Лекция 20. Накопитель магнитных дисков: гибкий и жесткий. Структура дисков: дорожки, сектора, блоки. Обмен информации между эвм и магнитными дисками.

Магнитные дисковые накопители.

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основан на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов. Как правило, магнитные запоминающие устройства состоят из собственно устройств чтения/записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д.. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек, расположенных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Запись производится в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение полярности напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

Дисковые устройства делят на гибкие (Floppy Disk) и жесткие (Hard Disk) накопители и носители. Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую. Дисковые устройства, как правило, используют метод записи называемый методом без возвращения к нулю с инверсией (Not Return Zero – NRZ). Запись по методу NRZ осуществляется путем изменения направления тока подмагничивания в обмотках головок чтения/записи, вызывающее обратное изменение полярности намагниченности сердечников магнитных головок и соответственно попеременное намагничивание участков носителя вдоль концентрических дорожек с течением времени и продвижением по окружности носителя. При этом, совершенно неважно, происходит ли перемена магнитного потока от положительного направления к отрицательному или обратно, важен только сам факт перемены полярности.

Для записи информации, как правило, используют различные методы кодирования информации, но все они предполагают использование в качестве информационного источника не само направление линий магнитной индукции элементарной намагниченной точки носителя, а изменение направления индукции в процессе продвижения по носителю вдоль концентрической дорожки с течением времени. Такой принцип требует жесткой синхронизации потока бит, что и достигается методами кодирования. Методы кодирования данных не влияют на перемены направления потока, а лишь задают последовательность их распределения во времени (способ синхронизации потока данных), так, чтобы, при считывании, эта последовательность могла быть преобразована к исходным данным.

Физическая структура диска: дорожки, секторы, блоки.

Емкость диска зависит от характеристики дисковода и особенностей операционной системы; однако, структура диска, в сущности, всегда одна и та же. Данные всегда записываются на магнитной поверхности в виде концентрических окружностей, называемых дорожками. Каждая дорожка, в свою очередь, состоит из нескольких секторов, количество которых определяется при операции форматирования.

Сектор является единицей хранения информации на дискете. Количество информации на диске, таким образом, зависит от числа дорожек (от плотности записи ) и общего размера секторов на каждой дорожке. Старые модели дисководов работали с 40 дорожками, нынешние модели - с 80, большинство современных дисководов позволяют форматировать дискеты плотностью до 85 дорожек.

Для стандартных дискет IBM расположение каждой дорожки не может быть изменен, потому что это, прежде всего, зависит не от ОС и не от дискеты, а от конструктивных особенностей дисковода. Однако, число, размер и расположение секторов задаются программно при первоначальной разметке ( форматировании ) дискеты. Разметка осуществляется либо ОС, либо используются функции BIOS. Хотя MS-DOS поддерживает размеры сектора дискет 128, 256, 512 и 1024 байта, однако используется сектор размером 512 байт и, по-видимому, это в ближайшее время не изменится ( если и измениться, то только в сторону увеличения ).

Структура формата дорожки зависит от типа контроллера, но, как правило, включает в себя байты синхронизации, указывающие на начало каждого сектора, идентификационные заголовки, состоящие из номера цилиндра, головки, сектора и размера сектора, и поля, хранящего байты циклического контроля, предназначенные для обнаружения ошибок при считывании данных и служебной информации.

──┬────────┬───────┬──────┬──────────┬──∙∙──┬──────────┬─────────

│ gap4a │ index │ gap1 │ sector 1 │ │ sector n │ gap4b

──┴────────┼───────┼──────┼──────────┼──∙∙──┴──────────┴─────────

┌────┘ └───┐ │ │

├───────┬────────┤ │ │

│ sync │ IAM │ │ │

└───────┴────────┘ │ │

┌──────┘ └───┐

├────────┬────────────┤

│ header │ data field │

├────────┴────────────┤

┌────────────────┘ └──────────────────────┐

├─────┬─────┬─┬─┬─┬─┬────┬──────┬─────┬─────┬──────┬────┬─────┤

│ sync│ SAM │c│h│r│n│ crc│ gap2 │ sync│ DAM │ data │ crc│ gap3│

└─────┴─────┴─┴─┴─┴─┴────┴──────┴─────┴─────┴──────┴────┴─────┘

На приведенной выше схеме :

┌────────┬──────────────────────────────────┬───────────┬──────┐

│ Обозн. │ Назначение поля │ Содержимое│ Длина│

├────────┼──────────────────────────────────┼───────────┼──────┤

│ GAP4A │ Предындексный зазор дорожки │ 4E │ 50 │

│ SYNC │ Поле синхронизации │ 00 │ 0C │

│ IAM │ Адресный маркер начала дорожки─┬─┼── C2* │ 3 │

│ │ └─┼── FC │ 1 │

│ SAM │ Маркер начала сектора──────────┬─┼── A1 │ 3 │

│ │ └─┼── FE │ 1 │

│ C │ Номер цилиндра │ -- │ 1 │

│ Н │ Номер головки │ -- │ 1 │

│ R │ Номер сектора │ -- │ 1 │

│ N │ Код размера сектора │ -- │ 1 │

│ CRC │ Контрольный код │ -- │ 2 │

│ GAP2 │ Зазор заголовка сектора │ 4E │ 16 │

│ DAM │ Маркер начала данных───────────┬─┼── A1 │ 3 │

│ │ └─┼── FB │ 1 │

│ GAP3 │ Зазоp области данных │ 4E │ 50 │

│ data │ Данные │ -- │ ** │

│ GAP4B │ Зазор дорожки │ 4E │ *** │

* - Данные поля записываются со специально нарушенными битами синхронизации.

** - Длина данных определяется по формуле 128*2^N, где N – код длины из заголовка сектора: от 0 (128б) до 7 (16384б).

*** - Длина определяется оставшимся расстоянием до индексного отверстия и зависит только от скорости вращения дисковода в момент форматирования.

Поля GAP1..GAP4 служат прежде всего для организации задержки при выдачи порций данных с дискеты, а также для компенсации разбросов физической длины различных полей, возникающих из-за несовершенства механизма дисковода ( конкретнее, из-за нестабильности вращения ). Маркеры служат для выделения определенных областей на диске: идентификатора дорожки, заголовка сектора или области данных. Для того что бы маркеры можно было отличить от данных, их записывают со специально нарушенным кодом синхронизации. Четвертый байт маркера обозначает тип выделяемой им области. Конкретно в маркере области данных значение fb соответствует обычным данным, а f8 - удаленным.

Целостность информации в областях данных контролируется с помощью циклического контрольного кода, контрольные числа которого записываются после определенных областей. При считывании с дискеты контроллер самостоятельно высчитывает контрольную сумму, а затем сравнивает ее со считанной с диска. Эта контрольная сумма, называемая кодом циклического контроля ( CRC - Cyrcle Redundency Contol ), подсчитывается с помощью полинома следующего вида :

X__16__ + X__12__ + X__5__ + X + 1

В случае несовпадении этих двух чисел выставляется флаг ошибки.

Обмен информации между ЭВМ и магнитными дисками.

Для хранения больших объёмов информации используются накопители на магнитных лентах и магнитных дисках. Устройства ввода предназначены для восприятия вводимой извне информации, её преобразования в электрические кодовые сигналы и передачи к мультиплексному каналу по средствам интерфейса ввода-вывода. Устройства вывода переводят выводимый из машины сигнал обратно и выводят его на перфокарты (перфоленты), либо на другие внешние устройства.

Дисплей - это устройство ввода-вывода алфавитно-цифровой и графической информации на электронно-лучевую трубку. Он очень удобен для оперативного изменения данных непосредственно во время решения задачи.

Выносимые пульты предназначены для общения пользователя с ЭВМ, когда их разделяют сотни метров.

Существуют 3 группы устройств подготовки данных ЕС ЭВМ: перфокарточные, перфоленточные и использующие магнитные ленты. На контрольниках в ЭВМ производится контроль за правильностью записи информации на перфокарты. Существует два режима работы УПД на магнитной ленте: запись данных и печать считываемых данных