2.6. Устройства для записи и хранения информации
Выпускаемые накопители информации представляют собой гамму запоминающих устройств с различным принципом действия, физическими и технически-эксплуатационными характеристиками. Основным свойством и назначением накопителей информации является ее хранение и воспроизведение. Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и другими характеристиками. Так например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. Поэтому, в связи с видом и техническим исполнением носителя информации различают: электронные, дисковые и ленточные устройства. Обратим особое внимание на дисковые магнитные и оптические накопители.
2.6.1. Накопители на жестких магнитных дисках
Принцип работы магнитных запоминающих устройств основан на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов. Как правило, магнитные запоминающие устройства состоят из собственно устройств чтения/записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется как запись, так и считывание информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной в области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек, расположенных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Запись производится в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение полярности напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.
Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую. Дисковые устройства, как правило, используют метод записи называемый методом без возвращения к нулю с инверсией (Not Return Zero – NRZ). Запись по методу NRZ осуществляется путем изменения направления тока подмагничивания в обмотках головок чтения/записи, вызывающее обратное изменение полярности намагниченности сердечников магнитных головок и соответственно попеременное намагничивание участков носителя вдоль концентрических дорожек с течением времени и продвижением по окружности носителя. При этом, совершенно неважно, происходит ли перемена магнитного потока от положительного направления к отрицательному или обратно, важен только сам факт перемены полярности.
Для записи информации, как правило, используют различные методы кодирования информации, но все они предполагают использование в качестве информационного источника не само направление линий магнитной индукции элементарной намагниченной точки носителя, а изменение направления индукции в процессе продвижения по носителю вдоль концентрической дорожки с течением времени. Такой принцип требует жесткой синхронизации потока бит, что и достигается методами кодирования. Методы кодирования данных не влияют на перемены направления потока, а лишь задают последовательность их распределения во времени (способ синхронизации потока данных) так, чтобы при считывании, эта последовательность могла быть преобразована к исходным данным.
Персональный компьютер обычно комплектуется одним накопителем на жестких магнитных дисках (HDD — Hard Disc Drive или НЖМД) и одним приводом на гибких магнитных дисках (FDD — Floppy Disc Drive). Жесткий диск или «винчестер» является основным хранилищем информации — на нем хранятся все программы и данные — от операционной системы до файлов, созданных пользователем. Обычно накопители встроены в системный блок, внешние накопители встречаются значительно реже.
Внутреннее устройство большинства жестких дисков практически одинаково (рис. 2.12).
Сами диски представляют собой пластмассовые, керамические, алюминиевые или стеклянные круглые пластины, на которые нанесено специальное магнитное покрытие. У жесткого диска может быть одна или несколько дисковых пластин, с которых осуществляются операции чтения/записи данных.
.
Рис. 2.12. Устройство жесткого диска
Следует отметить, что увеличение количества дисковых пластин, а следовательно и головок чтения/записи, удорожает стоимость диска и снизит его надежность, поэтому изготовители современных жестких дисков стараются уменьшить число пластин до 1 - 4. При включении компьютера пластины постоянно вращаются на общем шпинделе со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту. Каждая поверхность пластины может вмещать в себя десятки гигабайт информации.
Также пластина имеет головки. Головка - устройство, которое перемещается по поверхности дисковой пластины и обеспечивает запись или чтение данных. Как правило, на каждую поверхность дисковой пластины приходится своя головка чтения/записи. Следовательно, количество головок прямо пропорционально количеству дисковых пластин - т.е. чем больше дисковых пластин в жестком диске, тем больше головок чтения/записи в устройстве. Так, например, диск с тремя пластинами будет иметь шесть головок
На каждой пластине информация записывается на концентрических окружностях, называемых треками (track), каждый трек разбивается на части, называемые секторами, каждый из которых, в свою очередь, хранит в себе 512 байт данных.
Приведем пример того, что случается каждый раз, когда нам надо считать данные с винчестера. Это схематичный пример, в котором мы не будем касаться таких вещей, как кэширование диска, коррекции ошибок и многих других специальных приемов, которые используются в современных жестких дисках и позволяют улучшить скорость и надежность работы.
Первый шаг в доступе к диску — это знание того, где искать информацию. Между запросом к данным и вычислением точного места поиска, происходит несколько преобразований:
преобразование адреса данных в файле в адрес на логическом диске;
преобразование адреса на логическом диске в адрес сектора на диске (это производится в компьютере, далее вступает работа самого винчестера).
Управляющая программа жесткого диска сначала проверяет наличие запрашиваемой информации у себя в кэше. Если она есть, контроллер сразу же выдает информацию, без доступа к поверхности диска.
В большинстве случаев, жесткий диск уже крутится, если это не так (в случае активизации процесса сохранения энергии), производится раскрутка пластин.
Контроллер переводит полученный адрес сектора в физический адрес на диске: номер головки, номер цилиндра, номер сектора. Это производится с помощью специальной подпрограммы контроллера жестких дисков, называемой транслятором.
Котроллер выдает команду соленоидной системе на перемещение головок к нужному треку.
Емкость жесткого диска (HDD) (от 2.0 до 5000.0 Гб) - физический объем жесткого диска, т.е. количество байт данных, которое может уместиться на жестком диске. Емкость является главным параметром жесткого диска и определяется рядом факторов - поверхностной плотностью записи, размером и количеством дисковых пластин. Физический объем HDD определен изначально и состоит из объема, занятого служебной информацией и объема, доступного пользовательским данным.
Все выпускаемые жесткие диски имеют стандартные размеры и посадочные отверстия для крепления. В ПК, ноутбуках или серверах для установки жесткого диска имеются специальные установочные места определенного форм-фактора.
Для внешних накопителей этот параметр указывает стандарт жесткого диска, который используется в накопителе.
Форм-факторы жестких дисков: 1", 1.8" 2.5" 3.5". Цифра указывает ширину HDD в дюймах. Чем меньше эта цифра, тем меньше его размеры и вес.
Жесткие диски условно можно разделить на четыре типа: внешние, диски для настольных компьютеров, для ноутбуков и для серверов. Каждый тип обладает конструктивными особенностями, делающими его применение наиболее целесообразным в определенных случаях.
Жесткие диски для настольных компьютеров традиционно изготовляются размером 3.5", имеют скорость вращения 5400 или 7200 об/мин и интерфейс подключения IDE или SATA.
Жесткие диски для серверов имеют более высокую скорость вращения (до 15000 об/м). Для подключения в них используются различные модификации параллельного (SCSI) или последовательного (SATA, SAS) интерфейсов. Так как эти диски применяются в системах, требующих повышенной надежности хранения информации, они имеют более высокое качество изготовления и время безотказного функционирования превышающее 1000000 часов наработки на отказ.
До недавнего времени жесткие диски для серверов имели ширину 3.5". Сегодня стали появляться 2.5-дюймовые модели. Использование таких накопителей позволит уменьшить размеры серверов и снизить их энергопотребление.
Внешние жесткие диски позволяют практически полностью решить проблемы, связанные с транспортировкой объемных файлов, будь то видеофильмы, издательские или дизайнерские материалы или большие музыкальные архивы. Такой мобильный носитель состоит из 2.5" или 3.5"-жесткого диска и контроллера для подключения к требуемому порту. Контролеры, в свою очередь, могут подключаться к компьютеру через интерфейс USB 2.0 или FireWire (1394). Устройство имеет компактные габариты и небольшой вес, что позволяет носить его в сумке или даже во внутреннем кармане пиджака.
Жесткие диски для ноутбуков имеют размер 2.5" и 1.8", скорость вращения 4200 или 5400 об/мин и интерфейс подключения IDE. Следует отметить, что из-за конструктивных особенностей, тепловыделение и уровень шума жестких дисков такого типа существенно ниже, чем у винчестеров, используемых для настольных компьютеров и серверов. Покупая внешние винчестеры и жесткие диски для ноутбуков, следует особенно обратить внимание на ударостойкость.