Введение

Накопитель жесткий магнитный диск

Тенденция развития современных технологий характеризуется постоянным повышением значения информации. В настоящее время массово используются устройства внешней памяти персональных компьютеров для хранения информации. Порой ценность информации хранимой на устройствах внешней памяти персональных компьютеров несоизмерима со стоимостью данного устройства. Сохранность информации, бесперебойное функционирование систем внешней памяти компьютера обуславливают актуальность обозначенной проблемы и определяют выбор темы дипломного проекта.

Цель дипломного проекта: раскрыть теоретические и практические основы диагностики и технологии ремонта и наладки средств вычислительной техники (СВТ) и накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) персональных компьютеров.

Объект исследования дипломного проекта: накопитель на жестких магнитных дисках.

Предмет исследования дипломного проекта: диагностика и технология ремонта накопителей на жестких магнитных дисках

Задачи дипломного проекта:

1. Провести анализ используемых устройств накопителей на жестких магнитных дисках персональных компьютеров;

2. Рассмотреть устройство и принцип действия накопителей на жестких магнитных дисках персональных компьютеров;

Получить первоначальные теоретические и практические навыки диагностики и устранения неполадок накопителей на жестких магнитных дисках персональных компьютеров.

Назначение, характеристики и принцип работы накопителей на жестких магнитных дисках

Виды устройств внешней памяти

Первой внешней памятью стала перфокарта - носитель информации в виде карточки из бумаги, картона, реже из пластмассы, стандартных формы и размеров, на которую информация наносится пробивкой отверстий (перфораций). Перфорационные карты применяют главным образом для ввода и вывода данных в ЭВМ, а также в качестве основного носителя записи в перфорационных вычислительных комплектах. Существует большое число видов карт, различающихся формой, размерами, объёмом хранимой информации, формой и расположением отверстий. В СССР использовали перфорированные карты в основном с 80 колонками (в устаревших моделях вычислительных устройств встречались 45-колонные), изготовляемые из плотного картона толщиной 0,18 мм в виде прямоугольника со сторонами 187,4 и 82,5 мм. Для удобства подборки и укладки левый верхний угол карты срезан. Колонки размечают поперёк карты; вдоль карта разбивается на 12 строк (10 основных и 2 дополнительные). На одной перфорированной карте можно записать до 80 знаков (примерно 10-15 слов). Скорость обработки машинных перфокарт достигает 2000 карт в 1 мин. Воспроизведение (считывание) информации осуществляется с помощью электромеханических считывателей или фотоэлементами. За рубежом применяли также перфокарты с 90, 40 и 21 колонкой с 6, 12 и 10 строками соответственно. Разновидность перфокарт - карты с краевой перфорацией, применяемые в информационных системах, и карты для пишущих автоматов.

Самым распространенным устройством внешней памяти на современных компьютерах стали накопители на магнитных дисках (НМД), или дисководы. Устройство чтения/записи на магнитный диск называется накопителем на магнитном диске (НМД) или дисководом. Информацию сохраняют на накопителях двух видов, в зависимости от действий, которые человеку нужно выполнить с данными. Для переноса небольших объемов информации используют гибкие магнитные диски (дискеты), а для длительного хранения больших объемов информации используют накопители на жестких магнитных дисках (винчестеры).

Сравнительно новым видом внешних носителей являются оптические диски (другое их название - лазерные диски). На них используется не магнитный, а оптико-механический способ записи и чтения информации.

Сначала появились лазерные диски, на которых информация записывается только один раз. Стереть или перезаписать ее невозможно. Такие диски называются CD-ROM - Compact Disk-Read Only Memory, что в переводе значит «компактный диск - только для чтения». Позже были изобретены перезаписываемые лазерные диски - CD-RW. На них, как и на магнитных носителях, хранимую информацию можно стирать и записывать заново. Наибольшей информационной емкостью из сменных носителей обладают лазерные диски типа DVD-ROM. Объем информации, хранящейся на них, может достигать десятков гигабайт.

Флеш-карта представляют собой портативные устройства, предназначенные для хранения и быстрого переноса данных с одного ПК на другой посредством подключения к порту USB. «популярные» модели флеш-карта оснащены светодиодом-индикатором чтения/записи и блокировкой от записи. Также в комплекте могут быть: кабель-удлинитель USB, компакт-диск с драйверами. В последнее время флеш-карта стали очень популярны и практически повсеместно вытеснили 3,5-дискеты. Флеш-карта стремительно набирают объем (их информационная емкость уже достигла 64 гигабайт и, видимо, это не предел!) и дешевеют. При этом удобство их эксплуатации - вне конкуренции. Среди достоинств стоит упомянуть также компактность, простоту использования и возможность горячего подключения/отключения. В полной мере оценить удобство работы с флеш-картами можно только на ПК с операционной системой от Windows 2000 и выше, - в этом случае не потребуется устанавливать драйвер для работы с флеш-картой, т.к. ОС воспользуется своей библиотекой драйверов.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД)

Жесткий магнитный диск (винчестер, НЖМД - Hard Disk Drive) - постоянная память, предназначена для долговременного хранения всей имеющейся в компьютере информации. Операционная система, постоянно используемые программы загружаются с жесткого диска, на нем хранится большинство документов.

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД) является одним из ключевых компонентов современного ПК. От него напрямую зависит производительность и надежность системы. Технологии изготовления жестких дисков совершенствуются, размеры программ увеличиваются, данные на компьютере накапливаются.

Основные параметры НЖМД

1. Емкость - накопителя на жестких магнитных дисках имеет объем от 40 Гб до 1024 Гб.

2. Скорость чтения данных. Средний сегодняшний показатель - около 8 Мбайт/с.

Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель - 9 мс.

Скорость вращения диска. Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа (поиска). Повышение общей производительности особенно заметно при выборке большого числа файлов.

Размер кэш-памяти - быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные. У накопителя на жестких магнитных дисках есть своя кэш-память размером до 32 Мбайт.

Конструкция НЖМД

Жесткий магнитный диск (винчестер) состоит из гермоблока (рисунок 1) и платы контроллера (рисунок 2).

Рисунок 1 Гермоблок НЖМД

Рисунок 2 Плата контроллера

Гермоблок

В гермоблоке размещены все механические части, на плате вся управляющая электроника, за исключением предусилителя (предварительного усилителя), размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от считывающих головок.

В гермоблоке установлен шпиндель с одним или несколькими дисками.(рисунок) Диски изготовлены из алюминия (иногда - из керамики или стекла) и покрыты тонким слоем окиси хрома. В настоящее время объем информации, хранимой на одном диске, может достигать 1024 Гбайт. Сбоку шпинделя находится поворотный позиционер. С одной стороны, коромысла расположены обращенные к дискам легкие магнитные головки, а с другой - короткий хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков. Под дисками расположен двигатель, который вращает их с большой скоростью. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока. Пыль губительна для поверхности дисков, поэтому блок герметизирован, воздух в нем постоянно очищается специальным фильтром (рисунок.3).

Рисунок.3 Фильтр

Для выравнивания давления воздуха внутри и снаружи в крышках гермоблоков делаются небольшие окна, заклеенные тонкой пленкой. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром. Обмотку позиционера окружает статор, представляющий собой постоянный магнит. При подаче в обмотку тока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением. Динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер в любое положение. При вращении дисков аэродинамическая сила поддерживает головки на небольшом расстоянии от поверхности дисков. Головки никогда не соприкасаются с той зоной поверхности диска, где записаны данные. На хвостовике позиционера обычно расположена так называемая магнитная защелка - маленький постоянный магнит, который при крайнем внутреннем положении головок притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло в этом положении. Это так называемое парковочное положение головок, которые при этом лежат на поверхности диска, соприкасаясь с нею. В посадочной зоне дисков информация не записывается, поэтому прямой контакт с нею не опасен. Практически все современные жесткие диски выпускаются по технологии, использующей магниторезистивный эффект. Благодаря этому в последний год емкость дисков растет быстрыми темпами за счет повышения плотности записи информации.

Принцип работы накопителя на жестких магнитных дисках напоминает принцип действия обычного магнитофона, с той лишь разницей, что вместо магнитной ленты используются поверхности дисков, а вместо звуковых сигналов он записывает и воспроизводит цифровые. Любой НЖМД состоит из двух основных частей: гермоблока и контроллера. Гермоблоком, служит корпусом для размещения всех механических частей НЖМД Контроллер представляет собой плату электроники накопителя на жестких магнитных дисках и размещается за пределами гермоблока, как правило, в ее нижней части. В некоторых накопителях на жестких магнитных дисках, например, в известной серии Seagate Barracuda, контроллер закрыт дополнительной металлической крышкой, защищающей электронику от повреждений, а заодно служащей радиатором для отвода тепла от микросхем. Основу всей конструкции составляет прочный герметичный корпус, предохраняющий точную внутреннюю механику от внешних воздействий. Внутри корпуса размещается собственно диск или набор из нескольких дисков, вращаемый электродвигателем; магнитные головки с механизмом их перемещения, а также предварительный усилитель сигнала. Корпус заполнен очищенным от пыли воздухом. Для выравнивания давления внутри и снаружи корпус снабжен фильтром или имеет отверстия, заклеенные пленкой, хотя иногда встречаются и полностью герметичные накопители на жестких магнитных дисках. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует внутри корпуса и постоянно очищается еще одним, внутренним фильтром от пыли, сумевшей каким-то образом попасть внутрь. Современные накопители на жестких магнитных дисках устроены очень сложно. До 90% стоимости составляет прецизионная механика. Рассмотрим более подробно каждую ее часть. Магнитный диск представляет собой круглую пластину из алюминия, поверхность, которой обработана по высочайшему классу точности. В быту такой полировки не встретишь. Чтобы придать пластинам магнитные свойства, их поверхность покрывают сплавом на основе хрома или вакуумном напыляемым слоем кобальта. Такое покрытие имеет высокую твердость, что хорошо, ведь совсем недавно диски были покрыты слоем мягкого лака на основе окиси железа, и он, в отличие от современных покрытий, легко повреждался.

Для вращения дисков применяется специальный электродвигатель, чем-то похожий на двигатель флоппи-дисковода: неподвижный якорь с обмотками и вращающийся постоянный магнит. Основное отличие его состоит в более высокой точности изготовления и наличии специальных подшипников, которые могут быть как обычными шариковыми, так и более совершенными- жидкостными используется специальное масло, поглощающее ударные нагрузки, что увеличивает долговечность двигателя. Жидкостные подшипники имеют более низкий уровень шума и почти не выделяют тепло во время работы. Кроме того, некоторые современные накопители на жестких магнитных дисках имеют двигатель, целиком погруженный в герметичный сосуд с маслом, что способствует эффективному отводу тепла от обмоток.

Магнитная головка также представляет собой сложную конструкцию, состоящую из десятков деталей. Эти детали настолько малы, что изготавливаются методом фотолитографии так же, как и современные микросхемы. Рабочая поверхность керамического корпуса головки отполирована с такой же высокой точностью, как и диск. Привод головок представляет собой плоскую катушку-соленоид из медной проволоки, помещенную между полюсами постоянного магнита и закрепленную на конце рычага, вращающегося на подшипнике. На другом его конце находится легкая стрелка с магнитными головками. Катушка способна перемещаться в магнитном поле под действием проходящего через нее тока, перемещая одновременно все головки в радиальном направлении. Чтобы катушка с головками не болталась из стороны в сторону в нерабочем состоянии, имеется магнитный фиксатор, удерживающий головки выключенного накопителя на жестких магнитных дисках на месте. В нерабочем состоянии накопителя головки находятся вблизи центра дисков, в «зоне парковки» и прижаты к сторонам пластин легкими пружинами. Но стоит дискам начать вращение - и поток воздуха приподнимает головки над поверхностью дисков, преодолевая усилие пружин.

Головки «всплывают» и с этого момента находятся над диском, совершенно не касаясь его. Толщина воздушной прослойки между диском и головкой у современных накопитель на жестких магнитных дисках - всего 0,1 мкм, что в 500 раз меньше толщины человеческого волоса. Так как механический контакт головки с диском отсутствует, износа дисков и головок не происходит. Как уже говорилось, внутри гермоблока также находится усилитель сигнала, помещенный поближе к головкам, чтобы уменьшить наводки от внешних помех. Он соединен с головками гибким ленточным кабелем. Таким же кабелем подводиться питание к подвижной катушке привода головок, а иногда и к двигателю. Через небольшой разъем все это хозяйство соединено с платой контроллера.

Структурная схема НЖМД

Структурная схема НЖМД представлена на листе 1 графической части дипломного проекта.

Контролер интерфейса является одним из сложнейших элементов накопителя. Он определяет скорость обмена данными между НЖМД и хостом (системной платой). Также его называют HDC-контроллером. К основным функциям HDC-контроллера можно отнести:

1. чтение сектора;

2. запись сектора;

3. поиск адресного маркера;

Запись идентификатора;

Форматирование сектора и дорожки;

Обработка и обслуживание команд от хост-системы;

Формирование сигналов интерфейса IDE;

Обслуживание буферной памяти.

) Сепаратор данных предназначен, в основном, для очистки цифрового сигнала от шумов при чтении, для выделения сигналов синхронизации чтения (RCLK) и записи (WCLK) и для формирования потока данных, предназначенных для записи, с учетом необходимых временных задержек.

) Канал чтения/записи формирует сигналы управления магнитными головками, осуществляя при этом преобразование параллельного кода в последовательный при записи, и последовательного кода в параллельный при чтении. При чтении этим модулем также осуществляется проверка кода CRC (контрольно-циклический код) и при необходимости проводится исправление ошибок.

) Управляющий микропроцессор обеспечивает выполнение микропрограммы накопителя, осуществляя считывание команд из ПЗУ. В соответствии с микропрограммой микропроцессор управляет всеми компонентами НЖМД.

) VCM (звуковая катушка) обеспечивает перемещение и позиционирование блока магнитных головок.

) Шпиндельный двигатель обеспечивает вращение магнитных дисков.

) Драйвер двигателя и VCM формирует сигналы для управления двигателем, поддерживая его скорость постоянной. Кроме того, драйвером формируется ток в катушке VCM, что позволяет осуществлять ее перемещение на заданную величину

Файловые системы

Информация на дисках записывается в секторах фиксированной длины, и каждый сектор и расположение каждой физической записи (сектора) на диске однозначно определяется тремя числами: номерами поверхности диска, цилиндра и сектора на дорожке. И контроллер диска работает с диском именно в этих терминах. А пользователь желает использовать не сектора, цилиндры и поверхности, а файлы и каталоги. Поэтому операционная система или другая программа должена при операциях с файлами и каталогами на дисках перевести в понятные контроллеру действия: чтение и запись определенных секторов диска. А для этого необходимо установить правила, по которым выполняется этот перевод, то есть, прежде всего, определить, как должна храниться и организовываться информация на дисках.

Файловая система - это набор соглашений, определяющих организацию данных на носителях информации. Наличие этих соглашений позволяет операционной системе, другим программам и пользователям работать с файлами и каталогами

Файловая система определяет:

1. как хранятся файлы и каталоги на диске;

2. какие сведения хранятся о файлах и каталогах;

Как можно узнать, какие участки диска свободны, а какие - нет;

Формат каталогов и другой служебной информации на диске.

Для использования дисков, записанных с помощью некоторой файловой системы, операционная система или специальная программа должна поддерживать эту файловую систему.

Информация хранится в основном на дисках, а применяемые на них файловые системы определяют организацию данных именно на жестких магнитных дисках.

В операционных системах семейства MS Windows используются следующие файловые системы - FAT, FAT 32, NTFS.

1.7.1 Файловая система FAT является наиболее простой из поддерживаемых Windows NT файловых систем. Основой файловой системы FAT является таблица размещения файлов, которая помещена в самом начале тома. На случай повреждения на диске хранятся две копии этой таблицы. Кроме того, таблица размещения файлов и корневой каталог должны храниться в определенном месте на диске (для правильного определения места расположения файлов загрузки). Диск, отформатированный в файловой системе FAT, делится на кластеры, размер которых зависит от размера тома. Одновременно с созданием файла в каталоге создается запись и устанавливается номер первого кластера, содержащего данные. Такая запись в таблице размещения файлов сигнализирует о том, что это последний кластер файла, или указывает на следующий кластер.

Обновление таблицы размещения файлов имеет большое значение и требует много времени. Если таблица размещения файлов не обновляется регулярно, это может привести к потере данных. Длительность операции объясняется необходимостью перемещения читающих головок к логической нулевой дорожке диска при каждом обновлении таблицы FAT. Каталог FAT не имеет определенной структуры, и файлы записываются в первом обнаруженном свободном месте на диске. Кроме того, файловая система FAT поддерживает только четыре файловых атрибута: «Системный», «Скрытый», «Только чтение» и «Архивный».

На компьютере под управлением Windows NT в любой из поддерживаемых файловых систем нельзя отменить удаление. Программа отмены удаления пытается напрямую обратиться к оборудованию, что невозможно при использовании Windows NT. Однако если файл находился в FAT-разделе, то, запустив компьютер в режиме MS-DOS, удаление файла можно отменить. Файловая система FAT лучше всего подходит для использования на дисках и разделах размером до 200 МБ, потому что она запускается с минимальными накладными расходами.

Как правило, не стоит использовать файловую систему FAT для дисков и разделов, чей размер больше 200 МБ. Это объясняется тем, что по мере увеличения размера тома производительность файловой системы FAT быстро падает. Для файлов, расположенных в разделах FAT, невозможно установить разрешения. Разделы FAT имеют ограничение по размеру: 4 ГБ под Windows NT и 2 ГБ под MS-DOS.

Файловая система FAT32

Для работы с большими дисками была разработана новая файловая система FAT32. Microsoft впервые представляет файловую систему FAT32 в операционной системе Windows 95 OSR2. В этой файловой системе разрядность указателя на кластер увеличивается до 32 бит, что значительно увеличивает количество поддерживаемых кластеров, и, следовательно, позволяет уменьшить их размер. Вы видите, что разрядность указателя составляет 32 бита и, даже используя кластер 512 байт, эта файловая система может поддерживать диски в 127,9 Гбайт. А при использовании кластера 32 Кбайт она может поддерживать диски до 2 Тбайт. На первый взгляд может показаться, что теперь можно использовать кластер размеров в один блок (512 байт), уменьшив тем самым потери в хвостах файлов почти до нуля, но использование таких малых кластеров все же не выгодно из соображений производительности. Вы помните, что информация о расположении файла по кластерам содержится в FAT таблице.

Чем меньше размер кластера, тем больше кластеров займет файл и тем больше записей появится в таблице и соответственно тем дольше будет происходить считывание информации о расположении файла при доступе к нему. Еще один важный момент. Во время работы файловые таблицы переносятся в оперативную память. И это логично. Ведь считать из оперативной памяти информацию о файле можно гораздо быстрее, чем с жесткого диска. При этом, чем меньше размер кластера, тем больше записей в файловой таблице и, соответственно, больше ее объем. А это, в свою очередь, влияет на требования к размеру оперативной памяти. Быстродействие системы FAT32 можно повысить, увеличив размер кластера. Увеличивая кластер в два раза, мы сокращаем область FAT тоже в два раза. В FAT32 это очень важная для быстродействия область занимает несколько Мбайт. Сокращение области FAT в несколько раз даст заметное увеличение быстродействия, так как объем системных данных файловой системы сильно сократится - уменьшится и время, затрачиваемое на чтение данных о расположении файлов. Обратная сторона - существенно возрастают потери дискового пространства. Получается замкнутый круг: чем больше размер кластера, тем выше быстродействие, но возрастают и потери дискового пространства; чем меньше размер кластера, тем более экономно расходуется дисковое пространство, но катастрофически падает быстродействие.

Поэтому минимальный кластер в FAT32 был выбран размером 4 Кбайт, как компромисс между эффективностью хранения данных и производительностью. Поскольку эта файловая система предназначалась для работы с большими дисками, давайте рассмотрим ее с этой стороны. Большие диски нужны для хранения больших объемов данных. С увеличением числа файлов будет расти и размер таблицы их размещения. Поскольку просмотр таблицы линейный, то в какой-то момент быстродействие дисковых операций значительно упадет. А это уже очень неприятный момент. В Windows XP/2000 максимальный размер раздела, который можно отформатировать с помощью FAT32, равен 32 Гбайт, не смотря на теоретический предел в 4 Тбайт.

Видимо, Microsoft нашла ту точку, дальше которой идти не имеет смысла. Несмотря на это, вы можете работать с разделами FAT32 более 32 Гбайт, если они были отформатированы с помощью другой ОС. Рассмотрим еще некоторые особенности FAT32. В FAT32 были расширены атрибуты файлов, позволяющие теперь хранить время и дату создания, модификации и последнего доступа к файлу или каталогу. Корневой каталог в FAT32 больше не располагается в определенном месте, вместо этого хранится указатель на начальный кластер корневого каталога. В результате снимается ранее существовавшее ограничение на число записей в корневом каталоге. Кроме того, для учета свободных кластеров, в зарезервированной области на разделе FAT32 имеется сектор, содержащий число свободных кластеров и номер самого последнего использованного кластера. Это позволяет системе при выделении следующего кластера не перечитывать заново всю таблицу размещения файла.

Файловая система NTFS

С точки зрения пользователя файловая система NTFS организует файлы по каталогам и сортирует их так же, как и HPFS. Однако в отличие от FAT и HPFS на диске нет специальных объектов и отсутствует зависимость от особенностей установленного оборудования (например, сектор размером 512 байт). Кроме того, на диске отсутствуют специальные хранилища данных (таблицы FAT и суперблоки HPFS).

Для обеспечения надежности файловой системы NTFS особое внимание было уделено трем основным вопросам: способности к восстановлению, устранению неустранимых ошибок одного сектора и экстренному исправлению Для обеспечения способности к восстановлению NTFS отслеживает все транзакции в отношении файловой системы. Выполнение команды CHKDSK в файловой системе FAT или HPFS служит для проверки последовательности указателей в пределах каталога, размещения и таблицы файлов. Файловая система NTFS хранит журнал операций с этими компонентами. Таким образом, для восстановления связности системы необходимо с помощью команды CHKDSK выполнить «откат» транзакций до последней точки фиксации. При использовании FAT или HPFS сбой сектора, в котором хранится один из специальных объектов файловой системы, приводит к возникновению неустранимой ошибки одного сектора.

В NTFS эта проблема решается двумя способами. Во-первых, специальные объекты не используются, а все имеющиеся на диске объекты отслеживаются и защищаются. Во-вторых, существует несколько копий (число зависит от размера тома) основной таблицы файлов Подобно версиям HPFS для OS/2, NTFS поддерживает экстренное исправление.

Основное предназначение конфигурации операционной системы Windows NT на любом уровне является обеспечение платформы, которую можно использовать в качестве модуля при построении других систем, и NTFS не является исключением. Эта файловая система представляет собой гибкую платформу с широкими функциональными возможностями, которую могут использовать другие файловые системы. Кроме того, в NTFS полностью реализована модель безопасности Windows NT и поддержка нескольких потоков данных. Файл данных перестал быть отдельным потоком данных. Кроме того, пользователи могут добавлять собственные атрибуты файлов.

Во-первых, в NTFS значительно - до 2^64 байт (16 экзабайт или 18 446 744 073 709 551 616 байт) - увеличен допустимый раздел файлов и томов. В NTFS для решения проблемы фиксированного размера сектора снова применена концепция кластеров, ранее использованная в файловой системе FAT. Это было сделано для улучшения аппаратной независимости операционной системы Windows NT при ее использовании с жесткими дисками, изготовленными по другой технологии. Таким образом, была принята точка зрения, что деление диска на секторы размером 512 не всегда является оптимальным. Размер кластера определяется кратным числом единичных блоков жесткого диска.лучше всего подходит для использования с томами размером более 400 МБ. С увеличением размера тома производительность файловой системы NTFS не падает, как у FAT. Благодаря способности к восстановлению в NTFS отсутствует необходимость использования каких-либо программ восстановления диска.

Из-за дополнительного расхода дискового пространства файловую систему NTFS не рекомендуется использовать с томами размером менее 400 МБ. Такой расход объясняется необходимостью хранения системных файлов NTFS (в разделе размером 100 МБ для этого требуется около 4 МБ). В настоящее время NTFS не имеет встроенного шифрования файлов. Следовательно, можно загрузить MS-DOS (или другую операционную систему) и воспользоваться низкоуровневой программой редактирования диска для просмотра хранящихся в томе NTFS данных. С помощью файловой системы NTFS нельзя форматировать дискеты. Windows NT форматирует дискеты с помощью FAT, так как объем служебной информации, необходимой для функционирования NTFS, не помещается на дискете.

Технология S.M.A.R.T.

С течением времени изнашиваются головки, подшипники, стареют фильтры, магнитная поверхность дисков и электронные компоненты. И хотя инженеры, разрабатывающие накопители делают все возможное для того, чтобы их изделие служило многие годы но может случиться, что НЖМД выдут из строя. Хорошо, если на диске были только программы и игрушки, которые можно легко восстановить с дистрибутивов. Но чаще всего бывает так, что поломка накопителя застает пользователя врасплох, после чего выясняется, что там было что-нибудь важное и уникальное. Именно так и было несколько лет назад, когда пользователь мог только догадываться о том, что ждет его НЖМД в недалеком будущем, ориентируясь на возраст накопителя, появление новых плохих секторов и собственную интуицию. Этот способ был весьма неточным, так как возраст накопителя лишь косвенно характеризует его износ, гораздо большее значение имеют такие факторы, как количество включений, высокая рабочая температура, механические удары и табачный дым в воздухе.

Поэтому ведущими производителями жестких дисков была разработана технология, позволяющая объективно оценить состояние всех систем накопителя на жестких магнитных дисках и достаточно точно спрогнозировать время его выхода из строя. Эта технология получила название S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Reporting Technology) и присутствует во всех современных НЖМД. Несмотря на кажущуюся сложность названия, принцип ее действия довольно прост.

Когда работает накопитель, его микропроцессор ведет подсчет циклов включения-выключения, количество отработанных часов, фиксируется время раскрутки двигателя до номинальной скорости, число ошибок чтения, число вновь появившихся сбойных секторов и многое другое. Кроме того, с помощью специальных датчиков определяется температура устройства, количество полученных ударов и т. д. Все данные автоматически, без участия пользователя, заносятся в специальную таблицу на диске и периодически обновляются. Еще они постоянно сравниваются с предельно допустимыми значениями, превышение (или наоборот) которых указывает на серьезные неполадки накопителя.

Эта таблица называется таблицей SMART-параметров и может быть просмотрена пользователем в любое время, для чего существует специальная утилита. Например, НЖМД Speed или SMARTUDM Эти программы бесплатны и имеют описание на русском языке. Запускать их следует из MS-DOS, воспользовавшись системной дискетой, загрузочным CD-ROM или нажав F5 при загрузке Windows 98. Следует обратить особое внимание на то, что некоторые значения приведены в шестнадцатеричной системе и, чтобы определить, например число включений, нужно перевести их в десятичную (это можно сделать калькулятором Windows). Существуют подобные программы и для Windows, например S.M.A.R.T. Vision, однако многие из них работают неправильно с некоторыми накопителями и внешними контроллерами, поэтому всерьез воспринимать их не стоит.

Технология Dual Wave

Технология разработана фирмой Maxtor и широко применяется в ее линейке жестких дисков. В контроллере диска впервые применено два процессора. Цифровой сигнальный процессор (DSP) управляет приводами, отвечает за операции чтения-записи и коррекции ошибок. RISC-процессор собственной разработки Maxtor оптимизирован для операций ввода-вывода и обработки команд интерфейса ATA. Оба процессора имеют свободный доступ к буферу данных и шине обмена данными между собой. Технология DualWave позволяет существенно повысить эффективность работы с файлами большого объема (видео, трехмерные игры, базы данных). Например, жесткий диск DiamondMax 6800 со скоростью вращения 5400 об./мин., оснащенный блоком DualWave, на многих тестах уверенно опережает обычные диски со скоростью вращения 7200 об./мин. К тому же диски Maxtor с контроллером DualWave оказались одними из самых бесшумных.

Технология Data Lifeguard

Одним из самых ранних SMART-расширений и улучшений является технология Data Lifeguard разработанная и используемая компанией Western Digital в своих накопителях. Ее суть заключается в создании системы для увеличения надежности хранения информации, т.е. того, чего SMART, работающая в направлении общей диагностики состояния привода, не обещала. Обычными причинами потери информации в функционирующем накопителе становятся ошибки записи, делающие не возможной последующее чтение и восстановление данных, постепенный износ поверхности, снижение ее магнитных свойств.

Это и составляет сущность технологии Data Lifeguard. На холостом ходу накопителя производится поиск и переназначение сбойных секторов, восстановление, если представляется возможным, из них информации и запись ее в новое место. Тесты запускаются после того, как накопитель наработал со времени проведения последнего теста 8 часов и при отсутствии к нему обращений в течение 15 секунд. Функционирует система следующим образом: при чтении какого-либо сектора возможно возникновение ошибки, которая может быть обусловлена плохой читаемостью сектора (нестабильный сектор), ошибкой при записи данных в сектор, другими случайными внешними условиями или может быть отмечен слабый уровень сигнала. В последнем случае, будет предпринята попытка оживления данных - данные будут по новой записаны в этот же сектор, с последующим их контрольным чтением.

Если уровень сигнала по прежнему низкий - то, очевидно, имеется износ/дефект магнитного слоя, и данные из него будут перемещены в новое место, а данный будет помечен как дефектный. Аналогичные действия будут предприняты и в остальных названных случаях, но при повторном обращении, случайная ошибка не повториться и с сектором ничего не произойдет, а обусловленная первыми двумя с большой долей вероятности проявиться снова, и тогда будет предпринята попытка их восстановления по имеющимся корректирующим кодам (ECC, Error Correction Code). В случае удачи данные будут записаны в новое место, а устаревшие помечается как дефектные. Ну а в случае неудачи, увы, пользователь останется без данных. При работе Data Lifeguard использует функции SMART, но в отличие от нее, функционирует всегда, даже тогда когда SMART выключена. В случае, если накопитель окажется занят Data Lifeguard тестами, когда поступит внешняя команда, тест будет приостановлен и восстановлен по истечении 15 работы после 15 секунд не активности.

Время необходимое на тест поверхности варьируется от модели к модели и в среднем составляет менее 1-ой минуты на гигабайт. Счетчик времени от теста до теста не обнуляется при отключении питания. Возникающие ошибки протоколируются. В общем, нужно сказать, что это действительно шаг вперед. Пользователь избавляется от необходимости самостоятельно проводить тест поверхности диска, который к тому же многие часто не делали и даже не подозревают что это такое (после появления SMART III, уж тем более Data Lifeguard это оправдано). Значительно снижается вероятность потери данных, кроме того, возможно даже какое-то повышение производительности благодаря тому, что из использования на ранних стадиях исключаются неуверенно читающиеся сектора, и не возникает необходимости повторного чтения. Одна тонкость технологии состоит в том, что она, похоже, проверяет только использующиеся сектора, неиспользуемая поверхность остается без проверки.

Поиск неисправностей НЖМД

HDD (Hard Disk Drive – устройство управления жесткими дисками, винчестер, жесткий диск, дисковод жестких дисков, накопитель на жестком магнитном диске (НМЖД), Hard Magmetic Disk Drive (HMDD )) используется для хранения больших объемов информации пользователя.

Рисунок 1. Разобранный жесткий диск

Назначение

НЖМД является наиболее совершенным и сложным устройством современного ПК. Его диски способны вместить много мегабайт информации, которая передается с большой скоростью. Основные принципы работы жесткого диска за время его существования остались практически неизменными. НЖМД помещен в герметичный металлический корпус, который защищает дисковод от частичек пыли и защищает накопитель от электромагнитных помех.

НЖМД служит для длительного хранения информации, при этом в процессе работы данные могут удаляться и записываться. Жесткий диск используется для хранения больших объемов информации. Емкость жестких дисков современных ПК составляет несколько терабайт.

История

Первый жесткий диск фирма $IBM$ создала в $1973$ г. Он вмещал до $16$ Мбайт информации. Диск состоял из $30$ цилиндров, которые были разбиты на $30$ секторов, и обозначался как $30/30$. По аналогии с автоматическими винтовками, которые имели калибр $30/30$, этот диск получил название «винчестер».

Рисунок 2. НЖМД объёмом $44$ Мб ($1980$-е гг.)

Строение и принцип работы НЖМД

Жесткий диск помещен в герметичную железную коробку, в которой размещены магнитные диски, блок головок для чтения и записи и электродвигатель.

Рисунок 3.

При включении ПК электродвигатель раскручивает магнитный диск до скорости в несколько тысяч об/мин и диск вращается в течении всего времени, пока ПК включен.

Рисунок 4. Устройство и принцип работы НЖМД

Вследствие высокой скорости вращения диска специальные магнитные головки, которые записывают и считывают информацию, «парят» над ним. При касании головок к диску он быстро пришел бы в негодность.

Логическая структура магнитного диска

• загрузочный сектор (boot record) – сектор с номером $0$, в котором содержится небольшая программа, с помощью которой ПК определяет возможность загрузки операционной системы с данного диска;
• таблица размещения файлов, в которой хранятся сведения о размещении файлов на диске;
• область данных (data area), которая служит для непосредственного хранения данных и занимает основную часть дискового пространства.

Основные параметры жесткого диска

Емкость – для настольных ПК от $40$ Гб до нескольких Тб.

Скорость чтения данных. $IDE$ ($ATA$) имеет максимальную скорость передачи данных $2,1–8,3$ Мб/сек, $EIDE$ ($ATA-2$) – $11,1–33,3$ Мб/сек. Эта скорость зависит от того, куда передаются данные: в регистры ЦП или непосредственно в оперативную память (более производительный режим).

Скорость вращения диска достигает $15 \ 000$ об/мин. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа (поиска). Жесткие диски вращаются непрерывно даже тогда, когда к ним нет обращений, что увеличивает скорость передачи данных, т.к. при обращении не тратится время на разгон диска.

Стандартные скорости для настольных ПК $5 \ 400$, $5 \ 900$, $7 \ 200$ и $10 \ 000$ об/мин. В ноутбуках скорость вращения меньше – $4 \ 200$, $5 \ 400$ и $7 \ 200$ об/мин.

Размер кэш-памяти, в которую ПК помещает данные, наиболее часто используемые.

Фирма-производитель. Производством жестких дисков занимаются $7$ компаний: Fujitsu, Hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital. При этом каждая модель одного производителя имеет свои, только ей присущие, особенности.

Интерфейсы подключения НЖМД

В современных ПК существуют НЖМД с различными интерфейсами подключения:

$IDE$ (или $ATA$) – интерфейс подключения жесткого диска к контроллеру с помощью $40-$ или $80$-жильного шлейфа. К одному шлейфу можно подключить сразу $2$ устройства, для чего необходимо произвести некоторые дополнительные настройки.

Serial $ATA$ ($SATA$) – интерфейс с более высокой скоростью, поддерживаемый всеми современными системными платами. Данные передаются по семижильному кабелю, накопители конфигурируются автоматически без дополнительных настроек.

$SCSI$ – производительный параллельный интерфейс, который применяется в системах на основе сервера. Системные платы с поддержкой $SCSI$ встречаются редко, поэтому для подключения $SCSI$-дисков необходимо установить дополнительный $SCSI$-контроллер. В некоторых современных системах встречается интерфейс – $SAS$ (Serial Attached SCSI ).

Накопители на жестких магнитных дисках типа "винчестер" предназначены для долговременного хранения информации в составе компьютера. Название «винчестер» НЖМД получил в 1973 г., когда фирма IBM изготовила герметичный пакет из двух заменяемых дисков по 30 Мб каждый. Цифры 30 / 30 ассоциировались у пользователей с калибром популярной в США двустволки «Винчестер 30 / 30». В 1983 г. ЭВМ PC XT стали комплектоваться несъемными винчестерами емкостью 10 Мб со средним временем доступа 100 мс.

Магнитный накопитель из алюминиевого сплава или стеклянных пластин диаметром 3.5 или 2.5 толщиной 0.125 дюйма. На пластины методом напыления наносится несколько тонких слоев магнитных и немагнитных материалов, способных намагничиваться на малых участках поверхности. Пластины крепятся на оси небольшого шпиндельного бесшумного двигателя (Д), который вращается с постоянной скоростью (рис. 4.3). Из-за ограничения на размер и вес НЖМД, используемого в составе персонального компьютера, число пластин ограничено и в настоящее время не превышает 12.

Наиболее часто число пластин равно от двух до четырёх (головок от 4 до 8), а наружные диски иногда имеют только по одной внутренней рабочей поверхности. Обычно диски имеют нижнюю и верхнюю рабочие поверхности. К каждой рабочей поверхности подводятся одна головка чтения/записи (Г1, ..., Гn). Головки изготовляются по тонкопленочной технологии и представляют собой специальные полупроводниковые кристаллы с U-образным зазором, обращенным к пластине. U-образная форма используется для создания подъемной силы, возникающей за счет движения воздуха при вращении дисков. Головка парит над поверхностью с зазором, исчисляемым микронами.

Рис. 4.3. Схема НЖМД

В настоящее время в накопителях более 1 Гб используются магниторезистивные головки (MR), которые имеют в составе тонкопленочную головку (TF) для записи и магниторезистивную для считывания. TF представляют собой микрокатушки из нескольких витков на печатной миниатюрной плате. Внутри катушки располагается сердечник из сплава никеля и железа с высокой индукцией. Зазор в сердечнике путем напыления заполняется немагнитным алюминием и защищается от повреждений при контактах с диском. Чтобы исключить порчу пластин от попадания частиц в область зазора между головкой и рабочей поверхностью, диски размещают в герметичном корпусе, заполненном инертным газом.

Легкость головки и малый зазор между диском и головкой (около 15 нм) позволяют намагничивать дорожку вглубь поверхности диска, обеспечивая надежность записи/считывания и хранения информации. Вторая часть головки MR представляет собой головку считывания, в основе которой используется датчик-резистор, меняющий свое сопротивление в зависимости от величины магнитного поля. Через резистор протекает постоянный измерительный ток, который изменяется от напряженности магнитного поля в моменты t сз при движении вдоль дорожки. Для уменьшения помех от соседних дорожек, резистор приподнимают над дорожкой. Установка головок на заданную i-ю дорожку (цилиндр диаметром di для всех пластин) выполняется катушкой-соленоидом (К), перемещающей приводную ручку (Р), как показано на
рис. 4.3. Для перемещения головок на необходимую дорожку в автоматическую следящую систему (СУ) подается сигнал Ei, который сравнивается с сигналом х , поступающим со специальной головки (Гс) или контакта переменного сопротивления R. При наличии разницы в сравниваемых сигналах СУ перемещает шток (Ш) соленоида в сторону требуемого диаметра di. При отключении питания винчестер автоматически паркуется пружиной (П) перемещая головки во внутреннюю область диска, как правило, на последнюю дорожку. Число дорожек определяется типом накопителя и для жестких дисков их число составляет несколько тысяч. Малый зазор между головкой и поверхностью диска позволяет достичь высокой радиальной и линейной плотности записи (100 Гбит/кв.дюйм) и увеличить емкость НЖМД до нескольких десятков и даже сотен Гб.

Основными параметрами винчестера являются емкость (Ё), скорость обмена (V пр) и время доступа к данным (t ср). Емкость любого накопителя прямо пропорциональна величине форм - фактора (размера). Форм - фактор указывает на сечение отсека для НЖМД. Если он равен 3.5 ´ 1, то это соответствует отсеку 4 ´ 1 ´ 6 дюймов, используемому для одного 3.5² винчестера. Чем больше размеры дисков и их число в пакете, тем больше емкость. Однако с увеличением диаметра пластин на разных дорожках существенно изменяется скорость движения диска относительно головок, увеличивается время перемещения головок с внутренней дорожки на внешнюю и среднее время доступа. Эти параметры ограничивают изготовление дисков больших размеров, чем 3.5. Поэтому увеличение емкости диска постоянно происходит за счет увеличения TPI, BPI и способов кодирования – декодирования информации. К тому же, увеличение плотности записи позволяет увеличить скорость считывания данных при той же скорости вращения диска. Так, фирма Fujutsu в новой модели 3.5 НЖМД достигла плотности 10.2 Гб на одной 3.5 пластине с головками MR и каналом PRML. Эта фирма выпускает бесшумные НЖМД с использованием подшипников с жидким трением. Другие фирмы изготавливают пластины с плотностью записи на пластину 20 Гб и более.

Скорость обмена характеризуется двумя параметрами: скоростью передачи между НЖМД и ОЗУ и быстродействием передачи между буфером винчестера и поверхностного диска V д. Скорость передачи (transfer rate) между НЖМД и ОЗУ измеряется величиной V пр (Мб/с) как отношение величины пересылаемого массива к времени, затраченному на его пересылку. Она определяется, в основном, типом интерфейса.

2.1. Режимы передачи данных

Для передачи данных между винчестером и памятью PC используются два режима:

Режим программного ввода/вывода PIO;

Режим прямого доступа к памяти DMA.

В режиме PIO информации с кэш-буфера (ОЗУ винчестера) жесткого диска сначала считыва­ется центральным процессором и только потом записывается в основную оперативную память. В зависимости от длительности цикла считывания и количества сек­торов, передаваемых за одно обращение к диску, различают режимы PIO0 (PIO Mode 0), PIO1, PIO2, PIO3, PIO4, PIO5. Характеристики режимов PIO приведены в табл. 4.3.

В режиме PIO за одно обращение к НЖМД обычно передается содержимое одного сектора (512 байт), а в режиме PIO 4 – 16 (или больше) секторов. Это способствует увеличению скорости передачи данных с 3.3 Мб в режиме PIO 0 до 20 Мб/с в режиме PIO 5 с использованием интерфейсов IDE или EIDE.

Однако режим PIO традиционно используются в однозадачных операционных системах. В многозадачных опера­ционных системах чаще используются режимы прямого доступа к оперативной памяти DMA. Ввод/вывод данных в этом режиме осуществляется в ОЗУ ПК, минуя МП. Обмен происходит под управлением контроллера НЖМД в паузах между обращениями МП к ОЗУ, что занижает скорость обмена, но освобождает МП от операции передачи данных между ОЗУ и НЖМД. Для режимов DMA используются специальные контроллеры и драйверы. Режимы DMA подразделяются на однословные DMA 0,1,2 (Singleword) и многословные DMA 33,100 (Multiword) в зависимости от количества слов, передаваемых за один цикл работы с системной шиной. Характеристики ранних способов реализации DMA представлены в табл. 4.4.

Для обеспечения большей производительности DMA в начале был разработан и внедрен режим Ultra DMA/33. Интерфейс Ultra АТА/33 (Ultra DMA/33 и АТА-33), предложенный компанией Quantum, обеспечивает передачу данных в режиме Multiword DMA со скоростью 33 Мб/с. В отличие от режима DMA 2, в режиме Ultra АТА/33 (рис. 4.4.) передача данных осуществляется по переднему и зад­нему фронтам тактового сигнала (ТИ). Это позволяет в 2 раза увеличить ско­рость передачи без увеличения тактовой частоты системной шины. Стандарт Ultra DMA/33 отличается от предыдущих версий IDE не только скоростью обмена. Впервые в нем используется механизм обнаружения ошибок с помощью циклического контрольного кода.

С появлением процессоров Pentium контроллеры EIDE обеспечивают функ­цию управления шиной (Bus Master). Это связано с тем, что в многозадачных операционных системах для повышения быстродействия вычислений МП освобождается от ввода/вывода данных между ОЗУ и НЖМД. По­этому контроллеры внешних устройств (EIDE в том числе) стали оборудо­ваться собственными микропроцессорами ввода/вывода. В этом случае МП выдает команду контроллеру EIDE, которая указывает ему, откуда он должен взять данные и в какую область памяти их поместить. После получения этих ука­заний контроллер захватывает управление системной шиной (PCI) и выполняет операции по считыванию данных с накопителей информации (например, с винчес­тера, приводов CD-ROM, CD-R, CD-RW) непосредственно в ОЗУ с по­мощью канала DMA. Однако выигрыш в производительности ПК при использовании функции Bus Master будет значителен лишь при одновременной работе нескольких при­ложений. Функцию Bus Master поддерживают практически все современные чипсеты.

(дан. 1, дан. 2)

данные 1

данные 2

данные 4

данные 3

Рис. 4.4. Принцип передачи данных в интерфейсах АТА и Ultra ATA/33

Лекция 16: Интерфейсы устройств ввода-вывода

IDE. В качестве интерфейса винчестера с системной шиной на системной плате давно используются IDE (ATA), EIDE (Fast ATA, ATA-2, ATA-3) и SCSI. Первый IDE интерфейс компаний Compaq и Western Digital, интегрированный в плате винчестера для 8/16 - разрядных шин ISA для ЭВМ типа AT, названный IDE ATA и выпущенный в 1986 г., был стандартизирован в 1990 г. для обслуживания двух НЖМД. Интерфейс IDЕ очень быстро завоевал популяр­ность среди производителей и пользователей ПК. При этом стоимость винчестера увеличи­лась незначительно, а винчестер стал подключаться непосредственно к слоту на системной плате, представляющему собой усеченный слот шины ISA, или к плате адаптера. Ранее на плате адаптера был интегрирован контроллер НГМД, а также располагались параллельные и/или последовательные интерфейсы и игровой порт. В новых системных платах все эти компоненты интегрированы непосредственно в один из СБИС чипсета. Важнейшей идеей в создании IDE является сборка основных частей платы контроллера в самом НЖМД и обеспечение совместимости его с любыми системными платами. Он рассчитан на единовременную обработку одной процедуры программного ввода/вывода в режимах PIO - 0, PIO - 1, PIO - 2. В формате CHS предел емкости НЖМД с IDE определяется произведением

Ё max = C ´ H ´ S (цилиндры х головки х сектора)

Ё max = 65 536 ´ 16 ´ 255 ´ 512 (байт) = 139.9 Гб. Однако стандарт BIOS системных плат совсем недавно поддерживал лишь Ё max = C ´ H ´ S = 1024 ´ 255 ´ 63 ´ 512 (байт) = 8.4 Гб. Учет совместных ограничений IDE и BIOS на величины С, H, S ограничивал максимальную емкость НЖМД без соответствующего программного обеспечения величиной, равной

Ё max = 1024 ´ 16 ´ 63 ´ 512 (байт) = 504 Мб.

Емкости НЖМД 504 Мб уже в ЭВМ с i 486 стало недостаточно, поэтому IDE АТА был усовершенствован. Новый стандарт EIDE позволяет расширить предел максимальной емкости НЖМД.

EIDE (Fast ATA) (торговое название фирмы Western Digital) PIO-3 и MultiWord DMA1 с передачей нескольких слов в режиме прямого доступа к памяти ОЗУ. Усовершенствованный Fast ATA2 поддерживает режимы: PIO-4 и MultiWord DMA 2. Новый, с измененной BIOS, стандарт EIDE через контроллер EIDE может удваивать/учетверять число головок с пропорциональным уменьшением числа цилиндров. Это позволяет расширить предел максимальной емкости НЖМД до 8.4 Гб и более за счет реализации режима логического адреса LBA, когда ФА < C, H, S > преобразуется в 28 разрядный логический адрес < C *, H *, S * >. Однако при использовании FAT возникает проблема, ограничивающая емкость диска. Она заключается в том, что с увеличением емкости диска увеличивается минимальный размер кластера (число секторов обмена и наименьшая емкость записи) с 8 Кб (для НЖМД до 504 Мб) до 64 Кб с дисками большой емкости. При малых размерах файлов эти кластеры заполняются не полностью. Память используется неэффективно.

Число подключенных устройств к EIDE может достигать четырех, в том числе CD - ROM или стримеры. Новые режимы EIDE позволяют за 1 обмен считать данные, содержащие сразу несколько (2, 4, 8, 16 и более) стандартных 512 - байтных секторов (Multiple). А новый интерфейс IDE (ATA - 3) поддерживает стандарт Ultra DMA и позволяет увеличить быстродействие обмена Ultra DMA винчестеров с ОЗУ через контроллер Ultra DMA системной платы. В режиме Ultra быстродействие обмена соответствует: DMA 0 – 16.6 Мб/с; DMA 1 – 24.9 Мб/с; DMA 2 (DMA 33) – 33.3 Мб/с; Ultra ATA/66 – 66.6 Мб/с; Ultra ATA/100 – 100 Мб/с. Новый последовательный 4-жильный интерфейс Serial ATA-1,6 с быстродействием обмена (3 или 6) Гб/с разрабатывается для дальнейшего увеличения быстродействия ЭВМ и совместимости с параллельным интерфейсомIDE.

SCSI был спроектирован для повышения быстродействия обмена внешних устройств с системной шиной и числа подключаемых периферийных устройств для многозадачных и многопользовательских операционных систем. Он подсоединяется через главный адаптер к PCI и имеет 8/16 - битную шину данных. К шине SCSI подсоединяются устройства, которым устанавливаются номера ID = 0, 1, ..., 7. Номера ID позволяют устройствам осуществлять обмен по ШД без участия МП с использованием форматов и команд SCSI. Интерфейс SCSI поддерживает Ёmax = 8.4 Гб. Путем увеличения быстродействия обмена (“fast” – быстрый) и разрядности шины расширения (“wide” – многоразрядный) он имеет следующие модификации :

SCSI-1 – 8 бит / до 5 Мб/с;

Fast SCSI (SCSI - 2) – 8 бит / до 10 Мб/с;

Ultra SCSI – 8 бит / до 20 Мб/с;

Fast Wide SCSI – 16 бит / до 20 Мб/с;

Ultra Wide SCSI (SCSI - 3) – 16 бит / до 40 Мб/с;

Ultra 160 SCSI – 160 Мб/с;

Ultra 320 SCSI – 320 Мб/с.

Практически во всех модификациях в SCSI устанавливается мультисегментный кэш-буфер с емкостью более 512 Кб для одновременного обслуживания нескольких конкурирующих процессов ввода/вывода. Интерфейс SCSI имеет некоторые преимущества перед интерфейсом АТА:

Возможность подключения до 27 устройств (например, Ultra SCSI-III);

Возможность подключать внутренние и внешние устройства;

Диски SCSI-винчестеров вращаются с повышенной скоростью 7200, 10000 или 15 000 об/мин, и время доступа к ним составляет меньше 5 – 7 мс;

Длина 50-жильного плоского кабеля SCSI может достигать 6 м.

Имея в своём составе более качественное оборудование, SCSI стоит в 1,5 раза дороже ATA и применяется чаще всего в серверах.

2.3. Интерлив

В современных винчестерах параметр интерлив (количество оборотов диска для чтения всей дорожки), или как его еще называют Interleave-фактор (рис. 4.5), не оказывает существенного влияния на быстродействие обмена при наличии достаточной емкости памяти кэш-буфера. Однако рассмотрение этого параметра позволяет описать принцип обмена винче­стера секторами с кэш-буфером. При вращении диска головка считывает 512-байтный сектор и посылает данные в буферный регистр контроллера, откуда данные передаются процессору. Диск продолжает вращаться, головка считывания переходит к следующему сектору, но контроллер при ограниченном объеме кэш-буфера все еще занят обменом данными с процессором. Поэтому для того чтобы прочитать следующий сектор при освобождении контроллера головка должна ожидать полного оборота диска или пропустить часть секторов. При чтении всего кластера, который располагается в соседних секторах, секторы считываются подряд, без задержки. Если емкость буфера мала и необходима передача данных в ОЗУ, то часть секторов пропускается до момента освобождения буфера. Так, в режиме 3:1 (рис. 4.5, б ) пропускается два сектора.

Рис. 4.5. Размещение кластеров при режиме обмена 1:1 и 3:1

Диски более ранних выпусков организованы так, что сектора файла данных располагаются на дорожке диска не друг за другом, а в другом порядке, учитывающем интерлив и способность обмена с МП с поворотом НЖМД. При этом при позиционировании головки контроллер имеет достаточно времени для передачи информации без лишнего оборота диска. При освобождении контроллера он обращается к соответствующему сектору.

Современные контроллеры работают по другому принципу: для организации непрерывного чтения секторов данные считываются из нескольких секторов ("с подозрением" на их необходимость) и запоминаются в кэш-буфе­ре, откуда впоследствии они могут быть извлечены. Преимущество такого способа заключается в том, что контроллер помещается в дисковод, в котором механика и электроника работают оптимальным образом.

На быстродействие передачи данных V д между буфером винчестера и поверхностностью диска, кроме времени поиска нужной дорожки t cр, существенно влияет: скорость вращения пластин V в; число физических секторов S на дорожке; способ их чередования (интерлив); размер кэш - буфера; тип данных (последовательные, фрагментированные) и режим обмена. Поэтому скорость V д обмена между буфером винчестера и поверхностностью диска у наилучших моделей обычно не превышает 10 Мб/c. Если дорожка уже позиционирована, то скорость обмена определяется в основном двумя величинами: временем поиска сектора (равно половине периода Т вращения пластины) и скоростью считывания секторов. С учётом этих величин V д приблизительно определяется по формуле:

V д = 0.5 ´ S ´ 512 / (T ´ I) (Кб/с),

где S - число физических секторов (S = 80 - 160 и зависит от номера дорожки);

Т = 1 / V в – период вращения (при V в = 7 200 об/мин T » 8 мс);

I – интерлив, количество оборотов диска для чтения всей дорожки (у лучших НЖМД I = 1).

Подставляя лучшие параметры дисков, получаем V д » 160 ´ 0,5 ´ 512 / 8 ´ 1024 = 5 Мб/с. При учёте времени поиска нужной дорожки t c скорость обмена между кэш-буфером винчестера и поверхностностью диска V д будет меньше и будет определяться способом заполнения пластин. Пластины могут заполняться последовательно (сначала один диск, затем другой и т. д.) или в режиме заполнения дорожками, когда сначала заполняются все крайние внешние дорожки у всех пластин, затем запись смещается к центру. Режим заполнения дорожками встречается чаще, и поэтому незаполненные информацией НЖМД обладают большим быстродействием, чем заполненные, т. к. информация на внутренних дорожках читается медленнее, и количество секторов на дорожках неодинаково – на внутренних цилиндрах их меньше, чем на внешних.

2.4. Характеристики НЖМД

Типичная блок – схема управления НЖМД, размещаемая на печатной плате винчестера представлена на рис. 4.6. Любой винчестер IDE или SCSI имеет пакет магнитных дисков, блок магнитно-резистивных головок, систему позиционирования, канал считывания записи, сепаратор данных и микроконтроллер. Сепаратор данных выделяет из входного считываемого сигнала импульсы синхронизации и данные. Микроконтроллер по специальным адресным меткам распознает поля идентификации и данных сектора. В поле идентификатора находится закодированная информация об адресе сектора < C, H, S >. МП устанавливает правильность позиционирования головок и выполняет микрооперации записи/считывания следующим образом.

Цифровая система УУ НЖМД воспринимает команды с системной шины от центрального процессора через микроконтроллер обмена диска с шиной SCSI и включает буфер секторов для временного хранения данных, участвующих в обмене. МП УУ накопителя принимает поступающий с системной шины логический адрес < C *, H *, S * >, преобразует его в физический адрес < С, H, S >, и, через МП и контроллер управления двигателем и приводом головок, позиционируют соответствующий цилиндр С. Для чего величина, определяющая место < C > цилиндра на пластине Ei, сравнивается с сигналом положения приводной ручки х (см. рис. 4.3). При наличии отличной от нуля разницы Ei - х из СУ поступает сигнал, который усиливает и возбуждает ток в соленоиде К, перемещая привод головки вглубь или на край диска в зависимости от знака величины рассогласования.

Перемещаясь, приводная ручка уменьшает величину Ei - х до нуля и МП НЖМД по положению маркера (по коду поля идентификации) подключает требуемую головку к сектору < S > и каналу записи/считывания, включающего шифратор для записи или импульсный детектор и дешифратор (DC) в режиме считывания.

Рис. 4.6. Схема управления НЖМД

Характеристики некоторых 3.5-дюймовых НЖМД представлены в табл. 4.5. Из таблицы видно, что скорость вращения V в дисков увеличилась. В старых винчестерах она была равна 3 600 об/мин, теперь она чаще всего равна 7 200 об/мин. Только в дорогих НЖМД с SCSI интерфейсом она равна 15 000 об/мин. Высокие скорости вращения диска (7 200 об/мин) и перемещения микроскопических головок позволяют получить в лучших конструкциях НЖМД среднее время доступа к информации около 8 мс. Время поиска нужной дорожки зависит от исходного положения головки и является наименьшим, если головка находится на соседней дорожке (track to track seek) t cд. Величина t cд для лучших НЖМД равна 1 – 3 мс.

Если поиск ведется случайным образом с равновероятным переходом на любую дорожку, можно говорить о среднем времени доступа (average seek) t cр. Существенно увеличилась у новых моделей НЖМД емкость до 20 Гб и более. Все НЖМД для ускорения доступа к данным оснащаются кэш-буфером емкостью 2 Мб и часто 8 Мб. Для повышения надежности НЖМД применяется система диагностики и оповещения отказов S.M.A.R.T. и специальные способы обнаружения сбоев и коррекции.

Таблица 4.5 Характеристики НЖМД
Фирма Модель	Ё диска / головок, Гб	Vв, об/мин	Кэш-буфер, Мб	t cр, мс	Интерфейс
IBM DTLA-307020	20.5 2/3	7 200	-	8.5	ATA/100
Maxtor DiamonMax80H8	81.9 4/8	5 400		9.0	ATA/100
Seagate Barracuda 180 ST1181677LW	181.6 12/24	7 200		8.2	Ultra 160 SCSI
Western Digital WD200BB	1/2	7 200		10.9	ATA/100
Fujitsu AL7LX MAM 3367NP	36.7 4/8	15 000		3.5	Ultra 320 SCSI ATA/100

Технология S.M.A.R.T. была разработана с участием крупнейших производителей винчестеров. Для ана­лиза надежности жесткого диска используются две группы параметров: па­раметры естественного старения диска и текущие параметры.

К параметрам первой группы относятся:

Количество оборотов двигателя за время работы;

Количество перемещений головок чтения/записи за время работы.

К параметрам второй группы относятся, например, такие:

Расстояние между головкой чтения/записи и рабочей поверхностью;

Скорость обмена данными между дисками и кэш-памятью винчестера;

Количество переназначенных поврежденных (bad) секторов;

Скорость поиска данных на диске.

Вся информация S.M.A.R.T. записывается на специальных дорожках. Существует три версии (I, II, III) технологии S.M.A.R.T. В S.M.A.R.T. III осуществляется предсказание ошибок, осуществляется сканирование поверхности и в дополнение к I, II предыдущим версиям опреде­ляет и восстанавливает проблемные сектора. BIOS позволяет пользователю управлять режимом работы S.M.A.R.T. с выдачей сообщений о состоянии НЖМД. При этом средняя наработка на отказ винчестера MTBF, как средне статистическое время между сбоями, равна 500 тыс. часов (при 40 - 50 тыс. циклов включения/выключения), что на порядок выше других компонент ЭВМ.

IBM, Fujitsu, Quantum и другие фирмы в НЖМД используют для повышения плотности записи и надежности вместо алюминиевых стеклянные и кремниевые пластины из-за их большей жесткости и чистоты. Это также способствует уменьшению их веса. Также многие компании, например, IBM, стремятся уменьшить размеры пластин (чем меньше пластина, тем меньше вибрация) вводя новые 27-миллимитровые стандарты. Прогнозы компаний: увеличение плотности записи информации скоро составят 300 Гбит на кв. дюйм. Продолжается поиск альтернативы магнитным дискам. Среди таких инноваций – органические магнитные пленки и структуры с нанесенными ячейками. Производители полагают, что новые технологии потеснят магнитные носители.

Основными недостатками магнитных дисков являются: старение материалов подложки, ограничивающее срок службы до 5 лет; потеря данных от воздействия случайных электромагнитных полей; размагничивание в процессе хранения; чувствительность к ударам и тряске.

Лекция 17: Оптические накопители

В 1972 г. компания Phllips продемонстрировала систему Video Long Play. В ней был использован для записи данных принцип "засечек". Он стал началом развития CD-, а в дальнейшем и DVD-технологий. Первый стандарт оптических накопителей CD-ROM, включающий систему записи на компакт-диск произвольных цифровых данных, разработан в 1984 г. фирмами Philips и Sony.

Массово компакт-диск постоянной памяти СD-RОМ выпускается с 1988 г. как накопитель информации емкостью 650 Мб. Эта информация соответствует примерно 330 000 страницам текста или 74 минутам высококачественного звучания. На данный момент существует несколько стандартов CD-ROM – это AAD, DDD, ADD. Буквы этой аббревиатуры отражают формы звукового сигнала, использованные при создании диска: первая – при исходной записи, вторая – при обработке и сведении, третья – конечный мастер-сигнал, с которого формируется диск. "A" обозначает аналоговую (Analog) форму, "D" – цифровую (Digital). Мастер-сигнал для CD всегда существует только в цифровой форме, поэтому третья буква аббревиатуры всегда "D". При записи и обработке сигнала в аналоговой форме сохраняются высшие гармоники, но возрастает уровень шума. При обработке в цифровой форме высшие гармоники принудительно обрезаются на половине частоты дискретизации.

Компакт - диски CD-ROM изготавливаются толщиной 1.2 мм с внешним диаметром 12 см, с внутренним отверстием 15 мм из полимерного материала, который покрыт с нижней стороны пленкой из сплава алюминия (рис. 4.7.). Эта пленка является носителем информации, которая после записи защищается дополнительным слоем лака. Верхний слой является нерабочим, и на него наносятся этикетки и надписи.

Рис. 4.7. Информационный слой на CD-ROM

Изготовление дисков происходит в несколько стадий, включающих:

Запись выжиганием лазерным лучом штрихов ("засечка", пит) в течение более 1.5 часов на мастер-диск;

Получение с мастер-диска копий матриц из твердого металла;

Изготовление копии рабочих дисков путем оттиска (штамповки) матрицами.

В результате оттиска на поверхности диска остается спиральная дорожка шириной 0.6 мкм с расстоянием между витками 1.6 мкм с углублениями в виде штриха 0.12 мкм с ТРI = 16 000. Дорожка начинается вблизи центрального отверстия и оканчивается в 5 мм от внешнего края. Длина спирали достигает 5 км. Принцип работы накопителя CD-ROM можно упрощенно пояснить с помощью рис. 4.8. Диск вращается двигателем (D1), система управления которого обеспечивает постоянную скорость перемещения дорожки относительно считывающего устройства на любом внутреннем или внешнем витке спирали. При этом скорость считывания данных для формирования звука строго постоянна и равна 75 блокам в секунду (150 Кб/с).

В каждом блоке записано 2 352 байта. Из них 2 048 полезных и 288 контрольных, которые используются для восстановления данных ("провалов" из-за царапин, сора) длиной до 1 000 бит, 16 для синхронизации. Контрольные биты позволяют избежать ошибок с вероятностью 10 -25 . Двигатель положения (D2) предназначен для перемещения подвижной каретки (ПК) с зеркалом и фокусирующей линзой к нужному витку спиральной дорожки по командам встроенного микропроцессора.

Рис. 4.8. Принцип работы накопителя CD-ROM

Полупроводниковый лазер (ППЛ) излучает инфракрасный луч с длиной волны в 4 раза превышающей глубину штриха. Этот луч проходит через разделительную призму (РП), отражаясь от зеркала (3). Затем через фокусирующую линзу (ФЛ1) он точно направляется на дорожку и отражается от нее с разной интенсивностью в зависимости от штриха или плато. Поскольку диаметр светового пятна, формируемого на дорожке лазерным лучом, больше, чем размер штриха, при одновременном отражении луча от дна штриха и основной поверхности между отраженными волнами возникает гасящая интерференция, интенсивность отраженного луча уменьшается. При отсутствии штриха световое пятно отражается одинаково, интерференция не происходит, интенсивность отраженного луча сохраняется. Отраженный от дорожки луч воспринимается фокусирующей линзой (ФЛ1) и через РП и фокусирующую линзу (ФЛ2) воспринимается фотодатчиком (ФД), который преобразует оптические сигналы в электрические. Электрический сигнал, снимаемый с ФД при просмотре штриха в CD, принимается за логическую единицу. Электрические сигналы передаются затем в звуковую плату или в ОЗУ. При передаче в звуковую плату (карту) цифровые последовательности преобразуются в аналоговые сигналы, усиливаются и могут быть прослушаны через наушники или динамики.

Если сигналы с диска представляют собой массивы цифровых данных для компьютера, то они преобразуются в параллельный двоичный код встроенным микропроцессором, который затем может их передать в сегменты ОЗУ ЭВМ. В отличие от звуковых записей, передаваемых в звуковую плату синхронно, цифровые данные с CD могут быть считаны в ОЗУ с увеличенной 4, 6, 8, 10 раз скоростью. Накопитель и CD-ROM, имеющие такие скорости, называют 4 – 10 скоростными. Они считывают данные и передают их в системную шину со скоростью 600, 900, 1200, 1500 Кб/с и имеют лучшее среднее время доступа к блокам диска около 100 мс. На скорости свыше 5 000-6 000 об/мин надежное считывание становится практически невозможным, поэтому последние модели 12- и более скоростных CD-ROM при чтении данных работают в режиме CAV (постоянная угловая скорость), вращая диск с максимально возможной скоростью. В этом режиме скорость поступления данных с диска меняется в зависимости от положения головки, увеличиваясь от начала к концу диска. Указанная в паспорте скорость (например, 24x) достигается только на внешних участках диска, а на внутренних она падает примерно до 1200-1500 Кб/с. В дисководах со скоростями 20 и 24 быстродействие зависит от места считывания информации с компакт - диска и их средняя скорость соответствует около х14 при поддержке BIOS режима PIO-4.

3.1. Перезаписываемые оптические накопители

Кроме CD-ROM все более широкое применение находят стандарты CD-R (Recordable - записываемый) и CD-RW (ReWritable - перезаписываемый). Для однократной записи CD-R используются так называемые "болванки", представляющие собой обычный компакт-диск, в котором отражающий слой выполнен преимущественно из золотой или серебряной пленки. Между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала (красителя), темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные "засечкам".

Перезаписываемые диски CD-RW имеют семислойную структуру, отличающуюся от дисков CD-R, которые содержат пять слоев, как показано на рис. 4.9. В CD-RW используется промежуточный слой из металлопластика, изменяющий под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно. В результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критической температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагреве до температуры значительно ниже критической восстанавливает кристаллическое состояние. Такие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность существенно ниже однократных CD, что затрудняет их считывание в обычных приводах. Для чтения CD-RW необходим привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника (Auto Gain Control), хотя некоторые обычные приводы CD-ROM и бытовые проигрыватели способны читать их наравне с обычными дисками. Способность привода читать CD-RW носит название Multiread.

Перезаписываемый диск может иметь такую же структуру и файловую систему, что и CD-R, либо на нем может быть организована специальная файловая система UDF, позволяющая динамически создавать и уничтожать отдельные файлы на диске.

,

Рис.4.9. Структура записи на CD-R и CD-RW

3.2. Цифровой универсальный диск

Стандарт для DVD был разработан в 1995 г. совместно несколькими компаниями (Hitachi, JVC, Philips и др.). На DVD-диски можно записывать не только видео, но и аудио и любые другие данные, поэтому он чаще применятся как цифровой универсальный диск (Versatile). Главное отличие DVD-дисков от CD-дисков – разница в объёмах информации. Ёмкость DVD увеличена несколькими способами:

Во-первых, для чтения DVD-дисков используется лазер с меньшей длиной волны, чем для чтения CD-дисков, что позволило существенно увеличить плотность записи;

Во-вторых, стандартом предусмотрены двухслойные диски, для которых на одной стороне записываются данные в два слоя. При этом один слой полупрозрачный, что позволяет осуществлять чтение "сквозь" первый слой.

С повышением плотности записи и уменьшением длины волны считывающего лазера изменилось требование к толщине защитного пластмассового слоя, для DVD-дисков он составляет всего 0.6 мм в отличие от 1,2 мм, используемых в CD-дисках. Однако что бы сохранить привычные размеры диска и избежать излишней хрупкости DVD-дисков, они заливаются пластиком с двух сторон, чтобы итоговая толщина диска составила те же 1,2 мм. Это позволило записывать данные на обе стороны DVD-дисков и таким образом удваивать их ёмкость. Основные виды DVD дисков следующие :

DVD-5 (4.7 Гб) с записью данных одним слоем на одной стороне;

DVD-9 (8.5 Гб) с записью данных в два слоя на одной стороне;

DVD-10 (9.4 Гб) с записью данных на двух сторонах по одному слою;

DVD-14 (13.24 Гб) с записью данных в два слоя на одной стороне, один слой на другой;

DVD-18 (17 Гб) с записью данных на двух сторонах по два слоя.

Характеристики оптических дисков фирмы Samsung представлены в табл. 4.6.

Поскольку DVD-диск часто используют для передачи графики, мультимедиа и просмотра видеофильмов, то для качественного воспроизведения картинок (720х576 точек глубиной цвета 24 бит, в европейском стандарте PAL) требуется скорость передачи данных 30 Мб/с, а для просмотра фильма нужна емкость диска около 100 Гб. С целью снижения требований к скорости передачи данных (V пр) и увеличения объема данных используется алгоритм сжатия MPEG-2. Это позволяет снизить скорость потока данных до 3 – 4 Мб/с. При сжатии удаляется уменьшить до 97 % избыточной информации практически без ущерба для качества картинки. Чтобы восстановить считанные с DVD-диска данные, информацию необходимо декодировать, т.е. восстановить избыточную информацию, удаленную при сжатии. Это можно сделать либо программно без применения специализированных аппаратных средств, либо с использованием аппаратного DVD-декодера.

Для DVD-дисков, также как и для CD дисков, существуют форматы перезаписи – это DVD-RAM и DVD+RW емкостью до 2,6 Гб и до 3 Гб соответственно, но оба этих формата несовместимы между собой. Принцип перезаписи у них такой же, как и у CD технологий, но запись ведется по слоям и плотность на диске более высокая.

В настоящее время для CD и DVD накопителей применяется несколько интерфейсов, это EIDE, ATAPI, SCSI, а также USB.

Таблица 4.6 Характеристики оптических накопителей
Параметры	CD-RW (SW-208)	DVD-ROM (SD-612)
Скорость записи CD (Кб/с)	1200 (8х)	-
Скорость перезаписи CD (Кб/с)	600 (4х)	-
Скорость чтения CD (Кб/с)	4800 (32х)	6000 (40х)
Скорость чтения DVD (Кб/с)	-	16200 (12х)
Интерфейс	EIDE	EIDE
Размер буфера (Кб)
Выходная аудио мощность (Вт)	0,7	0,7
Запись CD-R 650 (Мб)	+	-
Запись CD-RW 700/650/550 (Мб)	+	-

3.3. Оптические накопители нового поколения

В накопителях нового поколения, так называемых флюоресцентных дисках (FM-диски), используется принцип "фотохромизма". Это явление проявляется в органическом материале, содержащем частицы фотохрома, которые под воздействием лазерного луча определенной длины волны испускают флюоресцентное свечение. Изначально фотохром не обладает флуоресцентными свойствами. Запись осуществляется под воздействием лазера большой мощности на участки, где инициируется фотохимическая реакция, в результате которой и начинают проявляться флюоресцентные свойства. При считывании частицы фотохрома в участках, облученных лазером, опять возбуждаются посредством лазера меньшей мощности и начинает флюоресцировать. Это свечение улавливается фотоприемником и принимается как значение "1". Особенность FM-диска отражается на характеристике накопителя:

Многослойность, прозрачность и однородность;

Низкие потери сигнала при прохождении через несколько слоев;

Флуоресцентное свечение элементов "прозрачно" для всех слоёв диска;

Меньшая чувствительность, чем у CD/DVD, к различным недостаткам устройств считывания;

Флуоресцентное свечение с любого слоя не когерентно, исключается интерференция, которая присутствует в технологиях CD/DVD;

Флуоресцентная технология совместима с CD и DVD форматами распределения данных на каждом слое.

Сравнительные характеристики флуоресцентного диска емкостью 50 Гб представлены в таб. 4.7.

Из табл. 4.7 видно, что FM-диск позволяет хранить и использовать больше данных, чем CD-диски или DVD-диски, и может быть, в скором времени FM-диски заменят другие оптические накопители.

Лекция 17: Шины микропроцессорной: системы и циклы обмена

Самое главное, что должен знать разработчик микропроцессорных систем - это принципы организации обмена информацией по шинам таких систем. Без этого невозможно разработать аппаратную часть системы, а без аппаратной части не будет работать никакое программное обеспечение.

За более чем 30 лет, прошедших с момента появления первых микропроцессоров, были выработаны определенные правила обмена, которым следуют и разработчики новых микропроцессорных систем. Правила эти не слишком сложны, но твердо знать и неукоснительно соблюдать их для успешной работы необходимо. Как показала практика, принципы организации обмена по шинам гораздо важнее, чем особенности конкретных микропроцессоров. Стандартные системные магистрали живут гораздо дольше, чем тот или иной процессор. Разработчики новых процессоров ориентируются на уже существующие стандарты магистрали. Более того, некоторые системы на основе совершенно разных процессоров используют одну и ту же системную магистраль. То есть магистраль оказывается самым главным системообразующим фактором в микропроцессорных системах.

Обмен информацией в микропроцессорных системах происходит в циклах обмена информацией. Под циклом обмена информацией понимается временной интервал, в течение которого происходит выполнение одной элементарной операции обмена по шине. Например, пересылка кода данных из процессора в память или же пересылка кода данных из устройства ввода/вывода в процессор. В пределах одного цикла также может передаваться и несколько кодов данных, даже целый массив данных, но это встречается реже.

Циклы обмена информацией делятся на два основных типа:

· Цикл записи (вывода), в котором процессор записывает (выводит) информацию;

· Цикл чтения (ввода), в котором процессор читает (вводит) информацию.

В некоторых микропроцессорных системах существует также цикл «чтение-модификация-запись» или же «ввод-пауза-вывод». В этих циклах процессор сначала читает информацию из памяти или устройства ввода/вывода, затем как-то преобразует ее и снова записывает по тому же адресу. Например, процессор может прочитать код из ячейки памяти, увеличить его на единицу и снова записать в эту же ячейку памяти. Наличие или отсутствие данного типа цикла связано с особенностями используемого процессора.

Особое место занимают циклы прямого доступа к памяти (если режим ПДП в системе предусмотрен) и циклы запроса и предоставления прерывания (если прерывания в системе есть). Когда в дальнейшем речь пойдет о таких циклах, это будет специально оговорено.

Во время каждого цикла устройства, участвующие в обмене информацией, передают друг другу информационные и управляющие сигналы в строго установленном порядке или, как еще говорят, в соответствии с принятым протоколом обмена информацией.

Длительность цикла обмена может быть постоянной или переменной, но она всегда включает в себя несколько периодов сигнала тактовой частоты системы. То есть даже в идеальном случае частота чтения информации процессором и частота записи информации оказываются в несколько раз меньше тактовой частоты системы.

Чтение кодов команд из памяти системы также производится с помощью циклов чтения. Поэтому в случае одношинной архитектуры на системной магистрали чередуются циклы чтения команд и циклы пересылки (чтения и записи) данных, но протоколы обмена остаются неизменными независимо от того, что передается - данные или команды. В случае двухшинной архитектуры циклы чтения команд и записи или чтения данных разделяются по разным шинам и могут выполняться одновременно.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, жесткие диски, Hard Disk Drive – HDD) представляют собой устройства, предназначенные для длительного хранения информации. В качестве накопителей на жестких магнитных дисках широкое распространение в ПК получили накопители типа винчестер. Термин «винчестер» является жаргонным названием первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 год), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30/30 известного охотничьего ружья винчестер. В этих накопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и покрытых ферролаком, вместе с блоком магнитных головок считывания-записи помещены в герметически закрытый корпус. 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. Емкость винчестеров благодаря чрезвычайно плотной записи, выполняемой магниторезистивными головками в таких герметических конструкциях, достигает нескольких десятков гигабайтов; быстродействие их также весьма высокое: время доступа от 5 мс, трансфер (скорость обращения) до 6 Гбайт/с. Магниторезистивные технологии обеспечивают чрезвычайно высокую плотность записи, позволяющую размещать 2-3 Гбайт данных на одну пластину (диск). Появление же головок с гигантским магниторезистивньм эффектом (GMR – Giant Magnetic Resistance) еще более увеличило плотность записи – возможная емкость одной пластины возросла до 6,4 Гбайт.

НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5 дюйма (89 мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода: 25 мм – у настольных ПК, 41 мм – у 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%.

Внешний вид НМЖД со снятой крышкой показан на рис. .

Рис. __. Жесткий диск со снятой крышкой

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. Самый "быстрый" PIO обеспечивает 16,6 Мбайт/с. Режим PIO 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. Трансфер – до 66 Мбайт.

При интерфейсах (на периферийных шинах) SCSI может быть достигнута более высокая скорость передачи – 80 Мбайт/с, при этом можно подключать до 15 накопителей к одному контроллеру интерфейса. А технология, использующая оптоволоконные каналы связи для жестких дисков SCSI, обеспечивает трансфер 200 Мбайт/с и возможность подключения до 256 устройств (используется, естественно, не в ПК, а в больших системах и в дисковых массивах – RAID).

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 и даже до 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.

В ПК имеется обычно один, реже несколько накопителей на жестких магнитных дисках. Однако программными средствами один физический диск может быть разделен на несколько «логических» дисков; тем самым имитируется несколько НМД на одном накопителе.

Большинство современных накопителей имеют собственную кэш-память емкостью от 2 до 8 Мбайт.

Внешние HDD относятся к категории переносных.

В последнее время переносные накопители (их также называют внешними, мобильными, съемными, а портативные их варианты – карманными – Pocket HDD) получили широкое распространение. Питание переносных жестких дисков выполняется либо от клавиатуры, либо по шине USB (возможный вариант – через порт PS/2).

Переносные жесткие диски весьма разнообразны: от обычных HDD в отдельных корпусах до стремительно набирающих популярность твердотельных дисков. Форм-фактор чаше – 2,5 дюйма, емкость 1-60 Гб.

Переносить большие массивы данных с одного компьютера на другой позволяют также оптические накопители CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW и DVD-RAM. Их носители обеспечивают перенос больших массивов данных с одного компьютера на другой. Кроме того, в силу относительно высокой производительности эти накопители можно использовать в тех же целях, что и обычные стационарные жесткие. Такие устройства могут применяться и для решения задач резервного копирования информации.

Иногда НЖМД со сменными пакетами дисков и НГМД типа Zip называют накопителями Бернулли, поскольку в этих накопителях для минимизации и регулирования зазора между магнитной головкой и носителем – магнитным диском – используется закон Бернулли: давление на поверхность тела, создаваемое потоком движущейся вдоль нее жидкости или газа, зависит от скорости этого потока и уменьшается с увеличением этой скорости. Магнитные головки располагаются над поверхностью эластичных дисков: когда диски неподвижны, они под действием своего веса несколько провисают и отходят от головок, при быстром вращении дисков под действием создающегося разрежения воздуха они притягиваются к головкам почти вплотную, но без их касания. Это обеспечивает минимальное рассеивание магнитного потока головки и позволяет увеличить плотность записи информации на диске.

Информатика, кибернетика и программирование

Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U-образного ферромагнитного сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) головки создается магнитное поле. При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой электромагниты

Устройство накопителя на жестких магнитных дисках.

Принцип магнитной записи Рабочий слой диска Ферритовые головки Головки с металлом в зазоре Тонкопленочные головки Магниторезистивные головки Гигантские магниторезистивные головки Ползунок Конструкция каркаса с головками чтения/записи Механизмы привода головок Привод с шаговым двигателем Привод с подвижной катушкой Обратная связь Двигатель привода дисков Плата управления Лицевая панель Кабели и разъемы накопителей Элементы конфигурации

Принцип магнитной записи

Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U-образного ферромагнитного сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) головки создается магнитное поле (рис. 1). При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой электромагниты, полярность которых можно очень быстро изменить, переключив направление пропускаемого электрического тока.

На рис. 2 показан принцип записи информации. Магнитное поле в сердечнике частично распространяется в окружающее пространство благодаря наличию зазора, “пропиленного” в основании U-образного сердечника. Если вблизи зазора располагается другой ферромагнетик (рабочий слой носителя), то магнитное поле в нем локализуется, поскольку подобные вещества обладают меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух.

Рис.2 Принцип записи информации

Магнитный поток, пересекающий зазор, замыкается через носитель, что приводит к поляризации его магнитных частиц (доменов) в направлении действия поля. Направление поля и, следовательно, остаточная намагниченность носителя зависят от полярности электрического поля в обмотке головки. Гибкие магнитные диски обычно делаются на лавсановой, а жесткие — на алюминиевой или стеклянной подложке, на которую наносится слой ферромагнитного материала. Рабочий слой в основном состоит из окиси железа с различными добавками. Магнитные поля, создаваемые отдельными доменами на чистом диске, ориентированы случайным образом и взаимно компенсируются на любом сколько-нибудь протяженном (макроскопическом) участке поверхности диска, поэтому его остаточная намагниченность равна нулю.

Если участок поверхности диска при протягивании вблизи зазора головки подвергается воздействию магнитного поля, то домены выстраиваются в определенном направлении и их магнитные поля больше не компенсируют друг друга. В результате на этом участке появляется остаточная намагниченность, которую можно впоследствии обнаружить. Т.о. в результате протекания переменного тока импульсной формы в обмотке головки чтения/записи на вращающемся диске образуется последовательность участков с различной по знаку (направлению) остаточной намагниченностью.

Для последующего воспроизведения записанной информации наиболее важными оказываются те зоны, в которых происходит смена направления остаточного магнитного поля (зоны смены знака). Магнитная головка записывает данные на диск, размещая на нем зоны смены знака. При записи каждого бита (или битов) данных в специальных областях на диске располагаются последовательности зон смены знака. Эти области называются битовыми ячейками.

Битовая ячейка — это специальная область на диске, в которой головка размещает зоны смены знака. Геометрические размеры такой ячейки зависят от тактовой частоты сигнала записи и скорости, с которой перемещаются относительно друг друга головка и поверхность диска. Ячейка перехода — это область на диске, в которую можно записать только одну зону смены знака. При записи отдельных битов данных или их групп в ячейках формируется характерный “узор” из зон смены знака, зависящий от способа кодирования информации. Это связано с тем, что в процессе переноса данных на магнитный носитель каждый бит (или группа битов) с помощью специального кодирующего устройства преобразуется в серию электрических сигналов, не являющихся точной копией исходной последовательности импульсов.

Во время считывания головка ведет себя как детектор зон смены знака, выдавая импульсы напряжения при каждом пересечении зоны смены знака. На тех участках, где не происходит смена знака, импульсы не генерируются (выбросы отсутствуют).

На рис. 3 в графическом виде представлена взаимосвязь между формами импульсов (сигналов) во время считывания и записи и зонами смены знака, записанными на диске.

Во время считывания головка регистрирует зоны смены знака и выдает соответствующие импульсы - сигнал соответствует нулевому напряжению, если не обнаружены переходы от положительного знака к отрицательному или наоборот. Импульсы появляются только в тех случаях, когда головка пересекает зоны смены знака на магнитном носителе. Схема контроллера устройства учитывает тактовую частоту следования, записываемых импульсов и т.о. определяет, попадает ли импульс (и, следовательно, зона смены знака) в данную ячейку перехода.

Амплитуда зарегистрированного сигнала, поступающего с головки при считывании, очень мала, поэтому существует проблема шумов и помех. Поэтому для усиления сигнала используются высокочувствительные устройства. После усиления сигнал поступает на декодирующие схемы, которые предназначены для восстановления потока данных, идентичного потоку, поступавшему на накопитель при выполнении записи.

Итак, запись и считывание информации с диска основаны на принципах электромагнетизма. При записи данных на диск электрический ток пропускается через электромагнит (головку устройства), в результате чего создаются зоны намагниченности, которые и сохраняются на диске. Данные считываются с диска при перемещении головки над его поверхностью; при этом головка регистрирует изменения в зонах намагниченности и в результате генерирует слабые электрические сигналы, указывающие на наличие или отсутствие зон смены знака в записанных сигналах.

Рис. 3. Запись и считывание информации с магнитного диска

Принципы работы накопителей на жестких дисках

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый), как показано на рис. 4.

В накопителях обычно устанавливается несколько дисков (пластин, платтероов), и данные записываются на обеих сторонах каждого из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах). Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис. 5). Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.

Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения в настоящее время составляет 7 200, 10 000 и 15 000 об/мин. Скорость работы жесткого диска зависит от частоты его вращения, скорости перемещения системы головок и количества секторов на дорожке. При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пыль или произойдет сотрясение, головка “столкнется” с диском, вращающимся “на полном ходу”. Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего

Основные узлы накопителей на жестких дисках

Практически все накопители на жестких дисках состоят из одних и тех же основных узлов. Конструкции этих узлов и качество используемых материалов могут быть различными, но основные их рабочие характеристики и принципы функционирования одинаковы. К основным элементам конструкции типичного накопителя на жестком диске (рис. 6) относятся следующие:

• диски (платтеры);
• головки чтения/записи;
• механизм привода головок;
• воздушные фильтры
• двигатель привода дисков;
• печатная плата со схемами управления;
• лицевая панель;
• кабели и разъемы;
• элементы конфигурации (перемычки и переключатели).

Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA (печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными.

Рис. 6 . Основные узлы накопителя на жестком диске

Диски

Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. Установлен ряд стандартных размеров накопителей, которые определяются в основном размерами дисков, а именно:

• 5,25 дюйма (на самом деле — 130 мм, или 5,12 дюйма);
• 3,5 дюйма (на самом деле — 95 мм, или 3,74 дюйма);
• 2,5 дюйма (на самом деле — 65 мм, или 2,56 дюйма);
• 1 дюйм (на самом деле — 34 мм, или 1,33 дюйма).

Существуют также накопители с дисками больших размеров, например 8 дюймов, 14 дюймов и даже больше, но, как правило, эти устройства в персональных компьютерах не используются. Сейчас в настольных и некоторых портативных моделях чаще всего устанавливаются накопители формата 3,5 дюйма, а малогабаритные устройства (формата 2,5 дюйма и меньше) — в портативных системах.

В большинстве накопителей устанавливается минимум два диска, хотя в некоторых малых моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается физическими размерами накопителя, а именно высотой его корпуса. Раньше почти все диски производились из алюминиевого сплава, довольно прочного и легкого. Но со временем возникла потребность в накопителях, сочетающих малые размеры и большую емкость. Поэтому в качестве основного материала для дисков стало использоваться стекло, а точнее, композитный материал на основе стекла и керамики. Один из таких материалов называется MemCor. Он значительно прочнее, чем каждый из его компонентов в отдельности. Стеклянные диски отличаются большей прочностью и жесткостью, поэтому их можно сделать в два раза тоньше алюминиевых (а иногда еще тоньше). Кроме того, они менее восприимчивы к перепадам температур, т.е. их размеры при нагреве и охлаждении изменяются весьма незначительно. В настоящее время в некоторых накопителях, выпускаемых такими компаниями, как IBM, Seagate, Toshiba, Western Digital и Maxtor, используются стеклянные или стеклокерамические диски.

Рабочий слой диска

Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются два типа рабочего слоя - оксидный и тонкопленочный .

Оксидный слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. Наносят его следующим образом. Сначала на поверхность быстро вращающегося алюминиевого диска разбрызгивается суспензия порошка оксида железа в растворе полимера. За счет действия центробежных сил она равномерно растекается по поверхности диска от его центра к внешнему краю. После полимеризации раствора поверхность шлифуется. Затем на нее наносится еще один слой чистого полимера, обладающего достаточной прочностью и низким коэффициентом трения, и диск окончательно полируется. Чем выше емкость накопителя, тем более тонким и гладким должен быть рабочий слой дисков.

Добиться качества покрытия, необходимого для накопителей большой емкости, в рамках традиционной технологии оказалось невозможным, поскольку оксидный слой довольно мягкий, он крошится при “столкновениях” с головками (например, при случайных сотрясениях накопителя). Поэтому в современных моделях накопителей они полностью уступили место тонкопленочным дискам.

Тонкопленочный рабочий слой имеет меньшую толщину, он прочнее, и качество его покрытия гораздо выше. Эта технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось существенно уменьшить величину зазора между головками и поверхностями дисков, что позволило повысить плотность записи. Сначала тонкопленочные диски использовались только в высококачественных накопителях большой емкости, но сейчас они применяются практически во всех накопителях. Тонкопленочный рабочий слой называют также гальванизированным или напыленным , поскольку наносить тонкую пленку на поверхность дисков можно по-разному.

Тонкопленочный гальванизированный рабочий слой получают путем электролиза. Алюминиевую подложку диска последовательно погружают в ванны с различными растворами, в результате чего она покрывается несколькими слоями металлической пленки. Рабочим слоем служит слой из сплава кобальта толщиной всего около 1 микродюйма (приблизительно 0,025 мкм). Метод напыления рабочего слоя заимствован из полупроводниковой технологии. Суть его сводится к тому, что в специальных вакуумных камерах вещества и сплавы вначале переводятся в газообразное состояние, а затем осаждаются на подложку. На алюминиевый диск сначала наносится слой фосфорита никеля, а затем магнитный кобальтовый сплав. Его толщина при этом оказывается равной всего 1–2 микродюйма (0,025–0,05 мкм). Аналогично поверх магнитного слоя на диск наносится очень тонкое (порядка 0,025 мкм) углеродное защитное покрытие, обладающее исключительной прочностью. Это самый дорогостоящий процесс из всех описанных выше, так как для его проведения необходимы условия, приближенные к полному вакууму.

Как уже отмечалось, толщина магнитного слоя, полученного методом напыления, составляет около 0,025 мкм. Его исключительно гладкая поверхность позволяет сделать зазор между головками и поверхностями дисков гораздо меньшим, чем это было возможно раньше (0,076 мкм). Чем ближе к поверхности рабочего слоя располагается головка, тем выше плотность расположения зон смены знака на дорожке записи и, следовательно, плотность диска. Кроме того, при увеличении напряженности магнитного поля по мере приближения головки к магнитному слою увеличивается амплитуда сигнала; в результате соотношение “сигнал-шум” становится более благоприятным. И при гальваническом осаждении, и при напылении рабочий слой получается очень тонким и прочным. Поэтому вероятность “выживания” головок и дисков в случае их контакта друг с другом на большой скорости существенно повышается. И действительно, современные накопители с дисками, имеющими тонкопленочные рабочие слои, практически не выходят из строя при вибрациях и сотрясениях. Оксидные покрытия в этом отношении гораздо менее

надежны. Если заглянуть внутрь корпуса накопителя, то можно увидеть, что тонкопленочные покрытия дисков напоминают серебристую поверхность зеркал. Самое тонкое и прочное покрытие получается в процессе напыления, поэтому гальванический метод в последнее время применяется все реже.

Конструкции головок чтения/записи

По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Первые головки представляли собой сердечники с обмоткой (электромагниты). По современным меркам их размеры были огромными, а плотность записи — чрезвычайно низкой. За прошедшие годы конструкции головок прошли долгий путь развития от первых головок с ферритовыми сердечниками до современных типов.

В современных накопителях на жестких дисках чаще всего используются головки следующих четырех типов:

• ферритовые;
• с металлом в зазоре (MIG);
• тонкопленочные (TF);
• магниторезистивные (MR);
• гигантские магниторезистивные (GMR).

Ферритовые головки

Классические ферритовые головки впервые были использованы в первых накопителях компании IBM. Их сердечники делаются на основе прессованного феррита (на основе окиси железа). Магнитное поле в зазоре возникает при протекании через обмотку электрического тока. В свою очередь, при изменениях напряженности магнитного поля вблизи зазора в обмотке наводится электродвижущая сила. Таким образом, головка является универсальной, т.е. может использоваться как для записи, так и для считывания. Размеры и масса ферритовых головок больше, чем у тонкопленочных; поэтому, чтобы предотвратить их нежелательные контакты с поверхностями дисков, приходится увеличивать зазор.

За время существования ферритовых головок их первоначальная (монолитная) конструкция была значительно усовершенствована. Были разработаны, в частности, так называемые стеклоферритовые (композитные) головки, небольшой ферритовый сердечник которых установлен в керамический корпус. Ширина сердечника и магнитного зазора таких головок меньше, что позволяет повысить плотность размещения дорожек записи. Кроме того, снижается их чувствительность к внешним магнитным помехам.

По мере увеличения емкости накопителей ферритовые головки были полностью вытеснены другими разновидностями. Ферритовые головки непригодны для записи на носители с большой коэрцитивной силой, их частотная характеристика ограничена, а чувствительность низка (плохое соотношение “сигнал–шум”). Главное достоинство ферритовых головок — их дешевизна.

Головки с металлом в зазоре

Головки с металлом в зазоре (Metal-In-Gap — MIG) появились в результате усовершенствования конструкции композитной ферритовой головки. В таких головках магнитный зазор, расположенный в задней части сердечника, заполнен металлом. Благодаря этому существенно уменьшается склонность материала сердечника к магнитному насыщению, что позволяет повысить магнитную индукцию в рабочем зазоре и, следовательно, выполнить запись на диск с большей плотностью. Кроме того, градиент магнитного поля, создаваемого головкой с металлом в зазоре, выше, а это означает, что на поверхности диска формируются намагниченные участки с более четко выраженными границами (уменьшается ширина зон смены знака).

Эти головки позволяют использовать носители с большой коэрцитивной силой и тонкопленочным рабочим слоем. За счет уменьшения общей массы и улучшения конструкции такие головки могут располагаться ближе к поверхности носителя.

Головки с металлом в зазоре бывают двух видов: односторонние и двусторонние (т.е. с одним и с двумя металлизированными зазорами). В односторонних головках прослойка из магнитного сплава расположена только в заднем (нерабочем) зазоре, а в двусторонних — в обоих. Слой металла наносится методом вакуумного напыления. Индукция насыщения магнитного сплава примерно вдвое больше, чем у феррита, что, как уже отмечалось, позволяет

осуществлять запись на носители с большой коэрцитивной силой, которые используются в накопителях высокой емкости. Двусторонние головки в этом отношении лучше односторонних. Благодаря своим неоспоримым преимуществам некоторое время назад головки с металлом в зазоре полностью заменили традиционные ферритовые головки в высококачественных накопителях. Но постоянно возрастающие требования к емкости жестких дисков привели к тому, что их сейчас постепенно вытесняют тонкопленочные головки.

Тонкопленочные головки

Тонкопленочные (Thin Film — TF) головки производятся по технологии похожей на производство интегральных схем, т.е. путем фотолитографии. На одной подложке можно “напечатать” сразу несколько тысяч головок, которые получаются в результате маленькими и легкими. Рабочий зазор в тонкопленочных головках можно сделать очень узким, причем его ширина регулируется в процессе производства путем наращивания дополнительных слоев немагнитного алюминиевого сплава. Алюминий полностью заполняет рабочий зазор и хорошо защищает его от повреждений (сколов краев) при случайных контактах с диском. Собственно сердечник делается из сплава железа и никеля, индукция насыщения которого в 2–4 раза больше, чем у феррита.

Формируемые тонкопленочными головками участки остаточной намагниченности на поверхности диска имеют четко выраженные границы, что позволяет добиться очень высокой плотности записи. Благодаря небольшому весу и малым размерам головок можно значительно уменьшить просвет между ними и поверхностями дисков по сравнению с ферритовыми и MIG-головками: в некоторых накопителях его величина не превышает 0,05 мкм. В результате, во-первых, повышается остаточная намагниченность участков поверхности носителя и, во-вторых, увеличивается амплитуда сигнала и улучшается соотношение “сигнал–шум” в режиме считывания, что в итоге сказывается на достоверности записи и считывания данных.

При тех плотностях расположения дорожек и размещения данных вдоль дорожки, которые характерны для современных накопителей, сигнал воспроизведения с обычной ферритовой головки просто “потерялся” бы в шумах и помехах. Наконец, благодаря небольшой высоте тонкопленочных головок при тех же размерах корпуса накопителя удается установить большее количество дисков.

До недавнего времени тонкопленочные головки были значительно дороже остальных, но усовершенствование технологии производства и повышение требований к емкости накопителей привели, с одной стороны, к снижению стоимости тонкопленочных головок (она стала сопоставимой, а иногда и более низкой, чем цена ферритовых головок и головок с металлом в зазоре), а с другой — к их более широкому распространению.

В настоящее время тонкопленочные головки используются в большинстве накопителей высокой емкости, особенно в малогабаритных моделях, практически вытеснив головки с металлом в зазоре. Их конструкция и характеристики постоянно улучшаются, но, скорее всего, в ближайшее время они будут вытеснены магниторезистивными головками.

Магниторезистивные головки

Магниторезистивные (Magneto-Resistive — MR) головки появились сравнительно недавно. Они разработаны компанией IBM и позволяют добиться самых высоких значений плотности записи и быстродействия накопителей. Впервые магниторезистивные головки были установлены в накопителе на жестких дисках емкостью 1 Гбайт (3,5") компании IBM в 1991 году.

Все головки являются детекторами, т.е. регистрируют изменения в зонах намагниченности и преобразуют их в электрические сигналы, которые могут быть интерпретированы как данные. Однако при магнитной записи существует одна проблема: при уменьшении магнитных доменов носителя уменьшается уровень сигнала головки и существует вероятность принять шум за “настоящий” сигнал. Для решения этой проблемы необходимо иметь эффективную головку чтения, которая более достоверно сможет определить наличие сигнала.

Довольно давно был открыт еще один эффект магнетизма: при воздействии на проводник внешнего магнитного поля его сопротивление изменяется. При прохождении обычной головки над зоной смены знака на выходах обмотки формируется импульс напряжения. Иначе обстоит дело при считывании данных с помощью магниторезистивной головки. Ее сопротивление оказывается различным при прохождении над участками с разным значением остаточной (постоянной) намагниченности. Это явление и послужило основой для создания компанией IBM нового типа считывающих головок. Через головку протекает небольшой постоянный измерительный ток, и при изменении сопротивления изменяется и падение напряжения на ней.

Поскольку на основе магниторезистивного эффекта можно построить только считывающее устройство, магниторезистивная головка — это на самом деле две головки, объединенные в одну конструкцию. При этом записывающая часть представляет собой обычную индуктивную головку, а считывающая — магниторезистивную. Так как функции считывания и записи разделены между двумя отдельными узлами, каждый из них может быть спроектирован так, чтобы наилучшим образом выполнять предусмотренную операцию. Амплитуда выходного сигнала у такой головки оказывается примерно в четыре раза больше, чем у индуктивной.

Магниторезистивные головки дороже и сложнее головок других типов, поскольку в их конструкции есть добавочные элементы, а технологический процесс включает несколько дополнительных этапов. Ниже перечислены основные отличия магниторезистивных головок от обычных:

• к ним должны быть подведены дополнительные провода для подачи измерительного тока на резистивный датчик;
• в процессе производства используется 4–6 дополнительных масок (фотошаблонов);
• благодаря высокой чувствительности магниторезистивные головки более восприимчивы к внешним магнитным полям, поэтому их приходится тщательно экранировать.

Во всех рассмотренных ранее головках в процессе записи и считывания “работал” один и тот же зазор, а в магниторезистивной головке их два — каждый для своей операции. При разработке головок с одним рабочим зазором приходится идти на компромисс при выборе его ширины. Дело в том, что для улучшения параметров головки в режиме считывания нужно уменьшать ширину зазора (для увеличения разрешающей способности), а при записи зазор должен быть шире, поскольку при этом магнитный поток проникает в рабочий слой на большую глубину (“намагничивая” его по всей толщине). В магниторезистивных головках с двумя зазорами каждый из них может иметь оптимальную ширину. Еще одна особенность рассматриваемых головок заключается в том, что их записывающая (тонкопленочная) часть формирует на диске более широкие дорожки, чем это необходимо для работы считывающего узла (магниторезистивного). В данном случае считывающая головка “собирает” с соседних дорожек меньше магнитных помех.

Схема типичной магниторезистивной головки IBM показана на рис. 7. Здесь представлен весь узел головки вместе с ползунком. Считывающий элемент головки (магниторезистивный сенсор) состоит из железоникелевой пленки, отделенной небольшим промежутком от магнитного слоя. Эта пленка изменяет свое сопротивление в зависимости от магнитного поля. Защитные слои предохраняют сенсор считывающего элемента от “случайных” магнитных полей. В большинстве конструкций вторая защита выполняет функции записывающего элемента. Такой тип головок называют объединенными магниторезистивными головками. Записывающий элемент представляет собой обычную тонкопленочную индуктивную головку.

Рис. 7 . Поперечное сечение магниторезистивной головки

Гигантские магниторезистивные головки

В 1997 году IBM анонсировала новый тип магниторезистивных головок, обладающих намного большей чувствительностью. Они были названы гигантскими магниторезистивными головками (Giant Magnetoresistive — GMR). Такое название они получили на основе используемого эффекта (хотя по размеру были меньше стандартных магниторезистивных головок). Считывающий элемент гигантской магниторезистивной головки показан на рис. 8 . В настоящее время в большинстве накопителей на жестких дисках используется этот тип головок и в ближайшее время технология GMR будет доминирующей в производстве головок.

Рис. 8 . Поперечное сечение гигантской магниторезистивной головки

Ползунок

Ползунком называется деталь конструкции, благодаря которой головка поддерживается в подвешенном положении на нужном расстоянии от поверхности диска. Сам ползунок при этом тоже не соприкасается с поверхностью носителя. В большинстве случаев эта деталь по форме напоминает катамаран с двумя боковыми “поплавками” и центральной “рулевой рубкой” — магнитной головкой (рис. 9).

Тенденция к постоянному уменьшению размеров накопителей приводит к тому, что все их составные части, в том числе и ползунки, тоже уменьшаются. Например, размер стандартного мини-винчестера равен 0,160 x 0,126 x 0,034 дюймов (4 x 3,2 x 0,86 мм). Сейчас в большинстве накопителей высокой емкости и малогабаритных моделях используются ползунки меньших размеров (уменьшенных на 50%): 0,08 x 0,063 x 0,017 дюймов (2 x 1,6 x 0,43 мм). В новейших моделях размеры ползунка уменьшаются на 70%. Уменьшение размеров ползунка приводит к снижению массы подвижной системы, состоящей из головки, ползунка и рычага перемещения головки. Это, в свою очередь, позволяет перемещать их с большими ускорениями, т.е. уменьшить время перехода с одной дорожки на другую и в итоге — время доступа к данным. Кроме того, при этом можно уменьшить размеры зоны “парковки” головок (“посадочной полосы”) и соответственно увеличить полезную площадь дисков. Наконец, благодаря меньшей площади контактной поверхности ползунка уменьшается неизбежный износ поверхности носителя в процессе раскручивания и остановки дисков.

В новейших конструкциях ползунков их нижней стороне придается специальная форма, благодаря которой высота “полета” головок над поверхностью диска (величина воздушного просвета) поддерживается примерно одинаковой при работе как на внешних, так и на внутренних цилиндрах. При использовании обычных ползунков просвет между головкой и рабочим слоем диска существенно изменяется при переходе от внешних дорожек к внутренним и наоборот. Это связано с различиями в линейных скоростях разных участков поверхности диска относительно головок (линейная скорость зависит от радиуса вращения). Чем выше скорость, тем больше величина просвета. Такой эффект крайне нежелателен, особенно в новых накопителях с зонной записью, в которых линейные плотности записи (вдоль дорожек) одинаковы на всех цилиндрах. В этом случае для нормального считывания и записи величина воздушного просвета между головкой и рабочим слоем диска должна оставаться постоянной. Эту проблему можно решить, придав поверхностям ползунков специальную форму, что и делается в накопителях с зонной записью.

Конструкция каркаса с головками чтения/записи

В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно. Каждая головка установлена на конце рычага, закрепленного на пружине и слегка прижимающего ее к диску. Т.о. диск как бы зажат между парой головок (сверху и снизу). На рис. 10 показана стандартная конструкция механизма привода головок с подвижной катушкой.

Рис. 10. Головки чтения/записи и поворотный привод с подвижной катушкой

Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается и они отрываются от рабочих поверхностей (“взлетают”). Когда диск вращается на полной скорости, зазор между ним и головками может составлять 0,5–5 микродюймов (0,01–0,5 мкм) и даже больше. Именно из этих соображений сборка блоков HDA выполняется только в чистых помещениях, соответствующих требованиям класса 100 (или даже более высоким). Это означает, что в одном кубическом футе воздуха может присутствовать не более 100 пылинок размером до 0,5 мкм. (Для сравнения: стоящий неподвижно человек каждую минуту выдыхает порядка 500 таких частиц). Поэтому помещения оснащаются специальными системами фильтрации и очистки воздуха. Блоки HDA можно вскрывать только в таких условиях. Поддержка столь стерильных условий стоит немалых денег.

Существуют и другие способы создания стерильных условий. Например, монтажный стол, отгораживают от окружающего пространства воздушной завесой, причем непосредственно на рабочее место под давлением постоянно подается очищенный воздух.

Механизмы привода головок

Важной деталью накопителя также является механизм, который устанавливает их в нужное положение и называется приводом головок . Именно с его помощью головки перемещаются от центра к краям диска и устанавливаются на заданный цилиндр. Существует много конструкций механизмов привода головок, но их можно разделить на два основных типа:

• с шаговым двигателем;
• с подвижной катушкой.

Тип привода во многом определяет быстродействие и надежность накопителя, достоверность считывания данных, его температурную стабильность, чувствительность к выбору рабочего положения и вибрациям. Накопители с приводами на основе шаговых двигателей гораздо менее надежны, чем устройства с приводами от подвижных катушек. Привод — самая важная деталь накопителя. В табл. ____ приведены два типа привода головок накопителя на жестких дисках и показана зависимость характеристик устройства от конкретного типа привода.

Таблица. Зависимость характеристик накопителей от типа привода

Характеристика	Привод с шаговым двигателем	Привод с подвижной катушкой
Время доступа к данным	Большое	Малое
Стабильность температуры	Низкая (очень!)	Высокая
Чувствительность к выбору рабочего положения	Постоянная	Отсутствует
	Выполняется (не всегда)	Выполняется
Профилактическое обслуживание	Периодическое переформатирование	Не требуется
Общая надежность (относительная)	Низкая	Высокая

Итак, у накопителей с приводом на основе шагового двигателя средняя скорость доступа к данным достаточно низка (т.е. большое время доступа), они чувствительны к колебаниям температуры и выбору рабочего положения во время операций чтения и записи, в них не осуществляется автоматическая парковка головок (т.е. перемещение их на безопасную “посадочную полосу” при выключении питания). Кроме того, обычно один или два раза в год их приходится переформатировать, чтобы привести реальное расположение зон записи в соответствие с разметкой заголовков секторов. Вполне очевидно, что накопители с приводом головок от шаговых двигателей во всех отношениях уступают устройствам, в которых используются приводы с подвижными катушками.

В накопителях на гибких дисках для перемещения головок используется привод с шаговым двигателем. Его параметров (в том числе и точности) оказывается вполне достаточно для дисководов этого типа, поскольку плотность дорожек записи на гибких дисках значительно ниже (135 дорожек на дюйм), чем в накопителях на жестких дисках (более 5 000 дорожек на дюйм.

Привод с шаговым двигателем

Шаговый двигатель — это электродвигатель, ротор которого может поворачиваться только ступенчато, т.е. на строго определенный угол. Если покрутить его вал вручную, то можно услышать негромкие щелчки (или треск при быстром вращении), которые возникают всякий раз, когда ротор проходит очередное фиксированное положение. Шаговые двигатели могут устанавливаться только в фиксированных положениях. Размеры этих двигателей невелики (порядка нескольких сантиметров), а форма может быть разной — прямоугольной, цилиндрической и т.д. Шаговый двигатель устанавливается вне блока HDA, но его вал проходит внутрь через отверстие с герметизирующей прокладкой. Обычно двигатель располагается у одного из углов корпуса накопителя и его можно легко узнать.

Одна из самых серьезных проблем, свойственных механизмам с шаговыми двигателями, — нестабильность их температур. При нагреве и охлаждении диски расширяются и сжимаются, в результате чего дорожки смещаются относительно своих прежних положений. Поскольку механизм привода головок не позволяет сдвинуть их на расстояние, меньшее одного шага (переход на одну дорожку), компенсировать эти погрешности температур невозможно. Головки перемещаются в соответствии с поданным на шаговый двигатель количеством импульсов.

На рис. 11 показан внешний вид привода с шаговым двигателем.

Рис. 11. Внешний вид привода с шаговым двигателем

Привод с подвижной катушкой

Привод с подвижной катушкой используется практически во всех современных накопителях. В отличие от систем с шаговыми двигателями, в которых перемещение головок осуществляется вслепую, в приводе с подвижной катушкой используется сигнал обратной связи, чтобы можно было точно определить положения головок относительно дорожек и скорректировать их в случае необходимости. Такая система позволяет обеспечить более высокое быстродействие, точность и надежность, чем традиционный привод с шаговым двигателем. Привод с подвижной катушкой работает по принципу электромагнетизма (по конструкции он напоминает обычный громкоговоритель, в котором подвижная катушка, соединенная с диффузором, может перемещаться в зазоре постоянного магнита). В типичной конструкции привода подвижная катушка жестко соединяется с блоком головок и размещается в поле постоянного магнита. Катушка и магнит никак не связаны между собой; перемещение катушки осуществляется только под воздействием электромагнитных сил. При появлении в катушке электрического тока она так же, как и в громкоговорителе, смещается относительно жестко закрепленного постоянного магнита, передвигая при этом блок головки. Подобный механизм оказывается весьма быстродействующим и не столь шумным, как привод с шаговым двигателем.

В отличие от привода с шаговым двигателем, в устройствах с подвижной катушкой нет заранее зафиксированных положений. Вместо этого в них используется специальная система наведения (позиционирования), которая точно подводит головки к нужному цилиндру (поэтому привод с подвижной катушкой может плавно перемещать головки в любые положения). Эта система называется сервоприводом и отличается от ранее рассмотренной тем, что для точного наведения (позиционирования) головок используется сигнал обратной связи, несущий информацию о реальном взаимном расположении дорожек и головок. Эту систему часто называют системой с обратной связью (или с автоматической регулировкой).

Колебания температур не сказываются на точности работы привода с подвижной катушкой и обратной связью. При сжатии и расширении дисков все изменения их размеров отслеживаются сервоприводом, и положения головок (не будучи предопределенными) корректируются должным образом. Для поиска конкретной дорожки используется заранее записанная на диске вспомогательная информация (сервокод) и в процессе работы всегда определяется реальное положение цилиндра на диске с учетом всех отклонений температур. Поскольку сервокод считывается непрерывно, в процессе нагрева накопителя и расширения дисков, например, головки отслеживают дорожку и проблем со считыванием данных не возникает. Поэтому привод с подвижной катушкой и обратной связью часто называют системой слежения за дорожками.

Механизмы привода головок с подвижной катушкой бывают двух типов, которые отличаются только физическим расположением магнитов и катушек:

•  линейный;
•  поворотный.

Линейный привод (рис. 12) перемещает головки по прямой, строго вдоль линии радиуса диска. Катушки располагаются в зазорах постоянных магнитов.

Рис. 12. Линейный привод с подвижной катушкой

Главное достоинство линейного привода состоит в том, что при его использовании не возникают азимутальные погрешности, характерные для поворотного привода. (Под азимутом понимается угол между плоскостью рабочего зазора головки и направлением дорожки записи.) При перемещении с одного цилиндра на другой головки не поворачиваются и их азимут не изменяется.

Однако линейный привод имеет существенный недостаток: его конструкция слишком массивна. Чтобы повысить производительность накопителя, нужно снизить массу приводного механизма и самих головок. Чем легче механизм, тем с б о льшими ускорениями он может перемещаться с одного цилиндра на другой. Линейные приводы намного тяжелее поворотных, поэтому в современных накопителях они не используются.

Поворотный привод (см. рис. 10) работает по тому же принципу, что и линейный, но в нем к подвижной катушке крепятся концы рычагов головок. При движении катушки относительно постоянного магнита рычаги перемещения головок поворачиваются, передвигая головки к оси или к краям дисков. Благодаря небольшой массе такая конструкция может двигаться с большими ускорениями, что позволяет существенно сократить время доступа к данным. Быстрому перемещению головок способствует и тот факт, что плечи рычагов делаются разными: то, на котором смонтированы головки, имеет б о льшую длину.

К недостаткам этого привода следует отнести то, что головки при перемещении от внешних цилиндров к внутренним поворачиваются и угол между плоскостью магнитного зазора головки и направлением дорожки изменяется. Именно поэтому ширина рабочей зоны диска (зоны, в которой располагаются дорожки) оказывается зачастую ограниченной (для того чтобы неизбежно возникающие азимутальные погрешности оставались в допустимых пределах). В настоящее время поворотный привод используется почти во всех накопителях с подвижной катушкой.

Обратная связь

Для управления приводами с подвижной катушкой в разное время использовались три способа построения петли обратной связи:

• со вспомогательным “клином”;
• со встроенными кодами;
• со специализированным диском.

Они различаются технической реализацией, но, по сути, предназначены для достижения одной и той же цели: обеспечивать постоянную корректировку положения головок и их наведение (позиционирование) на соответствующий цилиндр. Основные различия между ними сводятся к тому, на каких участках поверхностей дисков записываются сервокоды.

При всех способах построения петли обратной связи для ее работы необходима специальная информация (сервокоды), которая записывается на диск при его изготовлении. Обычно она записывается в так называемом коде Грея . В этой системе кодирования при переходе от одного числа к следующему или предыдущему изменяется всего один двоичный разряд. При таком подходе информация считывается и обрабатывается намного быстрее, чем при обычном двоичном кодировании, и определение местоположения головки происходит практически без задержки. Сервокоды записываются на диск при сборке накопителя и не изменяются в течение всего срока его эксплуатации.

Запись сервокодов выполняется на специальном устройстве, в котором головки последовательно перемещаются на строго определенные позиции, и в этих положениях на диски записываются упомянутые выше коды. Для точной установки головок в таких устройствах используется лазерный прицел, а расстояния определяются интерференционным методом, т.е. с точностью до долей волны лазерного излучения. Поскольку перемещение головок в таком устройстве осуществляется механически (без участия собственного привода накопителя), все работы проводятся в чистом помещении либо с открытой крышкой блока HDA, либо через специальные отверстия, которые по окончании записи сервокодов заклеиваются герметизирующей лентой. Вы можете найти эти заклеенные отверстия на блоке HDA, причем на ленте обязательно будет написано, что, оторвав ее, вы потеряете право на гарантийное обслуживание.

Устройства для записи сервокодов стоят дорого и часто предназначаются для какой-либо конкретной модели накопителя. Некоторые фирмы, занимающиеся ремонтом накопителей, располагают такими устройствами, т.е. могут выполнить перезапись сервокодов при повреждении накопителя. Если же в ремонтной фирме нет устройства для записи сервокодов, то неисправный накопитель отсылается изготовителю. При обычных операциях считывания и записи удалить сервокоды невозможно. Этого нельзя сделать даже при низкоуровневом форматировании.

Поскольку привод с подвижной катушкой отслеживает реальное положение дорожек, ошибки позиционирования, возникающие со временем в накопителях с шаговым двигателем, в данных устройствах отсутствуют. На их работе не сказывается также расширение и сжатие дисков, происходящее вследствие колебаний температур. Во многих современных накопителях с приводом от подвижной катушки в процессе работы через определенные промежутки времени выполняется температурная калибровка. Эта процедура заключается в том, что все головки поочередно переводятся с нулевого на какой-либо другой цилиндр. При этом с помощью встроенной схемы проверяется, насколько сместилась заданная дорожка относительно своего положения в предыдущем сеансе калибровки, и вычисляются необходимые поправки, которые заносятся в оперативное запоминающее устройство в самом накопителе. Впоследствии эта информация используется при каждом перемещении головок, позволяя устанавливать их с максимальной точностью.

В большинстве накопителей температурная калибровка выполняется через каждые 5 мин в течение первого получаса после включения питания, а затем через каждые 25 мин. Некоторые пользователи полагают, что произошла ошибка при считывании данных, но на самом деле просто подошло время очередной калибровки. Заметим, что эта процедура выполняется в большинстве современных интеллектуальных накопителей (IDE и SCSI), что в конечном итоге позволяет подводить головки к дорожкам с максимально возможной точностью.

Однако по мере распространения программ мультимедиа подобные перерывы в работе накопителей становятся помехой. Дело в том, что при выполнении калибровки прекращаются все обмены данными с накопителем, например приостанавливается воспроизведение звуковых или видеофрагментов. Поэтому фирмы, производящие такие накопители, начали выпуск их специальных A/V-модификаций (A/V — Audio Visual), в которых начало очередной температурной калибровки задерживается до тех пор, пока не закончится текущий сеанс обмена данными.

Большинство новых моделей IDE- и SCSI-устройств относится к этому типу, т.е. воспроизведение звуковых и видеофрагментов не прерывается процедурами калибровки.

Кстати, о процедурах, выполняемых накопителями автоматически: большинство устройств, которые осуществляют автоматическую температурную калибровку, выполняют также свипирование диска (sweep). Дело в том, что, хотя головки не касаются носителя, они располагаются настолько близко к нему, что начинает сказываться воздушное трение. Несмотря на свою сравнительно малую величину, оно все же может привести к преждевременному износу поверхности диска в том случае, если головка будет постоянно (или почти постоянно) находиться над одной и той же дорожкой. Чтобы этого не произошло, выполняется следующая процедура. Если головка слишком долго остается неподвижной (т.е. операции считывания и записи не выполняются), то она автоматически перемещается на случайно выбранную дорожку, расположенную ближе к краям диска, т.е. в ту область, где линейная скорость диска максимальна, а следовательно, воздушный просвет между его поверхностью и головкой имеет наибольшую величину. Временная задержка выбирается относительно небольшой (обычно 9 мин). Если после перевода головки диск снова окажется “в простое” в течение такого же времени, то головка переместится на другую дорожку и т.д.

Вспомогательный клин

Такая система записи сервокодов использовалась в первых накопителях с подвижной катушкой. Вся информация, необходимая для наведения (позиционирования) головок, записывалась в кодах Грея в узком секторе (“клине”) каждого цилиндра непосредственно перед индексной меткой. Индексная метка обозначает начало каждой дорожки, т.е. вспомогательная информация записывается в предындексном интервале, расположенном в конце каждой дорожки. Этот участок необходим для компенсации неравномерности вращения диска и тактовой частоты записи, и контроллер диска обычно к нему не обращается. На рис. 13 продемонстрирован способ записи сервокодов во вспомогательном клине.

Рис.13. Вспомогательный клин

Некоторым контроллерам необходимо сообщать о том, что к ним подключен накопитель со вспомогательным клином. В результате они корректируют (сокращают) длину секторов, чтобы поместить область вспомогательного клина. Самый существенный недостаток подобной системы записи состоит в том, что считывание происходит только один раз при каждом обороте диска. Это означает, что во многих случаях для точного определения и коррекции положения головок диск должен совершить несколько оборотов. Недостаток этот был очевиден с самого начала, поэтому подобные системы никогда не были широко распространены, а сейчас и вовсе не используются.

Встроенные коды

Такой метод реализации обратной связи представляет собой улучшенный вариант системы со вспомогательным клином (рис. 14). В данном случае сервокоды записываются не только в начале каждого цилиндра, но и перед началом каждого сектора. Это означает, что сигналы обратной связи поступают на схему привода головок несколько раз в течение каждого оборота диска и головки устанавливаются в нужное положение намного быстрее. Еще одно преимущество (по сравнению с системой со специализированным диском) заключается в

том, что сервокоды записываются на всех дорожках, поэтому может быть скорректировано положение каждой головки (это касается тех случаев, когда отдельные диски в накопителе нагреваются или охлаждаются по-разному либо подвергаются индивидуальным деформациям).

Описанный способ записи сервокодов используется в большинстве современных накопителей. Как и в системах со вспомогательным клином, встроенные сервокоды защищены от стирания и любые операции записи блокируются, если головки оказываются над участками со служебной информацией. Поэтому даже при низкоуровневом форматировании удалить сервокоды невозможно.

Система со встроенными сервокодами работает лучше, чем со вспомогательным клином, потому что служебная информация (сервокоды) считывается несколько раз за каждый оборот диска. Но вполне очевидно, что еще более эффективной должна быть система, в которой цепь обратной связи работает непрерывно , т.е. сервокоды считываются постоянно.

Рис. 14. Встроенные сервокоды

Системы со специализированным диском

При реализации данного способа сервокоды записываются вдоль всей дорожки, а не только один раз в ее начале или в начале каждого сектора. Естественно, если так поступить со всеми дорожками накопителя, то в нем не останется места для данных. Поэтому одна сторона одного из дисков выделяется исключительно для записи сервокодов. Термин специализированный диск означает, что одна сторона диска предусмотрена только для записи служебной информации (сервокодов) и данные здесь не хранятся. Такой подход на первый взгляд может показаться довольно расточительным, но необходимо учесть, что ни на одной из сторон остальных дисков сервокоды уже не записываются. Поэтому общие потери дискового пространства оказываются примерно такими же, как и при использовании системы встроенных кодов.

При сборке накопителей со специализированным диском одна из сторон определенного диска изымается из нормального использования для операций чтения/записи; вместо этого на ней записывается последовательность сервокодов, которые в дальнейшем используются для точного позиционирования головок. Причем обслуживающая эту сторону диска сервоголовка не может быть переведена в режим записи, т.е. сервокоды, как и во всех рассмотренных выше системах, невозможно стереть ни при обычной записи данных, ни при форматировании низкого уровня. На рис. 15 приведена схема накопителя со специализированным диском для сервокодов. Чаще всего верхняя головка или одна из центральных головок предназначены для считывания сервокодов.

Рис. 15. Система со специализированным диском

Когда в накопитель поступает команда о переводе головок на конкретный цилиндр, внутреннее электронное устройство использует полученные сервоголовкой сигналы для точного определения положения всех остальных головок. В процессе движения головок номера дорожек непрерывно считываются с поверхности специализированного диска. Когда под сервоголовкой оказывается искомая дорожка, привод останавливается. После этого выполняется точная настройка положения головок и лишь затем выдается сигнал разрешения записи. И хотя только одна головка (сервоголовка) используется для считывания сервокодов, все остальные смонтированы на общем жестком каркасе, поэтому если одна головка будет находиться над нужным цилиндром, то и все остальные тоже.

Отличительный признак накопителя со специализированным диском — нечетное количество головок. Практически во всех накопителях большой емкости используется описанный способ записи сервокодов, благодаря которому ихчитывание происходит постоянно, независимо от положения головок. Это позволяет добиться максимальной точности позиционирования головок. Существуют также накопители, в которых сочетаются оба метода корректировки положения головок: со встроенными кодами и со специализированным диском. Однако такие накопители встречаются редко.

Автоматическая парковка головок

При выключении питания рычаги с головками опускаются на поверхности дисков. Накопители способны выдержать тысячи “взлетов” и “посадок” головок, но желательно, чтобы они происходили на специально предназначенных для этого участках поверхности дисков, на которых не записываются данные. При этих взлетах и посадках происходит износ (абразия) рабочего слоя, так как из-под головок вылетают “клубы пыли”, состоящие из час-

тиц рабочего слоя носителя; если же во время взлета или посадки произойдет сотрясение на-

копителя, то вероятность повреждения головок и дисков существенно возрастет.

Одним из преимуществ привода с подвижной катушкой является автоматическая парковка головок . Когда питание включено, головки позиционируются и удерживаются в рабочем положении за счет взаимодействия магнитных полей подвижной катушки и постоянного магнита. При выключении питания поле, удерживающее головки над конкретным цилиндром, исчезает, и они начинают бесконтрольно скользить по поверхностям еще не остановившихся дисков, что может стать причиной повреждений. Для того чтобы предотвратить возможные повреждения накопителя, поворотный блок головок подсоединяется к возвратной пружине. Когда компьютер включен, магнитное взаимодействие обычно превосходит упругость пружины. Но при отключении питания головки под воздействием пружины перемещаются в зону парковки до того, как диски остановятся.

Таким образом, чтобы в накопителях с приводом от подвижной катушки привести в действие механизм парковки головок, достаточно просто выключить компьютер; никакие специальные программы для этого не нужны. В случае внезапного исчезновения питания головки паркуются автоматически.

Воздушные фильтры и акклиматизация жестких дисков

Почти во всех накопителях на жестких дисках используется два воздушных фильтра: фильтр рециркуляции и барометрический фильтр. В отличие от сменных фильтров, которые устанавливались в старых накопителях больших машин, они располагаются внутри корпуса и не подлежат замене в течение всего срока службы накопителя.

В старых накопителях происходила постоянная перекачка воздуха снаружи внутрь устройства и наоборот сквозь фильтр, который нужно было периодически менять. В современных устройствах от этой идеи отказались. Фильтр рециркуляции в блоке HDA предназначен только для очистки внутренней “атмосферы” от небольших частиц рабочего слоя носителя, которые, несмотря на все предпринимаемые меры, все же осыпаются с дисков при взлетах и посадках головок (а также от любых других мелких частиц, которые могут проникнуть внутрь HDA). Поскольку накопители персональных компьютеров герметизированы и в них не происходит перекачки воздуха снаружи, они могут работать даже в условиях сильного загрязнения окружающего воздуха (рис. 16).

Рис.16. Направление воздушного потока в корпусе HDA

Блок HDA герметичен не полностью. Внешний воздух проникает внутрь HDA сквозь барометрический фильтр, так как это необходимо для выравнивания давления изнутри и снаружи блока. Именно потому, что жесткие диски не являются полностью герметичными устройствами, компании-изготовители указывают для них диапазон высот над уровнем моря, в котором они сохраняют работоспособность (обычно от –300 до +3 000 м). В более разреженном воздухе просвет между головками и поверхностями носителей оказывается недостаточным. Вентиляционное отверстие необходимо, чтобы выровнять давление снаружи и внутри устройства, а загрязнению внутри накопителя препятствует барометрический фильтр, установленный на этом отверстии. Фильтр способен задерживать частицы размером более 0,3 мкм, что соответствует стандартам чистоты атмосферы внутри блока HDA. В некоторых устройствах используются более плотные (тонкие) фильтры, позволяющие задерживать еще более мелкие частицы. Существуют полностью герметичные накопители, но с воздухом внутри под давлением, подобные накопители могут работать на любой высоте и даже в экстремальных условиях — выдерживать сотрясения, большие колебания температур. Такие накопители предназначены для военных и промышленных целей.

Барометрический фильтр не препятствует проникновению влаги внутрь блока HDA, поэтому по прошествии некоторого времени влажность воздуха внутри блока будет такой же, как и снаружи. Если влага начнет конденсироваться внутри блока HDA и в это время будет включено питание компьютера, то возникнут серьезные проблемы. В инструкциях по эксплуатации большинства жестких дисков приводятся таблицы или графики их акклиматизации при изменении условий окружающей среды (температуры и влажности).

Таблица. Период акклиматизации накопителя

Исходная температура, °С	Время акклиматизации, ч
4	13
–1	15
–7	16
–12	17
–18	18
–23
–29	22
–34 и ниже	27

Особенно важно соблюдать эти условия при внесении накопителя с холода в теплое помещение, поскольку в такой ситуации конденсация влаги практически неизбежна. Данное обстоятельство в первую очередь должны учитывать владельцы портативных систем с жесткими дисками. Чем холоднее накопитель, тем дольше он должен прогреваться перед включением.

Двигатель привода дисков

Двигатель, приводящий во вращение диски, часто называют шпиндельным (spindle). Шпиндельный двигатель всегда связан с осью вращения дисков, никакие приводные ремни или шестерни для этого не используются. Двигатель должен быть бесшумным: любые вибрации передаются дискам и могут привести к ошибкам при считывании и записи.

Частота вращения двигателя должна быть строго определенной. Обычно она колеблется от 7 200 до 10000-15000 об/мин или больше, а для ее стабилизации используется схема управления двигателем с обратной связью (автоподстройкой), позволяющая добиться желаемой точности. Таким образом, контроль за частотой вращения двигателя осуществляется автоматически, и никакие устройства, позволяющие сделать это вручную, в накопителях не предусмотрены. В описаниях некоторых диагностических программ говорится, что с их помощью можно измерить частоту вращения дисков. На самом деле единственное, на что они способны, — это оценить ее возможное значение по временным интервалам между моментами появления заголовков секторов. Измерить частоту вращения с помощью программы в принципе невозможно, для этого нужны специальные приборы (тестеры). Информация о частоте вращения дисков не передается (и не должна передаваться) через интерфейс контроллера жесткого диска. Раньше ее можно было оценить, считывая подряд достаточно большое количество секторов и измеряя временные интервалы, через которые появляется соответствующая информация. Но это имело смысл только тогда, когда все диски разбивались на одинаковое число секторов (17), а номинальная частота их вращения составляла 3 600 об/мин.

Использование зонной записи, появление накопителей с различными номинальными частотами вращения, встроенные буферы и кэш-память, приводит к тому, что программно вычислить истинную частоту вращения дисков невозможно.

В большинстве накопителей шпиндельный двигатель располагается в нижней части, под блоком HDA. Однако во многих современных устройствах он встраивается внутрь блока HDA и представляет собой центральную часть блока дисков-носителей. Такая конструкция позволяет, не изменяя размера накопителя по вертикали, увеличить количество дисковых пластин (платтероов) в блоке (в “стопке”).

Шпиндельный двигатель потребляет от 12-вольтного источника питания довольно значительную мощность. Она возрастает еще в 2–3 раза по сравнению со стационарным значением при разгоне (раскручивании) дисков. Длится такая перегрузка несколько секунд после включения компьютера. Если в компьютере установлено несколько накопителей, то, чтобы не подвергать чрезмерной нагрузке блок питания, можно попытаться организовать их поочередное включение. Задержанный запуск шпиндельного двигателя предусмотрен в большинстве накопителей SCSI и IDE.

Плата управления

На плате управления монтируются электронные схемы для управления шпиндельным двигателем и приводом головок, а также для обмена данными с контроллером (представленными в заранее оговоренной форме). В накопителях IDE контроллер устанавливается непосредственно в накопителе, а для SCSI могут использоваться дополнительные платы расширения.

Довольно часто неисправности возникают не в механических узлах накопителей, а в платах управления. На первый взгляд это утверждение может показаться странным, поскольку общеизвестно, что электронные узлы надежнее механических, тем не менее факт остается фактом. Поэтому многие неисправные накопители можно отремонтировать, заменив плату управления или ее элемент, а не все устройство. Эта возможность особенно привлекательна потому, что вы сможете вновь получить доступ к записанным в накопителе данным.

Примечание*. Подробнее о схеме (плате) управления смотрите в лекциях.

Лицевая панель

В комплекты многих накопителей на жестких дисках в качестве необязательных элементов могут входить лицевые панели (рис. 17). Но на сегодняшний день в большинстве случаев лицевая панель является частью корпуса компьютера, а не самого накопителя.

Рис. 17 . Стандартная лицевая панель накопителя на жестких дисках

Кабели и разъемы накопителей

В большинстве накопителей на жестких дисках предусмотрены следующие по меньшей мере два типа разъемов: интерфейсный разъем (или разъемы) и разъем питания (см. рис.18).

Рис. 18 Подключение жесткого диска ATA (IDE)

Через интерфейсные разъемы (см. рис. 19, 20,21) передаются данные и команды в накопитель и обратно. Многие стандарты интерфейсов предусматривают подключение 1 нескольких накопителей к одному кабелю (шине). Однако большинство современных устройств I D E (ATA ), SATA и SCSI подключаются с помощью одного кабеля.

Рис. 19. Внешний вид 40-контактного разъема интерфейсного кабеля (шлейфа) ATA

Рис. 20. Схема унифицированного 50-контактного разъема, используемо го для

подключения 2,5-дюймовых дисководов ATA (позиции A , D , C , D – для подключения питания)

Рис. 21, Внешний вид шлейфа (кабеля) типа ATA (IDE)

Разъемы питания накопителей на жестких дисках имеют 2 D -образную форму. Форма разъема выполняет роль ключа и не позволяет выполнить неправильное подключение. В большинстве накопителей используются два напряжения питания (5 и 12 В), но малогабаритным моделям, разработанным для портативных компьютеров, достаточно напряжения 5 В. Как правило, от источника в 12 В питается схема управления шпиндельным двигателем и привод головок, а напряжение 5 В поступает на электронные компоненты. Накопители на жестких дисках потребляют большую мощность, чем дисководы для гибких дисков. Поэтому, при подключении нескольких HDD следует определится с мощностью блока питания.

Потребление тока от источника в 12 В зависит от размеров устройства: чем больше отдельных платтеров входит в “пакет” и чем больше диаметр каждого из них, тем большая мощность необходима для приведения их в движение. Кроме того, для получения большей частоты вращения дисков необходимо также увеличивать мощность. Например, потребляемая мощность для накопителей формата 3,5 дюйма в среднем примерно в 2–4 раза меньше, чем для полноразмерных устройств формата 5,25 дюйма. Некоторые накопители особо малых форматов (2,5 и 1,8 дюйма) потребляют всего около 1 Вт электрической мощности.

Иногда на корпусе носителя имеется зажим для заземления, который необходим для того, чтобы обеспечить надежный контакт между общим проводом накопителя и корпусом системы. В компьютерах, где накопители крепятся непосредственно к корпусу с помощью металлических винтов, специальный провод заземления не нужен. В некоторых компьютерах накопители монтируются на пластмассовых или стеклотекстолитовых направляющих, которые, естественно, электрически изолируют корпус накопителя от корпуса системы. В этом случае их обязательно нужно соединить дополнительным проводом, подключаемым к упомянутому зажиму. При плохом заземлении накопителя возникают сбои в его работе, ошибки при считывании и записи и т.п.

Элементы конфигурации

При установке накопителя в компьютер обычно необходимо переставить или отключить специальные перемычки (джамперы), а иногда и нагрузочные резисторы. Эти элементы конфигурации изменяются в зависимости от интерфейса и от производителя накопителя.

Переключатели для двухдисковой конфигурации ATA (IDE )

Установка двух накопителей IDE в одном компьютере может выполняться с помощью одного или двух интерфейсных шлейфов. Джамперы конфигурации позволяют определить, каким образом подключаются устройства к IDE -контроллеру.

В стандарте IDE предусмотрен способ организации совместной работы двух последовательно подключенных жестких дисков. Статус жесткого диска (первичный или вторичный) определяется либо путем перестановки имеющейся в нем перемычки с обозначением Master для первичного и Slave для вторичного, либо подачей по одной из линий интерфейса управляющего сигнала CSEL (Cable SELect — выбор кабеля).

При установке в системе только одного жесткого диска его контроллер реагирует на все команды, поступающие от компьютера. Если жестких дисков два (а следовательно, и два контроллера), то команды поступают на оба контроллера одновременно. Их надо настраивать так, чтобы каждый жесткий диск реагировал только на адресованные ему команды. Именно для этого и служит перемычка (переключатель) Master/Slave и управляющий сигнал CSEL.

Большинство накопителей IDE можно сконфигурировать следующим образом:

• первичный (один накопитель);
• первичный (два накопителя);
• вторичный (два накопителя);
• выбор кабеля.

Каждому из контроллеров двух жестких дисков необходимо сообщить его статус — первичный или вторичный. В большинстве новых накопителей используется только один переключатель (первичный/вторичный), а на некоторых еще и переключатель существования вторичного диска (slave present).

На рис. 22 показано расположение описанных переключателей на задней части накопителя.

В некоторых современных накопителях можно не устанавливать переключатели, т.е. по умолчанию принимается определенная конфигурация накопителя. Все необходимые для правильной работы накопителя положения переключателей приводятся в документации к накопителю.

Рис. 22. Переключатели (джамперы) накопителя ATA (IDE)

1 В интерфейсе SCSI допускается подключение до семи накопителей к одному кабелю (Wide SCSI-2 поддерживает до 15 устройств). В стандартах ST-506/412 или ESDI для данных и управляющих сигналов предусмотрены отдельные разъемы

2 Могут быть, как и у дисководов для гибких дисков.

PAGE 16

Рис. 1. При пропускании тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле

Батарея

Направление тока

Магнитные поля

окружают проводники

Рис. 4. Дорожки и секторы накопителя на жестких дисках

Рис. 5. Цилиндр накопителя на жестких дисках

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать
46883.		Методы диагност обследования больных туберкульозом лёгких	34.5 KB
	Диагностика (туберкулодиагностика) - метод изучения инфицированности микобактериями туберкулеза, а также реактивности инфицированных или вакцинированных людей, основанный на применении туберкулиновых проб.
46884.		ТУБЕРКУЛЁЗ ВНУТРИГРУДНЫХ ЛИМФАТИЧЕСКИХ УЗЛОВ	34.5 KB
	ТУБЕРКУЛЁЗ ВНУТРИГРУДНЫХ ЛИМФАТИЧЕСКИХ УЗЛОВ Туберкулёз внутригрудных лимфатических узлов обычно морфологически подразделяют на инфильтративную форму сходную с прикорневой пневмонией характеризующейся преимущественно перифокальными реакциями вокруг поражённых узлов и туморозную форму сходную с опухолевыми заболеваниями и характеризующуюся преимущественно гиперплазией лимфатических узлов и казеозом. При хорошо работающей педиатрической службе туберкулёз внутригрудных лимфатических узлов чаще выявляют при обследовании ребёнка или подростка...
46886.		ИСКУССТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ БАЗЫ	34.99 KB
	К категории искусственных технологических баз относятся также такие технологические базы которые в целях повышения точности базирования обрабатываемой заготовки в приспособлении предварительно обрабатываются с более высокой точностью чем это требуется для готового изделия по чертежу.Характерным примером искусственных технологических баз могут служить центровые отверстия не требующиеся для готового пала и необходимые исключительно из технологических соображений.
46887.		Особенности философии Возрождения. Человек как центральная проблема философии эпохи Возрождения	35 KB
	Гуманизм представляет собой в эту эпоху образ мышления где идея блага человека объявляется главной целью социального и культурного развития. Обращение к человеку не просто анализ его земного бытия а показатель сущности человека в мире. Путь творческой деятельности и творчества Особое значение приобретает не только духовная красота человека но и его телесная красота. Индивидуализм как принципиальная установка при рассмотрении человека становится средством обоснования его самоценности необходимости освобождения от...
46888.		Метод проектов	35 KB
	Для комплексного решения задач технологического обучения используются различные методы в том числе выполнение творческих проектов целью которых является включение учащихся в процесс преобразовательной деятельности от разработки идеи до ее осуществления. Выполняя проекты школьники осваивают методы инновационной творческой деятельности учатся самостоятельно находить и анализировать информацию получать и применять знания по различным отраслям приобретать умения и навыки практической работы опыт...
46889.		Планування площадки з «нульовим» балансом земляних мас	35 KB
	Розроблення ґрунтів здійснюють з метою підготовки основи під будинки та споруди для зміни природного рельєфу місцевості. Процес розроблення ґрунту складається з трьох основних операцій: розроблення ґрунту його переміщення транспортування та укладання з ущільненням. Розроблення може виконуватись з метою створення виїмки та насипу. Під час виконання земляних робіт велике значення має транспортування ґрунту до місця його призначення тому важливим завданням технолога є вибір і розроблення найефективніших методів розроблення та...
46890.		ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОПОРНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ	35.14 KB
	В подобных случаях технолог вынужден использовать дополнительные опорные поверхности несущие на себе дополнительные опорные точки сверх шести теоретически необходимых. Дополнительные опорные поверхности могут быть естественными т. Примером использования дополнительной опорной поверхности может служить токарная обработка длинного вала.
46891.		Государственная отраслевая политика	36.67 KB
	Базовыми видами оценок основных средств являются: первоначальная восстановительная и остаточная стоимость. Полная первоначальная стоимость основных средств предприятия представляет собой сумму фактических затрат в действующих ценах на: приобретение или создание средств труда: возведение зданий и сооружений покупку транспортировку установку и монтаж машин и оборудования и др. По полной первоначальной стоимости основные средства принимаются на баланс предприятия и она остается неизменной в течение всего срока службы средств труда и...