Краткие теоретические сведения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА АО-5

НАКОПИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ

Цель занятия

Освоение принципов построения накопителей на жестких и гибких магнитных дисках

 

Краткие теоретические сведения

Устройства хранения данных относятся к внешней памяти ПЭВМ – они позволяют сохранить информацию для последующего ее использования независимо от состояния (включен или выключен) компьютера. В зависимости от принципа, применяемого при организации хранения данных, различают следующие типы накопителей:

– накопители с использованием магнитного принципа хранения: накопители на гибком, жестком магнитных дисках, накопители на магнитной ленте (стримеры);

– накопители с использованием оптического принципа хранения данных: оптические диски;

– накопители с использованием электрического принципа: полупроводниковые микросхемы.

Уделим основное внимание принципам организации хранения данных, с помощью которых строятся накопители на гибких (НГМД), жестких (НЖМД) магнитных дисках, а также оптических дисках.

Накопитель на магнитных дисках удобно использовать для иллюстрации принципов работы устройств хранения, принципов взаимодействия с такими устройствами, а также функций, выполняемых их контроллерами. Иные устройства с подвижными носителями можно рассматривать как вариации накопителя на магнитных дисках: возможны другие принципы функционирования и конструкции головок чтения-записи (оптические с лазерами и фотоприемниками), особенности системы позиционирования. Схематически устройство классического дискового накопителя приведено на рис. 1.

 

 

Рисунок 1. Устройство дискового накопителя.

 

Носителем информации является диск (один или несколько), на который нанесен слой вещества, способного намагничиваться (чаще всего ферромагнитный). Хранимую информацию представляет состояние намагниченности отдельных участков рабочей поверхности. Диски вращаются с помощью двигателя шпинделя, обеспечивающего требуемую частоту вращения в рабочем режиме. На диске имеется индексный маркер, который, проходя мимо специального датчика, отмечает начало каждого оборота диска. Информация на диске располагается на концентрических треках (дорожках), нумерация которых начинается с внешнего трека. Каждый трек разбит на секторы фиксированного размера. Сектор и является минимальным блоком информации, который может быть записан на диск или считан с него. Нумерация секторов начинается с единицы и привязывается к индексному маркеру. Каждый сектор имеет служебную область, содержащую адресную информацию, контрольные коды и область данных, размер которой традиционно составляет 512 байт. Если накопитель имеет несколько рабочих поверхностей (на шпинделе может быть размещен пакет дисков, а у каждого диска могут использоваться обе поверхности), то совокупность всех треков с одинаковыми номерами составляет цилиндр. Для каждой рабочей поверхности в накопителе имеется своя головка, обеспечивающая запись и считывание информации. Головки нумеруются, начиная с нуля. Для того, чтобы произвести элементарную операцию обмена – запись или чтение сектора – шпиндель должен вращаться с заданной скоростью, блок головок должен быть подведен к требуемому цилиндру, и только когда требуемый сектор подойдет к выбранной головке, начнется физическая операция обмена данными между головкой и электронным блоком накопителя. Контроллер накопителя выполняет сборку и разборку блоков информации (секторов или целых треков), включая формирование и проверку контрольных кодов, осуществляет модуляцию и демодуляцию сигналов головок и управляет всеми механизмами накопителя.

2.2.1. Накопители на гибких магнитных дисках

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД, англ. «Floppy Disk Drive» – FDD) применялись с первых моделей ПЭВМ, у которых они были единственным средством хранения и переноса информации. Устройство НГМД полностью соответствует рис. 8. Носителем информации является гибкий майларовый диск (дискета), на который нанесен ферромагнитный слой. В настоящее время наиболее распространенными являются накопители 3,5" и дискеты с форматированной емкостью 1,44 Мбайт. Многофазные шпиндельные двигатели современных накопителей совместно с платой электроники поддерживают требуемую частоту вращения 360 об/мин. В качестве привода позиционирования головок на нужный цилиндр в НГМД применяют шаговые двигатели. Эти двигатели под действием серии импульсов, подаваемых на их обмотки, способны поворачивать свой вал на определенный угол. Этот угол кратен минимальному шагу, определяемому конструкцией двигателя. Поворот вала двигателя на один шаг приводит к перемещению блока головок на один цилиндр. С точки зрения теории автоматического управления, привод с шаговым двигателем является разомкнутой системой. Такая система, к сожалению, не позволяет корректировать ошибки позиционирования, вызванные, например, температурным изменением размеров дисков.

Выход на нулевую дорожку определяется по датчику нулевого цилиндра, которым обычно является оптоэлектронная пара с флажком, связанным с блоком головок. Для накопителей со сменными носителями положение нулевого цилиндра существенно – чтобы обеспечить их совместимость, оно должно совпадать у всех устройств.

Головки записи считывания – индуктивные. Головка с нулевым номером располагается снизу диска, первая головка – сверху. В нерабочем положении головки подняты над поверхностью диска на несколько миллиметров, а в рабочем прижимаются к поверхности диска пружинами.

На плате электроники, установленной в корпусе НГМД, расположены только схемы управления двигателями, усилители-формирователи сигналов записи/считывания и формирователи сигналов от датчиков. Контроллер гибких дисков обычно размещается на системной плате компьютера или же вынесен на специальную карту расширения. НГМД подключается к контроллеру через специальный стандартный интерфейс. Все сигналы являются логическими уровнями ТТЛ, активный уровень – низкий.

2.2.2. Накопители на жестких магнитных дисках

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, англ. «Hard Disk Drive»), являются главными устройствами дисковой памяти большинства современных ПЭВМ.

Принципиально конструкция НЖМД соответствует рис. 2.

Рисунок 2. Структура жесткого диска

 

Логический диск – это совокупность секторов с последовательно нарастающими номерами. Самый первый сектор логического диска называется загрузочным (англ. «boot sector»). Дополнительно может содержаться программа загрузки операционной системы. Если на диске с загрузчиком содержаться и сами файлы операционной системы (ОС), что обеспечивает возможность загрузки этой ОС на компьютер, такой диск называется системным.

Физический жесткий диск может быть разбит на несколько разделов (англ. «partition»). Информация о структуре диска – таблица разделов (англ. «partition table») – хранится в главной загрузочной записи (англ. «Master Boot Record», MBR), находящейся в общеизвестном месте – цилиндр 0, головка 0, сектор 1. В начале этого сектора располагается программа главного загрузчика (англ. «master boot»), а за ней – таблица разделов, содержащая четыре описателя разделов. Разделы, как правило, начинаются точно на границе цилиндра (координаты N, 0, 1), поскольку под нулевой головкой расположен сектор с MBR. Заканчиваться разделы должны на границе цилиндра, что позволяет через номера конечной головки и конечного сектора определить число головок и секторов на треке.

Обратимся к конструкции НЖМД. В качестве привода шпинделя используют, как правило, трехфазные синхронные двигатели. Схема управления двигателем обеспечивает пуск и останов шпинделя, а также поддерживает требуемую скорость с довольно высокой точностью. Шпиндельный двигатель является основным потребителем мощности по шине +12 В.Скорость вращения шпинделя составляет 4500, 5400, 7200 об/мин. Самые быстрые винчестеры имеют скорость 10000 и даже 15000 об/мин.

Пластины жестких дисков обычно изготавливают из алюминиевых сплавов, иногда из керамики или стекла. Рабочий магнитный слой основан на оксиде железа или оксиде хрома. Емкость одной пластины винчестера формата 3,5" уже достигла 160 Гбайт, и это не предел.

Традиционно для записи и считывания информации используются магнитные головки, представляющие собой миниатюрные катушки индуктивности, намотанные на магнитном сердечнике с зазором. Первые индуктивные головки содержали проволочные обмотки, их сменили головки, выполненные по тонкопленочной технологии. В современных накопителях часто применяют магниторезистивные головки, основанные на эффекте анизотропии сопротивления полупроводников в магнитном поле.

Головки винчестеров поддерживаются на микроскопическом расстоянии от рабочей поверхности аэродинамической подъемной силой. При «падении» головки на рабочую поверхность, которое произойдет, если диск остановится, можно повредить как головку, так и поверхность диска. Чтобы этого не происходило, в нерабочем положении головки паркуются – отводятся в нерабочую зону, где допустимо их «приземление».

Для позиционирования головки на требуемый цилиндр в современных накопителях применяют привод с подвижной катушкой. Этот тип привода называют еще соленоидным. В таком приводе блок головок связан с катушкой индуктивности, помещенной в магнитное поле постоянного магнита. При протекании тока через катушку на нее начинает действовать сила, пропорциональная силе тока, которая вызывает перемещение катушки, а следовательно, и блока головок. Современные накопители ПЭВМ выполнены с использованием поворотного привода. Управляя направлением и силой тока в соленоиде, можно быстро перевести блок головок в любое положение – произвольное, а не по фиксированным шагам. Но в такой системе позиционирования необходима обратная связь – информация о текущем положении головок, по которой контроллер может управлять приводом. Этот привод точного позиционирования носит наименование сервопривода.

Источником информации, используемой в канале обратной связи при управлении приводом головок, служат так называемые сервометки. Со

Создаваемые в процессе производства, в процессе эксплуатации сервометки только считываются. По месту размещения различают накопители с выделенной сервоповерхностью и со встроенными сервометками. В первом случае в пакете дисков выделяется одна поверхность, используемая исключительно для хранения сервометок, и соответствующая ей головка является сервоголовкой. Ошибка позиционирования в такой системе может возникать вследствие изменения взаимного положения (перекоса) головок в блоке. В накопителях со встроенными сервометками информация для сервопривода записывается на рабочих поверхностях между секторами с данными. Однако из-за такого размещения сервоинформация доступна только дискретно с периодичностью в один оборот диска, что при скорости 3600 об/мин составляет 16,6 мс. Преимущество встроенных сервометок в том, что они обеспечивают компенсацию любых изменений в геометрии, поскольку система наводит головки именно по тому треку, к которому выполняется доступ. Существуют накопители с гибридной сервосистемой, где помимо выделенной сервоповерхности используются сервометки, размещенные на рабочих поверхностях.

Помимо блока механики дисковый накопитель должен иметь и блок электроники, управляющий приводами шпинделя и головок, а также обслуживающий сигналы рабочих головок записи-считывания. Контроллером накопителя является электронное устройство, на одной (интерфейсной) стороне которого идет обмен байтами команд, состояния, записываемой и считываемой информацией, а другая его сторона управляет механикой накопителя и процедурами записи-считывания.

После рассмотрения устройства и работы дисковых накопителей перечислим их основные параметры.

Форматированная емкость, Гбайт, Мбайт, представляет собой объем хранимой полезной информации, то есть сумму полей данных всех доступных секторов. Неформатированная емкость представляет собой максимальное количество бит, записываемых на всех треках диска, включая служебную информацию (заголовки секторов, контрольные коды полей данных).

Скорость вращения шпинделя, об/мин, позволяет косвенно судить о производительности (внутренней скорости). Обычной скоростью считается 4500, 5400, 7200 об/мин. Более высокая скорость – 10000 и 15000 об/мин.

Интерфейс определяет способ подключения накопителя. Для накопителей со встроенным контроллером распространены интерфейсы ATA и SCSI (параллельные и последовательные).

Следующая группа параметров – параметры внутренней организации.

Количество физических дисков, или рабочих поверхностей, используемых для хранения данных. Современные накопители с небольшой высотой имеют малое (1-3) количество дисков для облегчения блока головок.

Количество физических головок чтения-записи, естественно, совпадающее с числом рабочих поверхностей.

Физическое количество цилиндров – от нескольких сотен для старых винчестеров, до десятков тысяч для современных накопителей.

Размер сектора – обычно составляет 512 байт.

2.2.3. Оптические диски

В оптических дисках хранение информации основано на изменении оптических свойств (в основном, степени отражения) поверхности носителя. В процессе считывания при освещении трека лазерным лучом возникает модуляция интенсивности отраженного уча, воспринимаемого фотоприемником. В модулированном луче закодирована двоичная информация, размещенная на треке. На этом принципе основаны диски CD, а также DVD.

В компьютер компакт-диск (англ. «Compact Disk», CD)пришел из цифровой аудиозаписи. Аудио компакт-диски, называемые Audio-CD, были разработаны фирмами Sony и Philips в 1982 году. Диаметр компакт диска – 120 мм, толщина – 1,2 мм. Диски имеют одну спиральную дорожку, но, в отличие от грампластинок, начинающуюся от центра диска. Эта спираль имеет 22 188 витков (поперечная плотность – около 600 витков на 1 мм) и длину более 5 км. Область с диаметром 46 – 50 мм является вводной, а область 116 – 117 мм –выводной зоной. Область между этими зонами называется программной.

Для считывания применяют инфракрасный лазер с длиной волны 780 нм (в воздухе). Для выравнивания продольной плотности записи диск вращается с переменной угловой скоростью, а привод обеспечивает постоянство линейной скорости носителя, проходящего под головкой. Диск способен хранить информацию 74 минут звучания стереосигнала с частотой квантования 44,1 кГц и 16-разрядными выборками. На диске используется только одна поверхность.

В таком виде появились и первые компакт-диски, ориентированные на хранение данных, для считывания которых применяются приводы CD-ROM (англ. «Compact Disk Read Only Memory» – компакт диск, предназначенный только для чтения). Спиральный трек CD-ROM начинается с вводной зоны, в которой размещается низкоуровневая таблица содержимого (англ. «Table Of Content», TOC) с координатами начала всех треков и выводной зоны. За ней следует зона данных, которая может содержать до 99 треков. Завершает диск выводная зона. Адресация информации на треке происходит от аудиодисков: адрес информационного блока состоит из номера минуты (0-73), номера секунды (0-59) и номера фракции (0-74). Каждая фракция (блок данных) несет 1/75 секунды аудиоданных: при частоте 44,1 кГц два 16-битных канала требуют 44100х2х2/75=2353 байт. Такой блок на треке записывается как последовательность 98 кадров.

Скорость передачи данных стандартного аудиодиска составляет 75 блоков в секунду, в CD-ROM эта скорость называется 1х и при размере 2048 байт составляет 150 Кбайт/с. Для устройств хранения такая скорость недостаточна, и были определены скорости 2х, 4х, 8х, …, 56х. Более высокая кратность скорости реально обеспечивается только на внешней части спирали.

Приводы CD имеют большую величину времени доступа – 75 – 500 мс; такая медлительность вызывается необходимостью разгона и торможения диска при доступе к различным участкам носителя.

В DVD (англ. «Digital Versatile Disk» – универсальный цифровой диск) нашли свое развитие принципы CD, направленные на повышение плотности хранения и скорости передачи информации. Эти диски имеют те же внешние размеры, что и CD, однако представляют собой конструкцию из двух пластин. Для повышения емкости ширина трека и продольный размер битовой ячейки уменьшены примерно вдвое, снижены издержки, связанные с избыточностью кодов коррекции ошибок. Кроме того, могут использоваться две стороны диска, а на каждой стороне информация может храниться в двух слоях, таким образом, один диск может иметь уже четыре рабочих слоя. Для считывания DVD требуется лазер с длиной волны 635/650 нм. Изменены системы канального (применяются 16-разрядные коды) и избыточного кодирования.

Каждая пластина DVD может быть как однослойной (аналогичной по конструкции диску CD), так и двухслойной. В двухслойной пластине битовые метки расположены в двух плоскостях, нижний слой сверху покрыт полупрозрачной полуотражающей пленкой, а верхний – отражающей. Какой из слоев считывается, определяется фокусировкой луча (сигналы другого слоя из-за расфокусировки размываются и на их фоне различим требуемый слой). В двухслойных дисках размер ячейки увеличен примерно на 10 %, за счет чего емкость каждого слоя несколько ниже, чем у однослойных.

Диски DVD выпускаются в разных сочетаниях количества сторон (англ. «SS – Sigle Sided» – односторонние; «DS – Dual Sided» – двусторонние) и слоев (англ. «SL – Single Layer» – однослойные; «DL – Dual Layer» – двухслойные). В односторонних дисках вторая пластина может использоваться в качестве этикетки, маркировка двухсторонних дисков проблематична, поскольку обе стороны требуются для считывания. Для считывания обеих сторон DS-дисков во многих моделях приводов приходится переворачивать диск. Производство дисков DS/DL сложно, а потому и дорого.

Двухслойные диски DVD пока что распространены только печатные, а перезаписываемые диски бывают в основном однослойные (но могут быть и двусторонними).

Базовой скоростью DVD является скорость, достаточная для считывания видеодисков, – около 1,35 Мбайт/с, что эквивалентно 9х для CD-ROM. Однако эта скорость передачи обеспечивается при скорости вращения DVD, примерно в 3 раза меньшей, чем у CD-ROM. Этим объясняется тот факт, что высокоскоростные приводы DVD-ROM, читающие и CD, обеспечивают скорость считывания CD, меньшую, чем для DVD, – сказывается ограничение скорости вращения, при которой биения еще приемлемы. Высокие скорости DVD-ROM (2х, 4х и т.д.) требуются лишь для ускорения обмена данными при работе компьютерных приложений – для видео достаточно 1х. Предельной считается скорость 16х (21,6 Мбайт/с), она уже достигнута при чтении и однократной записи (DVD-R); многоразовая запись DVD-RW пока работает со скоростями 4х–8х. Время доступа у приводов DVD такое же большое, как и у приводов CD (около 120–150 мс).

По устройству считыватели и рекордеры компакт-дисков напоминают обычные дисководы. Однако, помимо приводов шпинделя и головки они имеют еще механизм загрузки диска и более сложную головку. Головка состоит из лазерного излучателя, фотоприемника и наклонного зеркала.

Накопители CD-ROM имеют внешние размеры, соответствующие формату 5" устройств половинной высоты.