Приложение. Дисковые устройства Магнитный диск

Диск представляет собой круглую пластину, выполненную из металла или пластика с магнитным покрытием. Данные записываются, а впоследствии счи­тываются с диска посредством проводящей катушки индуктивности, входящей в конструкцию головки (head). При операции считывания или записи головка на­ходится в стационарном положении, в то время как диск вращается под ней.

Механизм записи основан на том, что электрический ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле. Электрические импульсы, посылае­мые головке, превращаются в намагниченные участки поверхности. Меха­низм считывания использует то, что магнитное поле, движущееся относи­тельно катушки, генерирует в ней электрический ток. Когда поверхность диска движется под головкой, происходит генерация тока той же полярно­сти, что и при выполнении записи.

Организация данных и форматирование

Головка представляет собой относительно небольшое устройство, предназна­ченное для считывания или записи участка диска, вращающегося под ней. Дан­ные на диске организуются в виде набора концентрических колец, называемых дорожками (tracks). Каждая дорожка имеет ту же ширину, что и головка. На поверхности могут быть размещены тысячи дорожек.

На рис. 11.17 представлена схема размещения данных. Соседние дорожки разделены промежутками (gaps). Это предотвращает (или, по крайней мере, ми­нимизирует) возникновение ошибок, вызванных некорректным положением го­ловки или простой интерференцией магнитных полей. Для упрощения элек­тронной схемы обычно на каждой дорожке сохраняется одинаковое количество битов. Следовательно, плотность записи, в битах на единицу длины, возрастает при переходе от внешней дорожки ко внутренней (такое явление происходит и при записи звука на пластинку).

Данные пересылаются на диск и из него блоками (blocks). Обычно размер блока меньше, чем емкость дорожки. Соответственно, данные сохраняются в об­ластях, имеющих размер, равный размеру блока; они называются секторами (sectors). Обычно на одной дорожке располагается несколько сотен секторов, и они могут быть либо фиксированной, либо переменной длины. Для большинства дисков используется фиксированный размер сектора — 512 байт. Во избежание ошибок соседние секторы также разделены интервалами.

Рис. 11.17. Размещение данных на диске

Для определения позиций секторов на дорожке требуются специальные средства. Ясно, что на дорожке должна существовать некая начальная точка, и должен быть способ идентификации начала и конца каждого сектора. Эти требо­вания удовлетворяются посредством контроля за записанными на диск данными. Так, диск форматируется с некоторыми дополнительными данными, используе­мыми только дисководом и недоступными пользователю.

Физические характеристики

В табл. 11.6 приведены основные характеристики, отличающие один тип дисков от другого. Головка диска может быть либо фиксирована, либо переме­щаема (в радиальном направлении пластины диска). В дисках с фиксированной головкой на одну дорожку приходится одна головка. Все головки смонтированы на жестком кронштейне, который располагается над всеми дорожками. В диске с перемещающейся головкой имеется только одна головка, закрепленная на кронштейне. Поскольку головка должна быть способна размещаться над любой дорожкой, кронштейн должен обеспечивать ее перемещение над диском.

Сам же диск смонтирован в дисководе, состоящем из кронштейна, шпинде­ля, вращающего диск, и электронной схемы, необходимой для осуществления ввода и вывода бинарных данных. Стационарный диск зафиксирован в дисково­де, в то время как переносной диск может быть удален или заменен другим. Преимущество дисков последнего типа состоит в том, что при ограниченном ко­личестве дисковых систем доступен неограниченный объем данных. Кроме того,такой диск может быть перенесен из одной компьютерной системы в другую (при условии их совместимости).

Таблица 11.6. Физические характеристики дисковых систем

Движение головки Фиксированная головка (одна на дорожку)

Перемещаемая головка (одна на поверхность) Переносимость диска Стационарный диск

Переносной (съемный) диск Стороны Односторонние

Двусторонние Дисковые пластины Одна пластина

Множество пластин Механизм головки Контактный (флоппи-диск)

С фиксированным зазором

Аэродинамический зазор

В большинстве дисков магнитное покрытие наносится на обе стороны дис­ковой пластины (такой диск называется двусторонним). Некоторые, менее доро­гие системы используют односторонние диски.

Некоторые дисководы содержат несколько дисковых пластин, разме­щенных на вертикальной оси с интервалом в несколько дюймов. При этом предусматривается наличие нескольких кронштейнов. Набор дисковых пла­стин называется пакетом дисков (рис. 11.18). Многопластинчатые диски снабжены перемещаемыми головками, по одной на одну поверхность пласти­ны. Головки механически зафиксированы таким образом, что все они нахо­дятся на одинаковом расстоянии от центра диска и перемещаются одновре­менно. Таким образом, в любой момент времени все головки оказываются расположенными над дорожками, равноудаленными от центра диска. Мно­жество дорожек, находящихся в одной и той же позиции по отношению к пластине, называется цилиндром (cylinder). Например, все закрашенные до­рожки, показанные на рис. 11.19, являются частью одного цилиндра.

Возможна еще одна классификация дисков по типам головок. Обычно го­ловка чтения/записи располагается на фиксированном расстоянии над дисковой пластиной. В головках второго типа при считывании или записи осуществляется реальный физический контакт с поверхностью. Такой механизм используется в гибких дисках, имеющих небольшой размер, гибкую пластину и являющихся самыми дешевыми из всех типов дисков.

Чтобы объяснить принцип работы дисков третьего типа, необходимо проком­ментировать соотношение между плотностью данных и размером воздушного про­межутка. Головка должна генерировать или улавливать электромагнитное поле дос­таточной для нормального считывания или записи величины. Чем уже головка, тем ближе она должна быть расположена к поверхности пластины. Сужение головки предполагает сужение дорожки и, естественно, увеличение плотности записи, что очень желательно. Однако чем ближе головка расположена к поверхности пластины, тем больше вероятность возникновения ошибок, вызванных загрязнениями или фи­зическими дефектами. Дальнейшее развитие технологии привело к появлению винчестерных дисков, головки которых используются в герметичных дисководах, за­щищенных от загрязнений. Они сконструированы для работы на расстоянии от по­верхности пластины, меньшем, чем расстояние при работе с обычными жестко фик­сированными головками, что приводит к более высокой плотности записи данных. Головка представляет собой своеобразную аэродинамическую фольгу, парящую над поверхностью пластины при вращении диска. Воздушное давление, создаваемое при вращении диска, достаточно для создания зазора между поверхностью и головкой. Такая бесконтактная схема обеспечивает работу очень узких, близко расположенных к поверхности головок¹.

Рис. 11.18. Компоненты магнитного диска

Рис. 11.1 У. Дорожки и цилиндры

В табл. 11.7 приведены параметры типичных современных высокопроизво­дительных дисков с движущимися головками.

Таблица 11.7. Параметры типичных дисков

Характеристики Seagate Cheetah 36 Western Digital

Enterprise WDE18300

Емкость 36.4 Гбайт 18.3 Гбайт

Минимальное время поиска от 0.6 мс 0.6 мс дорожки к дорожке

Среднее время поиска 6 мс 5.2 мс

Скорость вращения шпинделя 10000 об/мин 10000 об/мин

Средняя задержка из-за вращения 3 мс 3 мс

Максимальная скорость передачи 313 Мбит/с 360 Мбит/с данных

Количество байтов в секторе 512 512

Количество секторов в дорожке 300 320

Количество дорожек в цилиндре 24 8

Количество цилиндров 9801 13614