 Мбайт до 13 Гбайт. В таких устройствах плотность записи данных на ленту составляет свышебит/дюйм. Запись производится на 144 дорожки. Совместимость кассет различных типов является чрезвычайно важным фактором, который необходимо учитывать при выборе устройства резервирования информации на магнитной ленте, так как ленты не всегда совместимы по своим магнитным свойствам.

Наряду с распространенными в настоящее время устройства и резервного копирования форматов QIC становятся популярны и другие устройства копирования на магнитной ленте, в частности, в компьютерных сетях, манипулирующих большими объемами данных.

Существуют следующие стандарты записи данных на магнитные ленты.

Фирмой Sony освоен выпуск устройств, в которых используются магнитные ленты шириной 4 мм для цифровой звукозаписи DAT (Digital Audio Tape ) и ленты шириной 8 мм для видеозаписи. Кроме того, разработан стандарт для хранения данных в цифровом виде DDS (Digital Data Storage ). При записи данных на магнитную ленту применяется наклонно-строчная технология, в результате которой используется практически вся поверхность ленты (в отличие от других методов, в которых дорожки оказываются разделенными промежутками).

В середине 1990-х гг. появилась новая технология , позволяющая обеспечить более высокую емкость, скорость передачи данных и надежность резервного копирования - технология DLT (Digital Linear Tape ), которая считается одной из самых популярных. Накопители DLT могут хранить 20 - 40 Гбайт данных и обеспечивают скорость передачи данных 1,5 - 3,0 Мбайт/с. В накопителях стандарта DLT во время чтения/записи магнитная лента, разделенная на параллельные горизонтальные дорожки, проходит через неподвижную магниторезистивную головку со скоростью 2,5 - 3,7 м/с, за счет чего повышается надежность работы головки и обеспечивается малый износ магнитного слоя ленты. Расчетный срок службы ленты - 500000 перемоток. Накопители DLT рассчитаны на использование в сетевых серверах в качестве автоматизированных систем резервирования данных на магнитных лентах.

Стандарт кассет TRAVAN разработала фирма ЗМ. Накопители TRAVAN размещаются в отсеке для дисковода 3,5". Они могут работать как с оригинальными мини-кассетами стандарта TRAVAN, так и с кассетами стандарта QIC. Кассета (или картридж) TRAVAN содержит 225-метровую магнитную ленту шириной 8 мм. Сегодня имеются четыре типа кассет и накопителей TRAVAN (TR-1, -2, -3, -4). Емкости мини-кассет TRAVAN (в соответствии с типом 1, 2, 3 или 4) составляют 400, 800, 1000 и 4000 Мбайт соответственно. Все накопители TRAVAN обеспечивают аппаратное сжатие данных с коэффициентом 2:1, что увеличивает емкость кассет вдвое, т. е. накопитель TR-4 способен хранить до 8 Гбайт информации. Накопители TR-1, -2, -3 обычно подключаются к системе через контроллер накопителя на гибких дисках или параллельный порт, a TR-4 использует интерфейс SCSI-2.

Для современного уровня развития компьютерных технологий характерен неуклонный рост объема данных, хранящихся на серверах. Технологии резервного копирования выходят на передний план, так как затраты на восстановление утерянных данных слишком велики.

Много новых возможностей ожидается от развития технических средств. Наиболее перспективными считаются формат DAT DDS-3 - для небольших организаций с суммарным объемом данных до 10 Гбайт и стандарт DLT - для накопителей на магнитных лентах больших объемов. Стандарт DLT развивается в настоящее время по двум направлениям: создание DLT 4000 (интерфейс SCSI -2 Fast ) - для объема данных 20 Гбайт и DLT 7000 (интерфейс SCSI-2 Fast / Wide ) - для объема данных 35 Гбайт. Скорость передачи данных для DLT 7000 5-10 Мбайт/с. Американская компания ADIC заявила о выпуске в ближайшем будущем накопителей для резервного копирования данных на магнитных лентах объемом от 11 до 55 Тбайт. Гарантийный срок хранения информации 30 лет.

Для обеспечения гарантированного хранения особо важных данных в оригинальных накопителях применяется новая магнитная головка и технология записи MLR-RWR (Multi - channel Linear Recording - Read While Write ), заключающаяся в том, что одновременно с записью информации по нескольким каналам производится ее считывание и сравнение с исходной, а в случае необходимости - коррекция.

2. Внешние устройства хранения информации

При современных объемах программного обеспечения и размерах файлов носитель информации на гибких дисках емкостью всего 1,44 Мбайт не в состоянии обеспечить обмен данными между PC и тем более не может использоваться для хранения резервных копий и архивов.

Решение этой проблемы связано с созданием таких накопителей, как LS -120, SyQuest , Zip , Jaz , МО, ORB и др. Важнейшим параметром оценки этих устройств является совместимость с FDD, т. е. способность устройства читать и записывать данные на гибкий диск 3,5" емкостью 1,44 Мбайт. Все перечисленные устройства несовместимы с FDD, поскольку работают только со своими дисками. Исключение составляет дисковод LS-120, который в состоянии читать кроме своих дискет емкостью 120 Мбайт стандартные дискеты емкостью 1,44 Мбайт.

Дисководы LS-120 выпускаются фирмами как внешние устройства с интерфейсом LPT или внутренние с интерфейсом IDE. Несомненным преимуществом дисковода LS-120 является высокая емкость дискеты (120 Мбайт) при достаточно низкой цене накопителя с интерфейсом IDE. При этом скорость чтения/записи в несколько раз выше, чем у FDD (80-100 Кбайт/с в DOS и 200 - 300 Кбайт/с в Windows по сравнению с 60 Кбайт/с у FDD). Дисководы LS-120 являются магнитными накопителями информации и имеют такие же недостатки, как и все магнитные носители информации: чувствительность к магнитным полям, пыли и механическим деформациям.

Сменные жесткие диски используются при необходимости размещения больших объемов данных на малогабаритных носителях. У сменного винчестера переносным является не только носитель информации, но и весь дисковод, который вынимается из своих направляющих в корпусе ПК. Чаще всего это IDE диски, которые устанавливаются в корпус компьютера. Для извлечения дисковода на передней панели имеется специальная ручка. С обратной его стороны находится адаптер, который обычно обеспечивает силовое питание и связь для приема/передачи данных. Использование сменного жесткого диска такого рода для частого обмена информацией между удаленными ПК не дает желаемых результатов в связи с недостаточной защищенностью от внешних воздействий, возникающих при их транспортировке. Рекомендуется использовать сменные жесткие диски главным образом для целей архивирования данных.

Рассмотрим отдельные модели накопителей на сменных жестких дисках.

SyQuest - это накопитель на сменных дисках емкостью более 2 Гбайт. Такие накопители производятся только с интерфейсом SCSI. В устройстве используется технология магнитного носителя со встроенными головками, т. е. считывающие головки находятся в картридже. Пиковая скорость передачи - более 10,6 Мбайт/с, а время доступа около 12 мс. Накопители SyQuest предназначены для использования в корпоративных сетях и в профессиональных видеостудиях.

Накопитель SyJet содержит картриджи с жесткими дисками емкостью 1,5 Гбайт. Картридж имеет два диска, четыре поверхности, а считывающие головки находятся снаружи, т. е. в приводе. Использование таких картриджей позволило достичь высокой производительности накопителя: пиковая скорость обмена данными - более 10 Мбайт/с, средняя скорость передачи - 7 Мбайт/с, а время доступа к данным - 11 мс.

SparQ - накопитель 3,5"со сменными картриджами емкостью 1 Гбайт. Выпускается с интерфейсами LPT, EIDE и USB. Обеспечивает время доступа 12 мс. Средняя скорость передачи данных 3,7 - 6,9 Мбайт/с.

EZFlaer - накопитель 3,5" с картриджем емкостью 30 Мбайт. Основан на технологии жестких дисков. Выпускается с интерфейсами SCSI (как внутренний, так и внешний), LPT и EIDE. При скорости вращения диска 3600 об/мин и среднем времени доступа 13,5 мс обеспечивает скорость передачи данных до 16,6 Мбайт/с.

Приводы Jaz и Zip разработки компании iOmega благодаря хорошему соотношению цена/производительность превосходят по своим характеристикам существующие на рынке накопители со сменными носителями. В этих устройствах применяется традиционная технология магнитных носителей, но с более совершенной системой позиционирования головок чтения/записи и надежной механикой привода. В приводе Jaz в качестве носителя используется жесткая дисковая пластина, а в Zip -гибкий диск, аналогичный обычным пластинам флоппи-дисков. Емкость картриджа модели Zip 250 - 250 Мбайт, картриджей Jaz - 540 и 1070 Мбайт, а картриджа модели Jaz 2 - 2 Гбайт.

Накопители Jaz и накопители Zi p бывают двух видов - внутренние и внешние. Внутренний привод устанавливается в один из отсеков для установки дисководов. В комплект такого устройства входит адаптер SCSI. Внешний привод Zip подключается непосредственно к параллельному порту ПК. Привод Jaz является SCSI-устройством, в комплект которого входит адаптер SCSI.

Привод Zip может быть эффективно использован как накопитель на гибких дисках эпохи мультимедиа: его можно использовать для переноса файлов достаточно большого объема, поскольку масса накопителя Zip всего 450 г, а габаритные размеры - 3,7х 13,6х 18,0 см. Можно использовать также для хранения резервных копий файлов, записанных на винчестер. Zip эффективно можно использовать при работе с закрытой информацией, так как в самом устройстве предусмотрена функция введения пароля.

ORB - это накопитель на сменных дисках, разработанный на основе передовой технологии MR (Magneto Resistive ) фирмы Intel. В качестве носителя данных используется сменный жесткий диск размером 3,5", заключенный в картридж. Посредством использования технологии MR (магниторезистивных головок и особого магнитного материала), а также цифрового сигнального процессора удалось создать накопитель на сменных дисках емкостью 2,2 Гбайт (больше, чем диск Jaz 2), со скоростью вращения 5400 об/мин и максимальной скоростью передачи данных 12,2 Мбайт/с. Благодаря оптимальному соотношению показателя качество/цена, накопитель ORB успешно конкурирует с устройствами аналогичного назначения.

3. Флэш-накопитель.

Флэш-накопитель - портативный носитель информации с интерфейсом USB. Одним из первых на отечественном рынке появился накопитель MAXIMUS Flash USB Drive (корейской фирмы Jung MyungTelecom). Строго говоря, слово Drive в названии корейского флэш-накопителя - это маркетинговое преувеличение - никакого привода там нет, как нет и движущихся частей. По сути, разработчики просто отразили в названии процедуру работы с MAXIMUS Flash USB Drive, как с любым внешним дисководом (CD-RW, Zip, жестким диском). На самом же деле «псевдодиск» состоит из микросхемы флэш-ПЗУ, спецконтроллера и интерфейса USB.

У этого типа памяти есть много преимуществ:

· быстрое время доступа;

· высокая надежность (в силу отсутствия движущихся частей);

· компактность;

· долговечность.

Устройства поддерживаются операционными системами Windows 2000 и ХР без необходимости установки каких-либо специальных драйверов.

При включении устройства в разъем оно автоматически распознается системой и регистрируется. При завершении работы необходимо выполнить отключение устройства, после чего оно будет удалено из системы и может быть снято.

Рис 6.11. Флеш-накопитель USB Drive.

До недавнего времени карты Flash-памяти использовались в основном только в карманных компьютерах и цифровых камерах. И вот перед нами соединение двух прогрессивных технологий: шины USB и Flash-памяти - USB Drive компании J. M.Tek (рис. 6.11). Устройство небольшого размера (с зажигалку), USB-разъем закрывается защитной заглушкой с защелкой для закрепления в кармане. С торца имеется микропереключатель для защиты диска от случайной записи и контрольный индикатор режима работы. В режиме записи он светится желтым светом, в режиме чтения - зеленым.

Характеристики устройства : емкость диска - 32 Мбайт; интерфейс - USB 1.1; скорость чтения - 800 Кбайт/с; скорость записи - 500 Кбайт/с; рабочая температура -0...+45 0С; влажность - 5-95 %; срок службы - 10 лет; размеры - 54 х 20 х 10 мм; вес - 15 г.

Контрольные вопросы

1. Перечислите области применения, преимущества и недостатки накопителей на магнитной ленте.

2. Какие существуют внешние устройства хранения информации? Их характеристики.

3. Какими конструктивными особенностями и характеристиками обладает флеш – накопитель?

В НГМД используют два основных метода записи: метод частотной модуляции (ЧМ) (рис. 13.2) и метод модифицированной ЧМ. В контроллере (адаптере) НГМД данные обрабатываются в двоичном коде и передаются в НГМД в последовательном коде.

Способ частотной модуляции является двухчастотным. При записи в начале тактового интервала производится переключение тока в МГ и направление намагниченности поверхности изменяется. Переключение тока записи отмечает начало тактов записи и используется при считывании для формирования сигналов синхронизации. Таким образом, этот способ обладает свойством самосинхонизации . Запись «1» и «0» производится в середине тактового интервала, причем при записи «1» в середине тактового интервала производится инвертирование тока, а при записи «0» - нет. При считывании в моменты середины тактового интервала определяют наличие сигнала произвольной полярности. Наличие сигнала в этот момент соответствует «1», а отсутствие - «0».

3. Формат записи информации на гибком магнитном диске

Организация размещения информации на дискете предполагает расположение данных пользователя вместе со служебной информацией, необходимой для нумерации отдельных областей, отделения их друг от друга, для контроля информации и т.д.

ВНГМД используют стандартные форматы информации для унификации (обобщения) НГМД и их адаптеров. Каждая дорожка на дискете разделена на секторы. Размер сектора является основной характеристикой формата и определяет наименьший объем данных, который может быть записан одной операцией ввода-вывода. Применяемые в НГМД форматы различаются числом секторов на дорожке и объемом одного сектора. Максимальное количество секторов на дорожке определяется операционной системой. Секторы отделяются друг от друга интервалами, в которых информация не записывается. Произведение числа дорожек на количество секторов и количество сторон дискеты определяет ее информационную емкость.

Каждый сектор (рис. 13.3) включает две области: поле служебной информации и поле данных. Служебная информация составляет идентификатор сектора, позволяющий отличить его от других.

Адресный маркер - это специальный код, отличающийся от данных и указывающий на начало сектора или поля данных. Номер головки указывает одну из двух МГ, расположенных на соответствующих сторонах дискеты. Номер сектора - это логический код сектора, который может не совпасть с его физическим номером. Длина сектора указывает размер поля данных. Контрольные байты предназначены для контроля ошибок считывания.

Среднее время доступа к диску в миллисекундах оценивается по следующему выражению:

t ср = (N-1)t 1 /3+t 2 , (17.1)

где N - число дорожек на рабочей поверхности ГМД; t 1 - время перемещения МГ с дорожки на дорожку; t 2 - время успокоения системы позиционирования.

4. Адаптеры накопителей на гибких магнитных дисках

Адаптер НГМД переводит команды, поступающие из ПЗУ BIOS, в электрические сигналы, управляющие НГМД, а также преобразует поток импульсов, считываемых с дискеты МГ, в информацию, воспринимаемую ПЭВМ. Конструктивно электронное оборудование адаптера может быть размещено на системной плате ПЭВМ либо совмещено с оборудованием других адаптеров на отдельной плате модулей расширения. Возможно программирование длины записи данных, скорости перехода с дорожки на дорожку, времени загрузки и разгрузки МГ, а также передача данных в режиме ПДП или прерывания.

Один из вариантов построения структурной схемы адаптера НГМД приведен на рис. 13.4.

Дешифратор адреса распознает базовые адреса программно доступных регистров адаптера. Для ЦП адаптер НГМД доступен программно через регистр управления и два порта контроллера НГМД - регистр состояния и регистр данных. Значения отдельных разрядов регистра управления определяют выбор НГМД, сброс контроллера, включение двигателя, разрешение прерывания и ПДП.

Основным функциональным блоком адаптера НГМД является контроллер НГМД, реализуемый конструктивно обычно в виде БИС (интегральные микросхемы 8272 Intel, 765 NEC и др.). Данный контроллер обеспечивает управление операциями НГМД и определяет условия обмена с центральным процессором. Функционально контроллер подчинен ЦП и программируется им. В контроллере имеется регистр состояния и регистр данных, в котором запоминаются данные, команды и параметры о состоянии НГМД. При записи регистр данных используется как буфер, в который побайтно подаются данные от процессора. Контроллер принимает данные от регистра и преобразует их в последовательный код, используемый при частотном методе записи.

Контроллер НГМД выполняет следующий набор команд : позиционирование, форматирование, считывание, запись, проверка состояния НГМД и др. Каждая команда выполняется в три фазы : подготовительной, исполнения и заключительной. В подготовительной фазе ЦП передает контроллеру байты управления, которые включают код операции и параметры, необходимые для ее исполнения. На основании этой информации в фазе исполнения контроллер выполняет действия, заданные командой. В заключительной фазе через регистр данных считывается содержимое регистров состояния, хранящих информацию о результате выполнения команды и состоянии НГМД. В ЦП передаются условия завершения операции.

Таблица 13.1

Назначение сигналов интерфейса НГМД

Обозначение сигнала	Назначение сигнала	Направление
	Индекс/сектор
	Выбор накопителя 0
	Выбор накопителя 1
	Мотор включить
	Направление шага
	Данные записи
	Разрешение записи
	Дорожка 00
	Данные воспроизведены
	Выбор поверхности
	Накопитель готов

Схема формирования сигналов записи работает под управлением контроллера и предназначена для предотвращения искажения информации при записи. Фазовый детектор, генератор, управляемый напряжением (ГУН), фильтр нижних частот (ФНЧ) и узел синхронизации образуют схему отделения синхроимпульсов - сепаратор . При считывании данные из НГМД поступают на схему сепаратора, и принимаются контроллером, который декодирует их и преобразует побайтно в параллельный код. Байты буферизуются в регистре данных и передаются в оперативную память ПЭВМ.

Управление обменом между ЦП и адаптером НГМД осуществляется схемой сопряжения с системной шиной. Двунаправленный формирователь данных согласует электрические параметры шины данных системной и внутренней шины адаптера. Обмен информацией между адаптером и ЦП происходит в двух режимах : ПДП и прерываний. Программная поддержка работы адаптера обеспечивается драйвером, входящим в состав ОС.

Сопряжение интерфейса НГМД с адаптером НГМД осуществляется гибким кабелем. Все сигналы интерфейса НГМД имеют стандартный ТТЛ-уровень (табл. 13.1).

Запись информации на магнитные носители происходит по концентрическим дорожкам. Дорожки разбиты на секторы (512 байт для дискеты). Обмен данными между НМД и оперативной памятью осуществляется последовательно секторами (кластерами).

Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, номер цилиндра (номер дорожки) и номер сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска.

На каждом диске можно выделить две области: системную и данных .

I. Системная область диска состоит из трех участков:

1. Главная загрузочная запись (MBR – Master Boot Record), самый первый сектор диска, в котором описывается структура диска: какой раздел (логический диск) является системным, сколько разделов на этом диске, какого они объема;

2. Таблица размещения файлов (FAT – File Allocation Table). Количество ячеек FAT соответствует количеству кластеров на диске (они нумеруются от 2 до N+1, где N – полное число кластеров на диске). Значениями ячеек является шестнадцатеричный код, по которому можно судить состояние кластера: либо он дефектный (код FFF1-FFF7), либо он свободен (0000), либо используется файлом (код соответствует номеру кластера, где продолжается текущий файл 0002-FFF0), либо содержит последнюю часть файла (FFF8-FFFF).

3. Корневой каталог диска – список файлов и подкаталогов с их параметрами.

II. В области данных расположены подкаталоги и сами данные. На жестком диске системная область создается на каждом логическом диске.

На жестком диске кластер является минимально адресуемым элементом. Размер кластера, в отличие от размера сектора, строго не фиксирован (от 512 байт до 64 Кбайт). Обычно он зависит от типа используемой файловой системы и от емкости диска. Кластеры нумеруются в линейной последовательности (от первого кластера нулевой дорожки до последнего кластера последней дорожки).

Физически, кластеры, выделяемые одному файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.

Например, Файл_1 может занимать кластеры 34, 35 и 47, 48, а Файл_2 - кластеры 36 и 49.

Например, для двух рассмотренных выше файлов табли­ца FAT с 1-й по 54-ю ячейку принимает следующий вид:

Цепочка размещения для файла Файл_1 выглядит сле­дующим образом: в начальной 34-й ячейке FAT хранится адрес следующего кластера (35), соответственно, в следую­щей 35-й ячейке хранится 47, в 47-й - 48, в 48-й - знак конца файла (К).

Операционные системы MS-DOS, OS/2, Windows 95 и другие используют файловую систему на основе таблиц размещения файлов (FAT-таблицы File Allocation Table ), состоящих из 16-разрядных полей. Такая файловая система называется FAT16. Она позволяет разместить в FAT-таблицах не более 65 536 записей (2 16) о местоположении единиц хранения данных. Для дисков объемом от 1 до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайт (64 сектора). Это не вполне рациональный расход рабочего пространства, поскольку любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует весь кластер, которому соответствует только одна адресная запись в таблице размещения файлов. Даже если файл достаточно велик и располагается в нескольких кластерах, все равно в его конце образуется некий остаток, нерационально расходующий целый кластер.

Начиная с Windows 98 операционные системы семейства Windows (Windows 98, Windows Me, Windows 2000, Windows XP) поддерживают более совершенную версию файловой системы на основе FAT-таблиц - FAT32 с 32-разрядными полями в таб­лице размещения файлов. Для дисков размером до 8 Гбайт эта система обеспечи­вает размер кластера 4 Кбайт (8 секторов).

Операционные системы Windows NT и Windows ХР способны поддерживать совер­шенно другую файловую систему - NTFS. В ней хранение файлов организовано иначе - служебная информация хранится в Главной таблице файлов (MFT). В сис­теме NTFS размер кластера не зависит от размера диска, и, потенциально, для очень больших дисков эта система должна работать эффективнее, чем FAT32. Однако с учетом типичных характеристик современных компьютеров можно говорить о том, что в настоящее время эффективность FAT32 и NTFS примерно одинакова.

Для записи на ЖМД используются методы ЧМ, модифицированной частотной модуляции (МЧМ) и RLL-метод, при котором каждый байт данных преобразуется в 16-битовый код.

При методе МЧМ плотность записи данных возрастает вдвое по сравнению с методом ЧМ. Для этого метода (рис. 14.2), если записываемый бит данных является единицей, то стоящий перед ним бит тактового импульса не записывается. Если записывается «0 », а предыдущий бит был «1 », то синхросигнал также не записывается, как и бит данных. Но если перед «0 » стоит бит «0 », то синхросигнал записывается.

В настоящее время существуют 3 вида записи:

Метод параллельной записи

На данный момент это самая распространённая технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей - доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности. На сегодняшний день, домены становятся настолько малы, что остро встаёт вопрос о их стабильности. Дальнейшее развитие этой технологии под вопросом, многие считают этот метод исчерпавшим себя. Плотность записи, при использовании этого метода, на данный момент равна 150 Гбит/дюйм² (23Гбит/см²).

Метод перпендикулярной записи

Для того чтобы решить проблему с дальнейшим увеличением плотности, многие производители рассматривают технологию, при которой биты информации сохранялись бы в вертикальных доменах. Это позволит использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у экспериментального прототипа - 200 Гбит/дюйм² (31 Гбит/см²), в дальнейшем планируется довести плотность до 400-500 Гбит/дюйм² (60-75 Гбит/см²).

Метод тепловой магнитной записи

Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat assisted magnetic recording - HAMR) на данный момент активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». Именно этот метод собираются использовать компании Seagate и IBM для достижения плотности в 4 Тбит на кв. дюйм (620 Гбит на кв. см). Это позволит изготовить 3,5-дюймовый винчестер объемом 25 Тб. В качестве максимальной отметки плотности пока названо значение 100 Тбит на кв. дюйм (около 15 Тб на кв. см), что соответствует 0,65-Пб (петабайт) объема в форм-факторе 3,5 дюйма.

Формат записи информации на жестком магнитном диске

В НЖМД обычно используются форматы данных с фиксированным числом секторов на дорожке (17, 34 или 52) и с объемом данных в одном секторе 512 или 1024 байта. Секторы маркируются магнитным маркером.

Конкретный формат данных определяется внутренней программной конфигурацией ПЭВМ и техническими характеристиками адаптера накопителя. Структура формата (рис. 14.3) подобна структуре, применяемой в НГМД.

Начало каждого сектора обозначается адресным маркером. В начале идентификатора и поля данных записываются байты синхронизации, служащие для синхронизации схемы выделения данных адаптера НЖМД. Идентификатор сектора содержит адрес диска в пакете, представленный кодами номеров цилиндра, головки и сектора. В отличие от НГМД в НЖМД в идентификатор дополнительно вводят байты сравнения и флага. Байт сравнения представляет одинаковое для каждого сектора число, с помощью которого осуществляется правильность считывания идентификатора. Байт флага содержит флаг - указатель состояния дорожки (основная или запасная, исправная или дефектная).

Контрольные байты записываются в поле идентификатора один раз при записи идентификатора сектора, а в поле данных - каждый раз при каждой новой записи данных. Контрольные байты в НЖМД предназначены не только для определения, но и для коррекции ошибок считывания. Наиболее часто используются полиномные корректирующие коды; использование конкретных кодов зависит от схемной реализации адаптера.

Перед использованием НЖМД производится его начальное форматирование - процедура, выполняемая под управлением специальной программы, при работе которой на дисковый пакет записывается служебная информация и проверяется пригодность полей данных.

В последнее время компании используют адаптивное форматирование . Его суть заключается в том, что каждый экземпляр накопителя индивидуально настраивается на заводе таким образом, чтобы обеспечить лучшую производительность и надежность. Для этого каждая пара «головка-поверхность пластины» собранного диска тестируется на определение характеристик быстродействия, и затем каждая сторона магнитной пластины индивидуально форматируется (размечается на дорожки и сектора) так, чтобы обеспечить наилучшие характеристики при работе именно с данной головкой. В результате, линейная плотность записи на каждой стороне каждой пластины может не совпадать с соседними

Пять различных интервалов в НЖМД используются для синхронизации электронных процессов чтения-записи и управления работы электромеханических узлов накопителя.

В результате начального форматирования определяется расположение секторов, и устанавливаются их логические номера. Поскольку скорость вращения диска очень большая, для обеспечения минимального числа оборотов диска при обращении к последовательным секторам, секторы с последовательными номерами размещаются через N физических секторов друг от друга (рис. 14.4).

Кратность расположения секторов задается при форматировании диска. Коэффициенты чередования бывают 6:1, 3:1, и 1:1. Новейшие модели НЖМД используют коэффициенты 1:1, а их контроллеры считывают с диска за одно его обращение информацию с целой дорожки и затем хранят ее в буферной памяти. При запросе из буферной памяти передается информация уже из требуемых секторов.

Каждая дорожка диска разделяется на одинаковое число секторов, поэтому сектора на дорожках, которые находятся ближе к нулевой дорожке, имеют меньший размер. Для записи таких секторов

используются магнитные поля большей интенсивности (компенсация записи ). Число поверхностей диска (головок), число цилиндров (дорожек) и точка, с которой начинается компенсация записи, являются параметрами для настройки контроллера НЖМД.

Среднее время доступа к информации на НЖМД составляет

t ср =t n +0,5/F+t обм, (14.1)

где t n - среднее время позиционирования; F - скорость вращения диска; t обм - время обмена. Время обмена зависит от технических средств контроллера и типа его интерфейса, наличия встроенное буферной кэш-памяти, алгоритма кодирования дисковых данных и коэффициента чередования.