Львівський коледж Державного університету телекомунікацій

Розглянуто на засіданні циклової комісії обслуговування комп’ютерної техніки протокол № 1 від _31.08_ 2012 р. Голова циклової комісії _____________ Кужій Л.І.	Затверджую Заступник директора з НВР " 31 " ___08____ 2012 р. __________ Плешівський Я.М.

Навчальна практика (за професійним спрямуванням)

в частині технічного обслуговування комп’ютерної техніки

Для студентів денної форми навчання

напрям підготовки 6.050903 Телекомунікації

спеціальність 5.05090308 Монтаж, обслуговування та експлуатація апаратних засобів інформатизації

Інструкція до роботи № 12

Апаратне та програмне дослідження ОЗП та жорстких дисків.

Укладач:

Кащук В.Д.

Львів 2014 р.

1. Мета:

Навчитися виявляти та усувати несправності модулів оперативної пам’яті та жорстких дисків.

2. Вхідний контроль:

1. Що таке інтерфейс ?

2. Які є інтерфейси накопичувачів?

3. Який фізичний розмір сучасних НЖМД?

4. Що визначає швидкість обертання диску?

3. Теоретична частина

Принцип роботи жорсткого диска

Розглянемо, як фізично працює жорсткий диск. Всередині металевого корпусу розташований один (або декілька) дисків, закріплених на осі електродвигуна. Диск виготовлений з алюмінію, на який напилений феромагнітний шар. На останніх моделях вінчестерів фірмиIBM несучий диск виконується зі спеціального скла, на який також завдано феромагнітний шар.

Головки читання / запису на важелях переміщаються над поверхнею диска, що обертається, не торкаючись його.

Вони ніби ширяють у потоці повітря, що створюється обертанням диска, на дуже маленькій відстані (десяті частки міліметра) від його поверхні.

Якщо голівка торкнеться поверхні, вона напевно зруйнує записані в цьому місці дані і зіпсує саму поверхню диска, і в результаті місце, де відбулося зіткнення, стає непридатним для подальшого використання. При тестуванні спеціальним програмним забезпеченням такі ділянки відзначаються символом B - Bad (поганий). З моменту включення комп'ютера і його виключення двигун вінчестера працює без зупинки (якщо не активований «сплячий» або енергозберігаючий режим). При виключенні комп'ютера головки диска автоматично паркуються: вінчестер зауважує відсутність напруги живлення і переміщує головки в таке місце, куди інформація ніколи не записується.

Місце паркування головок називається landing zone - посадкова зона. Конструкція вінчестера дуже чутлива до ударів і різких поштовхів. Тому при складанні комп'ютера, навіть при підключенні вінчестера на нетривалий час, необхідно надійно закріпити його в корпусі системного блоку, а не залишати на столі, а тим більше не тримати на вазі.

Технології запису даних

Принцип роботи жорстких дисків схожий на роботу магнітофонів. Робоча поверхня диска рухається щодо голівки, що зчитує (наприклад, у вигляді котушки індуктивності із зазором в магнітопроводі). При подачі змінного електричного струму (при записі) на котушку головки виникає змінне магнітне поле, із зазору головки, яке впливає на феромагнетик поверхні диска і змінює напрямок вектора намагніченості доменів в залежності від величини сигналу. При зчитуванні переміщення доменів у зазору головки приводить до зміни магнітного потоку в магнітопроводі головки, що призводить до виникнення змінного електричного сигналу в котушці за рахунок електромагнітної індукції.

З середини 1990-х на ринку пристроїв зберігання інформації почали застосовуватися головки на основі ефекту гігантського магнітного опору (ГМО).

З середини 2000-х в головки на основі ефекту ГМО стали замінюватися на головки на основі тунельного магніторезистивного ефекту (в них зміна магнітного поля призводить до зміни опору в залежності від зміни напруженості магнітного поля; подібні головки дозволяють збільшити ймовірність достовірності зчитування інформації, особливо при великих щільності запису інформації). У 2007 році пристрої на основі тунельного магніторезистивного ефекту з оксидом магнію (ефект відкритий в 2005) повністю замінили пристрої на основі ефекту ГМО.

Метод поздовжнього запису

Біти інформації записуються за допомогою маленької головки, яка, проходячи над поверхнею диска, що обертається, намагнічує мільярди горизонтальних дискретних областей – доменів. При цьому вектор намагніченості домена розташований подовжньо, тобто паралельно поверхні диска. Кожна з цих областей є логічним нулем або одиницею, залежно від напрямку намагніченості.

Максимально досяжна при використанні даного методу щільність запису становить близько 23 Гбіт / см². До 2010 року цей метод був практично витіснений методом перпендикулярного запису.

Метод перпендикулярного запису

Метод перпендикулярного запису – це технологія, при якій біти інформації зберігаються у вертикальних доменах. Це дозволяє використовувати більш сильні магнітні поля і знизити площу матеріалу, необхідну для запису 1 біта. Щільність запису у дисків на 2009 рік - 400 Гбіт / дюйм² (62 Гбіт / см²). [5]. Теоретична межа технології становить 1 Тбіт на квадратний дюйм.

Жорсткі диски з перпендикулярним записом доступні на ринку з 2005 року.

Метод теплового (термоасистуючого) магнітного запису (також термомагнітний запис, тепловий магнітний запис,  магнітнй запис із підігрівом; HAMR (англ. Heat-assisted magnetic recording))  – гібридна технологія запису інформації, яка комбінує магнітне читання і магнітооптичний запис.

Опис технології:

Принцип роботи пристроїв, які використовують цю технологію, полягає в локальному нагріванні лазером і перемагнічуванні в процесі запису поверхні пластин жорсткого диска. Нагрів поверхні знижує коерцитивність матеріалу поверхні, що дозволяє значно зменшити розміри магнітної області, що зберігає один біт інформації, і збільшити стабільність зберігання даних, уникаючи шкідливого впливу суперпарамагнітного ефекту. Нагрів виконується за допомогою лазера, котрий за 1 пс розігріває область запису до 100 °C.

В даний час компанія HGST  вкладає ресурси в розробку матеріалу носія (він повинен володіти стабільними характеристиками протягом тривалого часу і багатьма циклами запису, бути достатньо дешевим і технологічним, мати певні термодинамічні і механічні характеристики і т.д.) та інтеграцію оптики в записуючу головку (тут потрібно добитися стабільного фокусування при зміні висоти польоту головки, вирішити проблеми тепловідводу, компенсації зростаючої маси головки, зміни її аеродинамічних характеристик).

В компанії Seagate роботи за технологією HAMR з 1998 року веде підрозділ Seagate Research. Компанія Fujitsu також працює над власною реалізацією даної технології.

Технологія дозволяє досягнути щільності запису до 2,32–7,75 Тбіт/см² (за прогнозами, відповідно, компаній «Hitachi GST» і «Seagate»). Така щільність призведе до можливості розміщення від 37 до 50 ТБ даних на 3,5-дюймових жорстких дисках і 12 ТБ на 2,5-дюймових. Одного жорсткого диска об’ємом в 37 ТБ буде достатньо, щоб записати на нього в незаархівованому виді всі матеріали Бібліотеки Конгресса США.

За прогнозами, зробленими у 2006–2007 роках, перші моделі жорстких дисків, які використовують технологію HAMR, повинні з’явитися на ринку у 2010–2013 роках. В 2012 році, до комерціалізації технології було ще далеко, компанія «Seagate» в травні 2012 року заявила про досягненні в лабораторних умовах щільності запису в 1 Тб/дюйм, що менше, ніж при використанні звичайної технології запису. До 2020 року компанія «Seagate» збирається виробляти 10–20-ТБайтні моделі.

Метод теплового магнітного запису (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR) на даний момент найперспективніший серед існуючих, зараз він активно розробляється. При використанні цього метода використовується точкове нагрівання диска, котрий дозволяє голівці намагнічувати дуже малі ділянки поверхні. Після того, як диск охолоджується, намагніченість «закріплюється». На 2009 рік були доступні тільки експериментальні зразки, щільність запису котрих становила 150 Гбіт/см². Спеціалисти Hitachi оголошують ліміт для цієї технології в 2,3−3,1 Тбіт/см², представники Seagate Technology — 7,75 Тбіт/см².

Структуровані носії даних

Структурований носій даних (англ. Bit patterned media), – перспектива технологія зберігання даних на магнітному носії, яка використовує для запису даних масив однакових магнітних комірок, кожна із яких відповідає одному бітові інформації, на відміну від сучасних технологій магнітного запису, в котрих біт інформації записується на декількох магнітних доменах.

Виробники жорстких дисків:

Основні фірми-виробники жорстких дисків – Seagate, WD (Western Digital) і Samsung. Важко виділити потенційного лідера. Різниця в продуктивності аналогічних моделей навіть при великому бажанні не буде відчутна при роботі звичайного користувача із цими жорсткими дисками.

Сайти основних виробників жорстких дисків:

• Seagate (www.seagate.com);

• Samsung (samsungelectronics.com/hdd/hdd index.html);

• Western Digital (www.wdc.com).

Таблиця 1.

Характеристики жорстких дисків

МОДЕЛЬ	ОБ’ЄМ, ГБ	ЧАСТОТА ОБЕРТАННЯ ОБ/МИН	ОБ’ЄМ КЕШ, МБ	ИНТЕРФЕЙС
Seagate Barracuda 7200.10
ST3160215A	160	7200	2	Ultra ATA-100
ST3250820AS	250	7200	8	SATA II
ST3400620A	400	7200	16	Ultra ATA-100
ST3400620AS	400	7200	16	SATA II
Samsung
SP1604N	160	7200	2	Ultra ATA-133
HD250KJ	250	7200	8	SATA II
HD400LD	400	7200	8	Ultra ATA-100
HD300KJ	400	7200	8	SATA II
Western Digital
WD1600JB	160	7200	8	IDE
WD2000JS	200	7200	8	SATA
WD3000JS	300	7200	8	SATA
Hitachi
HDT725025VLA380	250	7200	8	SATA 3.0
HDT725040VLAT80	400	7200	8	Ultra ATA-133
HDT725040VLA380	400	7200	16	SATA 3.0

Основні характеристики жорстких дисків:

Інтерфейс − набір, що складається з ліній зв'язку, сигналів, що посилають по цих лініях, технічних засобів, що підтримують ці лінії, і правил обміну. Сучасні накопичувачі можуть використати інтерфейси ATA (AT Attachment, він же IDE — Integrated Drive Electronic, він же Parallel ATA), (EIDE), Serial ATA, SCSI (Small Computer System Interface), SAS, FireWire, USB, SDIO і Fibre Channel.

Ємність (англ. capacity) − кількість даних, які можуть зберігатися накопичувачем. Ємність сучасних пристроїв досягає 1000 Гб. На відміну від прийнятої в інформатиці (випадково) системі приставок, що позначають кратну 1024 величину, виробниками при позначенні ємності жорстких дисків використаються кратні 1000 величини. Так, напр., ємність жорсткого диска, маркованого як «200 Гб», в дійсності складає 186,2 ГіБ.

Фізичний розмір (форм-фактор) − майже всі сучасні накопичувачі для персональних комп'ютерів і серверів мають розмір або 3,5, або 2,5 дюйма. Останні частіше застосовуються в ноутбуках. Інші розповсюджені формати — 1,8 дюйма, 1,3 дюйма і 0,85 дюйма

Час доступу (англ. random access time) − від 3 до 15 мс, як правило, мінімальним часом відрізняються серверні диски (наприклад, у Hitachi Ultrastar 15K147 − 3,7 мс), максимальним із актуальних - диски для портативних пристроїв (Seagate Momentus 5400.3 − 12,5).

Швидкість обертання диску (англ. spindle speed) − кількість оборотів шпинделя у хвилину. Від цього параметра в значній мірі залежать час доступу й швидкість передачі даних. У цей час випускаються вінчестери з наступними стандартними швидкостями обертання: 4200, 5400 (ноутбуки), 7200 (персональні комп'ютери), 10 000 і 15 000 об./хв. (сервери і високопродуктивні робочі станції).

Для пришвидшення процеса читання/запису використовується так звана буферизація даних. Контролер жорсткого диска читае не один сектор, а цілу доріжку. Прочитанні дані зберігаються в його буфері ( його іноді називають – кеш). Під час запиту на читання наступного сектора контролер жорсткого диска спочатку перевірить наявність необхідних даних в буфері, не проводячи читання із поверхні пластини диска

Надійність (англ. reliability) − визначається як середній час наробітку на відмову (Mean Time Between Failures, MTBF). Див. також Технологія SMART. (S.M.A.R.T. (англ. Self Monitoring Analysing and Reporting Technology) − технологія оцінки стану жорсткого диска вбудованими апаратурами самодіагностики, а також механізм оцінки часу виходу його з ладу).

Кількість операцій вводу-виводу на секунду − у сучасних дисків це близько 50 оп./сек при довільному доступі до накопичувача й біля 100 оп./сек при послідовному доступі.

Опірність ударам (англ. G-shock rating) − опірність накопичувача різким перепадам тиску або ударам, виміряється в одиницях припустимого перевантаження g у включеному й виключеному стані.

Оперативна пам’ять

Оперативна пам'ять – це невелика, але дуже швидка тимчасова пам'ять комп'ютера. В ній зберігається інформація, з якою ви працюєте в даний момент (програма, гра, фільм та інше). Відкриваючи програму, ігру, фільм чи щось інше, ви автоматично записуєте інформацію в оперативну пам'ять, а закриваючи їх – видаляєте. Оперативна пам'ять дуже сильно впливає на швидкість роботи комп'ютера.

DIP SIPP SIMM 30 pin SIMM 72 pin DIMM (168-pin) DDR DIMM (184-pin)

Рис. 1. Вигляд різних видів модулів пам’яті.

Маркування мікросхем пам'яті.

Маркування модулів пам’яті SDRAM DIMM передбачає схему: PCxxxabc-def, де

ххх –частота зовнішньої шини в МГц ,

а- затримка видачі сигналу CAS # ( CL – CAS # Latency ),

b –затримка між сигналами RAS і CAS (tRCD –RAS – to – CAS Detay Time ),

c-тривалість перезарядки лінії RAS (t RP- RAS Precharge Time),

d –максимальний час доступу , вимірюється в ns і переважно дорівнює 6 або 7, максимум 8 (tAC –Aecess from Clock Time),

e-номер ревізії SPD (інколи відсутній),

F-запасний параметр, який містить інформацію про використану ревізію стандартну Registered, після чого стоїть індекс “R”, що вказує на належність модуля до стандарту Registered.

Наприклад:

У випадку з DDR SDRAM застосовується формула: PCххххm–abcd–ef,

де хххх– частота зовнішньої шини (200/266А/266B),

m– тип модуля пам’яті (R– Registered, U– Unbuffred),

а – затримка видачі сигналу CAS (tRCD – RAS – to – CAS Detay Time) перезапису в маркуванні не використовують десяткову крапку (наприклад, 25–CL=2,5ns),

b – затримка між сигналами RAS і CAS (tRCD – RAS – to – CAS Detay Time),

С – тривалість перезарядки лінії RAS (tRP- RAS Precharge Time),

d– номер ревізії SPD,

е – тип базового дизайну (A, B,C, E, F, H, K),

f– номер ревізії стандарту.

Наприклад: PC200R–25330–A1, PC2100U–25330.

В другому випадку замість частоти шини вказана максимальна пропускна здатність (в МБайт/c). Це чисто маркетинговий хід, яким користуються більшість виробників пам’яті.

Насправді позначення PC2100 відповідає пам’яті, що працює на частоті 266МГц. DDR 333– відповідає PC 2700 (розроблена під платформи з Pentium4).

Маркування типової мікросхеми пам'яті Micron Technologies:

Рис. 2. Маркування типової мікросхеми оперативної пам'яті

ROM і оперативна пам'ять — не протилежні поняття. Насправді ROM є частиною оперативної пам'яті системи. Іншими словами, частина ад- ресного простору оперативної пам'яті відводиться для ROM. Це необхідно для зберігання програмного забезпечення, яке дозволяє завантажити операційну систему.

Динамічна оперативна пам'ять (Dynamic RAM − DRAM) використовується в більшості систем оперативної пам'яті сучасних персональних комп'ютерів. Основна перевага пам'яті цього типу полягає в тому, що її осередки упаковані дуже щільно, тобто в невелику мікросхему можна упакувати багато бітів, а значить, на їх основі можна побудувати пам'ять великої місткості.

Елементи пам'яті в мікросхемі DRAM − це крихітні конденсатори, які утримують заряди. Саме так (наявністю або відсутністю зарядів) і кодуються біти. Проблеми, пов'язані з пам'яттю цього типу, викликані тим, що вона динамічна, тобто повинна постійно регенеруватися, оскільки інакше електричні заряди в конденсаторах пам'яті “стікатимуть” і дані будуть втрачені. Регенерація відбувається, коли контроллер пам'яті системи бере крихітна перерва і звертається до всіх рядків даних в мікросхемах пам'яті. Більшість систем мають контроллер пам'яті (зазвичай вбудовуваний в набір мікросхем системної плати), який налаштований на відповідну промисловим стандартам частоту регенерації, рівну 15 мкс. До всіх рядків даних звернення здійснюється після проходження 128 спеціальних циклів регенерації. Це означає, що кожні 1,92 мс (128Ч15 мкс) прочитуються всі рядки в пам'яті для забезпечення регенерації даних.

Існує тип пам'яті, абсолютно відмінний від інших, − статична оперативна пам'ять (Static RAM — SRAM). Вона названа так тому, що, на відміну від динамічної оперативної пам'яті (DRAM), для збереження її вмісту не вимагається періодичної регенерації. Але це не єдина її перевага. SRAM має

вищу швидкодію, ніж динамічна оперативна пам'ять, і може працювати на тій же частоті, що і сучасні процесори.

Починаючи з 1995 року в комп'ютерах на основі Pentium використовується новий тип оперативної пам'яті — EDO (Extended Data Out). Це вдосконалений тип пам'яті FPM; його іноді називають Hyper Page Mode. Пам'ять типа EDO була розроблена і запатентована фірмою Micron Technology (пізніше за ліцензію придбали багато інших виготівників). Пам'ять EDO збирається із спеціально виготовлених мікросхем, які враховують перекриття синхронізації між черговими операціями доступу. Як випливає з назви — Extended Data Out, драйвери виведення даних на мікросхемі, на відміну від FPM, не вимикаються, коли контроллер пам'яті видаляє стовпець адреси на початку наступного циклу. Це дозволяє сумістити (за часом) наступний цикл з попереднім, економлячи приблизно 10 нс в кожному циклі.

Пам'ять Burst Extended-Data-Out Dynamic Random Access Memory (Burst EDO, BEDO DRAM) є різновидом пам'яті EDO. Це в основному та ж пам'ять, що і EDO, але з ще швидшою передачею даних. На жаль, тільки один набір мікросхем системної логіки (Intel 440FX Natoma) підтримував її, і вона була швидко замінена пам'яттю SDRAM, яка підтримується в переважній більшості наборів мікросхем. Пам'ять BEDO в даний час не використовується і не проводиться.

SDRAM (Synchronous DRAM) передає інформацію у високошвидкісних пакетах, що використовують високошвидкісний синхронізований інтерфейс. SDRAM дозволяє уникнути використання більшості циклів очікування, необхідних при роботі асинхронної DRAM, оскільки сигнали, по яких працює пам'ять такого типу, синхронізовані з тактовим генератором системної плати.

SDRAM — це тип динамічної оперативної пам'яті, її початковий час очікування таке ж, як у пам'яті FPM або EDO, але загальний час циклу набагато коротший. Окрім цього, пам'ять SDRAM може працювати на частоті 100 Мгц (10 нс) і вище, що стало новим стандартом для системної швидкодії починаючи з 1998 року. Фактично все нові персональні комп'ютери, продані в 1998 році, мають пам'ять типа SDRAM. Останні оновлення SDRAM підтримують робочу частоту 133 Мгц (згідно специфікації PC133).

Звичайні типи пам'яті (FPM/RDO і SDRAM) іноді називають системами з широким каналом. Ширина каналу пам'яті рівна ширині шини даних процесора (у системах Pentium — 64 битий). Максимальна продуктивність пам'яті SDRAM у виконанні DIMM складає 100Ч8 (частота Ч кількість передаваних даних за один такт), або 800 Мбайт/с.

Пам'ять DDR (Double Data Rate — подвійна швидкість передачі даних) — це ще більш вдосконалений стандарт SDRAM, при використанні якого швидкість передачі даних подвоюється. Це досягається не за рахунок подвоєння тактової частоти, а за рахунок передачі даних двічі за один цикл: перший раз на початку циклу, а другою — в кінці. Саме завдяки цьому і подвоюється швидкість передачі (при тому, що використовуються ті ж самі частоти і синхронізуючі сигнали).

Пам'ять DDR SDRAM випускається відповідно до двох специфікацій — PC200 (100 МГцЧ2) і PC266 (133 МГцЧ2); звичайна напруга 2,5 В. Модуль DIMM пам'яті DDR SDRAM має ключ, який указує на використовувану напругу. Саме цей ключ допомагає запобігти невірному розміщенню модуля в роз'ємі.

У більшості сучасних комп'ютерів замість окремих мікросхем пам'яті використовуються модулі SIMM або DIMM, що є невеликими платами, які встановлюються в спеціальні роз'єми на системній платі або платі пам'яті. Окремі мікросхеми такі припаяні до плати модуля SIMM або DIMM, що випаяти і замінити їх практично неможливо. При появі несправності доводиться замінювати весь модуль. По суті, модуль SIMM або DIMM можна вважати однією великою мікросхемою.

У PC-сумісних комп'ютерах застосовуються в основному два типи модулів SIMM: 30-контактні (9 розрядів) і 72-контактні (36 розрядів). Перші з них менше за розмірами. Мікросхеми в модулях SIMM можуть встановлюватися як на одній, так і на обох сторонах плати. Використання 30-контактних модулів неефективне, оскільки для заповнення одного банку пам'яті нових 64-розрядних систем потрібний вісім таких модулів. Тому в нових системах з процесорами Pentium MMX, Pentium Pro і Pentium II використовуються 168-контактні модулі DIMM (64-розрядні без бітів парності або 72-розрядні з бітами парності).