На рис. 6.9 представлен формат сектора жесткого диска, который используется широко распространенный контроллером типа WD 1003V - MMI. Большинство меток записывается на диск в ходе выполнения форматирования низкого уровня; исключение составляют те метки, которые относятся к полям данных и к коду выявления и исправления ошибок ЕСС. Областям «идентификатор» и «данные» каждого сектора пред шествуют поля «синхронизации», сигнализирующие о том, что под МГ накопителя должна появиться метка адреса . Благодаря такому решению осуществляется синхронизация работы электронных схем НМД со скоростью вращения диска. На рис. 6.9 данные РLO представляют собой последовательность cинхронизирующих байтов, обозначающих начало сектора. Метка адреса ID - начало поля идентификатора; Сс указывает, к какому диапазону цилиндров принадлежит поле сс; сс - младший байт поля цилиндра. Дополнительная область идентификатора в случае дефектности блока кодируется «80», в остальных случаях кодируется «АА» - логический номер. Метка адреса данных обозначает начало поля данных. ЕСС - 7 байтов для контроля и коррекции считанных данных. Интервал 16 байтов дополняет сектор до нужных размеров.

6.4. Воспроизведение информации и повышение ее достоверности

Структурная схема тракта чтения НМД представлена на рис. 6.10. Наводящиеся в головке воспроизведения разнополярные сигналы формируются по амплитуде и по длительности в МFM импульсы данных чтения RAWDATA - необработанные данные, которые поступают в схему разделения импульсов данных и синхронизации, а также на фазовый детектор, который сравнивает частотномодулированный сигнал с сигналом, поступающим от генератора, управляемого напряжением. Различие частот между обоими сигналами ведет к появлению на выходе фазового детектора напряжения, которое через фильтры передается на управляющий вход генератора. С помощью этого напряжения частота генератора подстраивается под частоту входного сигнала, и разность фаз между входным сигналом и сигналом, вырабатываемым с помощью генератора, становится равной нулю.

Разделение импульсов данных и синхронизации производится с помощью таймера, определяющего длительность битовых элементов. Одна из серьезных причин ошибок при считывании битовой последовательности - «дрожание» сигнала, то есть кратковременное отклонение фронтов цифровых сигналов от идеальной позиции во времени. Таймер вырабатывает сигнал, называемый окном выделения данных, который позволяет из последовательности импульсов МFМ или FМ выделить импульсы данных. Роль таймера выполняет генератор тактовых импульсов, расположенный в блоке разделителя данных, частота которого поддерживается схемой фазовой автоматической подстройки частоты ФАПЧ.

Схема ФАПЧ обеспечивает синхронизм между потоком импульсов, поступающих на вход разделителя, и последовательностью вырабатываемых генератором синхроимпульсов чтения СИ. Если генератор «спешит» или «отстает», необходимо воздействовать на него так, чтобы он плавно подстроился к потоку считываемых импульсов.

Схема ФАПЧ не реагирует на случайные изменения скорости вращения диска. Кроме того, ФАПЧ повышает устойчивость схем воспроизведения к фазовым искажениям, вызванным отклонениями информационных импульсов от идеального положения из-за взаимного влияния соседних битовых элементов. Это взаимовлияние возрастает при увеличении плотности записи. Происходит наложение участков намагниченности, вследствие чего уровень сигнала воспроизведения начинает снижаться, и возникают искажения сигналов как амплитудные, так и временные. При переходе от внешних дорожек к внутренним плотность записи информации на дорожках возрастает, что и ведет к возрастанию влияния соседних битов друг на друга. Для выравнивания сигнала записи на внутренних и внешних дорожках используется амплитудная коррекция: уменьшают ток записи для внутренних дорожек.

С целью повышения достоверности воспроизведения информации а также для снижения требований к качеству механизмов вращения дисководов и носителей предусмотрен контроль достоверности информации и, если это возможно, исправление ошибок в считанной информации. Для этого при записи данных на диск все записываемые биты обрабатываются математическим методом полиномов, из полученного результата формируются два байта (символ циклического контроля CRC) и записываются после блока данных. В режиме считывания блок данных обрабатывается по закону того же полинома и вновь сформированные контрольные байты сравниваются с записанными. Если зафиксировано совпадение байтов CRC, значит блок данных считан правильно.

В накопителях на жестких магнитных дисках при записи информации в поле данных генерируется 32или 56-разрядный ЕСС-код, позволяющий не только обнаруживать наличие ошибок, но и во многих случаях корректировать считанные данные.

6.5. Накопители на гибких магнитных дисках и их контроллеры

Важнейшим достоинством НГМД является высокий уровень стандартизации аппаратных и программных средств, что позволяет использовать их как универсальное средство обмена информацией между различными ЭВМ. Невысокая стоимость и достаточная надежность НГМД способствуют их широкому распространению.

Независимо от типа НГМД состоит из следующих основных компонентов: корпуса, механизма фиксации и привода дискеты, блока МГ, датчиков контроля, платы электроники. В качестве привода для вращения диска используется шпиндельный двигатель. Скорость вращения должна быть фиксированной, 300 или 360 об/мин, что необходимо для обеспечения взаимозаменяемости дискет, записанных на разных устройствах.

Блок магнитных головок включает в себя каретку, на которой закреплены МГ, шаговый двигатель, вращательное движение которого преобразуется в поступательное движение каретки, и механизма прижима головки. Каретка с МГ при помощи шагового двигателя перемещается по поверхности диска в радиальном направлении фиксированными шагами. Величина шага зависит от используемой на носителе радиальной плотности записи. Так например в НГМД с плотностью 96 дорожек на дюйм (96 tpi, где tpi от английского track pеr inch) величина шага соответствует повороту ротора шагового двигателя на 1,8° . Перемещение блока МГ из одного крайнего положения в другое осуществляется в пределах одного оборота шагового двигателя. Полное время движения головок - позиционирования - составляет приблизительно 200 мс. МГ находятся в постоянном контакте с поверхностью дискеты, что хотя и приводит к дополнительному износу МГ и дискеты, однако позволяет упростить конструкцию головок. В паузах между операциями записи/чтения МГ приподнимается над поверхностью дискеты.

Головки расположены с каждой стороны диска, смонтированы в общем блоке и поддерживаются шарнирными подвесными механизмами, причем головка записи/чтения расположена между двумя стирающими головками (рис. 6.11). При записи используется туннельное стирание двумя МГ стирания: они урезают по ширине дорожку, образуемую МГ записи. Таким образом между записанными дорожками создаются размагниченные участки, что повышает надежность последующего чтения.

МГ стирания

МГ записи/чтения

Зазор

Рис. 6.11. Блок магнитных головок НГМД

Для управления режимами работы НГМД в нем используется ряд датчиков. Для определения начала дорожки при форматировании дискеты используется датчик индекса, представляющий собой либо пару «светодиод - фототранзистор” для 5-дюймовых дисководов, либо датчик Холла в 3-дюймовых. Положение нулевой дорожки в зависимости от модели определяется либо при помощи микропереключателя, либо с использованием фотооптического преобразователя.

Плата электроники содержит электронную схему управления дисководом, включающую в себя функциональные узлы и блоки, приведенные на рис. 6.12. Управление работой НГМД осуществляется сигналами, поступающими от контроллера НГМД по интерфейсу.

Стандартным интерфейсом, используемым для НГМД во всех персональных компьютерах,

является интерфейс SA-450 (Shugart Associates).

В настоящее время в ПК типа IBM PC и совместимых с ними используется свыше 300 различных типов НГМД. Они различаются диаметром дискеты, высотой, плотностью записи и другими параметрами. Количество секторов и дорожек и их размер определяются, как правило, программно, в процессе форматирования. Именно поэтому гибкие диски называют дисками с программной разметкой секторов Soft sector. Размер сектора НГМД, поддерживаемого системой BIOS, может составлять 128, 256, 512 и 1024 байта. Типы накопителей на гибких дисках и их форматы приведены в приложении. В качестве официального дисковода для IBM PC фирмой Tandoon поставляются дисководы серии TM 100.

Дисководы большой емкости 1,2 Мб для AT, изготавливаемые компанией УЕ - DАТА, позволяют работать с 15 секторами на дорожку. Эти дисководы имеют скорость 360 об/мин и могут передавать данные в два раза быстрее стандартного дисковода. Для увеличения скорости передачи контроллеры должны работать на частоте не 250 кГц, как стандартные, а на частоте 500 кГц.

Дисководы 3,5 дюймовые для микродискет емкостью 720 Кб во многом схожи с рассмотренными выше 5,25-дюймовыми дисководах. Дисководы 1,44 Мб достигают своей емкости благодаря использованию носителя высокой плотности, обеспечивающего размещение 80 цилиндров с 18-ю секторами на дорожку. Такая линейная плотность записи даже выше, чем у некоторых жестких дисков, имеющих 17 секторов на дорожку.

Различная плотность записи дисководов может создать проблемы при попытке работать с дискетой двойной плотности на дисководе высокой плотности . Если запись осуществлена на дисководе 1,2 Мб, то тем более возникают проблемы при чтении на дисководе 360 Кб, так как система головок этого дисковода более широкая и «видит» два сигнала на

любых перезаписанных дорожках, так как новые данные наложились на старые, которые не могли быть полностью удалены дисководом 1,2 Мб.

Функции сопряжения НГМД с центральным процессором выполняет контроллер, который освобождает ЦП от рутинных обязанностей низкоуровневого управления приводом. При этом роль ЦП сводится к общему управлению контроллером с помощью команд и слов состояния процессора. Такая иерархия управления упрощает программирование ввода-вы- вода и увеличивает общую производительность системы.

Связь НГМД с контроллером осуществляется посредством интерфейса SA-450. В интерфейс входят два типа кабелей: кабель питания и кабель управления и данных. Сигналы интерфейса указаны на рис. 6.12. Назначение этих сигналов интерфейса для дисководов с двойной и высокой плотностью приведено в таблице 6.3. Временные диаграммы работы интерфейса НГМД показаны на рис. 6.13. К контроллеру могут быть подключены до четырех накопителей, которые выбираются сигналами «Выбор привода 0» - «Выбор привода 3». В настоящее время существует много типов однокристальных контроллеров. Рассмотрим один из наиболее распространенных программируемый однокристальный контроллер типа КР1810ВГ72А; зарубежный аналог - контроллер типа I8272. Структурная схема контроллера приведена на рис. 6.14. Логическое устройство контроллера является по существу его центральным процессором. Принимая команды и данные от системной шины оно устанавливает режим работы контроллера, обеспечивает выполнение требуемых команд и передает считанные данные и состояние НГМД через системную шину процессору ПК. Внутренняя 8-ми разрядная шина связывает логическое устройство с другими устройствами контроллера. Последовательный интерфейс осуществляет преобразование информации, считанной из НГМД и поданной на вход RDD). Контроллер разделяет данные и синхроимпульсы по сигналу «окна» данных DW. Контроллер может работать в режиме позиционирования (SEEK) или чтения/записи RW.

Входной и выходной порты представляют собой аппаратуру сопряжения, содержащую цепи управления и позволяющую подключать устройство ввода-вывода (в данном случае НГМД) к внутренней шине микропроцессора. Обычно один и тот же порт может переключаться на ввод или вывод, что, как правило, осуществляется интерфейсным адаптером периферийных устройств. Порт также позволяет применять соединительные кабели увеличенной длины. Понятие «порт» также обозначает внутреннее подсоединение к сети связи либо через электрическую схему, либо через интерфейс удаленного УВВ (удаленной ЭВМ), называемого терминалом. В рассматриваемом контроллере порты ввода и вывода разделены. Как видно из рис. 6.14, контроллер реализует 15 команд, полный цикл которых разбивается на три фазы: приема из центрального процессора командного файла, фаза исполнения полученной команды и фаза контроля результата. В фазе исполнения полученная команда может выполняться в одном из режимов:

-в режиме прямого доступа к памяти DMА;

-в режиме программного ввода/вывода данных РIO;

Врежиме прямого доступа к памяти активизируется сигнал запроса цикла шины DRQ (рис. 6.15, а). На ШД выставляется байт данных, а контроллер DМА отвечает выдачей сигнала DACK и IOR при чтении, либо IOW при записи. В конце фазы исполнения (ТС=1) активизируется сигнал прерывания INT, и контроллер переходит в режим фазы контроля.

Врежиме программного ввода/вывода РIO готовность к передаче очередного байта данных определяется активным уровнем сигнала прерывания INТ, который снимается после получения очередного строба сопровождения данных IOR. Период обслуживания ввода/ вывода при этом составляет 32 мкс для FM или 16 мкс для МFM для микродискет. Конец фазы исполнения определяется сигналом завершения обмена ТС , который принимается контроллером DMА или обрабатывается программой. Фаза исполнения команд заканчивается также при появлении сигнала «не готов» или последнего сектора на дорожке.