42. Накопители информации. Накопители на гибких магнитных дисках, конструктивные особенности. Накопители на жестких магнитных дисках, конструктивные особенности, характеристики, формат записи.
Накопители информации используются для записи и долговременного хранения любой информации, которая может быть востребована в любое время для решения различных задач. Бывают :
- накопители на гибких магнитных дисках;
- накопители на жестких магнитных дисках;
- накопители на оптических дисках;
накопители на кассетной магнитной ленте – стримеры.
Накопители на гибких магнитных дисках - НГМД.
Любой накопитель состоит из головок чтения/записи, привода головок, который представляет собой шаговый двигатель, двигатель привода, логической платы, разъема питания дискового накопителя, кабеля данных и управления, лицевой панели с индикатором.
а) Головка чтения/записи.
В современных НГМД используется двухсторонняя запись, поэтому в дисководе имеется 2 головки записи/чтения.
Головка «0» является нижней, а «1» - верхней. Причем верхняя смещена относительно нижней на 4 или 8 дорожек ближе к центру. Головки перемещаются одновременно за счет привода головок по прямой линии и устанавливаются над различными дорожками. Сами головки представляют собой электромагнитные катушки с сердечниками из мягкого сплава железа. Головка записи/чтения расположена между 2 головками туннельной подчистки, поэтому метод записи называется туннельной подчисткой. Его суть заключается в том, что сначала записываются дорожки определенной ширины, а затем края дорожек стираются, чтобы предотвратить взаимное влияние соседних дорожек и искажение информации. Считывание и запись информации происходит путем установления головки относительно необходимой дорожки. При этом используется контактный способ, для чего головки снабжены прижимными пружинами, которые обеспечивают небольшое давление. Т. к. скорость вращения диска небольшая , то это давление не вызывает проблем с трением. Для правильной записи и чтения информации головки должны находиться в непосредственном контакте с диском. Если будет зазор, то будут ошибки. Проблемы могут возникать и при попадании на головки пыли, грязи, из-за отпечатков пальцев на диске и т.д.
б) Привод головок.
Это устройство, которое заставляет головки записи/чтения двигаться над поверхностью диска. В качестве привода используется шаговый двигатель, который осуществляет перемещение в обоих направлениях шагами. Шаг обеспечивается поворотом двигателя на определенный угол, после чего он останавливается. Перемещение осуществляется между двумя ограничителями. каждый шаг определяет дорожку на диске т.к. шаг поворота двигателя соответствует расстоянию между дорожками. Управляет двигателем контроллер от которого двигателю поступают сигналы позиционирования. Шаговый двигатель поворачивается из одного крайнего положения в другое, приблизительно, за 0,2 сек. Это время используется для определения среднего времени доступа к дисководу – это среднее время перемещения головок с одной дорожки на другую.
в) Двигатель привода диска.
Этот двигатель предназначен для вращения диска в накопителе. Скорость вращения зависит от типа дисковода ( 300 обор/мин. ). В современных дисководах используется система прямого привода, что обеспечивает необходимую надежность, компактность и дешевизну. Кроме того в отличии от ременной передачи, в прямой используется автоматическая установка скорости.
г) Плата управления ( логическая плата ).
Эта плата содержит схемы управления приводом головок, головок записи/чтения, вращающимся двигателем, датчиками диска и т.д. Осуществляет взаимодействие дисковода и платы контроллера в ПК. Во всех дисководах НГМД для ПК используется интерфейс SA-400. Благодаря этому любой отдельный дисковод можно подключить к этому контроллеру.
д) Разъемы.
Практически любой дисковод имеет два разъема: для электропитания и для передачи сигналов управления и данных к дисководу и от него.
Для электропитания – 4х контактный линейный разъем ( Mate-N-Lock ) большого либо малого размера. Порядок нумерации в этих разъемах отличается направлением счета.
По кабелю подается питание +5В, +12В. Остальные провода – общие.
Для передачи данных и сигналов управления используется 34-х контактный разъем (шлейф). В некоторых дисководах он может использоваться и для питания и для передачи сигналов управления и данными.
е) Контроллер дисководов.
Контроллер дисководов – это набор микросхем, которые устанавливаются на отдельной плате или на материнской плате ПК и служат интерфейсом между дисководами гибких ( жестких, оптических ) дисков и системой. Если используется отдельная плата, то она устанавливается в отдельный слот расширения на системной плате. В современных ПК контроллер на материнской плате. Одна плата может обслуживать 4 дисковода.
Основные характеристики дисководов:
1. Информационная емкость – определяет наибольшее количество единиц данных, которые могут одновременно храниться на диске. Зависит от типа носителя, его объема, площади и плотности записи. Плотность записи – это степень использования поверхности диска. Бывает поперечная и продольная. Продольная определяет количество бит приходящихся на единицу длины носителя в направлении записи на дорожку. Поперечная определяет число дорожек, приходящихся на единицу длины носителя в направлении перпендикулярном направлении записи. Общая плотность записи определяется как произведение этих двух плотностей.
2. Время обращения – это интервал времени от момента посылки запроса на обмен информацией, до момента записи или считывания с диска. Включает в себя время поиска информации на диске и время непосредственного считывания или записи.
3. скорость передачи – определяет количество данных, считываемых или записываемых на диск в единицу времени. Зависит от скорости вращения диска, плотности записи, числа каналов и т.д.
Кроме этих характеристик учитываются характеристики носителей: емкость, количество сторон, количество дорожек на стороне, количество секторов на дорожке, размер сектора.
Конструкция гибких дисков.
Самыми распространенными являются дискеты 3,5 дюйма ( 5,25 устарели и почти не используются ). Рассмотрим их конструкцию.
Ранние диски 5,25 дюйма имели ряд недостатков: мягкий конверт, что уменьшает защищенность дискеты от механических повреждений; постоянно открытое отверстие для доступа головки к диску, что приводит к быстрому загрязнению диска, меньшая емкость.
Диски 3,5 дюйма помещены в жесткий футляр, увеличивая их защищенность от механических повреждений. Предусмотрена защита от попадания грязи на поверхность диска - металлическая заслонка, которая открывает отверстие доступа к диску только тогда, когда диск вставлен в дисковод. Ключ позиционирования для того, чтобы правильно вставить диск в дисковод. Заслонка защиты от записи позволяет защитить данные на диске от перезаписи. Отверстие датчика высокой и сверх высокой плотности записи позволяет изменять плотность записи.
Накопители на жестких магнитных дисках – НЖМД.
Принцип работы НЖМД.
Работает по тому же принципу, что и НГМД. Данные записываются и считываются универсальными головками с поверхности вращающихся магнитных дисков , которые разбиты на дорожки и сектора. В накопителе устанавливается несколько дисков ( от 2 до 15 ) которые образуют пакет. Данные записываются на каждый диск с обоих сторон. Дорожки расположенные по разные стороны диска и имеющие один радиус образуют цилиндр. Каждая сторона имеет свою дорожку записи/считывания. Все диски смонтированы на одном стержне, поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются синхронно.
Скорость вращении жестких дисков намного больше ( 3600, 5600, 7200 об/мин. , ), чем у гибких . Благодаря этому и другим факторам у НЖМД больше скорость обмена данными, чем у гибких.
Запись и считывание происходит бесконтактным способом т.е. головки во время работы не касаются поверхности диска. Но при выключении питания и остановке дисков головки опускаются на них. Если во время работы в зазор между головкой и диском ( воздушная подушка ) попадет соринка или произойдет сотрясение, то головка столкнется с диском. Как следствие может произойти потеря части информации на диске или полный выход из строя дисковода. Для увеличения защиты от этого диск смазывают специальными смазками, которые способны выдержать ежедневные взлеты и падения головок и потрясения.
Конструкция НЖМД.
Все типы НЖМД имеют одни и те же составные части: диски, головки записи/чтения, механизм привода головок, двигатель привода дисков, плата управления, кабели и разъемы, элементы конфигурации ( перемычки и переключатели ).
а) Диски являются одним из важных узлов накопителя. Выполнены в виде круглых алюминиевых или некристаллических стекловидных пластин. В большинстве современных носителей используется алюминий, но сейчас идет внедрение стеклянных или керамических дисков, т.к. они обладают большей прочностью и менее восприимчивы к перепадам температур. Независимо от материала диска его покрывают тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочий или магнитный. Емкость одного диска может достигать до 20 Гбайт. В одном носителе может быть пакет из нескольких дисков.
б) Головки чтения/записи.
Расположены по обе стороны диска. Смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно. При раскрутке дисков под головками повышается аэродинамическое давление и они поднимаются над поверхностью. В состоянии покоя слегка прижимаются к дискам пружинками.
Бывают следующие типы головок:
- Ферритовые. Имеют большие размеры – устарели. Располагались далеко от поверхности диска, что определяло небольшую его емкость .
- С металлом в зазоре. В свое время полностью вытеснили ферритовые. Ближе к поверхности диска, больше емкость, лучше сигнал-шум.
- Тонкопленочные, производятся по той же технологии что и микросхемы. Ближе к диску, больше емкость, еще лучше соотношение сигнал-шум, можно разместить больше дисков в пакете.
- Магниторезисторные. Новые. У накопителей с такими головками самые высокие значения плотности записи и быстродействия. Эти головки используются в накопителях емкостью больше 1 Гбайта. Состоит из двух частей: записывающей ( тонкопленочная головка) и ститывающей ( магниторезисторная ).
в) Привод головок как и у НГМД отвечает за позиционирование головок над дорожкой или цилиндром. Есть 2 типа привода: с шаговым двигателем ( аналогичен приводу с шаговым двигателем как у НГМД ) и с подвижной катушкой. Привод с подвижной катушкой применяется во всех высококачественных накопителях. В отличии от 1 типа, где позиционирование осуществляется вслепую, в этих используется сигнал обратной связи, который помогает определить положение головок относительно дорожек и скорректировать его если надо. Этим обеспечивается высокое быстродействие, точность и надежность.
Приводы с подвижной катушкой делятся на линейные и поворотные. При линейном перемещение головок осуществляется по прямой линии, строго вдоль радиуса диска. Недостаток - массивность конструкции из-за чего уменьшается производительность. Поэтому большую популярность приобрели поворотные приводы. В них концы рычагов головок крепятся к подвижной головке и при ее движении они перемещаются к оси или концу диска. Конструкция много легче, а быстродействие выше.
г) Имеется два фильтра: один для очистки атмосферы внутри блока от небольших частиц рабочего слоя дисков, второй для очистки поступающего снаружи воздуха, который необходим для выравнивания давления внутри блока.
д) Двигатель привода дисков – для раскручивания дисков накопителя.
е) Ползунок – для поддержания головок над поверхностью диска на определенном расстоянии.
з) Плата управления имеет те же функции, что и у НГМД.
ж) Разъемы питания аналогичны разъемам НГМД.
Характеристики НЖМД.
Тип привода и способ парковки ( говорилось выше ).
Надежность – это время между сбоями в работе изделия ( в среднем 2048 часов).
Быстродействие – оценивается тремя параметрами: среднестатистическим временем поиска, средним временем доступа, скоростью передачи данных.
Время поиска – это время, за которое головки перейдут с одного цилиндра на другой. Среднее время доступа отличается от времени поиска тем, что учитывает запаздывание – это время за которое нужный сектор встает под головки. Скорость передачи данных - это кол-во данных, которые может передать накопитель за определенный промежуток времени.
Помимо этого на быстродействие влияет коэффициент чередования секторов, который показывает, через какое количество физических секторов следует порядковый номер сектора. Коэффициент чередования может быть 1:1 , 3:1.
При коэффициенте чередования 1:1 логические номера секторов совпадают с физическими. Это приводит к низкому быстродействию. Например: от контроллера пришла команда считать данные со всех 16 секторов дорожки. Когда головки станут на нужную дорожку, необходимо дождаться когда под них подойдет необходимый сектор 1, т.е. идет задержка. После подхода нужного сектора начинается считывание данных, которые потом отправляются в контроллер для обработки, а затем передаются в материнскую плату. Пока идет обработка данных сектора 1 диск крутится, и когда контроллер будет готов к считыванию данных сектора 2, этот сектор уже пройдет головки. Необходимо снова ждать, когда сектор подойдет под головки снова и т.д. таким образом будут считаны данные со всех секторов, что увеличивает время задержки и уменьшает быстродействие.
При коэффициенте чередования 3:1 логическая нумерация не соответствует физической. При считывании информации со всех секторов дорожки произойдет следующее. После считывания данных сектора 1, они отправятся в контроллер и затем далее в материнскую плату. К тому моменту, когда контроллер будет готов к считыванию данных с сектора 2, тот как раз подойдет под головку. Таким образом время задержек уменьшится, а быстродействие увеличится.
Формат записи НЖМД.
Перед использованием весь диск разбивается на концентрические дорожки, которые в свою очередь разбиваются на сектора. Перед тем как записать информацию на диск, в его сектора заносится служебная информация, которая позволяет быстро найти нужный сектор и считать с него информацию.
Каждая дорожка начинается со своего физического начала, которое определяется сигналом «индекс». После идут сектора, которые разделены интервалами. В них никакая информация не записывается. Каждый сектор делится на три поля:
Адресный маркер – код, указывающий на начало сектора.
Идентификатор – поле сектора, которое содержит служебную информацию.
Поле данных – поле сектора, содержит полезную информацию.
Все эти поля разделены интервалом. Каждое поле делится на несколько полей. Поле идентификатора состоит:
Синхробайт – для синхронной и синфазной работы адаптера.
Байт сравнения- для правильного считывания данных с сектора.
Адрес сектора- идентифицирует сектор. Содержит номер цилиндра, номер головки и номер сектора.
Байт флага – определяет состояние дорожки ( основная или запасная, исправная или дефектная).
Контрольные байты – для контроля ошибок считывания информации.
Форматирование дисков.
Есть форматирование физическое и логическое.
Поверхность диска представляет собой лишь магнитное покрытие, абсолютно не готовое к работе. Чтобы управляемая головка записи/чтения могла правильно ориентироваться на диске, его необходимо разметить на дорожки, а их на сектора. Процесс такой разметки , состоящий в записи на его поверхность секторных меток и идентификационных номеров, называется физическим форматированием.
Для подготовки диска к работе на него еще необходимо записать специальные данные. Для жестких дисков необходимо ввести информацию о логическом делении. Все остальное делается автоматически программами высокоуровневого или логического форматирования.