Дисковые накопители информации

Томский межвузовский центр дистанционного образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Кафедра автоматизированных систем управления (АСУ)

Реферат

по дисциплине " Информатика"

Выполнил:

студент ТМЦДО

гр.: з-348б-32

специальности 230 105

Нурпеисов Жанболат Кикбаевич

г. Томск 2011 г.

• Жесткий магнитный диск (винчестер)
• Физическая архитектура и логическая структура дисковых накопителей
• Основные функции файловой системы
• Основные физические и логические параметры жестких дисков
• Список литератур

Жесткий магнитный диск (винчестер)

Хотя в последнее время жесткий диск «винчестером» называют все реже, История появлении этого названия связана с моделью диска фирмы IBM, имевшей обозначение «30/30», сходное с названием широко распространенной в Америке винтовки тридцатого калибра фирмы Winchester. Однако существуют разночтения в том, когда был разработан диск этой модели (называют 60-е годы, начало и середину 70-х), был ли он выпущен или остался прототипом, а также что в нем соответствовало обозначению «30/30». В одних источниках утверждается, что диск позволял записывать 30 дорожек по 30 секторов каждая, в других говорится об объединении 30-Мбайтного фиксированного диска и 30-Мбайтного сменного диска в одном устройстве.

Винчестеры — это одни из самых важных, а также, самых интересных компонентов в компьютере. Возможно, самое обворожительное, что можно увидеть в истории винчестеров, это то, как в последние два десятилетия инженеры улучшали НЖМД в сторону удобности использования, емкости, скорости, потребления энергии и т. д.

Самые первые компьютеры вообще не имели постоянного хранилища данных. Каждый раз, когда вы хотели поработать с программой, ее надо было вводить в ручную. Довольно быстро стало понятно, что компьютерам нужно какое-то постоянное хранилище данных. Первым носителем данных, используемым в компьютерах, была бумага! (перфокарты? Программы и данные были записаны, используя дырки в бумажных карточках. Использовался специальный считыватель, который использовал луч света для сканирования карточек: где находилась дырка, она воспринималась как «1», а где дырки не было, воспринимался «0». По сравнению с ручным вводом программы каждый раз при включении компьютера, это был большой шаг вперед, оставаясь, между тем очень неудобным методом ввода программ в компьютер. Тем не менее, перфокарты использовались довольно продолжительное время. Следующим важным улучшением хранилища программ было изобретение магнитной ленты. Информация записывалась методом, похожим на запись аудиокассет, магнитные ленты были более гибким, надежным и более быстрым хранилищем информации по сравнению с перфокартами. Конечно, накопители на лентах и сейчас используются в компьютерах, но в качестве вторичного накопителя данных, как правило, для хранения резервных копий. Главный минус данного устройства в том, что данные располагались линейно, и требовались минуты, чтобы перемотать ленту из одного конца в другой, делая медленным случайный доступ к данным. Позже появились НГМД, они были медленными, малыми в размере и очень ненадежными устройствами хранения данных, даже по сравнению с первыми жесткими дисками.

Для многих людей жесткий диск представляется как черный ящик, который как-то хранит информацию.

Физическая архитектура и логическая структура дисковых накопителей

Многолетнее развитие накопителей на жестких магнитных дисках не смогло изменить базовую схему этих устройств, одним из ключевых элементов которой является вращающийся диск с информационным слоем.

Весь винчестер, как устройство, делится на две крупные составляющие: плату электроники и гермозону или «камеру», внутри которой находятся магнитные диски (пластины) в просторечье именуемые «блинами», блок магнитных головок, шпиндельный двигатель и другие устройства. Внутреннее устройство большинства накопителей на жестких дисках практически одинаково (см. рис.1).

Рис.1

То, что скрывается под крышкой жесткого диска

Плата электроники или контроллер на жестком диске, по — сути, маленький компьютер. Любой современный жесткий диск на собственной плате контроллера обязательно имеет оперативную память, которую называют кэшем или буфером. Обычно размер кэша колеблется от 512 Кб до 8 Мб (в современных), в зависимости от модели диска. Кэш влияет на производительность жесткого диска самым непосредственным образом, так как скорость чтения данных из него в два-три, а то и более раз может превышать скорость считывания информации с пластин. В кэш записываются данные, к которым чаще всего обращается программа, и таким образом скорость работы некоторых программ с дисками может достигать совершенно фантастических величин. Некоторые производители устанавливают на свои диски не только кэши чтения, но и кэши записи. Помимо кэш-памяти, на собственной плате контроллера любого жесткого диска расположены схемы интерфейсной логики и процессор, управляющий вводом-выводом и кодированием данных. Также процессор управляет программой самодиагностики, которая стала обязательной для современных жестких дисков. Большинство дисков использует для самодиагностики технологию SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology — технология самоанализа и информирования), предложенную несколько лет назад фирмами IBM и Compaq. Процессор занимается обработкой полученных с головок данных и преобразованием их в понятный компьютеру «язык». Делает он это, как и компьютер в оперативной памяти ОЗУ. ПЗУ необходимо для старта, как БИОС на материнской плате. Чем занимается микросхема управления электродвигателем понятно из её названия. При включении плата контроллера считывает служебную информацию и если она корректна, то жесткий диск начинает работу.

Весь винчестер должен быть произведен с особой точностью в силу очень большой миниатюрности компонентов. Пластины, головки, шпиндель, привода закрыты в специальном объеме, называемом гермозоной, или «камерой». Это сделано для того, чтобы гермозона была защищена от пыли, которая может разрушить головки или стать причиной царапин на пластинах. Внутри гермозоны находится воздух, а не вакуум, как думают многие. Она связана с внешним миром системой выравнивания давления, в которой имеется воздушный фильтр. Таким образом, давление воздуха внутри гермозоны всегда выровнено с окружающим воздухом, этим же образом решена проблема с выпадением конденсата.

Гермозона (герметичная зона) — полость жесткого диска, ограниченная «камерой» и крышкой, внутри которой находиться очищенный от частиц пыли воздух. Герметичная камера предохраняет носители не только от проникновения механических частиц пыли, но и от воздействия электромагнитных полей. Обеспечение чистого без пыльного пространства внутри жесткого диска необходимое условие для поддержания работоспособности жесткого диска, т.к. малейшие частички могут привести к порче магнитного покрытия дисков и потере данных и работоспособности устройства.

В винчестерах используются круглые диски (пластины) из немагнитных поверхностей, на которые нанесён тонкий слой магнитного материала. Все пластины насажены на шпиндель электродвигателя, и вращаются на большой скорости (у разных моделей современных дисков эта скорость колеблется от 5400 до 12 000 об/мин). Чем выше скорость вращения, тем выше скорость обмена данными. Между пластинами перемещается вилка, на которой расположены магнитные головки, выполняющие запись и считывание информации. Головки позиционируются строго на определённых расстояниях от оси вращения пластин. Поверхность пластин в жестких дисках имеют специальную структуру, для обеспечения упорядоченной записи и хранения информации. На каждой пластине информация записывается на концентрических окружностях, называемых треками (track-дорожка). Треки на различных поверхностях находятся на одинаковых расстояниях от оси вращения. Совокупность треков, расположенных на разных поверхностях, но имеющих один и тот же диаметр, называется цилиндром.

Каждый трек разбивается на части, называемые секторами (см. рис 2).

Рис.2

Современные жесткие диски имеют различное количество секторов на дорожке в зависимости от того, внешняя ли это дорожка или внутренняя. Внешняя дорожка длиннее и на ней можно разместить больше секторов, чем на более короткой внутренней дорожке. Данные на чистый диск начинают записываться также с внешней дорожки. Все современные жёсткие магнитные диски имеют одинаковый логический размер сектора, позволяющий записать в сектор 512 байт информации. Секторы имеют номера, начинающиеся с 1. Секторы с одинаковыми номерами на всех дорожках цилиндра находятся «друг под другом», так что возможно одновременное чтение из всех таких секторов (или одновременная запись в них). Секторы с одинаковыми номерами разных цилиндров не находятся на одном радиусе (как можно было бы предположить), а расположены вдоль некоторой кривой, обеспечивающей переход к сектору с тем же номером, расположенному на соседней дорожке, с учётом времени, необходимого для перемещения головки к оси вращения диска (за это время диск успевает повернуться). Такое расположение секторов называется «перекосом цилиндров» .

Самый первый сектор жесткого диска (сектор 1, дорожка 0, поверхность (головка) 0) содержит так называемую главную загрузочную запись (Master Boot Record - MBR). 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 жесткого диска помещается в оперативную память ПК. Загрузочная запись продолжает процесс загрузки операционной системы.

В конце самого первого сектора жесткого диска располагается таблица разделов диска (Partition Table).

Разметка пластин на треки и сектора производится низкоуровневым форматированием.

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.

Форматирование жесткого диска включает в себя три этапа:

1. Форматирование диска на низком уровне (низкоуровневое форматирование). Это единственный «настоящий» метод форматирования диска. При этом процессе на жестком диске создаются физические структуры: треки, сектора, управляющая информация. Этот процесс выполняется заводом-изготовителем на пластинах, которые не содержат еще никакой информации.

2. Разбиение на разделы. Этот процесс разбивает объем винчестера на логические диски (C, D, и т. д.). Этим обычно занимается операционная система, и метод разбиения сильно зависит от операционной системы.

3. Высокоуровневое форматирование. Этот процесс также контролируется операционной системой и зависит как от типа операционной системы, так и от утилиты, используемой для форматирования. Процесс записывает логические структуры, ответственные за правильное хранение файлов, а также, в некоторых случаях, системные загрузочные файлы в начало диска. Это форматирование можно разделить на два вида: быстрое и полное. При быстром форматировании перезаписывается лишь таблица файловой системы, при полном сначала производится верификация (проверка) поверхности накопителя, а уже потом производится запись таблицы файловой системы.

В настоящее время наиболее распространены 4 файловые системы — FAT, NTFS, FAT32 и HPFS (OS/2). 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.

Основные функции файловой системы

Поддержание отображения файлов на физические и логические структуры носителя данных (например, на кластеры и секторы жёсткого диска).

Обеспечение доступа к файлам по их символическим именам.

Гарантирование корректности данных, содержащихся в файле.

Оптимизация производительности как с точки зрения ОС (пропускная способность), так и с точки зрения пользователя (время отклика).

Обеспечение поддержки использования файлов несколькими пользователями для многопользовательской системы.

Основные физические и логические параметры жестких дисков

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, которые, так или иначе используются при сравнении накопителей различных производителей и выборе устройства.

Диаметр дисков (disk diameter) — параметр довольно свободный от каких-либо стандартов, ограничиваемый лишь форм-факторами корпусов.

Число поверхностей (sides number) — определяет количество физических дисков установленных на шпиндель.

Число цилиндров (cylinders number) — определяет сколько дорожек (треков) будет располагаться на одной поверхности.

Число секторов (sectors count) — общее число секторов на всех дорожках всех поверхностей накопителя.

Число секторов на дорожке (sectors per track) — общее число секторов на одной дорожке.

Частота вращения шпинделя (rotational speed или spindle speed) — определяет, сколько времени будет затрачено на последовательное считывание одной дорожки или цилиндра.

Время перехода от одной дорожки к другой (track-to-track seek time)

жесткий магнитный дисковый накопитель

Время успокоения головок (head latency time) — время, проходящее с момента окончания позиционирования головок на требуемую дорожку до момента начала операции чтения/записи.

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.

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.

Время доступа (access time) — суммарное время, затрачиваемое на установку головок и ожидание сектора.

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.

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.

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.

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).

Размер кеш-буфера контроллера (internal cash size).

Средняя потребляемая мощность (capacity).

Уровень шума (noise level), разумеется, является эргономическим показателем.

Среднее время наработки на отказ (MTBF) — определяет сколько времени способен проработать накопитель без сбоев.

Сопротивляемость ударам (G-shock rating) — определяет степень сопротивляемости накопителя ударам и резким изменениям давления, измеряется в единицах допустимой перегрузки g во включенном и выключенном состоянии.

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.

Жесткий диск конструктивно сложное устройство. Механическая составляющая винчестера это слабое звено во всем системном блоке. Ведь если остальные элементы компьютера можно безболезненно поменять, купив новые, то жесткий диск так просто не заменишь, ведь на нем хранится информация. Не смотря на то, что некоторые компании занимаются разработкой альтернативных носителей информации, в которых не будет механических элементов, все же в настоящее время отказываться от производства жестких дисков на основе магнитного принципа записи никто не собирается. Подтверждением тому служит появление винчестеров использующих перпендикулярный принцип записи, что позволило добиться более высокой плотности записи. Вследствие этого уже появились НЖМД емкостью более 1 Тб.

В серии Seagate Barracuda® 7200.11 Используется технология перпендикулярной записи второго поколения, которая позволяет достичь ещё большей плотности записи на единицу поверхности. Благодаря этому максимальная емкость достигла значения в 1,5 Тб. Все жесткие диски Seagate Barracuda® 7200.11 обладают интерфейсом SATA-II с поддержкой технологии NCQ. Новейшая серия Seagate Barracuda® XT представленная на рынке пока единственной моделью с рекордным объемом 2 Тб. Самый быстрый и самый ёмкий — именно такие эпитеты заслуживает эта модель. Жесткий диск Seagate Barracuda XT для настольных компьютеров имеет ёмкость 2 Тб, скорость вращения шпинделя 7200 об/мин, размер кэш-памяти — 64 Мб, а также оснащён скоростным интерфейсом нового поколения SATA III (с пропускной способностью до 6 Гбит/с). Всё это в комплексе обеспечивает широкие возможности для хранения огромного количества информации и высочайшую производительность. Области применения HDD Seagate Barracuda XT разнообразны: высокопроизводительные игровые ПК, системы для создания и обработки видео в формате высокого разрешения HD, домашние серверы и рабочие станции, настольные RAID-массивы, внешние устройства хранения данных со скоростными интерфейсами FireWire 800 или eSATA.

Некоторые ключевые моменты в развитии жестких магнитных дисков:

· Первый жесткий диск (1956): IBM RAMAC, имел емкость порядка 5 мегабайт, хранящихся на пятидесяти 24-х дюймовых дисках. Плотность записи составляла порядка 2000 бит на квадратный дюйм, скорость передачи данных — 8800 бит в секунду.

· Первые головки на воздушной подушке (1962): IBM model 1301 впервые использовал магнитные головки, летящие на воздушной подушке, снизив таким образом расстояние между головками и дисками до 250 микродюймов. Жесткий диск имел емкость в 28 мегабайт, используя половину от количества головок IBM RAMAC, и его плотность записи и скорость работы была увеличена на 1000%.

· Первый переносимый жесткий диск (1965): IBM model 2310 был первым винчестером с переносимым пакетом дисков.

· Первые ферритовые головки (1966): IBM model 2314 был первым жестким диском, который использовал ферритовый сердечник в головках.

· Первый современный дизайн жесткого диска (1973): IBM model 3340 имел емкость в 60 мегабайт и использовал много ключевых технологий, которые до сих пор используются в современных жестких дисках.

· Первые тонкопленочные головки (1979): IBM model 3370 был первым жестким диском, использующим тонкопленочные головки, которые намного позже станут применяться повсеместно в дисках для ПК.

· Первый жесткий диск в 8" форм-факторе (1979): IBM model 3310 был первым жестким диском, использующим 8-дюймовые диски, до этого почти на протяжении десятилетия использовались 14-ти дюймовые диски.

· Первый жесткий диск в 5,25" форм-факторе (1980): Seagate ST-506 был первым жестким диском, представленном в 5.25″ форм-факторе, который использовался в первых ПК.

· Первый жесткий диск в 3.5″ форм-факторе (1983): фирма Rodime представила RO352, первый жесткий диск, который был выполнен в 3,5″ форм-факторе, который стал одним из самых важных форм-факторов в индустрии ПК.

· Первый жесткий диск, использующий соленоидный привод перемещения головок (1986): Conner Peripherals CP340.

· Первый " низкопрофильный" 3,5" жесткий диск (1988): Conner Peripherals CP3022, имевший высоту в 1 дюйм, все современные жесткие диски выполнены именно в этом, «низкопрофильном» дизайне.

· Первый 2,5" жесткий диск (1988): PrairieTek представил первый жесткий диск, использующий 2,5″ пластины. Именно этот форм-фактор стал стандартом для жестких дисков, используемых в ноутбуках.

· Первый жесткий диск, использующий магниторезистивные головки и PRML декодирование данных (1990): IBM model 681, имел емкость в 857 мегабайт и впервые использовал магниторезистивные головки и PRML.

· Первые тонкопленочные диски (1991): IBM «Pacifica» диск для мэйнфремов был первым, использующим тонкопленочные диски.

Между тем, жесткие магнитные диски могут однажды отступить перед «прямоугольными жесткими дисками» (Hard Rectangular Disk, HRD). В последнее время у HDD появился конкурент с более привлекательными показателями быстродействия, за которые, впрочем, приходится платить, в буквальном смысле слова. Есть разработчики, не теряющие надежды создать собственную альтернативу HDD. Компания DataSlide представила прототип нового накопителя, который, не исключено, однажды составит конкуренцию HDD и SSD. Используемая в нем технология получила название «прямоугольный жесткий диск» (Hard Rectangular Disk, HRD). По словам DataSlide, запатентованная технология позволит накопителю достичь показателей производительности 160 000 IOPS и 500 МБ/с при потребляемой мощности менее 4 Вт. Для сравнения — у современных SSD эти показатели равны 35 000 IOPS (в режиме чтения, в режиме записи — 3000 IOPS) и 220 МБ/с соответственно. По сведениям одного из источников, объем прототипа равен 36 ГБ, сами разработчики утверждают, что накопители HRD смогут иметь объем от 80 ГБ до 2 ТБ.

Концепция HRD позаимствована у разработки IBM под названием Millipede. В конструкцию накопителя входит пьезоэлектрический привод, приводящий в прецизионное колебательное движение прямоугольную пластину с магнитным носителем, и двухмерные массивы головок для чтения и записи. Контактирующие поверхности покрыты твердой алмазной «смазкой», гарантирующей, по словам компании, многолетнюю работу без износа. До 64 магнитных головок массива могут вести чтение или запись одновременно.

Пока нет данных о том, сколько времени пройдет до превращения прототипа в серийное изделие, доступное на рынке, и сколько такие накопители будут стоить. Известно лишь, что преимуществом разработки является применение технологий и материалов, уже используемых в серийном производстве ЖК-панелей и магнитных носителей.

Список литератур

1. Основы современных компьютерных технологий: Учебное пособие. / Под ред. Хомоненко Д. А. — СПб.: КРОНА принт, 1998.

2. Смирнов А. Д. Архитектура вычислительных систем. М.: Наука, 1990.

3. Скот Мюлер. Модернизация и ремонт персональных компьютеров. /пер. с англ. — М: Зао «Издательство Бином». 1998 г.

4. Для подготовки данной работы так же были использованы материалы из интернета: http://www.nodevice.ru/, http://spas-info.ru/articles/

5. http://www.datalabs.ru/kb/21.html

6. http://spas-info.ru/articles/print/? ch=articl&page=11_arranged

7. http://www.xard.ru/post/10 731/? page=123