Накопители на жестких магнитных дисках

• Введение
• 1. Накопители на гибких магнитных дисках
• 1.1 Физическое устройство НГМД
• 1.2 Работа НГМД
• 1.3 Методы и организация записи информации НГМД
• 1.4 Адаптеры на НГМД
• 2. Накопители на жестких магнитных дисках
• 2.1 Физическое устройство НЖМД
• 2.2 Характеристики НЖМД
• 2.3 Физическая организация данных в НЖМД
• 2.4 Логическая организация данных в НЖМД
• 2.5 Интерфейсы НЖМД
• 2.6 Перспективные технологии производства НЖМД
• 2.7 Сравнительный анализ НГМД и НЖМД.
• Заключение
• Глоссарий
• Список используемых сокращений
• Список используемой литературы
• Приложения

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

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

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

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

накопитель жесткий магнитный диск Назначение НГМД и НЖМД — хранение больших объемов информации, запись, а также выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Как известно, первые ЭВМ (электронно-вычислительные машины) были однозадачными, то есть программировались и создавались для решения только одной задачи, например для расчета ядерных реакций или траекторий ракет. Это были ЭВМ на лампах, и полупроводниках, однако с развитием техники появились программируемые машины, на которых программа задавалась с помощью перфокарт, но на всех этих машинах не было запоминающего устройства, то есть они только принимали информацию, обрабатывали и воспроизводили, но не хранили её. Однако с развитием компьютерной техники, в частности, персональных компьютеров, появилась необходимость в накопителях информации. Примерно в это время (начало 70-х), с появлением персонального компьютера и появляются понятия накопителей. Вначале это были накопители на гибких дисках, содержащие операционную систему, т. е. они работали так: при загрузке компьютера дискета вставлялась в дисковод, с которой загружалась операционная система в оперативную память компьютера и после чего пользователь мог запускать программы и работать с ними. Этого было достаточно для ранних операционных систем, например MS DOS, но не очень удобно, т.к. дискеты и по сегодняшний день не отличаются надежностью, поэтому выходом оказалось создание накопителей на жестких магнитных дисках. Способ чтения и записи на накопителях одинаков — с использованием магнитных полей, но реализация этого принципа с помощью НЖМД оказалась более удачной, т.к. жесткие магнитные диски отличаются большим объемом и надежностью, поэтому этот накопитель стал основной памятью компьютера уже в начале 80-х годов и достигал объема уже в несколько раз большего, чем у НГМД. В последствии, с появлением операционных систем семейства Windows (версий 3.1 и 3.11) гибкие диски не могли обеспечить хранение и оперативную загрузку операционных систем [15], что окончательно определило НЖМД как основную память, на который и стали записывать программы и операционные системы и делают это по сей день. Что же произошло далее с накопителями на гибких магнитных дисках? Они стали использоваться как средства переноса информации между компьютерами, т.к. для той же цели НЖМД оказались непригодны, хоть у них и больше объем памяти и скорость чтения/записи, но они находятся внутри системного блока и для снятия или подключения требуется завершать работу компьютера. Гибкие же диски оставались практически единственным оперативным способом для обмена информацией между персональными компьютерами вплоть до середины 90-х годов и хотя сейчас в западных странах с появлением DVD и SD-RW приводов, а также объединения компьютеров в сеть повсеместно отказываются от применения дискет (большинство офисных компьютеров, объединенных с помощью локальных сетей уже не оборудуются НГМД), но в СНГ сейчас степень развития компьютеризации на сегодняшний день такова, что невозможно отказаться от накопителей на гибких магнитных дисков виду их оперативности и повсеместного присутствия, что подтверждается не уменьшаемыми объемами продаж гибких магнитных дискет.

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

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

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

2) Выявить их характеристики и дать им оценку;

3) Рассмотреть перспективные технологии гибких и жестких дисков;

4) Провести сравнительный анализ НГМД и НЖМД.

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

Личный вклад автора заключается в следующем:

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

2) Решены поставленные задачи из цели работы;

3) Разработаны рекомендации.

1. Накопители на гибких магнитных дисках

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

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

1.1 Физическое устройство НГМД

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

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

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

V= 2*N*M*S

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.2 Работа НГМД

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

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

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

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

1.3 Методы и организация записи информации НГМД

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

· метод частотной модуляции;

· метод модифицированной частной модуляции (МЧМ);

· метод кодирования с ограничением расстояния между переходами намагниченности RLL.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Физическая организация данных

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

Х16 + Х12 + Х5 + Х + 1

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

Логическая организация данных

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

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

1) загрузочный сектор;

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

3) каталог;

4) область данных.

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

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

Главная загрузочная и загрузочная запись

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

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

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

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

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

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

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

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

Прямой и последовательный доступ

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

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

Как правило, прямой метод доступа более эффективен.

1.4 Адаптеры на НГМД

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

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

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

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

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

Дешифратор адреса распознает базовые адреса программно доступных регистров.

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

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

2. Накопители на жестких магнитных дисках

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

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

2.1 Физическое устройство НЖМД

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

V — С Н S В

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

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

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

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

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

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