20. Накопители на магнитных дисках типа "винчестер"

Магнитные диски

Магнитный диск состоит из одного или нескольких алюминиевых дисков(В настоящее время фирма IBM делает их из стекла) с маг­нитным слоем. Изначально они были 50 см в диаметре, но сейчас их диаметр со­ставляет от 3 до 12 см, а у портативных компьютеров — меньше 3 см, причем этот параметр продолжает уменьшаться. Головка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку. Отметим, что у дискет головка касается поверхности. Когда через головку проходит положительный или отрицательный ток, он намагничивает поверхность под голов­кой. При этом магнитные частицы намагничиваются направо или налево в зависи­мости от полярности тока. Когда головка проходит над намагниченной областью, в ней (в головке) возникает положительный или отрицательный ток, что дает воз­можность считывать записанные ранее биты. Поскольку диск вращается под голов­кой, поток битов может записываться, а потом считываться. Конфигурация дорожки диска показана на рис. 2.16.

Межсекторный интервал

Ширина

дорожки

5-10 микрон

Рис. 2.16. Кусок дорожки диска (два сектора)

Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной дли­ны. Каждый сектор обычно содержит 512 байтов данных. Перед данными распола­гается преамбула (preamble), которая позволяет головке синхронизироваться пе­ред чтением или записью. После данных идет код с исправлением ошибок (код Хэмминга или чаще код Рида-Соломона, который может исправлять много оши­бок, а не только одиночные). Между соседними секторами находится межсектор­ный интервал. Многие производители указывают размер неформатированного диска (как будто каждая дорожка содержит только данные), но более честно было бы указывать вместимость форматированного диска, когда не учитываются преамбулы, коды с исправлением ошибок и межсекторные интервалы. Емкость фор­матированного диска обычно на 15% меньше емкости неформатированного диска.

У всех дисков есть кронштейны, они могут перемещаться туда и обратно по радиусу на разные расстояния от шпинделя, вокруг которого вращается диск. На разных расстояниях от оси записываются разные дорожки. Таким образом, дорожки представляют собой ряд концентрических кругов, расположенных вокруг шпин­деля. Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее перемеще­ния. На сегодняшний момент диски имеют от 800 до 2000 дорожек на см¹, то есть ширина каждой дорожки составляет от 5 до 10 микрон (1 микрон=1/1000 мм). Сле­дует отметить, что дорожка — это не углубление на поверхности диска, а просто кольцо намагниченного материала, которое отделяется от других дорожек неболь­шими пограничными областями.

Плотность записи битов на концентрических дорожках различная, в зависимо­сти от расстояния от центра диска. Плотность записи зависит главным образом от качества поверхности диска и чистоты воздуха. Плотность записи современных дисков разнится от 50 000 до 100 000 бит/см. Чтобы достичь высокого качества поверхности и достаточной чистоты воздуха, диски герметично запечатываются, что защищает их от попадания грязи. Такие диски называются винчестерами. Впер­вые они были выпущены фирмой IBM. У них было 30 Мбайт фиксированной па­мяти и 30 Мбайт сменной памяти. Возможно, эти диски 30-30 ассоциировались с ружьями «Винчестер» 30-30² Большинство магнитных дисков состоит из несколь­ких пластин, расположенных друг под другом, как показано на рис. 2.17. Каждая поверхность снабжена рычагом и головкой. Рычаги скреплены таким образом, что одновременно могут перемещаться на разные расстояния от оси. Совокупность дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром.

Производительность диска зависит от многих факторов. Чтобы считать или записать сектор, головка должна переместиться на нужное расстояние от оси. Этот процесс называется поиском. Среднее время поиска между дорожками, взятыми наугад, составляет от 5 до 15 мс, а поиск между последовательными дорожками занимает около 1 мс. Когда головка помещается на нужное расстояние от центра, выжидается некоторое количество времени (оно называется временем ожидания сектора), пока нужный сектор не оказывается иод головкой. Большинство дисков вращаются со скоростью 3600, 5400 или 7200 оборотов в минуту. Таким образом, среднее время ожидания сектора (половина оборота) составляет от 4 до 8 мс. Суще­ствуют также диски со скоростью вращения 10800 оборотов в минуту (180 оборо­тов в секунду). Время передачи информации зависит от плотности записи и ско­рости вращения. При скорости передачи от 5 до 10 Мбайт в секунду³ время передачи одного сектора (512 байтов) составляет от 25 до 100 мкс. Следовательно, время поиска и время ожидания сектора определяет время передачи информации. Ясно, что считывание секторов из разных частей диска неэффективно.

Плотность хранения информации на магнитных дисках также постоянно увеличивается, и сейчас на 1 см поверхности уже размещается более 10000 дорожек — Примеч. научи, ред.

² Двуствольное ружье 30-го калибра. - Примеч. перев

В современных винчестерах скорость линейного чтения уже превысила 40 Мбайт в секунду

Следует упомянуть, что из-за наличия преамбул, кодов с исправлением оши­бок, промежутков между секторами, а также из-за того, что определенное время затрачивается на поиск дорожки и на ожидание сектора, существует огромная раз­ница между максимальной скоростью передачи данных, когда необходимые дан­ные разбросаны в разных частях диска, и той, когда они находятся в одном месте и считываются последовательно. Максимальная скорость передачи данных в пер­вом случае достигается в тот момент, когда головка расположена над первым би­том данных. Однако такая скорость работы может сохраняться только на одном секторе. Для некоторых приложений, например мультимедиа, имеет значение имен­но средняя скорость передачи за некоторый период с учетом необходимого време­ни поиска и времени ожидания сектора.

Поскольку диски вращаются со скоростью от 60 до 120 оборотов в секунду, они нагреваются и расширяются, то есть физически изменяются в размерах. Некото­рые диски должны периодически совершать рекалибровку механизмов перемеще­ния, чтобы компенсировать эти расширения. Поэтому мощность привода, переме­щающего головки над поверхностью диска, периодически меняется. При таких рекалибровках могут возникать трудности с использованием прикладных программ мультимедиа, которые ожидают более или менее непрерывного потока битов, по­ступающего с максимальной скоростью передачи последовательной информации (с одной части диска). Для работы с прикладными программами мультимедиа некоторые производители выпускают специальные аудио-видеодиски, которые не совершают термических рекалибровок

Немного сообразительности, и старая школьная математическая формула для вычисления длины окружности с=2яг откроет, что линейная длина внешних доро­жек больше, чем длина внутренних. Поскольку все магнитные диски вращаются с постоянной угловой скоростью независимо от того, где находятся головки, воз­никает очевидная проблема. Раньше при производстве дисков изготовители со­здавали максимально возможную плотность записи на внутренней дорожке, и при продвижении от центра диска плотность записи постепенно снижалась. Если до­рожка содержит, например, 18 секторов, то каждый из них занимает дугу в 20°, и не важно, на каком цилиндре находится эта дорожка.

В настоящее время используется другая стратегия. Цилиндры делятся на зоны (на диске их обычно от 10 до 30). При продвижении от центра диска число секто­ров на дорожке в каждой зоне возрастает. Это изменение усложняет процедуру хранения информации на дорожке, но зато повышает емкость диска, что считается более важным. Все секторы имеют одинаковый размер. К счастью, хоть какие-то вещи в жизни никогда не изменяются.

С диском связан так называемый контроллер — микросхема, которая управля­ет диском. Некоторые контроллеры содержат целый процессор. В задачи контрол­лера входит получение от программного обеспечения таких команд, как R E A D, W R IT E и FO R M A T (то есть запись всех преамбул), управление перемещением рычага, обна­ружение и исправление ошибок, преобразование 8-битных байтов, считываемых из памяти, в непрерывный поток битов и наоборот. Некоторые контроллеры произ­водят буферизацию совокупности секторов и кэширование секторов для дальней­шего потенциального использования, а также устраняют поврежденные секторы. Необходимость последней функции вызвана наличием секторов с поврежденным, то есть постоянно намагниченным, участком. Когда контроллер обнаруживает по­врежденный сектор, он заменяет его одним из свободных секторов, которые выде­ляются специально для этой цели в каждом цилиндре или зоне.