Учебники 80389

Оператор ставил пакет на шпиндель устройства, снимал кожух (при этом пакет автоматически фиксировался на шпинделе) и включал двигатели раскрутки пакета. После достижения определенной скорости вращения осуществляется ввод в пространство между дисками пакета блока магнитных головок («гребенки»). Принцип размещения головок — плавающий, поскольку они удерживаются на необходимом расстоянии от поверхности диска расходящимися потоками воздуха, возникающими при вращении пакета. В дальнейшем в основном применялись или полноконтактные головки (гибкие диски) или механически фиксируемые в вакууме на определенном расстоянии от поверхности («винчестер»). Попытки использовать жидкие среды (различные масла) для обеспечениянеобходимогоразмещенияголовокуспеханеимели.

Каждый магнитный диск пакета, кроме верхнего и нижнего, имеет две рабочие поверхности. Верхний и нижний магнитные диски обладают по одной рабочей поверхности, расположенной соответственно на нижней и верхней частях указанных дисков. Каждая рабочая поверхность магнитного диска разбита на N окружностей (дорожек), пронумерованные от 0 до N- 1 от края к центру. На каждой из дорожек начало области данных механически идентифицировано с помощью маркера начала оборота. Дорожки, расположенные одна под другой на разных магнитных дисках, образуют соответственно N цилиндров.

Из N цилиндров М являются резервными и N - М — основными. Дорожки резервных цилиндров пользователям недоступны. Системные средства обеспечивают замену дорожки основного цилиндра, ставшей дефектной, на дорожку запасного цилиндра. Запись и считывание информации в НМД производит механизм доступа, состоящий из держателей магнитных головок (блок магнитных головок).

Количество магнитных головок равно числу рабочих поверхностей на одном пакете дисков. Если пакет состоит из 11 дисков, то механизм доступа состоит из 10 держателей с двумя магнитными головками на каждом из них. Держатели магнитных головок объединены в единый блок таким образом, чтобы обеспечить их синхронное перемещение вдоль всех цилиндров. Фиксируя блок механизма доступа на каком-либо из цилиндров с помощью только электронного переключения головок, можно сделать переход с одной дорожки на другую данного цилиндра. При фиксированном положении блока механизма доступа возможно обращение к любой из записей, находящихся на дорожках текущего цилиндра. Дорожки в цилиндре нумеруются, начиная с верхних. Как правило, обращение к дорожкам происходит с нулевой по последнюю одного цилиндра, потом с нулевой дорожки следующего цилиндра и т. д.

Любая операция чтения (записи) информации с (на) магнитного диска состоит из трех этапов. На первом этапе происходит механический подвод магнитной головки к дорожке, содержащей требуемые данные. На втором этапе обеспечивается ожидание момента, пока требуемая запись не окажется в зоне магнитной головки. На третьем этапе осуществляется соб-

161

ственно процесс обмена информацией между вычислительной машиной и магнитным диском. Таким образом, общее время, затрачиваемое на операцию записи-считывания, состоит из суммы времен поиска соответствующей дорожки, ожидания подвода записи (так называемое время ротационного запаздывания) и обмена с ЭВМ. Максимальное значение времени ротационного запаздывания равно времени, за которое совершается полный оборот магнитного диска.

В идейном плане размещение информации на МД аналогично МЛ (дорожка МД эквивалентна отрезку МЛ). Адрес блока на МД состоит из номера дорожки и номера блока на дорожке. Начало и конец блока распознаются по промежуткам, начало и конец дорожки — оптическим (для сменных МД) или электромагнитным (для постоянных МД) датчиком угла поворота оси пакета МД.

Размер блока, очевидно, не может быть больше длины дорожки МД. Считывающее устройство в данном случае ориентировано на выполнение единственной операции — прочитать (или записать) информационный блок, который задан своим адресом. За считывание файла несет ответственность операционная система, поддерживающая файловые структуры на МД.

Соображения по поводу длины блоков, отмеченные выше по поводу МЛ, сохраняют свою силу и для МД, однако здесь возникают и некоторые дополнительный сложности. Использование блоков фиксированной длины на МЛ не дает никаких преимуществ, в то время как для НМД использование блоков фиксированной длины позволяет использовать датчик угла поворота как дополнительный идентификатор конца блока, что приводит к увеличению КПД использования поверхности диска.

Очевидно, что дорожки внешних и внутренних цилиндров по плотности записи различаются, так как на всех дорожках находится одинаковое фиксированное количество секторов (для внутренних дорожек плотность записи больше, чем для внешних).

Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую длину окружности. Однако в накопителях, не использующих метод зонной записи, все цилиндры содержат одинаковое количество данных, несмотря на то, что длина окружности внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. В результате теряется пространство внешних дорожек, так как оно используется крайне неэффективно (рис. 8.5).

Процесс управления плотностью записи называется прекомпенсацией. Для компенсации различной плотности записи используют метод зонносекторной записи (Zone Bit Recording), где все рабочее пространство диска делится на зоны (8 и более). В зоне, расположенной на внешнем радиусе (младшая зона), записывается большее количество секторов на дорожку (120-96), К центру диска количество секторов уменьшается и в самой старшей зоне достигает 64-56. Так как скорость вращения диска постоянная величина, то от внешних зон при одном обороте диска поступает больше информации, чем от зон внутренних. Эта неравномерность поступления ин-

162

формации компенсируется путем увеличения скорости работы канала считывания/преобразования данных и использования специальных перестраиваемых фильтров для частотной коррекции по зонам.

Рис.8.5. Запись с постоянной угловой скоростью (с права), зонная запись: количество секторов на дорожках изменяется по мере перемещения от центра диска

Чаще всего для этой цели применяются специальные однокристальные контроллеры. При этом емкость жестких дисков можно увеличить приблизительно на 30 %. Однако при конфигурировании системы такие винчестеры создают определенные трудности, которые приходится преодолевать.

С увеличением плотности записи на диск возникают трудности при детектировании пиков аналоговых сигналов, поступающих от магнитных головок. В последнее время для устранения этого недостатка стали приме-

нять PRLM-метод (Partial Response Maximum Likelihood — максимальная вероятность правильной реакции), в котором используется специальный алгоритм цифровой фильтрации входного сигнала. Для пользователя ПК весьма важно иметь большую емкость НЖМД, высокую производительность, а также обеспечить сохранность данных.

Основные элементы конструкции типичного накопителя на жестком диске (рис. 8.6) относятся следующие:

•диски;

•головки чтения/записи;

•механизм привода головок;

•двигатель привода дисков;

•печатная плата со схемами управления;

•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.

163

Рис. 8.6. Основные узлы накопителя на жестком диске

164

Рассмотренные ниже технические параметры определяют затраты времени на позиционирование магнитных головок (МГ) и передачу больших объемов информации, а также оказывают наибольшее влияние на работу прикладныхпрограмм, которыечастообращаютсякдискудлячтенияизаписи.

Среднее время поиска — время, необходимое для позиционирования МГ на нужную дорожку (для НЖМД емкостью 540 Мбайт — 10—12 мс; для НЖМД емкостью 720 Мбайт — 8 - 10 мс).

Средняя латентность (запаздывание) — время ожидания, в течение которого диски поворачиваются, пока нужный сектор не окажется под МГ (для НЖМД емкостью от 540 Мбайт до 1 Гбайт - около 5,6 мс; для НЖМД емкостью более 1 Гбайт - 4,2 мс).

Среднее время доступа = (Среднее время поиска) + (Среднее запаздывание). Среднее время доступа составляет от 12,2 до 18 мс.

Скорость передачи данных (пропускная способность) определяет скорость, с которой данные считываются или записываются на диск после позиционирования МГ.

Скорость передачи данных в групповом (burst) режиме (скорость внешнего обмена) — это фактически скорость считывания данных из буфера НЖМД (внутреннего оперативного запоминающего устройства — ОЗУ НЖМД). Буфер служит для промежуточного хранения считываемых с диска и записываемых на диск данных и ускорения доступа. Для EIDE и Fast ATA максимальная скорость передачи данных - 11,1-1,6 Мбайт/с, в SCSI 2 - 10-40 Мбайт/с.

Скорость внутреннего обмена (долговременная максимальная или минимальная скорость передачи данных) характеризует производительность НЖМД, когда буфер НЖМД не используется. Эта характеристика сильно зависит от скорости вращения цилиндра (5400 об/мин для НЖМД емкостью от 540 Мбайтдо1 Гбайта, 7200 об/миндляНЖМДемкостьюболее1 Гбайта).

8.1.3. Съемные магнитные накопители

В1983 году компания Sony впервые представила компьютерному сообществу накопитель и дискету диаметром 3,5 дюйма. В 1984 году Hewlett-Packard впервые использовала в своем компьютере HP-150 этот накопитель. В этом же году компания Apple стала использовать накопители 3,5 дюйма в компьютерах Macintosh, а в 1986 году этот накопитель появился в компьютерных системах IBM.

Всовременных компьютерах используется дисковод 3,5 дюйма для гибких дисков объемом 1,44 Мбайт. В более старых системах может быть установлен дисковод 5,25 дюйма для гибких дисков объемом 1,2 Мбайт. А совсем уж “древние” модели дисководов 5,25 дюйма, рассчитанные на работу с дискетами объемом 360 и 720 Кбайт, в настоящее время не используются.

Дисковод работает довольно просто. Диск вращается со скоростью 300 или 360 об/мин. Большинство дисководов работают на скорости 300 об/мин,

165

и лишь дисковод формата 5,25 дюйма на 1,2 Мбайт работает на скорости 360 об/мин. При вращении диска головки могут перемещаться вперед и назад на расстояние приблизительно в один дюйм и записывать 40 или 80 дорожек. Дорожки наносятся на обе стороны диска и поэтому иногда называются цилиндрами. В отдельный цилиндр входят дорожки на верхней и нижней сторонах дискеты. При записи используется метод туннельной подчистки, при котором сначала записываются дорожки определенной ширины, а затем края дорожек стираются, чтобы предотвратить взаимное влияние соседних дорожек. Ширина дорожек дисководов может быть различной.

Устройства резервного копирования. Основой съемных магнитных носителей обычно являются гибкие или жесткие диски. На пример, популярный накопитель Zip является 3,5-дюмовой версией дискового накопителя

Bernoulli, который был разработан компанией Iomega. Super Disk LS-120

компании Imation является накопителем на базе дисковода емкостью 120 Мбайт. При этом такой диск выглядит почти точно так же, как и обычная дискета 1,44 Мбайт. Накопители Iomega Jaz, Castlewood Orb и их предшественник SyQuest SparQ созданы на базе технологии жестких дисков (рис. 8.7).

Дисковые накопители по сравнению с ленточными стоят дороже (из расчета за мегабайт или гигабайт), обычно имеют меньшую емкость и более просты в работе с файлами. Дисковые накопители работают в режиме произвольного доступа, что позволяет находить, использовать, модифицировать или уничтожать любой файл или группу файлов на диске, не беспокоясь об остальном его содержимом.

В начале 1980 года компания Iomega выпустила накопитель Bernoulli. Отличительной чертой диска Bernoulli, в общем похожего на обычные дискеты формата 5,25 дюйма,

166

Iomega также представила адаптер IEEE-1394 для порта USB, позволяющий использовать дисководы Zip 250 с интерфейсом FireWire.

Накопители Zip 100 могут хранить до 100 Мбайт данных на небольшом съемном магнитном картридже, напоминающем 3,5-дюймовую дискету. Более новые дисководы Zip 250 могут сохранять до 250 Мбайт данных на таком же по размеру картридже и могут работать со 100мегабайтовыми картриджами. Последние модели картриджей Zip 250 имеют видоизмененную форму; кроме того, в состав диска добавлены частицы титана, повышающие общую надежность носителя.

В накопителях Zip используются специальные 3,5-дюймовые диски, выпускаемые компанией Iomega и другими производителями, например Maxell, Verbatim и Fuji. Они приблизительно в два раза толще стандартной 3,5- дюймовой дискеты. Накопитель Zip не способен работать с гибкими дисками на 1,44 Мбайт и 720 Кбайт, поэтому он не может заменить накопитель на гибких дисках. Автономные накопители Zip завоевали широкую популярность благодаряудобствуихприменениядляпередачиданныхмеждусистемами.

8.1.4. Накопители на компакт-дисках.

Здесь носителем информации является CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory — компакт-диск, предназначенный только для чтений).

CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск Диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска (рис. 8.8). На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения — на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт. Информация наносится на диск при его изготовленииинеможетбытьизменена.

Используемая в CD-системах оптическая технология основана на применении лазерного луча. Лазерный луч направляется на поверхность вращающегося диска, вдоль дорожек которого располагаются впадины, отражающие сфокусированный луч в направлении фотодетектора, фиксирующего записанные на диске двоичные данные. Лазер излучает когерентный свет, состоящий из синхронизированных волн одинаковой длины. Если объединить два одинаковых луча в одной фазе, получится более яркий луч, а если сдвинуть лучи на полфазы, они погасят друг друга. Но если два таких луча будут направлены на фотодетектор, то в первом случае он зафиксирует яркое пятно, а во втором — темное.

167

Рис. 8.8. Профиль дорожки CD-ROM

При вращении диска возможны три разных позиции источника луча и детектора относительно впадин и площадок на его поверхности. Когда свет отражается только от впадины или только от площадки, детектор фиксирует яркое пятно. Однако на границе впадины, глубина которой равна четверти длины волны лазера, ситуация меняется. Волна, отраженная от впадины, смещается на 180° по фазе относительно волны, отраженной от площадки, и они гасят друг друга. Таким образом, на границах впадина - площадка и площадка - впадина детектор не видит отраженного луча и фиксирует темное пятно. На рис. 8.8 показано несколько переходов между площадками и впадинами. Если каждый переход, фиксируемый как темное пятно, обозначается двоичным значением «1», а поверхность впадины или площадки — двоичным значением «0», результирующая двоичная последовательность будет такой, как на этом рисунке. Она не является непосредственным представлением хранящихся на диске данных. Для CD применяется сложная система кодирования информации. Каждый байт представлен 14-разрядным кодом, позволяющим выявлять и исправлять ошибки.

CD-ROM обладают высокой удельной информационной емкостью, что позволяет создавать на их основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один CD по информационной емкости равен почти 500 дискетам. Считывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске. CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, на них невозможно случайно стереть информацию.

Сегодня почти все персональные компьютеры имеют накопитель CDROM (рис. 8.9). Накопительвключаетдвигательдлявращениядиска, генера

168

вателем на специальном CD-R-приводе. В основном здесь применяются технологии, основанные на изменении отражающих свойств вещества подложки компакт-диска под действием луча лазера. Перезаписываемые компакт-диски дороже обычных, так как в качестве светоотражающего слоя в них используется не алюминий, а золото. Подобные компакт-диски могут служить в каче- ствематриц(мастер-диск) длядальнейшего, тиражирования.

Между этим слоем и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Накопители CD-R благодаря сильному удешевлению, приобретают все большее распространение.

8.1.5. Технология DVD

Технология цифровых универсальных дисков (DVD) очень похожа на технологию компакт-дисков. В обеих технологиях используются штампованные поликарбонатные диски одного и того же размера (наружный диаметр 120 мм, диаметр центрального отверстия 15 мм, толщина 1,2 мм) со спиральными дорожками, состоящими из впадин и площадок. Диски DVD, в отличие от обычных компакт-дисков, могут иметь два слоя записи на каждой стороне и быть одноили двухсторонними. Каждый слой диска штампуется отдельно, после чего они объединяются, образуя в итоге диск толщиной 1,2 мм. Технологический процесс изготовления дисков практически не отличается, за исключением того, что слои и стороны дисков DVD штампуются из отдельных поликарбонатных заготовок, которые затем соединяются друг с другом, формируя законченный диск. Основным отличием стандартных компакт дисков и дисков DVD является более высокая плотность записи данных, которые считываются лазером с более короткой длиной волны (Рис. 8.10).

DVD CD

Рис. 8.10. В DVD размеры штрихов уменьшены по сравнению с обычными дисками CD-R и CD-RW

Как уже отмечалось, компакт-диски являются односторонними и имеют только один слой записи. В отличие от них, диски DVD могут быть двухсторонними и иметь два слоя записи на каждой стороне. В накопителе DVD используется лазер с меньшей длиной волны, что позволяет считывать более короткие штрихи. Для удвоения размера в накопителе DVD можно использо-

169

вать две стороны диска и, кроме того, записывать данные на два отдельных слоя каждой из сторон.

В настоящее время существует четыре основных типа дисков DVD, которые классифицируются по количеству сторон (одноили двухсторонние) и слоев (одно- и двухслойные).

•DVD-5 — односторонний однослойный диск емкостью 4,7 Гбайт. Со-

стоит из двух соединенных друг с другом подложек. Одна из них содержит записанныйслой, которыйназываетсянулевымслоем, втораясовершеннопуста. Наоднослойныхдискахобычноиспользуетсяалюминиевоепокрытие.

•DVD-9 — односторонний двухслойный диск емкостью 8,5 Гбайт.

Состоит из двух штампованных подложек, соединенных таким образом, что оба записанных слоя находятся с одной стороны диска; с другой стороны располагается пустая подложка. Внешний (нулевой) штампованный слой покрыт полупрозрачной золотой пленкой, которая отражает лазерный луч, сфокусированный на данном слое, и пропускает луч, который сфокусирован на нижнем слое. Для считывания обоих слоев используется один лазер с изменяемой фокусировкой.

•DVD-10 — двухсторонний однослойный диск емкостью 9,4 Гбайт. Со-

стоитиздвухштампованныхподложек, соединенныхдругсдругомтыльными сторонами. Записанный слой (нулевой слой на каждой стороне) обычно имеет алюминиевое покрытие. Обратите внимание, что диски этого типа являются двухсторонними; считывающий лазер находится в нижней части накопителя, поэтомудлячтениявторойстороныдискнеобходимоизвлечьиперевернуть.

•DVD-18 — двухсторонний двухслойный диск емкостью 17,1 Гбайт.

Объединяет в себе два слоя записи на каждой стороне. Стороны диска, каждая из которых формируется двумя штампованными слоями, соединяются вместе тыльными частями друг к другу. Внешние слои (слой 0 на каждой стороне диска) покрыты полупрозрачной золотой пленкой, внутренние слои (слой 1 на каждой стороне) имеют алюминиевое покрытие. Отражательная способность однослойного диска составляет 45–85%, двухслойного — 18–30%. Различные отражающие свойства компенсируются схемой автоматической регулировки усиления (АРУ).

8.1.6.Магнитооптические накопители

МО-диск представляет собой поликарбонатную подложку (часто ее также называют слоем) толщиной 1,2 мм, на которую нанесено несколько тонкопленочных слоев: защитный слой, предохраняющий поверхность диска от повреждений; отражающий слой, необходимый для корректной работы лазера; диэлектрические слои, которые теплоизолируют магнитный слой (чтобы эффективнее использовать энергию лазера при записи) и увеличивают эффект поляризациипричтении; магнитныйслой— собственнохранительинформации.

Технология записи данных такова: лазерный луч нагревает точку на диске, а электромагнит изменяет магнитную ориентацию этой точки в за-

170