Типы памяти
Память компьютера можно разделить на два вида: постоянную (ПЗУ, ROM) и оперативную (ОЗУ,RAM).
Оперативную память можно также разделить на два типа:
статическая (SRAM - Static RAM);
динамическая (DRAM – Dynamic RAM).
В статической памяти элементы (ячейки) построены с использованием различных вариантов схем (триггеров) с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в ячейку она может пребывать в этом состоянии столь угодно долго при условии наличия питания. Ячейки статической памяти имеют малое время срабатывания (единицы-десятки наносекунд), однако микросхемы на их основе имеют низкую удельную плотность данных (порядка единиц Мбит на корпус) и высокое энергопотребление. Поэтому статическая память используется в основном в качестве буферной (кэш-памяти).
В динамической памяти ячейки построены на основе областей (занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры) с накоплением зарядов и практически не потребляющих энергии при хранении. При записи бита в такую ячейку в ней формируется электрический заряд, который сохраняется в течение нескольких миллисекунд; для постоянного сохранения заряда ячейки необходимо регенерировать - перезаписывать содержимое для восстановления зарядов. Ячейки динамической памяти имеют большее время срабатывания (десятки-сотни наносекунд), но большую удельную плотность (порядка десятков Мбит на корпус) и меньшее энергопотребление.
Динамическая память вычислительных устройствах используется в качестве основного вида памяти.
Различают подтипы памяти: DRAM (Dynamically RAM), SDRAM (Synchronous DRAM), EDO RAM (Extended Data Output RAM), FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM), SRAM (Statically RAM), CDRAM (Cached DRAM), NVRAM (Non Volatile RAM), FeRAM (Ferroelectric RAM), DRDRAM (Direct RAMBus DRAM), DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM), ESDRAM (Enhanced SDRAM), MRAM (Magnetic RAM), etc.
Корпуса и форм-факторы микросхем памяти
Устаревшие форм-факторы: DIP (Dual In line Package), SIP (Single In line Package), SIPP (Single In line Pinned Package), CELP (Card Egde Low Profile), PQFP (Plastic Quad Flat Package), SIMM (Single Inline Memory Module).
SIMM - Single Inline Memory Module. Дословный перевод, типа однорядная память . На деле у неё просто контакты выстроены в один ряд с одной стороны. Устаревший стандарт, встречающийся только на старых компьютерах. Есть два физических стандарта SIMM. 30 pin и 72 pin. Первый совсем старый, второй поновее.
30 контактные SIMM ставились на 286, 386 и некоторые 486 компьютеры. Для набора 32 битного банка, требовалось 4 модуля. То есть, минимальное количество SIMM модулей для 386 и 486 компьютера было не меньше 4.
72 контактные SIMM ставились на 486 компьютеры и Pentium от 66MHz до 200MMX. Последняя грань не чёткая, но именно тогда большинство компьютеров стало переходить на модули DIMM. Один модуль памяти на этот раз был уже 32 битным, поэтому для 486 компьютера хватало и одного установленного модуля. У Pentium же шина памяти расширилась до 64 бит, поэтому для нормальной работы требовалась установка двух модулей одновременно. Именно тогда появилась EDO тип SIMM памяти, который работал быстрее, чем FPM устанавливаемый в 486, но мог работать только при установке пары SIMM модулей и только на PENTIUM.
На все модули SIMM устанавливался только DRAM (динамическое ОЗУ)
Современные форм-факторы
DIMM- модули Dual In-Line Memory Module, то есть модуль с расположением ног по обеим сторонам его платы. DIMM на этот раз имел 168 ног, а по сути он объединял на себе два модуля SIMM одновременно и придумывался как избавление от парной установки модулей в компьютер. То есть, по своей сути это был псевдо 64 битный модуль памяти (в два банка по 32 бита каждый).
Изначально на DIMM модули ставились старые добрые EDO DRAM микросхемы. Так продолжалось до скорого появления микросхем SDRAM, которые появилась достаточно быстро, чтобы DIMM модули с EDO не получили достаточного распространения и быстро ушли на второй план.
Аббревиатура SDRAM расшифровывается как Synchronic DRAM (динамическое ОЗУ с синхронным интерфейсом). По сути это более соверщенные модули с еще большей скоросью.
SDRAM DIMM модули стали получать всё большее и большее распространение.
DDR SDRAM
По сути DDR конструктивно схожа с обычной SDRAM. Отличия касаются банков памяти(4 вместо 2) и главное в новом решении данные за такт передаются 2 раза. Это позволяет говорить о удвоенной частоте работы. На самом деле DDR400(к примеру) работает на внутренней частоте 200мггц. Конечно, есть и другие тоже весьма важные моменты.
RDRAM
Эта память разработана компанией Rambus. Память такого типа весьма интересна. Гигантская частота работы достигается в ней за счет снижения разрядности. Опять таки увеличено количество банков. В целом можно сказать что память была весьма удачной. К слову результат i850e был перекрыт только с приходом чипсета 875 вместе с двухканальной DDR 400... Сгубили ее 2 фактора:
1) большая стоимость. Тут и говорить нечего. DDR память была в несколько раз дешевле. Притом RDRAM конечно была быстрее, но не настолько.
2) разные неприятные мелочи. К примеру необходимость устанавливать модули парно. Свободные слоты надо было забивать затычками. DDR в этом смысле была проще, а значит милее массам. + в спецификации определены дико жесткие требования к конструкции, терминированию, длине проводников и размещению сигнальных цепей по слоям печатной платы.
DDR2 SDRAM
Ничего нового по сравнению с обычной DDR. Теперь память умеет за один такт пересылать вчетверо большее колво информации чем обычная SDRAM. Это позволяет говорить об учетверенной частоте работы. На самом деле DDR2 800(к примеру) работает на внутренней частоте 200 мггц.
Память состоит из 2 основных частей: собственно матрицы запоминающих элементов(которая и работает на определенной частоте) и буферов ввода-вывода. Эти две части соединены шиной. В SDRAM по одной линни шины передавался один бит информации за такт, а в DDR2 четыре.
Тот факт что чип памяти работает на пониженой частоте очень важен:
Во первых это позволяет уменьшить энергопотребление и тепловыделение модулей. Напряжение опять таки снизили(с 2.5 до 1.8).
Во воторых это увеличивает выход годных чипов. Следовательно ниже себестоимость памяти.
Как визуально (определять) различать ОЗУ (SIMM, DIMM, SDRAM, DDR, DDR2, EDO и т.д.)?
Самое главное отличие всех этих типов памяти: расположение "ключа" на контактах плашки памяти. Ключ - это грубо говоря вырез на плашке, который не позволяет вставить плашку не правильно.
Вкратце. SIMM - бывают 30 пиновые и 72 пиновые (пин - pin - контактная площадка). 72 пиновые бывали типов FPM - для 486 машин и EDO - для первых Пентиумов. Различались только по маркировке. 30 пиновые - это 286 и 386 машины. DIMM - это модули SDRAM, DDR, DDR2. Внешне отличаются по количеству пинов: SDRAM - 168, DDR - 184, DDR2 - 240. SDRAM - это последние Pentium-II, Pentium-III и первые Pentium4. DDR - это Pentium4, часть Pentium D на чипсетах P4. На новых чипсетах для Pentium D (Socket 775 LGA) применяется уже только DDR2.
Как работает динамическая память (DRAM).
Начнём с самого начала, с основ работы динамической памяти. Конечно, такой информации нет в спецификации, но будет полезно напомнить. Носителем информации в динамической памяти является электрическая ёмкость или конденсатор. Ячейки памяти, в основе которых лежит конденсатор, объединяются в массив. Чтобы считать информацию из ячейки, подаётся адресный сигнал в соответствующую строку (по-английски Row). Данные считываются из соответствующей колонки (по-английски Column) массива. Для "перевода" аналогового сигнала электрической ёмкости используются специальные усилители. Кроме того, существуют специальные цепи для подзарядки конденсаторов и записи данных. Обычно на блок-схемах всё это объединяется и обозначается как "Sense Amplifiers".
При считывании информации происходят следующие операции:
Подаётся адресный сигнал в соответствующую строку. Данные целой строки попадают на усилители и через некоторое время могут быть считаны. Такая операция называется активацией строки (по-английски Activate).
Данные считываются из соответствующей колонки. Для этого подаётся команда на чтение (по-английски Read). Данные появляются на выходе с некоторой задержкой. В современной памяти используется чтение пакета данных (по-английски Burst), представляющего собой несколько последовательно расположенных данных. Обычно размер пакета равен 8.
Пока строка остаётся активной, возможно считывание или запись других ячеек памяти (текущей строки).
Так как при чтении заряд ёмкостей ячеек памяти теряется, то производится подзарядка этих ёмкостей или закрытие строки (по-английски Precharge). После закрытия строки дальнейшее считывание данных невозможно без повторной активации.
С
о
временем конденсаторы ячеек разражаются
и их необходимо подзаряжать. Операция
подзарядки называется регенерацией
(по-английски Refresh) и выполняется каждые
64 мс для каждой строки массива памяти.
При записи данных всё происходит точно так же, только чтение меняется на запись и при закрытии строки происходит непосредственная запись в массив памяти.
Ячейка памяти может хранить только один бит информации. Чтобы хранить один байт, используется 8 элементарных ячеек памяти. При этом они адресуются одинаково и организованы с использованием шины данных шириной в 8 линий. Такие объединённые ячейки образуют слово. Обычно чипы памяти имеют размер слова 4, 8, 16 бит. Ширина шины данных при этом равна 4, 8, 16 линий (или разрядность 4, 8. 16 бит). Простой модуль памяти DIMM имеет ширину шины данных 64 линий.
Банки памяти.
Чтобы обеспечить возможность быстрой работы одновременно с разными участками памяти используется архитектура с несколькими массивами памяти или банками (по-английски Bank). Банки памяти работают полностью независимо. Например, данные можно считывать из памяти банка 1, обрабатывать и записывать в память банка 2. При этом будут отсутствовать задержки на активацию и закрытие строк данных в массиве памяти, что было бы в случае одного банка.
Возможна различная организация использования банков. При этом по-разному выполняется трансляция адреса памяти, который использует процессор, в последовательность: номер банка, номер строки массива памяти, номер колонки массива памяти. В простейшем случае банки памяти идут последовательно. Соответственно преимущества от наличия нескольких банков будут, только если обращения к памяти сильно разнесены в адресном пространстве. Обычно программы работают с небольшим локальным участком памяти и не будут иметь ускорения. Возможна организация с чередованием банков (по-английски Interleaving). Сначала идёт строка первого банка, потом второго, потом опять первого, и так далее до конца памяти. Вероятность, что будут использоваться участки памяти, принадлежащие разным банкам, значительно увеличивается. Но всегда возможны "неудобные" случаи, когда рабочие участки памяти разбросаны так, что принадлежат одному банку. Тем не менее, наличие нескольких банков повышает производительность. Чем больше банков, тем лучше. В спецификации чётко написано, что DDR SDRAM имеет 4 банка памяти.
К
ак
работает DDR
Сокращение DDR расшифровывается как Double Data Rate или удвоенная скорость передачи данных. Число, следующее за "DDR", указывает на скорость передачи данных. Например, у DDR 400 скорость передачи 400 МГц. При этом использовать термин "МГц" некорректно. Правильно указывать скорость в "миллионах передач в секунду через один вывод данных". Такое замечание есть в спецификации. Память DDR 400 работает на частоте 200 МГц или на частоте в 2 раза меньше скорости передачи данных (вернее, скорость передачи данных в 2 раза больше тактовой частоты). Все управляющие сигналы синхронизируются частотой 200 МГц. Внутри чипа все работает классически по переднему фронту сигналов тактового генератора с частотой 200 МГц (есть правда исключение). Официальная частота DDR333 равна 167.0 МГц.
Чтобы обеспечить передачу данных дважды за такт, используется специальная архитектура "2n Prefetch". Внутренняя шина данных имеет ширину в два раза больше внешней. При передаче данных сначала передаётся первая половина шины данных по переднему фронту тактового сигнала, а затем вторая половина шины данных по заднему фронту.
Для возможности работы на высоких частотах вместо одного тактового сигнала используется два (Differential Clock). Дополнительный тактовый сигнал инвертирован относительно основного. Поэтому на самом деле синхронизация происходит не по заднему фронту. В документации написано, что синхронизация происходит при пересечении этих двух тактовых сигналов. Но, насколько я понимаю, вместо пересечения просто используется передний фронт дополнительного тактового сигнала. Хотя это только предположение.
Примечание: здесь и далее на диаграммах сигналы данных и команд имеют разное "выравнивание" относительно тактового сигнала. Поэтому они немного сдвинуты относительно друг друга.
Кроме передачи двух данных за такт, DDR SDRAM имеет несколько других принципиальных отличий от простой памяти SDRAM. В основном они являются технологическими. Например, был добавлен сигнал QDS, который располагается на печатной плате вместе с линиями данных. По нему происходит синхронизация при передаче данных. Если используется два модуля памяти, то данные от них приходят к контроллеру памяти с небольшой разницей из-за разного расстояния. Возникает проблема в выборе синхросигнала для их считывания. Использование QDS успешно это решает.
DDR2
Как и для обычной памяти DDR, число после "DDR2" указывает на скорость передачи данных. Поэтому DDR2 400 и DDR 400 имеют абсолютно одинаковую скорость передачи данных. Массив памяти DDR2 работает на частоте в 4 раза меньше скорости передачи (вернее скорость передачи данных в 4 раза больше частоты работы массива). Для того чтобы обеспечить передачу данных 4 раза за такт используется архитектура "4n Prefetch". При этом внутренняя шина данных имеет ширину в 4 раза больше внешней шины. Тем не менее, вся управляющая логика ввода/вывода работает на частоте в 2 раза меньше скорости передачи, то есть на 200 МГц для DDR2 400. Непосредственно на сам чип памяти подаётся только эта частота.
Подведя небольшой итог, можно сказать, что при одинаковом рейтинге память DDR2 и DDR имеют одинаковую скорость передачи данных. Главным преимуществом DDR2 является возможность функционирования на значительно более высоких частотах. Становятся доступными большие скорости передачи данных. Массив памяти DDR2 работает в 2 раза медленнее, чем массив DDR, и обладает большими задержками. Кроме того изменения в протоколе работы в среднем так же увеличили задержки.
DDR3 SDRAM
Недавно появившийся на рынке декстопный набор логики Intel P35 уже сумел завоевать широкую популярность. Реализованная в нём официальная поддержка процессоров с 1333 МГц системной шиной и будущих CPU семейства Penryn
Тем более что Intel P35 – первый и единственный переходный чипсет компании (не считая его интегрированного варианта G33), обладающий как поддержкой DDR2, так и DDR3 SDRAM.
У
же
из названия данного раздела следует,
что DDR3 SDRAM по своему строению и принципам
работы не сильно отличается от DDR памяти
предыдущих поколений. Собственно, так
оно и есть, DDR3 SDRAM – своего рода третье
воплощение принципов, заложенных ещё
в DDR SDRAM. Соответственно, сравнение DDR3 и
DDR2 памяти вполне уместно, более того,
оно вряд ли займёт слишком много места.
О
сновная
идея, позволившая нарастить частоты
DDR3 памяти по сравнению с DDR2, заключается
в удвоении размера выборки данных,
выполняемой непосредственно из устройств
хранения информации в буфера ввода-вывода.
В то время как в DDR2 SDRAM используется
4-битная выборка, в DDR3 SDRAM применяется
выборка размером 8 бит (называемая также
8n-prefetch). Иными словами, технология DDR3
SDRAM подразумевает двукратное увеличение
ширины внутренней шины, соединяющей
собственно устройства хранения данных
и буфера ввода вывода. В результате,
увеличение эффективной частоты передачи
данных, происходящее с вводом DDR3 SDRAM, не
требует ускорения работы ядра памяти.
Возрастает лишь скорость работы внешних
буферов. Частота же ядра чипов памяти
оказывается в 8 раз меньше частоты
внешней шины и буферов DDR3 (в DDR2 эта
частота была в 4 раза меньше частоты
внешней шины).
Таким образом, достижение DDR3 памятью более высоких эффективных частот по сравнению с DDR2 SDRAM становится возможно практически сразу, без внесения каких-либо изменений и усовершенствований в полупроводниковый технологический процесс. Впрочем, применение описанной техники имеет и оборотную сторону – вполне очевидным образом возрастает не только пропускная способность памяти, но и, к сожалению, её латентность. В результате, ожидать от DDR3 SDRAM более высокой скорости работы, чем у DDR2 SDRAM, можно не всегда, даже в том случае, если DDR3 превосходит DDR2 по частоте.
JEDEC в недавно вышедшей финальной спецификации DDR3 SDRAM определяет несколько версий такой памяти, с частотами от 800 до 1600 МГц. В таблице ниже мы приводим описание основных параметров перечисленных в спецификации вариантов.
Если учесть, что латентность распространённой сегодня DDR2-800 с таймингами 4-4-4 составляет 10 нс, то эффективность DDR3 SDRAM действительно можно поставить под вопрос. Получается, что эта память способна выигрывать у предшественницы исключительно за счёт увеличения пропускной способности, которая должна компенсировать ухудшающуюся латентность. К сожалению, переход на использование DDR3 SDRAM – мера вынужденная. DDR2 память уже исчерпала свой частотный потенциал: если увеличение её частоты до 1066 МГц ещё возможно при некоторых допущениях, то дальнейший рост скорости резко снижает выход годных чипов и значительно повышает стоимость модулей DDR2 SDRAM. Именно поэтому JEDEC не стал стандартизировать DDR2 память с частотами выше 800 МГц, ратуя за переход к DDR3 технологии.
Среди плюсов в первую очередь следует отметить снизившееся напряжение питания модулей DDR3 SDRAM, достигшее 1.5 В. Это на 20% ниже напряжения DDR2 SDRAM, что в конечном итоге выливается в примерно 30-процентное падение энергопотребления при сравнении с DDR2 памятью, работающей на аналогичной тактовой частоте. Этот эффект достигается и благодаря внедрению производителями чипов памяти более современных технологических процессов.
Соответственно, изменилась и тактика чтения/записи данных. Контроллер DDR3 должен быть способен успешно распознавать и обрабатывать временные смещения при поступлении данных с чипов, вызванные применением fly-by архитектуры передачи команд.
Вверху
– модуль DDR3 SDRAM, внизу
– модуль DDR2 SDRAM
Учитывая различное напряжение питания и отличающиеся протоколы DDR2 и DDR3 SDRAM, память этих двух типов логически не совместима друг с другом. Хотя число контактов у модулей DDR2 и DDR3 одинаково и равно 240, слоты, предназначенные для памяти разного типа, отличаются расположением "ключа". Поэтому, установить DDR3 SDRAM в DDR2 DIMM и наоборот не удастся.
Что же касается сроков жизни DDR3 вообще, то, согласно прогнозам, приходящая ей на смену DDR4 SDRAM начнёт покорять рынок примерно в 2011 году.
Жесткий диск. Принципы работы накопителей на жестких дисках. Основные компоненты накопителей. Дорожки, секторы, цилиндры. Форматирование диска: низкоуровневое, организация разделов на диске, высокоуровневое. Технология S.M.A.R.T.
|
|
|
Накопители на жестких дисках обычно называютвинчестерами. Этот термин появился в 1960-х годах, когда IBM выпустила высокоскоростной накопитель с одним несъемным и одним сменным дисками емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из пластин, которые вращались с высокой скоростью, и "парящих" над ними головок, а номер его разработки — 30-30. Такое цифровое обозначение (30-30) совпало с обозначением популярного нарезного оружия Winchester, поэтому термин винчестер вскоре стал применяться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска. Это типичный профессиональный жаргон, на самом деле подобные устройства не имеют с обычными винчестерами (т. е. с оружием) ничего общего. Основные компоненты накопителей на жестких дисках
Диски Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. За прошедшие годы установлен ряд стандартных размеров накопителей, которые определяются в основном размерами дисков, а именно:
Сейчас в настольных и некоторых портативных моделях чаще всего устанавливаются накопители формата 3,5 дюйма, а малогабаритные устройства (формата 2,5 дюйма и меньше) — в портативных системах. В большинстве накопителей устанавливается минимум два диска, хотя в некоторых малых моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается физическими размерами накопителя, а именно высотой его корпуса.
Раньше почти все диски производились
из алюминиевого сплава, довольно
прочного и легкого. Но со временем
возникла потребность в накопителях,
сочетающих малые размеры и большую
емкость. Поэтому в качестве основного
материала для дисков стало использоваться
стекло, а точнее, композитный материал
на основе Головки чтения/записи В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно. Конструкция каркаса с головками довольно проста. Каждая головка установлена на конце рычага, закрепленного на пружине и слегка прижимающего ее к диску. Мало кто знает о том, что диск как бы зажат между парой головок (сверху и снизу). И если бы это не повлекло за собой никаких последствий, можно было бы провести небольшой эксперимент: открыть накопитель и приподнять пальцем верхнюю головку. Как только бы вы ее отпустили, она вернулась бы в первоначальное положение (то же самое произошло бы и с нижней головкой). . Механизмы привода головок Пожалуй, еще более важной деталью накопителя, чем сами головки, является механизм, который устанавливает их в нужное положение и называется приводом головок. Именно с его помощью головки перемещаются от центра к краям диска и устанавливаются на заданный цилиндр. Существует много конструкций механизмов привода головок, но их можно разделить на два основных типа:
Тип привода во многом определяет быстродействие и надежность накопителя, достоверность считывания данных, его температурную стабильность, чувствительность к выбору рабочего положения и вибрациям. Скажем сразу, что накопители с приводами на основе шаговых двигателей гораздо менее надежны, чем устройства с приводами от подвижных катушек. Привод — самая важная деталь накопителя. Приводы с шаговым двигателем обычно использовались на жестких дисках с емкостью до 100 Мбайт и менее, которые создавались в 1980-х и в начале 1990-х годов. Во всех накопителях, имеющих более высокую емкость, обычно используются приводы с подвижной катушкой. Привод с шаговым двигателем Шаговый двигатель — это электродвигатель, ротор которого может поворачиваться только ступенчато, т. е. на строго определенный угол. Если покрутить его вал вручную, то можно услышать негромкие щелчки (или треск при быстром вращении), которые возникают всякий раз, когда ротор проходит очередное фиксированное положение. Привод с подвижной катушкой Привод с подвижной катушкой используется практически во всех современных накопителях. В отличие от систем с шаговыми двигателями, в которых перемещение головок осуществляется вслепую, в приводе с подвижной катушкой используется сигнал обратной связи, чтобы можно было точно определить положения головок относительно дорожек и скорректировать их в случае необходимости. Такая система обеспечивает более высокое быстродействие, точность и надежность, чем традиционный привод с шаговым двигателем. Двигатель привода дисков Двигатель, приводящий во вращение диски, часто называют шпиндельным (spindle). Шпиндельный двигатель всегда связан с осью вращения дисков, никакие приводные ремни или шестерни для этого не используются. Двигатель должен быть бесшумным: любые вибрации передаются дискам и могут привести к ошибкам при считывании и записи. Частота вращения двигателя должна быть строго определенной. Обычно она колеблется от 3 600 до 15 000 об/мин или больше, а для ее стабилизации используется схема управления двигателем с обратной связью (автоподстройкой), позволяющая добиться необходимой точности. Таким образом, контроль за частотой вращения двигателя осуществляется автоматически, и никакие устройства, позволяющие сделать это вручную, в накопителях не предусмотрены. В большинстве накопителей шпиндельный двигатель располагается в нижней части, под блоком HDA. Однако во многих современных устройствах он встраивается внутрь блока HDA и представляет собой центральную часть блока дисков-носителей. Такая конструкция позволяет, не изменяя размера накопителя по вертикали, увеличить количество дисков в блоке (в "стопке"). Платы управления В каждом накопителе, в том числе и на жестких дисках, есть хотя бы одна плата. На ней монтируются электронные схемы для управления шпиндельным двигателем и приводом головок, а также для обмена данными с контроллером (представленными в заранее оговоренной форме). Данные, хранящиеся на жестких дисках накопителя с поврежденной платой управления, могут быть извлечены только после ее замены. В большинстве случаев ценность содержащихся данных значительно превышает стоимость накопителя, поэтому приобретение нового идентичного накопителя и его использование в качестве источника запасных частей (в частности, платы управления) полностью себя оправдывает. Кабели и разъемы накопителей В большинстве накопителей на жестких дисках предусмотрено несколько интерфейсных разъемов для подключения к системе, подачи питания, а иногда и для заземления корпуса. Как правило, накопители имеют по меньшей мере три типа разъемов:
Принципы работы накопителей на жестких дисках (винчестерах) В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый), как показано на рис. В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные записываются на обеих сторонах каждого из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис.). Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки . смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.
. При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка столкнется с диском, вращающимся "на полном ходу". Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные "взлеты" и "приземления" головок, а также более серьезные потрясения. В некоторых наиболее современных накопителях вместо конструкции CSS (Contact Start Stop) используется механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам входить в контакт с жесткими дисками даже при отключении питания накопителя. Этот механизм был впервые использован в 2,5-дюймовых накопителях портативных и дорожных компьютеров, для которых устойчивость к механическим воздействиям играет весьма важную роль. В механизме загрузки/разгрузки используется наклонная панель, расположенная прямо над внешней поверхностью жесткого диска. Когда накопитель выключен или находится в режиме экономии потребляемой мощности, головки съезжают на эту панель. При подаче электроэнергии разблокировка головок происходит только тогда, когда скорость вращения жестких дисков достигнет нужной величины. Поток воздуха, создаваемый при вращении дисков (аэростатический подшипник), позволяет избежать возможного контакта между головкой и поверхностью жесткого диска. Дорожки и секторы Дорожка — это одно "кольцо" данных на одной стороне диска. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байт, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами. Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка жесткого диска — от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт, но не исключено, что в будущем эта величина изменится. Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля. При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочая служебная информация, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается, и с этим приходится мириться, поскольку для обеспечения нормальной работы накопителя некоторое пространство на диске должно быть зарезервировано для служебной информации. В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс — suffix portion), в котором находится контрольная сумма (checksum), необходимая для проверки целостности данных. В большинстве новых дисководов вместо заголовка используется так называемая запись No-ID, вмещающая в себя больший объем данных. Помимо указанных областей служебной информации, каждый сектор содержит область данных емкостью 512 байт. При низкоуровневом (физическом) форматировании всем байтам данных присваивается некоторое значение, например F6h. В каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных — это только часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные отводится только 512 байт. В различных накопителях пространство, отводимое под заголовки (header) и заключения (trailer), может быть разным, но, как правило, сектор имеет размер 571 байт. Чтобы очистить секторы, в них зачастую записываются специальные последовательности байтов. Заметим, что, кроме промежутков внутри секторов, существуют промежутки между секторами на каждой дорожке и между самими дорожками. При этом ни в один из указанных промежутков нельзя записать "полезные" данные. Префиксы, суффиксы и промежутки — это как раз то пространство, которое представляет собой разницу между неформатированной и форматированной емкостями диска и "теряется" после его форматирования. Кластер (англ. cluster) — в некоторых типах файловых систем логическая единица хранения данных в таблице размещения файлов, объединяющая группу секторов. Например, на дисках с размером секторов в 512 байт, 512-байтный кластер содержит один сектор, тогда как 4-килобайтный кластер содержит восемь секторов. Как правило, это наименьшее место на диске, которое может быть выделено для хранения файла. Понятие кластер используется в файловых системах FATиNTFS. Идентификатор (ID) сектора состоит из полей записи номеров цилиндра, головки и сектора, а также контрольного поля CRC для проверки точности считывания информации ID. В большинстве контроллеров седьмой бит поля номера головки используется для маркировки дефектных секторов в процессе низкоуровневого форматирования или анализа поверхности. Однако такой метод не является стандартным, и в некоторых устройствах дефектные секторы помечаются иначе. Но, как правило, отметка делается в одном из полей ID. Интервал включения записи следует сразу за байтами CRC; он гарантирует, что информация в следующей области данных будет записана правильно. Кроме того, он служит для завершения анализа CRC (контрольной суммы) идентификатора сектора. В поле данных можно записать 512 байт информации. За ним располагается еще одно поле CRC для проверки правильности записи данных. В большинстве накопителей размер этого поля составляет два байта, но некоторые контроллеры могут работать и с более длинными полями кодов коррекции ошибок (Error Correction Code — ECC). Записанные в этом поле байты кодов коррекции ошибок позволяют при считывании обнаруживать и исправлять некоторые ошибки. Эффективность этой операции зависит от выбранного метода коррекции и особенностей контроллера. Наличие интервала отключения записи позволяет полностью завершить анализ байтов ECC (CRC). Интервал между записями необходим для того, чтобы застраховать данные из следующего сектора от случайного стирания при записи в предыдущий сектор. Это может произойти, если при форматировании диск вращался с частотой, несколько меньшей, чем при последующих операциях записи. При этом сектор, естественно, всякий раз будет немного длиннее, и для того, чтобы он не выходил за установленные при форматировании границы, их слегка "растягивают", вводя упомянутый интервал. Его реальный размер зависит от разности частот вращения диска при форматировании дорожки и при каждом обновлении данных. Предындексный интервал необходим для компенсации неравномерности вращения диска вдоль всей дорожки. Размер этого интервала зависит от возможных значений частоты вращения диска и сигнала синхронизации при форматировании и записи. Информация, записываемая в заголовке сектора, имеет огромное значение, поскольку содержит данные о номере цилиндра, головки и сектора. Все эти сведения (за исключением поля данных, байтов CRC и интервала отключения записи) записываются на диск только при форматировании низкого уровня. Форматирование дисков Различают два вида форматирования диска:
При форматировании, к примеру, гибких дисков выполняются обе операции, но для жестких дисков эти операции следует выполнять отдельно. Более того, для жесткого диска существует и третий этап, выполняемый между двумя указанными операциями форматирования, — разбивка диска на разделы. Создание разделов абсолютно необходимо в том случае, если вы предполагаете использовать на одном компьютере несколько операционных систем. Физическое форматирование всегда выполняется одинаково, независимо от свойств операционной системы и параметров форматирования высокого уровня (которые могут быть различными для разных операционных систем). Это позволяет совмещать несколько операционных систем на одном жестком диске. При организации нескольких разделов на одном накопителе каждый из них может использоваться для работы под управлением своей операционной системы либо представлять отдельный том (volume), или логический диск (logical drive). Тому, или логическому диску, система присваивает буквенное обозначение. Таким образом, форматирование жесткого диска выполняется в три этапа.
Форматирование низкого уровня
В процессе форматирования низкого
уровня дорожки диска разбиваются на
секторы. При этом записываются
заголовки и заключения секторов
(префиксы и суффиксы), а также формируются
интервалы между секторами и дорожками.
Область данных каждого сектора
заполняется фиктивными значениями
или специальными тестовыми наборами
данных. В накопителях на гибких дисках
количество секторов на дорожке
определяется типом дискеты и дисковода;
количество секторов на дорожке
жесткого диска зависит от интерфейса
Практически во всех накопителях IDE и SCSI используется так называемая зонная запись с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные содержат большее число секторов, чем близкие к центру. Один из способов повышения емкости жесткого диска — разделение внешних цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами. Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую длину окружности. Одно свойство зонной записи состоит в том, что скорость обмена данными с накопителем может изменяться и зависит от зоны, в которой в конкретный момент располагаются головки. Происходит это потому, что секторов во внешних зонах больше, а угловая скорость вращения диска постоянна (т. е. линейная скорость перемещения секторов относительно головки при считывании и записи данных на внешних дорожках оказывается выше, чем на внутренних). . Метод зонной записи был принят производителями жестких дисков, что позволило повысить емкость устройств на 20-50% по сравнению с накопителями, в которых число секторов на дорожке является фиксированным. Сегодня зонная запись используется почти во всех накопителях IDE и SCSI. Организация разделов на диске При разбивке диска на области, называемые разделами, в каждой из них может быть создана файловая система, соответствующая определенной операционной системе. Сегодня в работе операционных систем чаще других используются три файловые системы.
После создания разделов необходимо выполнить форматирование высокого уровня с помощью средств операционной системы. Форматирование высокого уровня При форматировании высокого уровня операционная система создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносится загрузочный сектор тома (Volume Boot Sector — VBS), две копии таблицы размещения файлов (FAT) и корневой каталог (Root Directory). С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и даже "обходит", во избежание проблем, дефектные участки на диске. В сущности, форматирование высокого уровня — это не столько форматирование, сколько создание оглавления диска и таблицы размещения файлов. "Настоящее" форматирование — это форматирование низкого уровня, при котором диск разбивается на дорожки и секторы. Чтобы выполнить низкоуровневое форматирование жесткого диска, необходима специальная программа, обычно предоставляемая производителем диска. |
|
S.M.A.R.T.(Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology — технология самотестирования, анализа и отчетности) — это новый промышленный стандарт, описывающий методы предсказания появления ошибок жесткого диска. При активизации системы S.M.A.R.T. жесткий диск начинает отслеживать определенные параметры, чувствительные к неисправностям накопителя или указывающие на них. На основе отслеживаемых параметров можно предсказать сбои в работе накопителя. Если на основе отслеживаемых параметров вероятность появления ошибки возрастает, S.M.A.R.T. генерирует для BIOS или драйвера операционной системы отчет о возникшей неполадке, который указывает пользователю на необходимость немедленного резервного копирования данных до того момента, когда произойдет сбой в накопителе. Для функционирования S.M.A.R.T. необходима поддержка этой технологии на уровне BIOS или драйвера жесткого диска операционной системы (и, естественно, накопитель на жестких дисках, который поддерживает эту технологию). S.M.A.R.T. поддерживается несколькими программами, например Norton Smart Doctor от Symantec, EZ от Microhouse International или Data Advisor от Ontrack Data International. В некоторых современных накопителях на жестких дисках резервируются секторы, которые в будущем используются вместо дефектных. Как только "вступает в дело" один из резервных секторов, S.M.A.R.T. информирует об этом пользователя, в то время как программы диагностики диска не сообщают о каких-либо проблемах. В большинстве дисков реализована регистрация следующих параметров:
Каждый параметр имеет пороговое значение, которое используется для определения того, появилась ли ошибка. Это значение определяется производителем накопителя и не может быть изменено. Если S.M.A.R.T. в процессе мониторинга накопителя обнаруживает несоответствие параметров, то драйверу диска отправляется предупреждающее сообщение, а драйвер информирует о "нестандартной ситуации" операционную систему. Операционная система оповещает пользователя о необходимости немедленного резервного копирования данных. В этом предупреждающем сообщении может также содержаться информация о типе, производителе, номере накопителя. |
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.
стекла
и керамики. Один из таких материалов
называется MemCor и производится компанией
Dow Corning. Он значительно прочнее, чем
каждый из его компонентов в отдельности.
Стеклянные диски отличаются большей
прочностью и жесткостью, поэтому их
можно сделать в два раза тоньше
алюминиевых (а иногда еще тоньше).
Жесткие
диски вращаются намного быстрее, чем
гибкие. Частота их вращения даже в
большинстве первых моделей составляла
3 600 об/мин (т. е. в 10 раз больше, чем в
накопителе на гибких дисках). Но в
настоящее время частота вращения
жестких дисков возросла до 6 400, 7 200,
10000 об/мин и даже 15 000 об/мин. Накопители
со скоростью вращения 10000 или 15 000
об/мин используются обычно только в
высокоэффективных рабочих станциях
или серверах, для которых высокая
стоимость жестких дисков, повышенное
тепловыделение и шум не играют
существенной роли.
накопителя
и контроллера.http://www.comprofit.ru/inform/index.php?id_article=13&id_page=2
Оптический привод. Принцип чтения и записи. Оптические диски: CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD, Blu-Ray.
Оптический привод - устройство для чтения/записи оптических дисков
Оптический диск— собирательное название дляносителей информации, выполненных в виде дисков, запись на которые ведётся с помощьюоптического излучения. Диск обычно плоский, его основа сделана из поликарбоната, на который нанесён специальный слой, который и служит для хранения информации. Для считывания информации используется обычно лучлазера, который направляется на специальный слой и отражается от него. При отражении луч искажается мельчайшими выемками на специальном слое, и этот факт можно измерить.
Компа́кт-диск(«CD», «Shape CD», «CD-ROM», «КД ПЗУ») —оптическийноситель информациив видедискас отверстием в центре,информацияс которого считывается с помощьюлазера. Изначально компакт-диск был создан для цифрового хранения аудио (т. н.Audio-CD), однако в настоящее время широко используется как устройство хранения данных широкого назначения (т. н. CD-ROM). Аудио-компакт-диски по формату отличаются от компакт-дисков с данными, иCD-плеерыобычно могут воспроизводить только их (на компьютере, конечно, можно прочитать оба вида дисков). Встречаются диски, содержащие как аудиоинформацию, так и данные — их можно и послушать на CD-плеере, и прочитать на компьютере. С развитиемmp3производители бытовых CD-плееров имузыкальных центровначали снабжать их возможностью чтенияmp3-файлов с CD-ROM’ов.
Аббревиатура «CD-ROM» означает «Compact Disc Read Only Memory» что в переводе обозначает компакт-диск с возможностью чтения. «КД ПЗУ» означает «Компакт-диск, постоянное запоминающее устройство». CD-ROM’ом часто ошибочно называютCD-приводдля чтения компакт-дисков.
В процессе считывания информации с лазерных дисков луч лазера, установленного в дисководе, падает на поверхность вращающегося диска и отражается. Так как поверхность лазерного диска имеет участки с различными коэффициентами отражения, то отраженный луч также меняет свою интенсивность (логические 0 или 1). Затем отраженные световые импульсы преобразуются с помощью фотоэлементов в электрические импульсы и по магистрали передаются в оперативную память.
Диаметр компакт-диска 12 см. Он выполнен из поликарбоната толщиной 1,2 мм, покрытого тончайшим слоем алюминия (ранее использовалось золото) с защитным слоем из лака, на котором обычно наносится графическое представление содержания диска. На отражающей стороне имеется кольцевой выступ высотой 0,5 мм, позволяющий диску, положенному на ровную поверхность, не касаться этой поверхности. В центре диска расположено отверстие диаметром 15 мм.
Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки так называемых питов (углублений), выдавленных на алюминиевом слое (в отличие от технологии записи CD-ROM’ов где информация записывается цилиндрически). Каждый пит имеет примерно 125 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм. Расстояние между соседними дорожками спирали — 1,5 мкм.
Чтение диска
Данные с диска читаются при помощи лазерного луча, который просвечивает поликарбонатный слой, отражается от алюминиевого и считывается фотодиодом. Луч лазера образует на отражающем слое пятно диаметром примерно 1,5 мкм. Так как диск читается с нижней стороны, каждый пит выглядит для лазера как возвышение. Места, где такие возвышения отсутствуют, называются площадками.
Свет от лазера, попадающий на площадку, отражается и улавливается фотоприёмником. Если же свет попадает на возвышение, он испытывает интерференцию со светом, отражённым от площадки вокруг возвышения и не отражается. Так происходит потому, что высота каждого возвышения равняется четверти длины волны света лазера, что приводит к разнице в фазах в половину длины волны между светом, отражённым от площадки и светом, отражённым от возвышения.
Запись диска
CD-ROM
Отливаются методом инжекционного литья (литье под давлением) на заводах с использованием стеклянной матрицы с вытравленным на ней рисунком дорожек, состоящих из питов (выступов) и промежутков, с помощью которой формируется металлический слой диска.
CD-R (Recordable)
Между золотой (алюминиевой) поверхностью и слоем поликарбоната добавляется краситель. В изначальном состоянии уровень красителя прозрачен и позволяет лучу лазера свободно проходить через него и отражаться от золотого (алюминиевого) покрытия. Во время записи лазер переходит в режим повышенной мощности (8-16 мВт). Когда лазер попадает на краситель, он нагревает его, разрушая химические связи, и образует темные, непрозрачные пятна. При чтении лучом лазера с мощностью 0,5 мВт фотодетектор замечает разницу между прожженными пятнами и нетронутыми
CD-RW (ReWritable)
Записывающий слой изготавливается из специального сплава, который можно нагреванием приводить в два различных устойчивых агрегатных состояния — аморфное и кристаллическое. Этот сплав обычно изготавливается из серебра (Ag), индия (In), сурьмы (Sb) и теллура (Te). При записи (или стирании) луч лазера нагревает участок дорожки и переводит его в одно из устойчивых агрегатных состояний, которые характеризуются различой степенью прозрачности. Читающий луч лазера имеет меньшую мощность и не изменяет состояние записывающего слоя, а чередующиеся участки с различной прозрачностью формируют картину аналогичную питам и площадкам обычных
Компакт-диск был создан в1979 годукомпаниямиPhilipsиSony. На Philips разработали общий процесс производства, основываясь на своей более ранней технологиилазерных дисков.Sony, в свою очередь, использовала собственный метод записиPCM— Pulse Code Modulation, использовавшийся ранее в цифровых профессиональных магнитофонах.
Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 KБ/с (то есть 153 600 байт/с). Например, 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) CD дисков, равную 48 x 150 = 7200 KБ/с (7,03 MБ/с).