Тема 5. Накопители на магнитных и оптических
НОСИТЕЛЯХ. ФЛЭШ-ПАМЯТЬ
5.1. Накопители на жёстких магнитных дисках
Устройства хранения информации – это одно из шести самых главных технических средств информатизации.
Основным устройством хранения информации в компьютерной системе является жёсткий диск. Большой объём и энергонезависимость сделали его наиболее пригодным для хранения программ и данных.
Полное название жёсткого диска – накопитель на жёстких магнитных дисках (НЖМД). Чаще его называют винчестером.
Есть одна версия, объясняющая почему жёсткие диски называют винчестерами. Первый жёсткий диск, выпущенный в Америке в начале 1970-х годов, имел ёмкость по 30 Мб информации на каждой рабочей поверхности. В то же время широко известная в той же Америке магазинная винтовка О. Ф. Винчестера имела калибр 0.30. Наверное, первый винчестер грохотал при своей работе, как автомат, или порохом от него пахло, но с той поры стали называть жёсткие диски винчестерами.
За последнее десятилетие индустрия производства жёстких дисков для персональных компьютеров претерпела значительные изменения. Основными изменениями можно назвать постоянное увеличение ёмкости дисков, скорость обработки информации и появление новых интерфейсов передачи данных.
Последние разработки различных компаний значительно увеличили мощность накопителей на жёстких дисках. Дисковые накопители становятся всё более производительными и ёмкими. Изобретение в середине 90-х годов прошлого века головок с гигантским магниторезистивным эффектом положило начало довольно продолжительному периоду бурного роста плотности записи.
Между выпуском новых моделей жёстких дисков с удвоенной по сравнению с предшествующей плотностью записи проходило иногда менее года, и новые пластины быстро появлялись в арсенале всех производителей. Но постепенно ресурсы новой технологии были практически исчерпаны, плотность записи достигла 80 Гбайт на пластину, и наступило затишье.
Диски с плотностью записи 80 Гбайт на пластину господствовали на рынке около двух лет, и лишь в начале 2005 года плотность записи была увеличена, но уже не в два раза, как прежде, а только до 100 Гбайт на пластину. В настоящее время некоторые жёсткие диски имеют максимальную плотность записи 133 Гбайт на пластину, однако не все производители спешат переходить на подобные пластины. Практика показывает, что не всегда жёсткие диски с пластинами большей плотности являются более производительными.
Устройство жёсткого диска
Накопитель на жёстком диске внешне представляет собой прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех.
Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы.
Механизмы - это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие всё это в движение.
Устройство жёсткого диска
Накопитель на жёстком диске внешне представляет собой прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех.
Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы.
Механизмы - это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие всё это в движение.
Диск представляет собой круглую металлическую пластину с очень ровной поверхностью, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Во многих накопителях используется слой оксида железа (которым покрывается обычная магнитная лента), но новейшие модели жёстких дисков работают со слоем кобальта толщиной порядка десяти микрон. Такое покрытие прочно и, кроме того, позволяет значительно увеличить плотность записи. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.
В устройство современного жёсткого диска входят:
- пакет дисков:
- шпиндельный двигатель привода вращения дисков;
- блок головок записи/чтения;
- предусилитель - коммутатор головок;
- контроллер (печатная плата с электронными схемами управления).
Предусилитель - коммутатор головок отвечает за выбор нужной головки записи/чтения. Микросхема предусилителя - коммутатора головок расположена на шлейфе между блоком головок и контроллером.
Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и «запомнить».
В нерабочем состоянии головка прижимается поводком к поверхности диска в специальной нерабочей зоне, называемой зоной парковки.
В современных винчестерах используются высокочувствительные магниторезистивные головки чтения, конструктивно объединенные с тонкопленочными головками записи. Головки собираются в блок.
Для того чтобы головка чтения/записи могла считать или записать информацию, её необходимо точно позиционировать над нужной дорожкой поверхности диска. В первых моделях жёстких дисков позиционирование головок осуществлялось при помощи шагового двигателя, то есть перемещение головки над поверхностью диска происходило дискретно с заданным интервалом (пошагово). При этом шаг перемещения головки соответствовал расстоянию между двумя соседними дорожками, то есть двигатель за один шаг перемещал блок головок записи/чтения на одну дорожку.
Впоследствии, по мере роста плотности записи и, как следствие, уменьшения расстояния между двумя соседними дорожками, систему позиционирования блока головок на основе шагового двигателя заменила более прогрессивная система позиционирования с соленоидным двигателем. Первоначально система позиционирования с соленоидным двигателем была основана на линейном перемещении блока головок, но впоследствии она была заменена на систему ротационного позиционирования.
В таком приводе блок головок записи/чтения жёстко связан с катушкой индуктивности, помещенной в магнитное поле постоянного магнита. Головки жёстко закреплены на поворотной рамке позиционера вместе с соленоидной катушкой, через которую протекает ток. Изменение тока в звуковой катушке приводит к её перемещению относительно жестко закрепленного магнита, а значит, и к перемещению блока головок. Управляя направлением и величиной тока через катушку, можно быстро перевести блок головок в любое положение над пластиной жёсткого диска.
Для увеличения плотности записи зазор между поверхностью диска и головкой необходимо уменьшить до минимума. Так в современных дисках он составляет несколько сотых долей микрометра. Для получения зазора между головкой и поверхностью диска используется аэродинамическая подъёмная сила, создаваемая потоком воздуха, который увлекает за собой вращающаяся рабочая поверхность диска.
Для возникновения подъемной силы рабочим поверхностям головок придают специальную форму в виде крыла. Чтобы головка не «улетала» далеко от поверхности диска, она закрепляется на пружинящем поводке.
В современных накопителях скорость вращения пакета дисков достигает 10 000 об/мин. Однако высокие скорости вращения порождают проблемы, связанные с балансировкой, гироскопическим эффектом и аэродинамикой головок. Головки во время работы ни в коем случае не должны механически соприкасаться с рабочими поверхностями, так как это практически всегда приводит к полному или частичному повреждению соответствующей дорожки рабочей поверхности и очень часто к обрыву самой головки.
Пакет дисков с двигателем и блок головок размещаются в специальном герметичном металлическом корпусе со съёмной крышкой, который называется гермоблоком или камерой.
Камера жёсткого диска является абсолютно герметичной, а для выравнивания давления внутри нее с внешним давлением (для предотвращения деформаций корпуса) предусмотрена специальная барометрическая мембрана. В старых моделях жёстких дисков вместо барометрических мембран использовались барометрические фильтры, которые пропускали воздух снаружи внутрь камеры через фильтр, способный задерживать микроскопические частицы.
Кроме того, в камере жёсткого диска размещается фильтр рециркуляции, предназначенный для улавливания частиц, которые могут возникать внутри самой камеры, например за счет осыпания поверхности дисков при «взлетах» и «посадках» головок в зоне парковки. Место расположения фильтра рециркуляции выбирается с учётом движения воздушного потока и возможных траекторий движения частиц таким образом, чтобы обеспечить максимальную степень очистки воздушного потока внутри камеры.
Как видите, механика жёстких дисков очень хрупкая. Головку необходимо позиционировать с микронной точностью, и, естественно, тряски и удары отрицательно сказываются на работоспособности дисков. Кроме того, перегрев жёстких дисков приводит к термическому изменению размеров различных механических систем, что тоже может влиять на работоспособность дисков.
Количество дисков может быть различным - от одного до пяти, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет ёмкость жёсткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается, и может оказаться нечётным.
Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности представьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны.
Такие частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом, сохраняется записанная на диск информация.
Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним.
Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об/мин, хотя существуют диски и со скоростью вращения 10000 и даже 15000 об/мин. Для того чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности.
Намагниченные участки в форме концентрических окружностей на поверхности дисков, которые образуются в результате записи информации, называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.
Хранение информации
Хранение и извлечение данных с диска требует взаимодействия между операционной системой, контроллером жёсткого диска и электронными и механическими компонентами самого накопителя. Операционная система помещает данные на хранение и обслуживает каталог секторов диска, закрепленных за файлами. Когда вы даете системе команду сохранить файл или считать его с диска, она передает её в контроллер жёсткого диска, который перемещает магнитные головки к таблице расположения файлов соответствующего логического диска.
Затем операционная система считывает эту таблицу, осуществляя в зависимости от команды содержимое свободного сектора диска, в котором можно сохранить вновь созданный файл, или начало запрашиваемого для считывания файла.
Информация таблицы размещения в файл поступает из электронной схемы накопителя в контроллер жесткого диска и возвращается операционной системе, после чего ОС генерирует команду установки магнитных головок над соответствующей дорожкой диска для записи или считывания нужного сектора. Записав новый файл на свободные сектора диска, ОС возвращает магнитные головки в зону расположения таблицы и вносит в неё изменения, последовательно перечисляя все сектора, на которых записан файл.
Адресация секторов
Жёсткий диск, как и всякое другое блочное устройство, хранит информацию фиксированными порциями, которые называются блоками. Блок является наименьшей порцией данных, имеющей уникальный адрес на жёстком диске. Для того чтобы прочесть или записать нужную информацию в нужное место, необходимо представить адрес блока в качестве параметра команды, выдаваемой контроллеру жёсткого диска.
Размер блока уже с давних пор является стандартным для всех жестких дисков- 512 байт. К сожалению, достаточно часто происходит путаница между такими понятиям, как «сектор», «кластер» и «блок». Фактически между «блоком» и «сектором» разницы нет. Правда, одно понятие логическое, а второе - топологическое. «Кластер» - это несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как одно целое.