ЭВМ лекции

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. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Скорость вращения дисков, как правило, составляет 5400 об/мин, хотя существуют диски и со скоростью вращения 7200, 10000 и даже 15000 об/мин. Для того, чтобы сократить время выхода накопителя и 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.

На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя

151

перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.

Под дисками расположен двигатель, обеспечивающий вращение дисков, а слева и справа — поворотный позиционер с коромыслом, управляющим

движением магнитных головок по спиральной дуге для их установки на нужный цилиндр.

Диаметр дисков чаще всего 3,5 дюйма (89 мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода: 25 мм — у настольных ПК, 41 мм — у машин- серверов, 12 мм — у портативных ПК, существуют и другие. Внешние дорожки диска длиннее внутренних. Поэтому в современных жестких дисках используется метод зонной записи. В этом случае все пространство диска делится на несколько зон, причем во внешних зонах секторов размещается больше данных, чем во внутренних. Это, в частности, позволило увеличить емкость жестких дисков примерно на 30%.

Есть два основных режима обмена данными между HDD и ОП:

∙Programmed Input/Output (PIO — программируемый ввод-вывод);

∙Direct Memory Access (DMA — прямой доступ к памяти).

PIO — это режим, при котором перемещение данных между периферийным устройством (жестким диском) и оперативной памятью происходит с участием центрального процессора. Существуют следующие режимы передачи: РIO0, РIO1, PIO2, РIOЗ, РIO4. Причем РIO0 – самый «медленный», а РIO4 — самый «быстрый» (16,6 Мбайт/с). Режимы РIO в современных ПК используются редко, поскольку сильно загружают процессор.

DMA — это режим, в котором винчестер напрямую общается с оперативной памятью без участия центрального процессора, перехватывая управление шиной. Для того чтобы обмениваться данным с компьютером, жесткий диск подключен кабелями управления, по которым передаются команды диску и данные по интерфейсу.

IDE/ATA

IDE (Integrated Drive Electronics) — это название типа жестких дисков,

имеющих интерфейс ATA (AT Attachment). АТА не предназначен для внешних

152

подключений и не поддерживает кабелей длиной более 60 см. Один канал АТА может поддерживать до двух дисков, первичный — master и вторичный — slave. Очень часто ставят на один канал жесткий диск как master и другое, более медленное устройство, типа CD-ROM, как slave. Но так как IDE может обращаться только к одному устройству на канале одномоментно, то снижается производительность системы в целом. В настоящее время все материнские платы имеют по два интегрированных канала IDE, а некоторые — три и даже четыре. Если это возможно, то лучше подключать жесткий диск как master на первый канал, a DVD или CD-ROM — как master на второй канал.

Сегодня на рынке присутствуют три основных стандарта IDE-дисков: ATA/33, ATА/66 и АТА/100. Число показывает максимальную пропускную способность в мегабайтах в секунду. Для ATА/66 и АТА/100 требуется специальный 80-контактный кабель, а со стандартным 40-контактным АТА/66/100 диск будет работать, как ATА/33. Как правило, такой кабель идет в комплекте со всеми материнскими платами, поддерживающими АТА/66/100. Эти три стандарта называют одним словом — UDMA. Все IDE-диски должны работать со всеми вариантами АТА. Диск АТА/100 должен функционировать с контроллером ATА/33, а диск АТА/33 должен работать с контроллером АТА/100. Но работать винчестер будет на скорости самого медленного компонента. В обоих приведенных случаях это будет скорость АТА/33, то есть максимальная пропускная способность будет равна 33 Мб/с. Главным недостатком IDE является малая скорость. Время наработки на отказ, заявляемое производителями, у IDE- дисков гораздо меньше, чем у SCSI-дисков. Будущее АТА, скорее всего, за стандартом Serial ATA. Serial ATA будет иметь кабель всего с двумя контактами (один на прием, один на передачу) и должен обеспечить IDE пропускную способность до 1.5 Гб/с, а возможно, и больше. Это вдвое перекрывает пропускную способность АТА/100, у которого контактов в 40 раз больше. Единственным недостатком Serial ATA является то, что на одном канале может быть только одно устройство, но при наличии контроллера с несколькими каналами это не проблема.

SCSI

153

SCSI давно стал стандартным интерфейсом для рабочих станций и серверов. И хотя по деньгам SCSI обходится существенно дороже IDE, за эти деньги мы получаем гораздо большую пропускную способность, поддержку большего количества устройств на одном канале, гораздо большую длину кабелей (до 12 м), поддержку внешних устройств и многозадачность.

Обычная (иногда говорят «узкая») шина SCSI может нести на себе до 8 устройств, а широкая (wide) — до 16. Сам SCSI-контроллер занимает один адрес, а остальные 15 оставляет для подключаемых устройств (соответственно, на узкой шине для устройств остается 7 адресов). Старшие адреса SCSI имеют больший приоритет. Это делает установку SCSI немного сложней. Обычно лучше дать больший приоритет медленным устройствам, типа CD-ROM, а не жестким дискам.

Существует множество различных вариантов SCSI. Из доступных сейчас устройств можно назвать Ultra, Ultra2 и Ultra160 SCSI. Ultra SCSI позволяет передачу 20 Мб/с и имеет 8 адресов. Широкая (wide) версия Ultra SCSI поднимает пропускную способность вдвое, то есть до 40 Мб/с. Ultra2 SCSI, известный также как LVD (Low Voltage Differential) SCSI, имеет пропускную способность 40 Мб/с,

и, соответственно, wide-версия его дает нам 80 Мб/с. Ultral60 SCSI продолжает традицию удвоения пропускной способности, но бывает только в варианте wide, что дает нам 16 устройств на канале и 160 Мб/с.

Главное преимущество SCSI выражается термином high-end, то есть самые быстрые, самые объемистые жесткие диски имеют интерфейс SCSI. Например, Seagate Cheetah с 15000 оборотов на шпинделе в варианте IDE никогда не производился и вряд ли будет. А способность поддерживать до 15 устройств на одном канале говорит об отличной масштабируемости, что для определенных целей крайне важно. Сам стандарт SCSI изначально предполагал масштабируемость и стал масштабируем настолько, что вряд ли что-то может с ним сравниться в этом.

Fibre Channel (оптоволоконный канал)

154

Fibre channel — это интерфейс, в корне отличающийся от SCSI и IDE. Этот интерфейс предназначен не только для того, чтобы подсоединять жесткие диски и другую периферию к системе, а в первую очередь для организации сетей,

объединения удаленных друг от друга массивов жестких дисков и прочих операций, требующих высокой пропускной способности в сочетании с большими расстояниями. Fibre channel часто используется для соединения SCSI RAID- массивов с сетью рабочей группы либо сервером.

Существующие технологии позволяют пропускную способность Fibre channel в 100 Мб/с, а теоретический предел данной технологии лежит где-то в районе 1.06 Гб/с. При этом уже сейчас ряд компаний занят разработкой устройств с пропускной способностью до 2.12 Гб/с, но это уже следующее поколение интерфейса Fibre channel. На сегодняшнем рынке также присутствуют решения,

когда для достижения очень большой пропускной способности используется целый ряд каналов Fibre channel одновременно.

В отличие от SCSI, Fibre channel обладает гораздо большей гибкостью. Если SCSI ограничивается всего 12 м, то Fibre channel позволяет соединения протяженностью до 10 км при использовании оптического кабеля и несколько меньше при использовании относительно недорогих медных соединений.

IEEE 1394

IEEE 1394, он же Fire Wire (как его назвала Apple), он же iLink (как его назвала Sony), реально становится стандартом для передачи цифрового видео, но также может использоваться для подключения жестких дисков, сканеров, сетевого оборудования, цифровых камер и всего, что требует хорошей пропускной способности. В настоящее время FireWire остается достаточно дорогим решением (по крайней мере, для рядового пользователя), но стандарт все больше проникает во все сферы компьютерной периферии и постоянно дешевеет.

FireWire способен поддерживать до 63 устройств на одном канале 400 Мб/с. A IEEE 1394b, первая попытка серьезного пересмотра FireWire, будет поддерживать пропускную способность в 800 Мб/с на канал. FireWire обеспечивает большую производительность, но внешние устройства с этим

155

интерфейсом нуждаются в отдельном внешнем источнике питания. На базе FireWire можно строить производительные локальные сети. Многие модели компьютеров Apple имеют один или два FireWire-порта, но на PC этот стандарт пока такого признания не получил.

Приятной особенностью FireWire является возможность «горячего» подключения. То есть можно подключать и отключать FireWire-устройства, не выключая компьютер. Но если таким устройством является жесткий диск, то операционная система должна уметь монтировать новые жесткие диски «на лету».

USB

USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) — стандарт, получивший за последние несколько лет крайне широкое распространение. Данный интерфейс имеет два скоростных режима. Первый — высокоскоростной — обеспечивает пропускную способность 12 Мб/с и длину соединительных кабелей до 5 м. Второй – низкоскоростной — пропускная способность 1.5 Мб/с и длина кабелей до 3 м. Однако для жестких дисков данный стандарт малопригоден из-за своей медлительности, а вот для всяких устройств резервного копирования, CD-R, сканеров, сетевых устройств и устройств ввода вполне подходит.

На одном канале USB может присутствовать до 127 устройств, для чего могут использоваться устройства, пропускающие через себя сигнал, либо USB- концентраторы. USB имеет так называемый мастер-контроллер, так что любой сигнал, передаваемый, скажем, от USB-жесткого диска к USB CDR должен пройти через контроллер, а уже затем отправиться к требуемому устройству. Это очень понижает пропускную способность при использовании нескольких USB- устройств. Кроме того, USB-устройства не могут быть разделяемыми (в сети например), хотя два компьютера можно соединить между собой USB-сетью через

USB-MOCT.

156

USB позволяет «горячее» подключение. Правда, операционная система все равно потребует драйвер нового устройства, но перезагружать компьютер не придется.

В настоящее время все большее распространение получает стандарт USB 2.O. Он поднимает планку пропускной способности с 12 до 480 Мб/с. Это позволяет использовать USB 2.0 для подключения внешних жестких дисков, и такие диски уже появились.

Время доступа к информации на диске напрямую связано со скоростью вращения дисков. Стандартные скорости вращения для интерфейса IDE — 3600, 4500, 5400 и 7200 оборотов/мин; при интерфейсе SCSI используются скорости до 10 000 - 12 000 оборотов/мин. При скорости 10 000 оборотов/мин среднее время доступа составляет 5,5 мс. Для повышения скорости обмена данными процессора с дисками НЖМД следует кэшировать. Кэш-память для дисков имеет то же функциональное назначение, что и кэш для основной памяти, то есть служит быстродействующим буфером для кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем (например, драйвером Microsoft Smartdrive) в оперативной памяти. Емкость кэш-памяти диска обычно составляет 2 Мбайт, а скорость обмена данными процессора с кэш-памятью достигает 100 Мбайт/с.

Для того чтобы получить на магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и секторы, над ним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или низкоуровневым, форматированием

(physical, или low-level formatting). В ходе выполнения этой процедуры контроллер записывает на носитель служебную информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на секторы и нумерует их. Форматирование низкого

уровня предусматривает и маркировку дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска.

157

Дисковые массивы RAID

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks — избыточный массив недорогих дисков) преследует две основные цели: повысить скорость и/или надежность. При этом несколько запоминающих устройств на жестких дисках объединены в один большой накопитель, обслуживаемый специальным RAID- контроллером. Отличительной особенностью RAID-массивов является то, что в

них используются основанные на введении информационной избыточности методы обеспечения достоверности информации, существенно повышающие надежность работы системы (при обнаружении искаженной информации она автоматически корректируется, а неисправный накопитель в режиме Plug and Play замещается исправным). В качестве концепции компоновки дисковых массивов RAID была впервые представлена в 1987 году инженерами из калифорнийского университета в Беркли, которые описали пять уровней конфигурации RAID (RAID 1-5). Позже к ним были добавлены RAID 0 и RAID 6.

Наиболее распространенные массивы — это RAID 0, 1 и 0+1.

∙RAID 0 (disk stripping), позволяет объединить объем двух дисков в единое целое, так что операционная система будет видеть их и использовать как один физический диск, записывя данные в виде дорожек поочередно на каждом диске массива без контроля четности. Это единственный уровень, не обеспечивающий устойчивость к отказам;

∙RAID 1 позволяет создавать «зеркало», то есть информация пишется сразу как на первый, так и на второй диск, и если первый, основной, диск выйдет из строя, то все данные на втором будут в целости и сохранности. Метод RAID 1 подходит для системных и загрузочных разделов;

∙RAID 0+1 использует одновременно два описанных выше режима (при этом требуется как минимум четыре жестких диска: два сливаются в массив и

два используются для «зеркала»).

Существуют также

∙RAID 2 – использует несколько дисков специально для хранения

контрольных сумм и обеспечивает самый сложный функционально и самый эффективный метод исправления ошибок;

158

∙RAID 3 – включает четыре диска: три являются информационными, а последний хранит контрольные суммы, предназначенные для исправления ошибок в первых трех;

∙RAID 4 и RAID 5 – используют диски, на каждом из которых хранятся свои собственные контрольные суммы;

∙RAID 6 — RAID 5, дополненный резервными дисковыми контроллерами,

вентиляторами, шинами и др.

Современные дисковые массивы могут объединять 160 и более физических дисков любой емкости, формирующих до 320 и более логических дисков; имеют внутренний кэш от 32 до 1000 Мбайт и разъемы для подключения внешних интерфейсов типа SCSI или Fibre Channel. Внутренняя шина контроллера имеет пропускную способность 85 Мбайт/с, при использовании Fibre Channel — до 200 Мбайт/с. Информационная емкость дисковых массивов RAID — от 300 до 15 000 Гбайт. Среднее время наработки на отказ в дисковых массивах RAID — сотни тысяч часов.

Накопители на гибких магнитных дисках

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД, флоппи-дисководы, Floppy Disk Drive, FDD) — устройства, предназначенные для записи и чтения информации с гибких магнитных дисков (ГМД, дискет). Дискеты позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, а также хранить данные, не используемые постоянно на компьютере.

На гибком магнитном диске магнитный слой наносится на гибкую основу. Используемые в ПК ГМД имеют форм-фактор 5,25 дюйма (133 мм) и 3,5 дюйма (89 мм). Емкость ГМД колеблется в пределах от 180 Кбайт до 2,88 Мбайт.

ГМД диаметром 5,25 дюйма помещается в плотный гибкий конверт, а 3,5- дюймовый — в пластмассовую кассету для защиты от пыли и механических повреждений.

Конструктивно ГМД диаметром 133 мм изготавливается из гибкого пластика (лавсана), покрытого износоустойчивым ферролаком, и помещается в футляр- конверт. Дискета имеет 2 прорези: центральное отверстие для соединения с

159

дисководом и смещенное от центра небольшое отверстие (обычно скрытое футляром), определяющее радиус-вектор начала всех дорожек на ГМД. Футляр также имеет несколько прорезей: центральное, чуть больше отверстия на дискете;

широкое окно для считывающих и записывающих магнитных головок и боковой вырез в виде прямоугольника, закрытие которого липкой лентой, например, защищает диск от записи и стирания информации. Дисководы, поддерживающие 5,25-дюймовые диски, считаются устаревшими, на новые компьютеры не устанавливаются и сейчас встречаются крайне редко.

ГМД диаметром 89 мм имеет более жесткую конструкцию, тщательнее защищен от внешних воздействий (для предохранения поверхности магнитного слоя от повреждения окно для считывания-записи информации в нерабочем состоянии закрыто пружинящей шторкой), но, в принципе, имеет примерно те же конструктивные элементы. Режим запрета записи на этих дисках устанавливается специальным переключателем, расположенным в одном из углов дискеты.

Основными компонентами наиболее распространенного 3,5-дюймового флоппи-дисковода являются: дискетная рама, внутрь которой вставляется диск; шпиндельный двигатель, обеспечивающий вращение диска с постоянной скоростью 300 оборотов/мин; блок головок с приводом и плата электроники.

Основные функции управления дисководом реализуются встроенным в материнскую плату контроллером FDD. Он осуществляет кодирование информации, поиск дорожек и секторов, синхронизацию, коррекцию ошибок.

Интерфейс дисковода формирует сигналы выбора устройства (интерфейс IDE для IBM PC позволяет подключать к контроллеру до двух устройств FDD), запуска двигателя (двигатель FDD включается только при обращении к диску, в отличие от двигателя HDD, который вращает диск постоянно), перемещения головок на один шаг и т. д.

Запись информации на диск осуществляется методом MFM (Modified Frequency Modulation — модифицированная частотная модуляция).

160