2.4. Характеристики нжмд

Типичная блок – схема управления НЖМД, размещаемая на печатной плате винчестера [21] представлена на рис. 4.6. Любой винчестер IDE или SCSI имеет пакет магнитных дисков, блок магнитно-резистивных головок, систему позиционирования, канал считывания записи, сепаратор данных и микроконтроллер. Сепаратор данных выделяет из входного считываемого сигнала импульсы синхронизации и данные. Микроконтроллер по специальным адресным меткам распознает поля идентификации и данных сектора. В поле идентификатора находится закодированная информация об адресе сектора < C, H, S >. МП устанавливает правильность позиционирования головок и выполняет микрооперации записи/считывания следующим образом.

Цифровая система УУ НЖМД воспринимает команды с системной шины от центрального процессора через микроконтроллер обмена диска с шиной SCSI и включает буфер секторов для временного хранения данных, участвующих в обмене. МП УУ накопителя принимает поступающий с системной шины логический адрес < C *, H *, S * >, преобразует его в физический адрес < С, H, S >, и, через МП и контроллер управления двигателем и приводом головок, позиционируют соответствующий цилиндр С. Для чего величина, определяющая место < C > цилиндра на пластине Ei, сравнивается с сигналом положения приводной ручки х (см. рис. 4.3). При наличии отличной от нуля разницы Ei - х из СУ поступает сигнал, который усиливает и возбуждает ток в соленоиде К, перемещая привод головки вглубь или на край диска в зависимости от знака величины рассогласования.

Перемещаясь, приводная ручка уменьшает величину Ei - х до нуля и МП НЖМД по положению маркера (по коду поля идентификации) подключает требуемую головку к сектору < S > и каналу записи/считывания, включающего шифратор для записи или импульсный детектор и дешифратор (DC) в режиме считывания.

Контроллер интерфейса шины SCSI WD 33C93 A/B

Шина SCSI

Блок нжмд

ПЗУ 16Кх16 ОЗУ 1Кх16 PSD301

Мп шины 80с196

Мп серво-привода 80с196

ПЗУ 16Кх16 ОЗУ 1Кх16

Контроллер диска и схема управления буфером wdc 42c22c

Контроллер двигателей wd60c11

Драйвер шпиндельного двигателя

Импульсный детектор

Драйвер привода головок

Буфер секторов (озу 64Кх8)

Шифратор / dc wd10c23

Управление блоками нжмд

Управление блоками нжмд

Рис. 4.6. Схема управления НЖМД

Характеристики некоторых 3.5-дюймовых НЖМД представлены в табл. 4.5. Из таблицы видно, что скорость вращения V_в дисков увеличилась. В старых винчестерах она была равна 3 600 об/мин, теперь она чаще всего равна 7 200 об/мин. Только в дорогих НЖМД с SCSI интерфейсом она равна 15 000 об/мин. Высокие скорости вращения диска (7 200 об/мин) и перемещения микроскопических головок позволяют получить в лучших конструкциях НЖМД среднее время доступа к информации около 8 мс. Время поиска нужной дорожки зависит от исходного положения головки и является наименьшим, если головка находится на соседней дорожке (track to track seek) t_cд. Величина t_cд для лучших НЖМД равна 1 – 3 мс.

Если поиск ведется случайным образом с равновероятным переходом на любую дорожку, можно говорить о среднем времени доступа (average seek) t_cр. Существенно увеличилась у новых моделей НЖМД емкость до 20 Гб и более. Все НЖМД для ускорения доступа к данным оснащаются кэш-буфером емкостью 2 Мб и часто 8 Мб. Для повышения надежности НЖМД применяется система диагностики и оповещения отказов S.M.A.R.T. и специальные способы обнаружения сбоев и коррекции.

Таблица 4.5 Характеристики НЖМД
Фирма Модель	Ё диска / головок, Гб	Vв, об/мин	Кэш-буфер, Мб	tcр, мс	Интерфейс
IBM DTLA-307020	20.5 2/3	7 200	-	8.5	ATA/100
Maxtor DiamonMax80H8	81.9 4/8	5 400	2	9.0	ATA/100
Seagate Barracuda 180 ST1181677LW	181.6 12/24	7 200	4	8.2	Ultra 160 SCSI
Western Digital WD200BB	20 1/2	7 200	2	10.9	ATA/100
Fujitsu AL7LX MAM 3367NP	36.7 4/8	15 000	8	3.5	Ultra 320 SCSI ATA/100

Технология S.M.A.R.T. была разработана с участием крупнейших производителей винчестеров. Для ана­лиза надежности жесткого диска используются две группы параметров: па­раметры естественного старения диска и текущие параметры.

К параметрам первой группы относятся:

- количество оборотов двигателя за время работы;

- количество перемещений головок чтения/записи за время работы.

К параметрам второй группы относятся, например, такие:

- расстояние между головкой чтения/записи и рабочей поверхностью;

- скорость обмена данными между дисками и кэш-памятью винчестера;

- количество переназначенных поврежденных (bad) секторов;

- скорость поиска данных на диске.

Вся информация S.M.A.R.T. записывается на специальных дорожках. Существует три версии (I, II, III) технологии S.M.A.R.T. В S.M.A.R.T. III осуществляется предсказание ошибок, осуществляется сканирование поверхности и в дополнение к I, II предыдущим версиям опреде­ляет и восстанавливает проблемные сектора. BIOS позволяет пользователю управлять режимом работы S.M.A.R.T. с выдачей сообщений о состоянии НЖМД. При этом средняя наработка на отказ винчестера MTBF, как средне статистическое время между сбоями, равна 500 тыс. часов (при 40 - 50 тыс. циклов включения/выключения), что на порядок выше других компонент ЭВМ.

IBM, Fujitsu, Quantum и другие фирмы в НЖМД используют для повышения плотности записи и надежности вместо алюминиевых стеклянные и кремниевые пластины из-за их большей жесткости и чистоты. Это также способствует уменьшению их веса. Также многие компании, например, IBM, стремятся уменьшить размеры пластин (чем меньше пластина, тем меньше вибрация) вводя новые 27-миллимитровые стандарты. Прогнозы компаний: увеличение плотности записи информации скоро составят 300 Гбит на кв. дюйм. Продолжается поиск альтернативы магнитным дискам. Среди таких инноваций – органические магнитные пленки и структуры с нанесенными ячейками. Производители полагают, что новые технологии потеснят магнитные носители.

Основными недостатками магнитных дисков являются: старение материалов подложки, ограничивающее срок службы до 5 лет; потеря данных от воздействия случайных электромагнитных полей; размагничивание в процессе хранения; чувствительность к ударам и тряске.

3. Оптические накопители

В 1972 г. компания Phllips продемонстрировала систему Video Long Play. В ней был использован для записи данных принцип "засечек". Он стал началом развития CD-, а в дальнейшем и DVD-технологий. Первый стандарт оптических накопителей CD-ROM, включающий систему записи на компакт-диск произвольных цифровых данных, разработан в 1984 г. фирмами Philips и Sony.

Массово компакт-диск постоянной памяти СD-RОМ выпускается с 1988 г. как накопитель информации емкостью 650 Мб. Эта информация соответствует примерно 330 000 страницам текста или 74 минутам высококачественного звучания. На данный момент существует несколько стандартов CD-ROM – это AAD, DDD, ADD. Буквы этой аббревиатуры отражают формы звукового сигнала, использованные при создании диска: первая – при исходной записи, вторая – при обработке и сведении, третья – конечный мастер-сигнал, с которого формируется диск. "A" обозначает аналоговую (Analog) форму, "D" – цифровую (Digital). Мастер-сигнал для CD всегда существует только в цифровой форме, поэтому третья буква аббревиатуры всегда "D". При записи и обработке сигнала в аналоговой форме сохраняются высшие гармоники, но возрастает уровень шума. При обработке в цифровой форме высшие гармоники принудительно обрезаются на половине частоты дискретизации.

Компакт - диски CD-ROM изготавливаются толщиной 1.2 мм с внешним диаметром 12 см, с внутренним отверстием 15 мм из полимерного материала, который покрыт с нижней стороны пленкой из сплава алюминия (рис. 4.7.). Эта пленка является носителем информации, которая после записи защищается дополнительным слоем лака. Верхний слой является нерабочим, и на него наносятся этикетки и надписи.

Рис. 4.7. Информационный слой на CD-ROM

Изготовление дисков происходит в несколько стадий, включающих:

- запись выжиганием лазерным лучом штрихов ("засечка", пит) в течение более 1.5 часов на мастер-диск;

- получение с мастер-диска копий матриц из твердого металла;

- изготовление копии рабочих дисков путем оттиска (штамповки) матрицами.

В результате оттиска на поверхности диска остается спиральная дорожка шириной 0.6 мкм с расстоянием между витками 1.6 мкм с углублениями в виде штриха 0.12 мкм с ТРI = 16 000. Дорожка начинается вблизи центрального отверстия и оканчивается в 5 мм от внешнего края. Длина спирали достигает 5 км. Принцип работы накопителя CD-ROM [21] можно упрощенно пояснить с помощью рис. 4.8. Диск вращается двигателем (D1), система управления которого обеспечивает постоянную скорость перемещения дорожки относительно считывающего устройства на любом внутреннем или внешнем витке спирали. При этом скорость считывания данных для формирования звука строго постоянна и равна 75 блокам в секунду (150 Кб/с).

В каждом блоке записано 2 352 байта. Из них 2 048 полезных и 288 контрольных, которые используются для восстановления данных ("провалов" из-за царапин, сора) длиной до 1 000 бит, 16 для синхронизации. Контрольные биты позволяют избежать ошибок с вероятностью 10^-25. Двигатель положения (D2) предназначен для перемещения подвижной каретки (ПК) с зеркалом и фокусирующей линзой к нужному витку спиральной дорожки по командам встроенного микропроцессора.

Рис. 4.8. Принцип работы накопителя CD-ROM

Полупроводниковый лазер (ППЛ) излучает инфракрасный луч с длиной волны в 4 раза превышающей глубину штриха. Этот луч проходит через разделительную призму (РП), отражаясь от зеркала (3). Затем через фокусирующую линзу (ФЛ1) он точно направляется на дорожку и отражается от нее с разной интенсивностью в зависимости от штриха или плато. Поскольку диаметр светового пятна, формируемого на дорожке лазерным лучом, больше, чем размер штриха, при одновременном отражении луча от дна штриха и основной поверхности между отраженными волнами возникает гасящая интерференция, интенсивность отраженного луча уменьшается. При отсутствии штриха световое пятно отражается одинаково, интерференция не происходит, интенсивность отраженного луча сохраняется. Отраженный от дорожки луч воспринимается фокусирующей линзой (ФЛ1) и через РП и фокусирующую линзу (ФЛ2) воспринимается фотодатчиком (ФД), который преобразует оптические сигналы в электрические. Электрический сигнал, снимаемый с ФД при просмотре штриха в CD, принимается за логическую единицу. Электрические сигналы передаются затем в звуковую плату или в ОЗУ. При передаче в звуковую плату (карту) цифровые последовательности преобразуются в аналоговые сигналы, усиливаются и могут быть прослушаны через наушники или динамики.

Если сигналы с диска представляют собой массивы цифровых данных для компьютера, то они преобразуются в параллельный двоичный код встроенным микропроцессором, который затем может их передать в сегменты ОЗУ ЭВМ. В отличие от звуковых записей, передаваемых в звуковую плату синхронно, цифровые данные с CD могут быть считаны в ОЗУ с увеличенной 4, 6, 8, 10 раз скоростью. Накопитель и CD-ROM, имеющие такие скорости, называют 4 – 10 скоростными. Они считывают данные и передают их в системную шину со скоростью 600, 900, 1200, 1500 Кб/с и имеют лучшее среднее время доступа к блокам диска около 100 мс. На скорости свыше 5 000-6 000 об/мин надежное считывание становится практически невозможным, поэтому последние модели 12- и более скоростных CD-ROM при чтении данных работают в режиме CAV (постоянная угловая скорость), вращая диск с максимально возможной скоростью. В этом режиме скорость поступления данных с диска меняется в зависимости от положения головки, увеличиваясь от начала к концу диска. Указанная в паспорте скорость (например, 24x) достигается только на внешних участках диска, а на внутренних она падает примерно до 1200-1500 Кб/с. В дисководах со скоростями 20 и 24 быстродействие зависит от места считывания информации с компакт - диска и их средняя скорость соответствует около х14 при поддержке BIOS режима PIO-4.