Компьютер, периферийные устройства, устройства информационного обмена - 9) Накопители информации на жестких магнитных дисках

E-mail Печать PDF
Рейтинг пользователей: / 24
ХудшийЛучший 
Индекс материала
Компьютер, периферийные устройства, устройства информационного обмена
1) Компьютер
2) Основные характеристики (разрядность, адресное пространство, быстродействие и другое) процессора компьютера.
3) Архитектура процессора
) Организация и основные характеристики оперативной памяти компьютера
5) Клавиатура и манипуляторы (мышь, тачпад, трекбол, трекпойнт, джойстик)
6) Мониторы
7) Видеоадаптеры
8) Накопители информации на гибких магнитных дисках
9) Накопители информации на жестких магнитных дисках
10) Накопители информации на компакт-дисках
11) Устройства для ввода и вывода звуковой информации (звуковые адаптеры)
13) Дигитайзеры. Световое перо
14) Принтеры. Плоттеры (графопостроители)
15) Сканеры
16) Накопители информации на магнитных лентах
17) Модемы
21) Современная телефония, сотовая связь
Все страницы
9) Накопители информации на жестких магнитных дисках

 

Назначение. Устройство. Физические принципы записи и считывания информации. Логические принципы организации информации. Структура записи (дорожки, сектора). Логическая организация записи (каталоги, FAT, boot-сектор). Интерфейс с компьютером. Типовые параметры (ёмкость, быстродействие и другое)

Устройство

НЖМД объединяют в одном корпусе носитель (носители), устройство чтения/записи и интерфейсную часть, называемую собственно контроллером жесткого диска. Типичной конструкцией жесткого диска является исполнение в виде одного устройства - камеры, внутри которой находится один или более дисковых носителей, насаженных на один шпиндель и блок головок чтения/записи с их общим приводящим механизмом. Рядом с камерой носителей и головок располагаются схемы управления головками - контроллер.

Информация заносится на концентрические дорожки, равномерно распределенные по всему носителю. В случае большего, чем один диск, числа носителей все дорожки, находящиеся одна под другой, называются цилиндром. Операции чтения/записи производятся подряд над всеми дорожками цилиндра, после чего головки перемещаются на новую позицию.

Герметичная камера предохраняет носители не только от проникновения механических частиц пыли, но и от воздействия электромагнитных полей. Необходимо заметить, что камера не является абсолютно герметичной т. к. соединяется с окружающей атмосферой при помощи специального фильтра, уравнивающего давление внутри и снаружи камеры и очищающего от пыли, т. к. малейшие частички могут привести к порче магнитного покрытия дисков и потере данных.

Для позиционирования головок чтения/записи, наиболее часто, применяются шаговые и линейные двигатели механизмов позиционирования.

Шаговый механизм

В системах с шаговым механизмом и двигателем головки перемещаются на определенную величину, соответствующую расстоянию между дорожками.

Линейный механизм

В системах с линейным приводом головки перемещаются электромагнитом, а для определения необходимого положения служат специальные сервисные сигналы, записанные на носитель при его производстве и считываемые при позиционировании головок. Для серво-сигналов используется либо целая поверхность и специальная головка, либо серво-сигналы записываются на те же дорожки, что и данные и для них выделяется специальный серво-сектор, а чтение производится теми же головками, что и чтение данных. Выделенная запись обеспечивает более высокое быстродействие, а встроенная - повышает емкость устройства. Линейные приводы перемещают головки значительно быстрее, чем шаговые.

Парковкой головок называют процесс их перемещения в безопасное положение <посадочную зону> (Landing Zone).

Физическое положение, в котором работают современные НЖМД, не играет большой роли. Большинство накопителей может работать и горизонтально, и вертикально, и на боку, и в наклонном положении

Основным свойством и назначением накопителей информации является ее хранение и воспроизведение.

Физические принципы работы НЖМД

При подаче питающих напряжений начинает работать микропроцессор контроллера. Вначале он, как и компьютер, выполняет самотестирование и в случае его успеха запускает схему управления двигателем вращения шпинделя. Диски начинают раскручиваться, увлекая за собой прилегающие к поверхностям слои воздуха, и при достижении некоторой скорости головки <всплывают>, поднимаясь над дисками на доли микрона. С этого момента, вплоть до остановки дисков, головки не касаются дисков и <парят> над поверхностями, поэтому ни диски, ни сами головки практически не изнашиваются.

Тем временем, двигатель шпинделя продолжает раскручивать поверхности до номинальной скорости. После достижения шпинделем номинальной скорости вращения освобождается фиксатор позиционера головок чтения/записи, и система его управления проверяет способность поворачиваться и удерживаться на выбранной дорожке путем выборочного произвольного позиционирования. При этом делается серия быстрых поворотов в разные стороны, что на слух выглядит как характерное <тарахтение>, слышимое через несколько секунд после старта.

Нужно сказать, что микрокомпьютер НЖМД, как и компьютер, имеет ПЗУ, в котором записана BIOS накопителя - набор программ для начального запуска и управления во время работы, и ОЗУ, в которое после раскрутки механической системы загружаются остальные части управляющих программ. Также в ОЗУ загружается так называемая карта переназначения дефектных секторов, в которой отмечены дефектные секторы, выявленные при заводской разметке дисков. Эти секторы исключаются из работы и иногда подменяются резервными, которые имеются на каждой дорожке и в специальных резервных зонах каждого диска.

После начальной настройки электроники и механики микрокомпьютер НЖМД переходит в режим ожидания команд контроллера. Получив команду, он позиционирует на нужный цилиндр, по серво-импульсам отыскивает нужную дорожку, дожидается, пока до головки дойдет нужный сектор, и выполняет считывание или запись информации, используя ОЗУ в качестве буфера и совмещая чтение/запись нескольких секторов с передачей информации к контроллеру или от него.

При выключении, прежде всего, блокируется подача тока записи в магнитные головки, чтобы они не испортили информацию на поверхностях, а остаток энергии подается в обмотки привода головок, толкая их к центру дисков (в этом движении головкам помогает и естественная скатывающая сила, возникающая при вращении дисков). В этом и состоит суть <автопарковки>.

Физические принципы записи и считывания информации

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов.

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.

Кодирование данных

Частотная модуляция (FM) - кодирование с единичной плотностью. Метод предполагает запись на носитель в начале каждого битового элемента данных бита синхронизации. Битовый элемент определяется как минимальный интервал времени между битами данных, получаемый при постоянной скорости вращения диска носителя. Простота кодирования и декодирования по методу FM определяется постоянной частотой следования синхроимпульсов. Однако наличие этих бит синхронизации и является одним из недостатков данного метода, т. к. результирующий код малоэффективен с точки зрения компактности данных (половина пространства носителя занимается битами синхронизации).

Модифицированная частотная модуляция (MFM) - улучшенный метод FM. Модификация заключается в сокращении вдвое длительности битового элемента - до 4 мкс и использовании бит синхронизации не после каждого бита данных.

Запись с групповым кодированием (RLL) - метод, полностью исключающий запись на диск каких-либо синхронизационных бит. Синхронизация достигается за счет использования бит данных.

Модифицированная запись с групповым кодированием (ARLL) - улучшенный метод RLL, в котором, наряду с логическим уплотнением данных, производится повышение частоты обмена между контроллером и накопителем.

Технология

Для оптимального использования поверхности дисков применяется так называемая зонная запись (Zoned Bit Recording - ZBR), принцип которой состоит в том, что на внешних дорожках, имеющих большую длину (а, следовательно - и потенциальную информационную емкость на единицу площади), информация записывается с большей плотностью, чем на внутренних. Таких зон с постоянной плотностью записи в пределах всей поверхности образуется до десятка и более. Соответственно, скорость чтения и записи на внешних зонах выше, чем на внутренних. Благодаря этому файлы, расположенные на дорожках с большим диаметром, в целом будут обрабатываться быстрее файлов, расположенных на дорожках с меньшим диаметром, т. к. для них будет производиться меньшее число позиционирований с дорожки на дорожку.

В НЖМД последнего поколения используются технологии PRML (Partial Response, Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике) и S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology - технология самостоятельного слежения анализа и отчетности). Первая разработана по причине того, что при существующих плотностях записи уже невозможно четко и однозначно считывать сигнал с поверхности диска - уровень помех и искажений очень велик. Вместо прямого преобразования сигнала используется его сравнение с набором образцов, и на основании максимальной похожести (правдоподобия) делается заключение о приеме того или иного машинного слова.

Накопитель, в котором реализована технология S.M.A.R.T., ведет статистику своих рабочих параметров (количество стартов/остановок и наработанных часов, время разгона шпинделя, обнаруженные/исправленные физические ошибки и другое). Эта информация накапливается в течение всего периода эксплуатации и может быть в любой момент затребована программами анализа. По ней можно судить о состоянии механики, условиях эксплуатации или примерной вероятности выхода из строя.

Логическое хранение и кодирование информации

Поверхности дисков логически разбиты на сектора и дорожки.

Первый сектор жесткого диска содержит загрузочную запись - Master Boot Record (MBR), которая, в свою очередь, содержит:

1) Загрузочная запись - Boot Record (BR) (44 байта), выполняющаяся в процессе загрузки ОС.

2) За загрузчиком расположена таблица разделов - Partition Table (PT), содержащая 4 записи (по 16 байт) - элементы логических разделов - Partitions.

Каждый элемент таблицы разделов содержит информацию о логическом разделе:

а) Первый байт в элементе раздела - флаг активности раздела. Он служит для определения, является ли раздел системным загрузочным и необходимости производить загрузку операционной системы с него при старте компьютера.

б) 1 байт номера головки, с которой начинается раздел.

в) 2 байта, означающие соответственно номер сектора и номер цилиндра загрузочного сектора, где располагается первый сектор загрузчика операционной системы.

г) 1 байт - кодовый идентификатор операционной системы, расположенной в разделе.

д) 1 байт номера головки конца раздела.

е) 2 байта - номер сектора и номер цилиндра последнего сектора распределенного разделу.

ж) Младшее и старшее слова (по 2 байта) относительного номера начального сектора

з) Младшее и старшее слова размера (по 2 байта) раздела в секторах

Логические разделы тоже имеют некоторую иерархическую структуру. Первый раздел жесткого диска в MS-DOS называется главным разделом (Primary Partition), а второй - расширенным (Extended Partition). Главный раздел всегда должен присутствовать на диске, с него происходит загрузка MS-DOS. Расширенного же раздела может не быть, он создается лишь в том случае, когда необходимо получить более одного логического устройства на физическом диске. Логический раздел размещает в себе такие структуры файловой системы как:

- логические диски или устройства, или тома (оформленные как подразделы);

- загрузчик операционной системы;

- таблицы распределения файлов;

- области пользовательских данных, в которых размещаются записи о каталогах и файлах и данные файлов.

По своей структуре логические подразделы или диски схожи с разделами. Основным отличием является то, что их число может быть более четырех, а последний элемент каждого показывает, является ли он последним логическим подразделом раздела, или указывает на следующий элемент таблицы логических устройств или подразделов.

Для доступа к каждому кластеру (группа секторов, минимальное дисковое пространство, используемое системой) создается таблица соответствия номеров кластеров файлам на логическом разделе - таблица распределения файлов (File Allocation Table - FAT). Это не самый оптимальный, но довольно быстрый способ организации информации на разделах.

3) Завершается MBR специальной сигнатурой - последовательностью из 2-х байт с шестнадцатеричными значениями 55h и AAh, указывающей на то, что данный раздел является последним разделом в таблице.

Благодаря наличию такой структуры как MBR на одном физическом жестком носителе может располагаться несколько файловых систем различного типа различных операционных систем.

Интерфейсы жестких дисков

Интерфейсом накопителей называется набор электроники, обеспечивающий обмен информацией между контроллером устройства (кэш-буфером) и компьютером.

IDE: отличительной особенностью дисковых устройств, работающих с интерфейсом IDE, состоит в том, что собственно контроллер дискового накопителя располагается на плате самого накопителя вместе со встроенным внутренним кэш-буфером.

EIDE:

а) поддерживает объемы до 8,4 Гб на каждый канал контроллера

б) к нему подключается больше устройств

в) содержит два канала контроллера (основной канал - на высокоскоростной локальной шине и вспомогательный), к которым можно было подключить 4 устройства

г) повышенная производительность

д) поддерживает режим прямого доступа к памяти

е) расширена система команд управления устройством, передачи данных и диагностики, увеличен кэш-буфер обмена данными и существенно доработана механика

SCSI: универсальный интерфейс, определяет шину данных между центральным процессором и несколькими внешними устройствами, имеющими свой контроллер.

Основные параметры жестких дисков

1) Диаметр дисков (чаще - 2,2, 2,3, 3,14 и 5.25 дюйма)

2) Число поверхностей (от 1 до 8 и более, чаще - от 2 до 5)

3) Число цилиндров - количество дорожек (треков) на одной поверхности

4) Число секторов  - общее число секторов на всех дорожках всех поверхностей

5) Число секторов на дорожке - условный показатель, т. к. внешние и внутренние дорожки имеют неравное число секторов

6) Частота вращения шпинделя - измеряется в оборотах в минуту (rpm) (5400 оборотов в минуту, 7200 и 10000 rpm)

7) Время перехода от одной дорожки к другой (чаще - от 3,5 до 5 млс)

8) Время успокоения головок - время, проходящее с момента окончания позиционирования головок на требуемую дорожку до момента начала операции чтения/записи.

9) Время поиска - время, затрачиваемое устройством на перемещение головок чтения/записи к нужному цилиндру из произвольного положения

10) Время ожидания - время, необходимое для прохода нужного сектора к головке

11) Время доступа - время поиска + время ожидания

12) Пропускная способность - определяет скорость, с которой данные считываются или записываются на диск после того, как головки займут необходимое положение

13) Внешняя скорость передачи данных - скорость, с которой данные считываются из буфера, расположенного на накопителе в оперативную память компьютера (чаще от 11 до 17 Мб)

14) Размер кэш-буфера контроллера - выполняет функцию упреждающего кэширования и призван сгладить громадную разницу в быстродействии между дисковой и оперативной памятью компьютера (чаще 128, 256 и 512 Кб)

15) Средняя потребляемая мощность (чаще от 5 до 15 Вт)

16) Уровень шума - звук ударов позиционера шагового или линейного механизма

17) Среднее время наработки на отказ - сколько времени способен проработать накопитель без сбоев (от 5 до 10 лет)

18) Сопротивляемость ударам  - определяет степень сопротивляемости накопителя ударам и резким изменениям давления


 

Добавьтe Ваш комментарий

Ваше имя (псевдоним):
Ваш адрес почты:
Заголовок:
Комментарий: