Накопители на гибких магнитных дисках

2. Накопители на гибких магнитных дисках.

 

Накопители на гибких дисках (дискетах, флоппи-дисках) позволяют переносить документы с одного компьютера на другой, хранить информацию. Основным недостатком накопителя служит его малая емкость (всего 1,44 Мб) и ненадежность хранения информации. Однако именно этот способ для многих российских пользователей является единственной возможностью перенести информацию на другой компьютер. На компьютерах последних лет выпуска устанавливаются дисководы для дискет размером 3,5 дюйма (89мм). Раньше использовались накопители размером 5,25 дюймов. Они, не смотря на свои размеры, обладают меньшей емкостью и менее надежны и долговечны. Оба типа дискет обладают защитой от записи (перемычка на защитном корпусе дискеты). В последнее время стали появляться альтернативные устройства: внешние дисководы, с дисками емкостью до 1,5 Гб и намного большей скоростью чтения, нежели дисковод флоппи-дисков, однако они ещё мало распространены и весьма недёшевы.

Накопитель на съемном гибком магнитном диске (флоппи). Флоппи-диск имеет пластиковую основу и находится в специальном пластиковом кожухе. Флоппи-диск вставляется в FDD вместе с кожухом. Флоппи-диск (в FDD) вращается внутри кожуха со скоростью 300 об/мин. На данный момент в IBM PC используются 2 типа FDD : 5.25" и 3.5". Дискета 5.25" заключена в гибкий пластиковый кожух. Дискета 3.5" заключена в жесткий пластиковый кожух. HDD являются более скоростными устройствами, чем FDD.

Дискета или гибкий диск - компактное низкоскоростное малой ёмкости средство хранение и переноса информации. Различают дискеты двух размеров: 3.5”, 5.25”, 8” (последние два типа практически вышли из употребления).

3.5” дискета 5.25” дискета

Конструктивно дискета представляет собой гибкий диск с магнитным покрытием, заключенный в футляр. Дискета имеет отверстие под шпиль привода, отверстие в футляре для доступа головок записи-чтения (в 3.5” закрыто железной шторкой), вырез или отверстие защиты от записи. Кроме того 5.25” дискета имеет индексное отверстие, а 3.5” дискета высокой плотности - отверстие указанной плотности (высокая/низкая). 5.25” дискета защищена от записи, если соответствующий вырез закрыт. 3.5” дискета наоборот - если отверстие защиты открыто. В настоящее время практически только используются 3.5” дискеты высокой плотности.

Для дискет используются следующие обозначения:

- SS single side - односторонний диск (одна рабочая поверхность).

- DS double side - двусторонний диск.

- SD single density - одинарная плотность.

- DD double density - двойная плотность.

- HD high density - высокая плотность.

Накопитель на гибких дисках принципиально похож на накопитель на жестких дисках. Скорость вращения гибкого диска примерно в 10 раз медленнее, а головки касаются поверхности диска. В основном структура информации на дискете, как физическая так и логическая, такая же как на жестком диске. С точки зрения логической структуры на дискете отсутствует таблица разбиения диска.

Работу контроллера НГМД удобно рассмотреть отдельно в режимах записи и считывания байта данных.

Режим записи включается низким уровнем линии РС0(вывод 14 DD1). При этом НГМД переводится в режим "Запись" (активен сигнал WRDATA). Записываемый байт заносится в порт А и его восьмиразрядный код поступает на вход многофункционального регистра DD2. Управление режимом работы этого регистра осуществляется битовым счетчиком DD9 и дешифратором DD10. После записи предыдущего байта, счетчик находится в состоянии сброса, и на всех его выходах присутствуют сигналы логического нуля. При таком состоянии входных сигналов дешифратор DD10 на выводе 7 формирует сигнал логического нуля, который совместно с низким уровнем на выводе 2 элемента DD17.1 разрешает запись параллельного кода в регистр DD2. При любом другом состоянии счетчика регистр переводится в режим сдвига.

Низким уровнем РС0 на элементе DD13. 4 блокируется канал считывания информации с НГМД RDDATA. Логический нуль, поступающий на входы S триггера DD11.1 после инвертирования элементом DD14.1 сигнала блокировки, устанавливает логическую единицу на выводе 5 триггера DD11.1. Через инвертор DD14.3 на входы сброса счетчиков DD7 и DD8 поступает сигнал низкого уровня, что обеспечивает их непрерывную работу. Сигналы, снимаемые с 8 и 9 вывода счетчика DD8, на элементах DD14.4,DD15.1, DD15.2 формируют соответственно последовательности ИСС и ИСД. Импульс ИСД после инвертирования элементом DD14.6 поступает на тактовый вход регистра DD2. При поступлении тактового импульса происходит сдвиг вправо параллельного кода, записанного в регистр, и на выводе 20 появляется очередной бит этого кода. Сигналы записи формируются элементами DD13.1,DD13.2 и DD13.3. В момент действия высокого уровня ИСД на выводе 2 DD13.1 присутствует записываемый бит. Через элементы DD13.1 и DD13.2 бит поступает на вход буферного усилителя DD6, а затем и на линию сигнала записи НГМД ( WRDATA). Согласно временной диаграмме, приведенной на рис. 8, сигнал ИСС находится в это время в состоянии логического нуля. Поэтому прохождение сигналов через элемент DD133 запрещено. После того, как сигнал ИСД перейдет в состояние логического нуля, прохождение информационного бита на запись через элемент DD13.1 станет невозможно. При активном уровне ИСС через открытые элементы DD13.3, DD13.2 и буфер DD6 на линию WR DATA поступит логическая единица, сформированная на выводе 12 дешифратора DD10. Таким образом, в момент действия ИСД на линию записи НГМД будут поступать информационные биты, а в момент действия ИСС - единичные синхробиты. Подсчет количества записанных бит ведет счетчик DD9. После прохождения восьмого импульса ИСД его выводы перейдут в нулевое состояние, что вызовет установку триггера готовности: на выводе 9 DD12.2 появится логическая единица. Состояние триггера готовности программно опрашивается ДОС по линии РВ7. При обнаружении единицы в этом разряде ПЭВМ запишет новый байт в порт А DD1 (адрес F000H), при этом на элементах DD15.4, DD16.4, DD16.1, DD16.2 сформируется сигнал сброса триггера готовности. Таким образом, происходит записывание и считывание информации на НГМД.

3. Накопители на жестком магнитном диске (HDD)

Накопители на жёстком диске (винчестеры) предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, редакторов документов, трансляторов с языков программирования и т.д. Наличие жёсткого диска значительно повышает удобство работы с компьютером. Для пользователя накопители не жёстком диске отличаются друг от друга, прежде всего, своей ёмкостью, т.е. тем, сколько информации помещается на диске. Сейчас компьютеры в основном оснащаются винчестерами от 520 Мбайт и более. Компьютеры, работающие, как файл серверы, могут оснащаться винчестером 4 - 8 Мбайт и не одним.

Накопитель на несъемном магнитном диске, созданный на основе спец. технологии (винчестерская технология - отсюда название). Магнитный диск Винчестера (на металлической основе) имеет большую плотность записи и большое число дорожек. Винчестер может иметь несколько Магнитных Дисков. НЖМД типа Винчестер созданы в 1973 г. Все магнитные диски Винчестера (объединенные в пакет дисков) - герметически упакованы в общий кожух. Магнитные диски НЕ могут изыматься из HDD и заменяться на аналогичные !!!

Магнитные головки объединены в единый блок (блок магнитных головок). Этот блок по отношению к дискам перемещается радиально. Во время работы PC Пакет Дисков все время вращается с постоянной скоростью (3600 об/мин). При считывании/записи информации блок магнитных головок перемещается (позиционируется) в заданную область, где производиться посекторное считывание/запись информации. В силу инерционности процесса обработки информации и большой скорости вращения пакета дисков возможна ситуация, когда блок магнитных головок не успеет считать очередной сектор. Для решения этой проблемы используется метод чередования секторов (секторы нумеруются не по порядку, а с пропусками). Например, вместо того, чтобы нумеровать секторы по порядку : 1 2 3 4 5 6 7 ... , их нумеруют так : 1 7 13 2 8 14 3 9 ...
В последнее время появились более скоростные SCSI-контроллеры, которые обеспечивают достаточную скорость обработки информации, и необходимость в чередовании секторов - отпадает.

Итак, накопитель содержит один или несколько дисков (Platters), т.е. это носитель, который смонтирован на оси - шпинделе, приводимом в движение специальным двигателем (часть привода). Скорость вращения двигателя для обычных моделей составляет около 3600 об/мин. Понятно, чем выше скорость вращения, тем быстрее считывается информация с диска (разумеется, при постоянной плотности записи), однако пластины носителя при больших оборотах могут просто физически разрушиться. Тем не менее в современных моделях винчестеров скорость вращения достигает 4500, 5400 или даже 7200 об/мин.

Сами диске представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины, на которые нанесен специальный магнитный слой (покрытие). В некоторых случаях используются даже стеклянные пластины. Надо отметить, что за последние годы технология изготовления этих деталей ушла далеко вперед. В старых накопителях магнитное покрытие обычно выполнялось из оксида железа. В настоящее время для покрытий используются гамма-феррит-оксид, изотропный оксид и феррит бария, однако наиболее широкое распространение получили диски с напыленным магнитным слоем, а точнее, с металлической пленкой (например, кобальта).

Количество дисков может быть различным - от 1 до 5 и выше, число рабочих поверхностей при этом соответственно в 2 раза больше, правда, не всегда. Иногда наружные поверхности крайних дисков или одного из них не используются для хранения данных, при этом число рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Наиболее важной частью любого накопителя являются головки чтения/записи (read/write head). Как правило, они находятся на специальном позиционере, который напоминает рычаг звукоснимателя на проигрывателе грампластинок (тонарм). Это и есть вращающийся позиционер головок (head actuator). К слову сказать, существуют также и линейные позиционеры, по своему принципу движения напоминающие тангенциальные тонармы.

В настоящее время известно по крайней мере несколько типов головок, используемых в винчестерах: монолитные, композитные, тонкопленочные и магнитно-резистивные (magneto-resistance, MR). Монолитные головки, как правило изготовлены из феррита, которые является достаточно хрупким материалом. К тому же конструкция таких головок принципиально не допускает высоких плотностей записей. Композитные головки меньше и легче, чем монолитные. Обычно это стекло на керамическом основании; например, используются сплавы, включающие в себя такие материалы, как железо, алюминий и кремний. Керамические головки более прочные и обеспечивают более близкое расстояние до магнитной поверхности носителя, что в свою очередь ведет к увеличению плотности записи. При изготовлении тонкопленочных головок используют метод фотолитографии, хорошо известный полупроводниковой промышленности. В этом случае слой проводящего материала осаждается на неметаллическом основании.

Одним из самых перспективных в настоящее время считают магнитно-резистивные головки, разработанные фирмой IBM. Их производство начали также компании Fujitsu и Seagate. Собственно магнитно-резистивная головка представляет из себя сборку из двух головок: тонкопленочной для записи и магнитно-резистивной для чтения. Каждая из головок оптимизирована под свою задачу. Оказывается, магнитно-резистивная головка при чтении как минимум в три раза эффективнее тонкопленочной. Если тонкопленочная головка имеет обычный индуктивный принцип действия, т.е. переменный ток рождает магнитное поле, то в магнитно-резистивном (по определению) изменение магнитного потока меняет сопротивление чувствительного элемента. Магнитно-резистивные головки по сравнению с другими позволяют почти на 50% увеличить плотность записи на носителе. Все современные винчестеры от IBM оснащаются только этими головками. Новые разработки IBM в области жестких дисков позволяют обеспечить плотность записи 10 Гбит на квадратный дюйм, что примерно в 30 раз больше, чем сейчас. Речь идет о Giant MR-головках.

Заметим, что в современных винчестерах головки как бы “летят” на расстоянии доли микрона (обычно около 0,13 мкм) от поверхности дисков, не касаясь их. Кстати, в жестких дисках выпуска 80 года это расстояние составляло еще 1,4 мкм, в перспективных же моделях ожидается его уменьшение до 0,05 мкм.

На первых моделях винчестеров позиционер головок перемещался обычно с помощью шагового двигателя. В настоящее время для этой цели используются преимущественно линейные (типа voice coil, или “звуковая катушка”) двигатели, иначе называемые соляноидными. К их преимуществам можно отнести относительно высокую скорость перемещения, практическую нечувствительность к изменениям температуры и положения привода. Кроме того при использовании соляноидных двигателей реализуется автоматическая парковка головок записи/чтения при отключении питании винчестера. В отличие от накопителей с шаговым двигателем не требуется периодическое переформатирование поверхности носителя.

Привод движения головок представляет из себя замкнутую сервосистему, для нормального функционирования которой необходимо предварительно записанная сервоинформация. Именно она позволяет позиционеру постоянно знать свое точное местоположение. Для записи в сервоинформации система позиционирования может использовать выделенные и/или рабочие поверхности носителя. В зависимости от этого различают выделенные, встроенные и гибридные сервосистемы. Выделенные системы достаточно дороги, однако имеют высокое быстродействие, поскольку практически не тратят времени для получения сервоинформации. Встроенные сервосистемы существенно дешевле и менее критичны к механическим ударам и колебаниям температуры. К тому же они позволяют сохранять на диске больше полезной информации. Тем не менее такие системы, как правило медленнее выделенных. Гибридные сервоситемы используют преимущества двух вышеназванных, т.е. большую емкость и высокую скорость. Большинство современных винчестеров массового применения используют встроенную сервоинформацию.

Кроме всего перечисленного, внутри любого винчестера обязательно находится печатная плата с электронными компонентами, которые необходимы для нормального функционирования устройства привода. Например, электроника расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения и т.п. В настоящее время в ряде винчестеров применяются даже цифровые сигнальные процессоры DSP (Digital Signal Processor).

Непременными компонентами большинства винчестеров являются специальные внутренние фильтры. По понятным причинам большое значение для работы жестких дисков имеет частота окружающего воздуха, поскольку грязь или пыль могут вызвать соударение головки с диском, что однозначно приведет к выходу его из строя.

Как известно, для установки дисковых накопителей в системном блоке любого персонального компьютера предусмотрены специальные монтажные отсеки. Габаритные размеры современных винчестеров характеризуются форм-фактором. Форм-фактор указывает горизонтальные и вертикальные размеры винчестера. В настоящее время горизонтальный размер жесткого диска может быть определен одним из следующих значений: 1,8; 2,5; 3,5 или 5,25 дюйма (действительный размер корпуса винчестера чуть больше). Вертикальный размер характеризуется обычно такими параметрами, как Full Height (FH), Half-Height (HH), Third-Height (или Low-Profile, LP). Винчестеры “полной” высоты имеют вертикальный размер более 3,25’’(82,5 мм), “половинной” - 1,63’’ и “низкопрофильной” - около 1’’. Необходимо помнить, что для установки привода, имеющего меньший форм-фактор, чем монтажный отсек в системном блоке, придется использовать специальные крепления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Развитие электронной промышленности осуществляется такими быстрыми темпами, что буквально через один год, сегодняшнее "чудо техники" становится морально устаревшим. Однако принципы устройства компьютера остаются неизменными.

По словам специалистов, в скором времени компании не будет комплектовать персональные компьютеры дисководами - их заменят USB-накопители на флэш-памяти емкостью 16 мегабайт, которые сначала предполагается устанавливать на компьютеры класса hi-end, а затем, при положительной реакции покупателей, на все десктопы. Dell уже исключила дисководы из стандартной комплектации ноутбуков. В компьютеры Macintosh уже пять лет не устанавливаются флоппи-дисководы.

CD и DVD-диски могут занимать передовые позиции в технологиях хранения данных, однако достаточно старомодные механические ленточные накопители до сих пор играют важную роль в хранении больших объемов информации. Мало того, эта роль столь велика, что ученые IBM разработали механизм записи 1 терабайта(что составляет 1 триллион байт данных) на линейном цифровом ленточном катридже. Это величина, по утверждению разработчиков, приблизительно в 10 раз больше любого другого доступного сейчас объема ленточных накопителей. Такой объем информации равносилен 16 дням непрерывного воспроизведения DVD-видео, или в 8 000 раз больше того объема информации, который человеческий мозг сохраняет за время всей жизни. Хотя накопитель на магнитной ленте сложно представить в домашнем интерьере на настольных ПК, для среднего и крупного бизнеса эта технология остается вполне актуальной при резервном хранении данных, к тому же лента менее уязвима для взлома и воровства информации. Новейшая технология позволяет упаковать накопитель с высокой плотностью записи данных так, что он становится довольно компактным. В долгосрочной перспективе, возможно снижение затрат компаний на хранение данных. В то время, как сейчас средняя стоимость хранения информации на магнитной ленте составляет около $1 за 1Гб, возможно снижение этих затрат до 5 центов за Гб. Для сравнения, стоимость хранения 1 Гб информации на жестком диске составляет сейчас $8-10, а на устройствах на основе полупроводников - около $100 за Гб. Новые технологии хранения данных на МЛ приобретут важную роль в таких информационное емких отраслях, как, например, горное дело или архивы. Также необходимость увеличения объемов хранимой информации возникает у корпораций и ученых во всех дисциплинах, от геофизики до социологии. К примеру, академические занятия требуют системы, позволяющей осуществлять долгосрочный повторный доступ к данным с возможностью создания множества копий и их легкого перемещения в любое место. Первый накопитель на магнитной ленте был создан 50 лет назад, тогда разработка IBM Model 726 могла хранить всего 1,4МБ информации, приблизительно столько, сколько сейчас помещается на обычный гибкий диск, а катушка для ленты имела около 12 дюймов в диаметре. Для сравнения, последняя разработка специалистов IBM с возможностью хранения 1ТБ помещается в картридж размером с почтовый конверт, а объем хранимой в нем информации эквивалентен содержимому 1.500 CD. По словам представителей компании, план возможного массового выпуска терабайтных картриджей будет включать выпуск промежуточных продуктов в течение нескольких лет. За это время планируется выпустить картриджи объемом 200,400, а потом и 600ГБ.

Исследователям удалось изготовить магнитную пленку из сплава кобальта, хрома и платины. Затем с помощью сфокусированного ионного пучка они разрезали пленку на прямоугольные магнитные «островки» размером всего в 26 миллионных долей миллиметра в поперечнике. Это соответствует плотности записи, составляющей 206 ГБ на квадратный дюйм. Правда, запись и считывание информации в этом случае не удастся осуществлять непосредственно, поскольку размер головок намного превышает размер «островков». Следовательно, необходимы новые, более миниатюрные головки. Кроме того, потребуется эффективная синхронизация процедур записи и считывания с движением головок. В прототипе, разработанном в IBM, подобная синхронизация реализована, однако широкое распространение подобных систем потребует значительного усовершенствования технологий создания жестких дисков.

Используемые источники информации

1.    Леонтьев В.П. ПК: универсальный справочник пользователя Москва 2000.

2.    Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. изд.5-е С.-Перетбург, АО «Коруна» 1994.

3.    Архитектура ПК, комплектующие, мультимедиа. - Рудометов Е., Рудометов В. – Питер, 2000.

4.    http://citforum.co.kz

5.    News Factor Network.