Лекция №12. Внешние запоминающие устройства.

Вопросы:

1.Накопители на гибких магнитных дисках.

2.Накопители на жестких магнитных дисках.

3.Накопители на оптических и магнитооптических дисках.

Накопители на гибких магнитных дисках

Дисководы (Floppy Disk Drive, FDD), или накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), являются старейшими внешними ЗУ.

Принцип магнитной записи цифровой информации поясняет рис. 12.1. Основу процесса магнитной записи составляет взаимо­действие магнитного носителя информации (дискеты) и магнит­ных головок: миниатюрных электромагнитов, располагаемых у поверхности движущегося магнитного носителя с небольшим за­зором при бесконтактной записи или без зазора при контактной записи. Информация записывается на носителе вдоль дорожки, проходящей под головкой, путем подачи на головку тока записи, который создает магнитный поток, проходящий через зазор го­ловки и частично через магнитный слой носителя. Изменением направления сигнала в обмотке головки изменяют полярность на­магничивания. Считывание информации производится при про­хождении под головкой дорожки носителя с записанной инфор­мацией. Перемещение под зазором границы между участками с разной полярностью намагничивания создает в обмотке импульс той или иной полярности.

Головка записи/считывания Запоминающая среда

Рис. 12.1. Магнитная запись цифровой информации

Конструктивно FDD состоит из большого числа механических элементов и малого числа электронных, поэтому для надежной ра­боты дисковода в значительной степени необходима устойчивая работа механики привода. В дисководе имеются четыре основных элемента:

1. Рабочий двигатель, который включается только тогда, когда в дисковод вставлена дискета. Он обеспечивает постоянную скорость вращения дискеты: для 3,5"FDD — 300 об./мин. Для запуска двигателю необходимо время, в среднем равное 400 мс.

2. Рабочие головки, которыми оснащается дисковод для записи

и чтения данных и которые располагаются над рабочей поверхностью дискеты. Так как обычно дискеты являются двусторонними, т. е. имеют две рабочие поверхности, то одна головка предназначена для верхней, а другая для нижней по­ верхности дискеты.

3. Шаговые двигатели, предназначенные для движения и пози­ ционирования головок.

4. Управляющая электроника, чаще всего размещаемая с ниж­ ней стороны дисковода. Она выполняет функции передачи сигналов к контроллеру, т. е. отвечает за преобразование ин­ формации, которую считывают или записывают головки.

Чтобы не нарушалась постоянная скорость вращения привода, он всегда должен работать только в горизонтальном или вертикаль­ном положении.

В качестве носителя информации, как было отмечено, служит дискета. Дискеты позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, не исполь­зуемую постоянно на компьютере.

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очища­ющее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

Дискета устанавливается в дисковод, автоматически в нем фик­сируется, после чего механизм накопителя раскручивается до ча­стоты вращения 300 об./мин. В накопителе вращается сама диске­та, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета враща­ется только при обращении к ней. Накопитель связан с процессо­ром через контроллер гибких дисков.

Для записи и чтения информации необходимо разбиение дис­кеты на определенные участки. Если это разбиение выполняется с помощью форматирования, то используются специальные коман­ды: для DOS — это команда Format.

При этом дискета разбивается на дорожки (треки) и сектора (рис. 12.2). Количество информации, которое может быть записано в сектор, произвольно — для DOS эта величина составляет 512 байт. Другие операционные системы устанавливают свои объемы сек­торов. В настоящее время наибольшее распространение получили 3,5 дюйма (89 мм) дискеты высокой плотности DS/HD (double-side/ high-density — две стороны, высокая плотность).

Для них число до­рожек на одной стороне — 80, количество секторов на дорожках — 18, соответственно емкость диска 80x18x2x512= 1474560 байт, или 1474560/1048576 =1,4 Мбайт.

Рис.12.2. Поверхность магнитного диска.

Обмен данными между НГМД и оперативной памятью осуще­ствляется последовательно целым числом секторов. Минимальная единица размещения информации на диске, состоя­щая из одного или нескольких секторов дорожки, называется кластером. Кроме хранимых данных, на дискете имеется также и служебная информация. На нулевой дорожке нулевой стороны размещается так называемый Boot-сектор (загрузочный). В этом месте загрузочной (си­стемной) дискеты, содержащей компоненты операционной систе­мы, находится программа для загрузки системы.

Таблица размещения файлов FAT (File Allocation Table) помещается два раза подряд и требует также определенное количество секторов. Эта таблица необходима для того, чтобы система могла узнать, какая информация располагается на дискете и в каких областях она находится. Таким образом, в FAT содержится как бы опись дискеты и отмечается каждое изменение состояния данных дискеты.

Различные компьютеры могут использовать различные схемы размещения этих дорожек на дискете. Поэтому производители гибких дисков, вместо того чтобы выпускать большое количество различных видов дискет, просто предоставили владельцам компь­ютеров самостоятельно размечать дорожки на пустых дискетах. Процесс разметки компьютером этих специальных дорожек и на­зывается форматированием (или разметкой).

Накопители на жестких магнитных дисках

Накопитель на жестких магнитных дис­ках (от англ. HDD — Hard Disk Drive), или винчестер (рис. 12.3) — это запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются круг­лые жесткие пластины (иногда называе­мые также дисками или платтерами), обе поверхности которых покрыты слоем маг­нитного материала. Винчестер использует­ся для постоянного (длительного) хранения информации — программ и данных.

Рис. 12.3.

Винчестерский

накопитель со снятой

крышкой корпуса

В принципе жесткие диски подобны дискетам. В них информа­ция также записывается на магнитный слой диска. Однако этот диск, в отличие от дискет, сделан из жесткого материала, чаще все­го алюминия (отсюда и название Hard Disk). В корпусе объедине­ны такие элементы винчестера, как управляющий двигатель, но­ситель информации (диски), головки записи/считывания, позици­онирующее устройство (позиционер) и микросхемы, обеспечива­ющие обработку данных, коррекцию возможных ошибок, управ­ление механической частью, а также микросхемы кэш-памяти.

Если дискета физически состоит из одного диска, то винчестер состоит из нескольких одинаковых дисков, расположенных друг под другом.

Головки чтения/записи соответствуют рабочим головкам дис­ковода. Для каждого диска имеется пара таких головок, которые приводятся в движение и позиционируются шаговым двигателем. Все головки расположены «гребнем».

Позиционирование одной головки обязательно вызывает аналогичное перемещение и всех остальных, поэтому, когда речь идет о разбиении винчестера, обыч­но говорят о цилиндрах (Cylinder), а не о дорожках. Цилиндр — это сумма всех совпадающих друг с другом дорожек по вертикали, по всем рабочим поверхностям. Таким образом, количество цилин­дров — это произведение числа дорожек на суммарное число ра­бочих поверхностей, соответствующее числу магнитных головок или удвоенному числу дисков в винчестере.

Общая емкость пакета дисков равна произведению количества цилиндров, количества магнитных головок, количества секторов на дорожке и числа 512 (размер сектора в байтах). Так, винчестер емкостью 1,2 Гбайт содержит 2632 цилиндра с 16 магнитными до­рожками на каждом цилиндре и с 63 секторами на дорожке.

Первый массовый НЖМД, выпущенный фирмой IBM еще в 1973 г., вмещал 30 магнитных цилиндров по 30 дорожек на каж­дом. Сходство этих цифр с маркой «30/30», соответствующей зна­менитой винтовке «винчестер», и явилось причиной второго названия НЖМД.

НЖМД помещен в почти полностью герметизированный кор­пус. В отличие от НГМД, внутреннее устройство которого хорошо видно, НЖМД изолирован от внешней среды, что предотвращает попадание пыли и других частиц, которые могут повредить магнитный носитель или чувствительные головки чтения/записи, располагаемые («плавающие») над поверхностью быстро вращающе­гося диска на расстоянии нескольких десятимиллионных долей дюйма.

Современные винчестерские накопители имеют очень большую емкость: от 10 до 100 Гбайт. Основными характеристиками производительности диска являются:

1. Обьем;

2. Время доступа — интервал между моментом, когда про­цессор запрашивает с диска данные, и моментом их выда­чи. Время доступа изменяется в зависимости от располо­жения головок и пластин под ними, поэтому для него да­ются средние значения. В настоящее время средний пока­затель — 7—9 мс;

3. Частота вращения — частота, с которой пластины диска вра­щаются относительно магнитных головок (измеряется в об./ мин). У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об./мин;

4. Средняя скорость передачи данных диском — определяется временем для передачи данных после запуска операции чтения. Эта скорость зависит также от канала ввода-вывода. У современных моделей средняя скорость передачи данных достигает до 60 Мбайт/с;

5. Размер кэш-памяти. Все современные накопители снабжа­ются встроенным кэшем (обычно 2 Мбайта), который суще­ственно повышает их производительность.

Винчестерский накопитель связан с процессором через кон­троллер жесткого диска.

Структура данных на магнитном диске

Файл (от англ. file — папка) — это именованная совокупность любых данных, размещенная на внешнем запоминающем устройстве и хранимая, пересылаемая и обрабатываемая как единое целое. Файл может содержать программу, числовые данные, текст, закодирован­ное изображение и др.

Каждый файл на диске имеет свой адрес. Если процессору нуж­на какая-то информация, размещенная на внешнем запоминающем устройстве, он находит на диске нужный файл, а потом байт за байтом считывает из него данные в оперативную память, пока не дойдет до конца файла.

Чтобы у каждого файла на диске был свой адрес, диск разбивают на дорожки, а дорожки, в свою очередь, разбивают на секторы. Размер каждого сектора стандартен и как правило равен 512 бай­там. Разбиение диска на дорожки и секторы называется форматированием диска, которые выполняют служебные программы.

Адреса записанных файлов компьютер запоминает в специальной таблице — таблице размещения файлов (FAT-таблице). Таким образом, когда компьютеру нужен какой-то файл, он по имени фай­ла находит в этой таблице номер дорожки и номер сектора, после чего магнитная головка переводится в нужное положение, файл считывается и направляется в оперативную память для обработки.

При повреждении таблицы размещения файлов информация, имевшаяся на диске, будет утрачена, так как к ней нельзя будет обратиться. Поэтому таблица размещения файлов для надежности дублируется. У нее есть копия, и при любых повреждениях ком­пьютер сам восстанавливает эту таблицу.

Для записи в таблице размещения файлов адреса любого файла может использоваться 16 битов, такую таблицу размещения файлов называют FAT 16. С помощью 16 битов можно выразить 2¹⁶ (65 536) разных значений. Это значит, что файлам на жестком диске не может быть предоставлено более чем 65 536 разных адресов (и самих файлов соответственно не может быть более 65 536).

Современные жесткие диски имеют очень большие объемы и им не хватает такого количества адресов. Если, например, размер диска 2 Гбайт, то на каждый адрес (файл) приходится 2 Гбайт / / 65 536 = 32 Кбайт.

У современных дисков кластер намного больше сектора, кото­рый равен 0,5 Кбайт. В одном кластере могут содержаться десятки секторов, и, каким бы маленьким ни был файл, он все равно зай­мет целый кластер, и все неиспользуемые секторы в нем просто пропадут. Например, для жестких дисков, имеющих размер 2 Гбайт, как было показано выше, кластер равен 32 Кбайт. Пред­положим, что нам надо записать на диск файл размером 35 Кбайт. Для записи на диск файла такого объема потребуется 2 кластера— 64 Кбайта, т. е. 29 Кбайт памяти диска просто пропадают.

Чем больше жесткий диск, тем больше места на нем тратится впустую из-за несовершенной системы адресации файлов. Для борьбы с нерациональными потерями жесткий диск разбивают на несколько разделов — логических жестких дисков.

Каждый логический диск имеет собственную таблицу разме­щения файлов, поэтому на нем действует своя система адресации. В итоге потери из-за размеров кластеров становятся меньше.

Каждому диску (физическому или логическому), присутствую­щему на компьютере, присваивается уникальное имя. Имя диска состоит из одной буквы английского алфавита и двоеточия, напри­мер С: или F:.

Когда на компьютере устанавливается новый жесткий диск, он получает букву, следующую за последней использованной буквой. То же самое происходит и при создании нового логического диска на уже установленном физическом диске.

Буквой А: общепринято обозначать дисковод для гибких дисков.

Буквой С: обозначается первый жесткий диск. Следующий диск получает букву D:, потом Е: и так далее. (Буква В зарезервирована на тот случай, что в компьютере может быть не один, а два диско­вода гибких дисков.)

Накопители на оптических и магнитооптических дисках

Запись и считывание информации в оптических накопителях производится бесконтактно с помощью лазерного луча. К таким устройствам относятся, прежде всего, накопители CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD и магнитооптический накопитель.

Устройства CD-ROM. В устройствах CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory— компакт-диск только для чтения) носителем информации является оптический диск (компакт-диск), изготав­ливаемый на поточном производстве с помощью штамповочных машин и предназначенный только для чтения.

Компакт-диск 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 или питов) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. 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 такого CD достигает 780 Мбайт.

Компакт-диск (CD-ROM) обладает высокой удельной информа­ционной емкостью, что позволяет создавать на его 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, с них невозможно случайно стереть информацию.

В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не мно­жество кольцевых дорожек, а одну — спиральную, как у грампла­стинок (рис. 12.4). В первых моделях дисководов скорость чтения данных по всей дорожке была постоянной. В связи с этим угловая скорость вращения диска линейно уменьшалась в процессе про­движения читающей лазерной головки к краю диска.

Этот метод чтения назывался CLV — постоянная линейная скорость. Указан­ная на дисководе скорость, например — 4х, означала, что данный привод CD-ROM читает данные в четыре раза быстрее, чем самые первые дисководы, скорость чтения которых составляла 150 кб/с, 150x4 = 600 кб/с. Более поздние модели стали поддерживать иную технологию- постоянной угловой скорости, CAV. В этом случае диск вращается с одинаковой скоростью на всем пути лазерного луча, а скорость чтения данных меняется — на внутренних дорож­ках она минимальна, а на внешний — максимальна. Указанная на дисководе цифра и характеризует эту максимальную скорость.

Рис.12.4. Вид дорожек на магнитном диске и CD-ROM

Записанная на компакт-диске информация в виде последова­тельности углублений (питов) и выступов на его поверхности бес­контактно считывается оптико-механическим лазерным блоком (головкой), схема которого приведена на рис. 12.5. Основным эле­ментом данной системы является маломощный лазер. Его луч про­ходит через дифракционную пластину (на рисунке не показана), что приводит к появлению (в дополнение к основному лучу) двух боковых меньшей интенсивности. Они необходимы для работы ав­томатической системы радиального отслеживания дорожки.

Далее луч проходит через коллиматор, который формирует па­раллельный поток света, что облегчает в дальнейшем его точную фокусировку. Затем луч проходит через разделительную призму. Ее функция — пропустить поляризованный луч лазера к компакт-диску, а затем, после его отражения от поверхности диска, напра­вить на фотодиоды. Так как диаметр пятна луча лазера больше ди­аметра пита, то луч лазера частично отражается от дна пита, час­тично от прилегающей к нему поверхности диска. Глубина пита (порядка 0,12 мкм) выбрана равной четверти длины волны лазер­ного луча. Поэтому световые сигналы, отраженные от дна пита и от соседних областей, сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180°. Это вызывает гасящую интерференцию между двумя со­ставляющими отраженного луча, что в результате приводит к мо­дуляции по интенсивности отраженного луча. Модулированный световой сигнал с помощью оптической системы и считывающих фотодиодов преобразуется в электрический сигнал.

Рис. 12.5.Схема оптико-механического лазерного блока

Фокусировка луча лазера на отражательной поверхности дис­ка осуществляется с помощью объектива.

Таким образом, если в последовательных тактах считывания длина пути света не меняется, то и состояние светодиода остается прежним. В результате ток через светодиод образует последова­тельность двоичных электрических сигналов, соответствующих сочетанию питов (впадин) и выступов на дорожке (рис. 12.6).

Различная длина оптического пути луча света в двух последова­тельных тактах считывания информации соответствует двоичным единицам. Одинаковая длина соответствует двоичным нолям.

Накопители CD-R (CD-Recordable). Они позволяют наряду с прочтением обычных компакт-дисков записывать информацию на специальные оптические диски CD-R.

Выступ Впадина Профиль дорожки

Длина области данных 300 нм

Рис. 12.6. Профиль дорожки CD-ROM

Запись на такие диски осуществляется благодаря наличию на них особого светочувствительного слоя 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.

Запись информации на диски CD-R представляет собой деше­вый и оперативный способ хранения больших объемов данных.

Накопители CD-RW (CD-ReWritable). Дают возможность делать многократную запись на диск, которая производится гораздо бо­лее сложным способом. В этом случае применяется специальный комбинированный слой красителя, который при нагреве лазерным лучом способен многократно менять свои характеристики. Веще­ство такого слоя при этом может многократно переходить из кри­сталлического состояния в аморфное, и обратно.

Накопители DVD (Digital Versatile Disc, цифровой диск общего назначения). Диски DVD имеют тот же геометрический размер, что и обычные CD-ROM, но вмещают до 17 Гбайт данных. Это достигнуто благодаря уменьшению размеров углублений (питов) и ровных участков, а также расстояния между дорожками, исполь­зованию лазеров с меньшей длиной волны (635 нанометров про­тив 780 у дисководов CD-ROM). Кроме того, DVD-диски могут иметь два слоя информации, к которым можно обращаться, регу­лируя положение лазерной головки.

Магнитооптический (МО) (Magneto-Optical — магнитоопти­ческий) накопитель. В МО-носителе для записи и стирания ин­формации используется специальный магнитный слой, который реагирует как на оптическое, так и на магнитное воздействие. Запись информации осуществляется с помощью лазера, нагревающего отдельные участки слоя (соответствует питу в CD-ROM) до температуры выше 150°С, при которой может изменяться ори­ентация намагниченности. После этого магнитной головкой на диск записываются данные. При считывании информации век-гор поляризации лазерного луча, отраженного от слоя, меняет свое направление в зависимости от ориентации намагниченного участка.

Преимуществом магнитооптического метода записи по сравнению с магнитным является независимость от внешних магнитных Полей при нормальных температурах, поскольку перемагничивание возможно только при температуре выше 150°С.