Глава 1. Устройства внешней памяти

К внешней памяти относятся устройства, позволяющие автономно со­хранять информацию для последующего ее использования независимо от того, включена или выключена ЭВМ. Эти устройства могут использовать различные физические принципы хранения информации — магнитный, оптичеческий, электронный. По методу доступа к информацн устройства внешней памяти разделяются на устройства с прямым (непосредствен­ным) и последовательным доступом. Особенностью внеишней памяти яв­ляется то, что ее устройства оперируют блоками информации, а не бай­тами или словами как оперативная память. Блоки обычно имеют фикси­рованный размер, кратный степени числа 2, но в некоторых случаях у уст­ройств с последовательным доступом размер блока может быть и пере­менным. Прямой доступ (Direct Access) подразумевает возможность обра­щения к блокам по их адресам в произвольном порядке. Устройствами с прямым доступом являются дисковые накопители, ранее были магнитные барабаны. В устройствах с последовательным доступом (Sequential Ac­cess), типичными представителями которых являются накопители на маг­нитной ленте (ранее на перфоленте), каждый блок информации тоже может иметь свой адрес, но для обращени к нему устройство хранения должно сначала найти некоторый маркер начала ленты (тома), после чего последовательным холостым чтением блока за блококом дойти до требуе­мого места и только тогда производить сами операциии обмена данными. Конечно, для обращения к следующему блоку каждый раз возвращаться на начало необязательно — текущую позицию может хранить управляю­щая программа. Однак необходимость последовательного сканирования блоков (вперед или назад) — неотъемлемое свойство этих устройств.

Ниже рассмотрим подробнее различные типы устройств внешней па­мяти.

§ 1.1. Устройство жестких дисков

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) — таково полное название устройств хранения данных, без которых сегодня не­мыслим ни один компьютер или вычислительная система. Как устрой­ства, предназначенные для хранения пользовательских и специализи­рованных (операционных систем) программ и данных жесткие диски использовались еще в семействе ЭВМ IBM/360 и ЕС ЭВМ. Следует, однако, заметить, что диски были сменными. Как компонент персо­нальных компьютеров IBM (PC), современные жесткие диски начали использоваться в начале 80 х годов. Первые HDD (Hard Disk Drive), или винчестеры компоновались дисками диаметром 5.25 дюйма (в на­стоящее время большинство HDD использует диски 3 дюйма) и имели объем 5 Мбайт. В развитие технологии производства жестких дисков внесли большой вклад Файнис Коннер и Алан Шугарт. Интерфейс для накопителей на жестких дисках, разработанный А. Шугартом, на про­тяжении многих лет фактически был стандартом для данных накопи­телей и лег в основу интерфейсов ESDI и IDE. А. Шугартом также раз­работан и интерфейс SCSI для быстродействующих HDD. Форм-фак­тор винчестеров тоже прошел в своем развитии этапы от 5,25" до 2, 5".

Современный HDD состоит из двух компонентов: печатная плата и герметичный корпус (гермоблок), внутри которого и находятся маг­нитные диски. Вся электроника, за исключением предусилителей, рас­полагается на печатной плате, а вся механика внутри гермоблока. Су­ществует весьма странное заблуждение: "внутри гермоблока нахо­дится вакуум". На самом деле это не так — гермоблок содержит воздух под атмосферным давлением, очищенный от механических примесей. Винчестер состоит из четырех главных элементов, каждый из которых вносит свой вклад в его общие характеристики: носителя (пакета дис­ковых пластин, вращающихся на одной оси), головок чтения-записи, позиционера (устройства, "наводящего" головки на нужную дорожку) и контроллера, обеспечивающего согласованное управление всеми элементами диска и передачу данных между ним и компьютером.

Гермоблок служит для защиты и крепления магнитных дисков (пластин) — носителей информации. Данные хранятся на пластинах в виде концентрических дорожек, каждая из которых делится на сек­торы, содержащие данные (в подавляющем большинстве случаев раз­мер сектора составляет 512 байт) и коды коррекции ошибок. Количе­ство секторов на дорожке в современных дисках зависит от длины до­рожки, то есть на внешних дорожках секторов больше, а на внутрен­них меньше (так называемый метод зонно-битовой записи — zoned bit recording). Совокупность дорожек, находящихся под головками в оп­ределенном положении на всех пластинах диска, называется цилин­дром. Пластины представляют собой диски из алюминиевого сплава или стеклообразного материала (стеклянные пластины получили в по­следнее время более широкое распространение), поверхность которых покрыта несколькими слоями магнитных и немагнитных материалов, защищенных сверху тонким слоем алмазоподобного графита. В каче­стве магнитного материала используется окись хрома (ранее использо­вались кобальт, оксид железа), толщина которого составляет менее 10 микрон. Размеры и ориентация частиц магнитного слоя определяют вместе с размерами зазора магнитной головки возможную плотность записи. Поверхностная плотность записи имеет две составляющие — продольную (определяется размерами магнитных доменов, представ­ляющих каждый бит дорожки) и поперечную, которая определяется расстоянием между соседними дорожками.

Одним из последних достижений в увеличении плотности записи за счет уменьшения размеров магнитных частиц — разработанное IBM покрытие с антиферромагнитной связью. Такое покрытие состоит из двух магнитных слоев, "проложенных" тончайшим (его толщина со­ставляет всего три атомных диаметра!) слоем парамагнитного металла рутения. В этом "бутерброде" вместо одиночных магнитных доменов образуются магнитные пары с противоположно направленными векто­рами намагниченности, обеспечивающие повышенную стойкость к размагничиванию.

По ряду технологических причин не вся магнитная поверхность дисков задействована под хранение данных, а только та часть, которая располагается на средних радиусах. Эта часть называется рабочей зо­ной. Механический аспект работы магнитных поверхностей очень прост: под пакетом магнитных дисков расположен запрессованный в корпус гермоблока двигатель шпинделя, служащий для обеспечения вращения дисков с постоянной скоростью. Типичные значения скоро­сти вращения дисков — 3600, 4000, 4500, 5200, 5400, 7200, 10000 обо­ротов в минуту. Пластины укреплены на шпинделе двигателя, который вращает их с весьма высокими угловыми скоростями (до 15 тыс. об./мин). С ростом поверхностной плотности записи и скоростей вра­щения оказалось, что традиционные двигатели с шариковыми под­шипниками не удовлетворяют возросшим требованиям по боковым биениям пластин, возникающим из-за не идеальной шарообразной формы шариков подшипника, шуму и вибрациям. Поэтому им на смену в большинстве современных накопителей пришли двигатели с жидкостными динамическими подшипниками (FDB, Fluid Dynamic Bearing), в которых вместо шариков используем специальное масло.

Головки HDD крепятся на подвижном относительно магнитных дисков металлическом коромысле, Во время работы двигателя, вра­щающиеся магнитные диски создают воздушный поток, который обра­зует "воздушную подушку" между головкой и поверхностью. Головка "летит" над поверхностью вращающейся пластины на расстояниях порядка 10—15 нм. Расстояние от головки до магнитного слоя при этом заметно больше — до 30 нм. Защитный слой из алмазоподобного графита, наносимый на головку и пластины, обладает чрезвычайно высокими прочностью и гладкостью, так что "падение" головки на поверхность пластины при остановке двигателя не приводит к выходу HDD из строя. Кроме того, при остановке двигателя коромысло авто­матически (как правило, под давлением потока воздуха от еще вра­щающихся дисков) отводится в так называемое парковочное положе­ние, в котором оно фиксируется специальным замком или магнитной защелкой. В этом положении головки выводятся из рабочей зоны, пре­дотвращая возможный контакт между коромыслом и поверхностью диска, защищая рабочую поверхность. "Парковочная" зона располо­жена, как правило, ближе к оси шпинделя. Головка записи-чтения — важнейший элемент HDD. Ее чувствительность и величина магнитного зазора в большой степени определяют плотность записи накопителя. Ферритовые головки первых HDD уступили место тонкопленочным, а затем магниторезистивным (MR) и супермагниторезистивным (GMR). Новое поколение HDD оснащается туннельными магниторезистив­ными головками (TMR).

Обычные считывающие головки использовали принцип возник­новения ЭДС при прохождении проводника (считывающей головки) через магнитное поле или при изменении напряженности этого поля. Такие головки называются индуктивными. В 1990 году фирмой IBM были впервые применены магниторезистивные головки (MR head). Принцип их действия заключается в использовании материалов, изме­няющих свое электрическое сопротивление при изменении напряжен­ности окружающего магнитного поля. Такой подход позволил решить, как минимум, две проблемы: повышение надежности чтения и плотно­сти записи информации.

При чтении с головки чтения слабого аналогового сигнала в циф­ровой поток в современных дисках используется метод частичного отклика — максимального правдоподобия (Partial Response Maxi­mum Likelihood, PRML) обеспечивающий более низкие ошибок при малых отношениях сигнал/шум. При традиционном способе записи на диск приходилось добавлять к полезной информации служебную, чтобы обеспечить надежность считывания. Типичным было соотноше­ние 2-3, то есть для записи двух символов приходилось записывать три символа (2 полезных + 1 служебный). Применение PRML позволило уменьшить это соотношение до 16-17. Такая технология использует улучшенную цифровую фильтрацию данных, позволяя определять, какая именно последовательность бит была наиболее вероятно запи­сана на диске.

Позиционер служит средством доставки головок к нужному ци­линдру диска. От скорости и точности его работы зависит время дос­тупа к данным и допустимое расстояние между дорожками, то есть плотность записи. Ранее в HDD приводом позиционера служил шаго­вый двигатель. В современных винчестерах позиционер с коромыслом перемещается вдоль магнитных дисков с помощью электромагнита. В хвостовой части позиционера находится катушка, прикрытая сверху и снизу жестко закрепленными на гермоблоке магнитными пластинами, которые служат статором. При пропускании тока через обмотку ка­тушки позиционер начинает отклоняться с определенным ускорением, а направление его отклонения можно менять изменением направления тока в обмотке позиционера. Такая схема управления носит название Voice Coil. Кроме того, для обеспечения надежности, позиционер вы­водит головки из зоны возможного соприкосновения с носителем в случае непредвиденных ситуаций.

Винчестеру приходится читать данные с поверхности. Для этого он должен знать, где в настоящий момент находятся головки и куда ему необходимо их переместить. С этой целью на поверхности дисков записана специальная информация (сервоинформация), уникальная для каждой дорожки и каждого сектора с данными, представляющая собой "адрес" сектора. В современных винчестерах сервоинформация хранится на той же поверхности, на которой хранятся данные. В каче­стве примера реализации современных методов позиционирования приведем систему, используемую компанией Quantum Corporation в моделях Fireball ST. Сервоинформация расположена на каждой до­рожке каждой поверхности. В этом случае отпадает необходимость использования специальной головки для ее чтения, так как эту роль играют считывающие головки. Участки с записанной сервоинформа­цией (wedges — "клин") расположены равномерно по всей поверхно­сти, как спицы колеса. На каждую дорожку приходится по 84 участка с этой информацией. Таким образом, на несколько подряд идущих сек­торов приходится один "клин", состоящий из четырех полей. Для раз­деления полей используется временная синхронизация. Винчестер ис­пользует безиндентификационный формат записи секторов, т. е. каж­дому сектору ставится в соответствие его дескриптор. Дескриптор со­держит, в частности, следующие поля: поле четности, номер "клина" (после которого располагается сектор и время, за которое сектор дол­жен подойти под головку после того, как был обнаружен нужный "клин"), а также два поля для "счетчика разрыва". Схема поиска нуж­ного сектора следующая: контроллер выясняет "клин", после которого находится нужный сектор, затем его значение сравнивается с внутрен­ним счетчиком форматтера, который отслеживает текущую сервоин­формацию. При совпадении контроллер отсчитывает промежуток вре­мени, указанный в поле времени дескриптора, и начинает читать дан­ные с поверхности.

Итак, информация на дисках записывается и считывается секторами, причем каждый сектор имеет определенную структуру (формат). В начале каждого сектора имеется заголовок, за которым следует поле данных и поле контрольного кода. В заголовке имеется поле идентификатора, кото­рое включает номер цилиндра, головки и собственно сектора. В этом же идентификаторе может содержаться и пометка о дефектности сектора, указывающая на невозможность его использования для хранения данных. Достоверность поля идентификатора проверяется с помощью контроль­ного кода заголовка. Заголовки секторов записываются только во время операции низкоуровневого форматирования, причем для всего трека сразу. При обращении к сектору по чтению или записи заголовок только счи­тывается. Поле данных сектора отделено от заголовка небольшой зоной, необходимой для того, чтобы при операции записи головка (точнее, об­служивающая ее схема) могла успеть переключиться с режима чтения (заголовка) в режим записи (данных). Завершает сектор контрольный код поля данных — СRC (Cyclic Redundancy Check — циклический избыточный контроль) или ЕСC (Error Checking and Correcting — обнаружение и кор­рекция ошибок). CRC-код позволяет только обнаруживать ошибки, а ЕСС-код позволяет исправлять ошибки небольшой кратности. В межсекторных промежутках, как уже гс выше, может размещаться и сервоинформация.

Единственным еще не рассмотренным нами элементом, находя­щимся внутри гермозоны, является предусилитель. Такое его распо­ложение объясняется очень просто: предусилитель должен распола­гаться как можно ближе к считывающей и записывающей головкам для сокращения тракта головка — предусилитель и умень­шения наво­дящихся на него помех. С предусилителей сигнал идет по ленточному шлейфу на печатную плату, где и преобразуется в тот вид, в котором он представляется компьютеру.