Глава 6. Внешние запоминающие устройства на магнитных носителях

117

В фазе контроля результата процессор последовательно считывает все указанные в структуре команды байты, и после чтения последнего байта контроллер снова готов к выполнению следующей команды. Первые три байта, считываемые в фазе контроля, представляют собой байты уточненного слова состояния, хранящегося в четырех 8-разрядных адресуемых регистрах РС0 - РО3. Каждый из 26-ти разрядов этих регистров может содержать «1», свидетельствующую о том или ином состоянии НГМД. Например, «1» в третьем разряде регистра РС0 означает «неготовность привода» и обозначается символом NR; 2 разряд РС1 - « не найден сектор»; в 1 разряде PС1 - «попытка записи на защищенный диск (NW); 5 разряд РС2 - «ошибка СRC данных» (DD); 4 разряд РС2 - «ошибка адреса цилиндра» (WC) и так далее.

БИС контроллеров других типов, схожих с рассмотренным контроллером I8272, таких, как VD 37С65, NEC765, UM8398, NEC МРD 765А, различаются наборами команд, имеют встроенный буфер данных FIFO, обеспечивают поддержку страничной организации дорожек, что позволяет использовать их для построения контроллеров НГМД, работающих с дисками емкостью 10 - 20 Мб.

6.6. Накопители на жестких магнитных дисках типа винчестер и их контроллеры

Подсистема дисковой памяти на НЖМД состоит также, как и память на НГМД, из контроллера, собственно накопителя и соединительных кабелей интерфейса. Контроллер вырабатывает команды для накопителя и обеспечивает обмен данными между ним и компьютером.

Большинство компьютеров AT комплектуются комбинированными контроллерами НЖМД/НГМД и всеми необходимыми кабелями.

Структурная схема НЖМД для персональных компьютеров приведена на рис. 6.16. В настоящее время существует широкая номенклатура НЖМД, отличающихся используемым интерфейсом, физическими размерами, быстродействием и надежностью. Первоначально такие накопители включали два диска емкостью по 30 Мб, составлявших единый блок. Результирующая емкость получаемого НМД обозначалась цифрами 30/30, подобно калибру охотничьего ружья «винчестер». Отсюда и возникло название НЖМД винчестер.

Головки	Позиционер
	Данные	Управление		Данные
			Тракт
		выбором	чтения/		и
		головок	записи
					н
					т
					е
	Сервоимпульсы				р
					ф
S					е
			Схема		й
				Индекс
					с
			выделения
Шпиндельный			индекса		д
двигатель		Логика			и
			Логика		с
	позиционирования
					к
	От		дорожки
	датчиков		защиты		о
Управление	Холла				в
шпиндельным				Упр.	о
					д
двигателем		Логика
					а
	Контроль	управления
	ошибок		Состояние
	Рис. 6.16. Структурная схема НЖМД типа винчестер

Глава 6. Внешние запоминающие устройства на магнитных носителях

118

Емкость современных НЖМД составляет от 20 Мб до нескольких Гб. Другая важная характеристика накопителя - время произвольного доступа tдост, необходимое для того, чтобы начать обмен данными после получения запроса от компьютера. Оно определяется тем, насколько быстро перемещаются МГ (tпозиц) и как организовано хранение данных на дисках:

tдост=tпозиц+tожид,

где tожид - время подхода к установленным МГ нужного сектора. Среднее время позиционирования НЖМД, предназначенных для ПЭВМ, имеет значения: для XT 40 - 65 мс, для AT 28

- 40 мс, для 386 12-28 мс.

Еще один показатель быстродействия накопителя - скорость передачи данных V бит/с (Бод). Она определяется методом кодирования (FM, MFM, RLL) и используемым интерфей-

сом. Максимальная скорость считывания данных из накопителя:

Vмакс=ω N n m бит/с,

где ω - скорость вращения диска (число оборотов в секунд); N - число секторов на дорожке; n - количество байтов в секторе; m=8 бит.

Влюбых накопителях, используемых в ПЭВМ, скорость вращения (3600 об/мин) и количество байтов в секторе (512) одинаковы. Следовательно, максимальная скорость передачи данных НЖМД определяется в основном количеством секторов на дорожку, поскольку все другие факторы фиксированы. Так, например, любой накопитель с 17 секторами на дорожку будет иметь строго определенную скорость передачи данных 4177920 бит/с.

Однако не все контроллеры могут работать с такой скоростью, так как контроллеру и процессору требуется время на запоминание считанной информации, и они не успевают за непрерывно вращающимся диском и передвигающимися секторами. Для преодоления этого недостатка в НЖМД применяется чередование нумерации секторов (INTERLIVE). Например, при чередовании 1:3 сектора на диске нумеруются в следующем порядке: 1, 7, 13, 2, 8, 14, 3 и т.д. Таким образом, фактор чередования показывает, за какое количество оборотов может быть считана информация с дорожки.

Внастоящее время наибольшее распространение получили дисководы 5,25-дюймо- вые и 3,5-дюймовые, как и дисководы НГМД. Благодаря же более высокой скорости вращения дисков и надежной защите от пыли плотность записи на жестких дисках в 20-30 раз превышает плотность записи на гибких магнитных дисках.

Впакете дисков одна из поверхностей освобождается от использования для запоминания данных, и на нее в заводских, условиях записывается специальная информация. Зта поверхность, называемая сервоповерхностью (DSS, от dedicated servo surface), содержит индексные метки, указывающие позиции дорожек. Этот метод записи называется «выделенная запись сервосигналов». Иногда сервоинформацию записывают на поверхности вместе с данными между дорожками. Специальные датчики на головке чтения/записи следят за серводанными, и сервосистема подводит головки к середине дорожки в случае их отклонения. Такой метод называется «встроенная запись сервосигналов».

Электронные схемы управления шпиндельным двигателем и механизмом позиционирования, тракты записи/чтения, схемы формирования сигналов от датчиков, а также схемы сопряжения с интерфейсом размещены на интерфейсной печатной плате. Основные характеристики наиболее распространенных НЖМД типа винчестер приведены в приложении. Надежность функционирования накопителей, характеризующаяся средним временем наработки между отказами Тн (МBТF), составляет 20000 - 50000 часов.

Внастоящее время для обеспечения информационной совместимости при обмене информацией между НЖМД и ПЭВМ используются интерфейсы четырех типов:

- ST 506/412;

- усовершенствованный интерфейс малых устройств ESDI; - интерфейс малых вычислительных машин SCSI;

- интерфейс встроенных дисковых накопителей IDE.

Глава 6. Внешние запоминающие устройства на магнитных носителях

119

Стандарты DIN (Deutsche Industrie Norm), ЕСМА (European Computer Manufactures Association), ISO (International Standart Organisation) определяют следующие элементы ин-

терфейса: принципы физического подключения устройств; временные соотношения и протокол обмена по шине; набор команд подключаемых устройств. (Протокол обмена определяет структуру, которую должно иметь сообщение для сопряжения периферийного оборудования с центральными устройствами ВС).

Воснову интерфейса SТ 506/412 легли два других: SА 450, применяемый для 5,25дюймовых НГМД, и S1000 - для 8-дюймовых НЖМД. Этот интерфейс рассчитан на максимальную скорость передачи 5 Мбит/с. Для увеличения скорости передачи и размещения большего объема информации на диске используется методика сжатия информации RLL (Run Length Limited). Количество секторов на дорожке при RLL-методе увеличиваетcя до 25-26, то есть информационная емкость накопителя увеличивается на 50%, скорость же передачи повышается до 7,5 Мбит/с.

Втечение длительного времени интерфейс вполне соответствовал своему назначению. Жесткий диск совместно с этим интерфейсом осуществлял передачу данных быстрее, чем компьютер мог их отработать. С момента появления процессоров серии 386 с тактовой частотой 25 мГц интерфейс SТ 506/412 стал узким местом в системе.

Более производительный и надежный интерфейс ESDI был создан как усовершенствованная версия интерфейса ST 506. Здесь применен новый метод записи NRZ и более эффективной способ декодирования данных, что позволило вдвое увеличить плотность записи - 36 секторов на дорожку. Самое существенное отличие ESDI состоит в том, что функции разделителя данных были перенесены из контроллера в накопитель. ЕSDI обеспечивает скорость передачи данных НЖМД до 24 Мбит/с.

Оба рассмотренных интерфейса передают информацию последовательно, побитно. Интерфейс малых компьютерных систем SCSI представляет собой параллельный интерфейс, разрешающий побайтную пересылку данных, что позволяет повысить скорость обмена данными до 40 Мбит/с. Интерфейс позволяет подключить к одной шине до 8-ми различных периферийных устройств, которые могут взаимодействовать друг с другом. Для сопряжения шины контроллера и шины SCSI используется НОSТ-адаптер - главный адаптер шины SCSI. Система повышенной сложности может содержать более одного HOST-адап- тера (рис. 6.17).

Вкаждый момент времени обмен данными по шине могут вести только два любых устройства, в том числе и периферийные. НОSТ-адаптер содержит аппаратные и программные средства, необходимые для подключения к шине SCSI устройства-инициатора обмена и для сопряжения с системной шиной компьютера.

Адаптеры SCSI берут на себя функции управления накопителем, а осуществляют лишь передачу накопителю запросов на чтение/запись. Установленные в накопитель контроллеры интерпретируют запросы SCSI в команды накопителя. Высокопроизводительные контроллеры, устанавливаемые в накопители, могут выполнять оптимальное чередование и допускают использование КЭШ-памяти, Интерфейс стандарта SCSI выполняет каждую команду в два этапа: на первом этапе HOST-адаптер преобразует команды операционной системы в команды формата SCSI, на втором этапе контроллер НЖМД осуществляет преобразование команд шины SCSI в сигналы управления накопителем.

С появлением малогабаритных ПЭВМ большое значение стали иметь габариты дисковода и контроллера, и в 1988 году был разработан интерфейс IDE (Intelligent Drive Electronics) как недорогая альтернатива интерфейсам ESDI и SCSI. Его отличительная особенность - реализация функций контроллера в накопителе, благодаря чему повысилась общая производительность системы. Большинство IDE дисков форматируется на 34 и более секторов и имеет чередование 1:1.

Глава 6. Внешние запоминающие устройства на магнитных носителях

120

ш			Контроллер	НЖМД
и				ST 506
			ST 506/412
н
а		HOST
к		адаптер	SCSI	НЖМД
		SCSI	Контроллер	ESDI
о			ESDI
н	ш
т
р	и		Контроллер	НГМД
о	н
л	а		НГМД
л	к	HOST
е
р	о	адаптер	SCSI
а	н	SCSI	Контроллер	НМЛ
	т		НМЛ
1	р
	о
	л		Контроллер
	л
			SCSI
	е
	р		Приборный
	а
			интерфейс
	2

Рис. 6.17. Интерфейс малых компьютерных систем SCSI

Выбор того или иного интерфейса определяется теми задачами, которые должна решать ВС. В минимальной конфигурации используется винчестер с интерфейсом ЗТ 506/ 412, как самый простой и дешевый. Промежуточным вариантом для средней конфигурации может быть винчестер с интерфейсом IDE. В больших конфигурациях предпочтение отдается винчестеру с интерфейсом ESDI, как наиболее быстрому. Но если в конфигурации имеются другие устройства с интерфейсом SCSI, то имеет смысл применять винчестер с интерфейсом SCSI. Различия в аппаратном обеспечении интерфейсов НЖМД видны из рис. 6.18.

Контроллеры НЖМД в отличие от контроллеров НГМД имеют более сложную структуру, что объясняется расширением и усложнением функций, возложенных на контроллеры НЖМД. Для разгрузки ПЭВМ от рутинных операций в контроллере предусмотрено микропрограммное управление накопителем, прямой доступ к памяти ПЭВМ, буферизация считанных и записываемых данных, процедура повышения достоверности считываемой информации (повторение операции чтения или коррекция считанных данных). Структурная схема контроллера НЖМД, приведена на рис. 6.19. Контроллер управляется программой, записанной в ПЗУ (ROM BIOS).

Усилитель

Пиковый

Импульсный

Сепаратор

Контроллер

I/O порт

детектор

формирователь

данных

драйвера

Устройство

Шпиндель

позициони-

ФАПЧ

ROM

двигателя

рования

ST 506

КЭШ

ESDI

память

SCSI, IDE

Рис. 6.18. Составные узлы НЖМД при использовании различных интерфейсов

Глава 6. Внешние запоминающие устройства на магнитных носителях

121

с			ROM		данные		с
					BUFF
и			BIOS				и
	адрес
с		Дешифратор					с
т					данные		т
е							е
м		Элементы			управление		м
н			Логика				н
а		конфигурации					а
	управление		управления	D.A.
я							я
ш					Буфер		ш
		DS		R/W	сектора
и							и
н			CS		RAM		н
а							а
		AD0-7
и							и
н	RMFM1	RDATA	Разделитель		WDATA		н
т	RMFM1						т
е			данных				е
р	RMFM2	данные	Схемы				р
ф	RMFM2		записи				ф
е							е
й	состояние	Локальный	CLOCK		МикроЭВМ	HS	й
с		контроллер			Управляющий		с
д		диска			процессор		д
и							и
с							с
к							к
а							а
		Рис. 6.19. Структурная схема контроллера НЖМД

Схема управления контроллером содержит в качестве управляющего процессора однокристальную микроЭВМ, которая вырабатывает сигналы управления локальным контроллером, схемой записи информации, схемой разделения данных, а также буфером сектора. Благодаря наличию однокристальной микроЭВМ, при включении питания осуществляется автономная проверка контроллера.

Однокристальный локальный контроллер диска в соответствии с командами, принятыми по системной шине от ПЭВМ, вырабатывает сигналы управления и через интерфейс передает их в накопитель. Совместно с разделителем данных локальный контроллер участвует в кодировании и декодировании данных. Задачи обнаружения и, если это возможно, коррекции ошибок чтения также возложены на локальный микроконтроллер.

Буфер сектора RAM применяется для согласования скоростей передачи накопителя и системной шины.

Как видно из структурной схемы, одним из основных узлов является локальный контроллер. Существует большое число типов локальных контроллеров. Наиболее характерным из них является однокристальный микроконтроллер типа WD 2010, он совместим с большинством микропроцессоров с 8-разрядной шиной данных и обеспечивает скорость передачи до 5 Мбайт/с.

Контроллер типа Xebec 12210 объединяет в себе функции контроллера НЖМД и НГМД. Для РС AT систем используются контроллеры фирмы Western Digital: WD 1002-WА2 применяется как комбинированный контроллер НЖМД и НГМД. Он обеспечивает МFM кодирование, чередование 2:1.