В НГМД используют два основных метода записи: метод частотной модуляции (ЧМ) (рис. 13.2) и метод модифицированной ЧМ. В контроллере (адаптере) НГМД данные обрабатываются в двоичном коде и передаются в НГМД в последовательном коде.
Способ частотной модуляции является двухчастотным. При записи в начале тактового интервала производится переключение тока в МГ и направление намагниченности поверхности изменяется. Переключение тока записи отмечает начало тактов записи и используется при считывании для формирования сигналов синхронизации. Таким образом, этот способ обладает свойством самосинхонизации . Запись «1» и «0» производится в середине тактового интервала, причем при записи «1» в середине тактового интервала производится инвертирование тока, а при записи «0» - нет. При считывании в моменты середины тактового интервала определяют наличие сигнала произвольной полярности. Наличие сигнала в этот момент соответствует «1», а отсутствие - «0».
3. Формат записи информации на гибком магнитном диске
Организация размещения информации на дискете предполагает расположение данных пользователя вместе со служебной информацией, необходимой для нумерации отдельных областей, отделения их друг от друга, для контроля информации и т.д.
В
НГМД используют стандартные форматы
информации для унификации (обобщения)
НГМД и их адаптеров. Каждая дорожка на
дискете разделена на секторы. Размер
сектора является основной характеристикой
формата и определяет наименьший объем
данных, который может быть записан одной
операцией ввода-вывода. Применяемые в
НГМД форматы различаются числом секторов
на дорожке и объемом одного сектора.
Максимальное количество секторов на
дорожке определяется операционной
системой. Секторы отделяются друг от
друга интервалами, в которых информация
не записывается. Произведение числа
дорожек на количество секторов и
количество сторон дискеты определяет
ее информационную емкость.
Каждый сектор (рис. 13.3) включает две области: поле служебной информации и поле данных. Служебная информация составляет идентификатор сектора, позволяющий отличить его от других.
Адресный маркер - это специальный код, отличающийся от данных и указывающий на начало сектора или поля данных. Номер головки указывает одну из двух МГ, расположенных на соответствующих сторонах дискеты. Номер сектора - это логический код сектора, который может не совпасть с его физическим номером. Длина сектора указывает размер поля данных. Контрольные байты предназначены для контроля ошибок считывания.
Среднее время доступа к диску в миллисекундах оценивается по следующему выражению:
t ср = (N-1)t 1 /3+t 2 , (17.1)
где N - число дорожек на рабочей поверхности ГМД; t 1 - время перемещения МГ с дорожки на дорожку; t 2 - время успокоения системы позиционирования.
4. Адаптеры накопителей на гибких магнитных дисках
Адаптер НГМД переводит команды, поступающие из ПЗУ BIOS, в электрические сигналы, управляющие НГМД, а также преобразует поток импульсов, считываемых с дискеты МГ, в информацию, воспринимаемую ПЭВМ. Конструктивно электронное оборудование адаптера может быть размещено на системной плате ПЭВМ либо совмещено с оборудованием других адаптеров на отдельной плате модулей расширения. Возможно программирование длины записи данных, скорости перехода с дорожки на дорожку, времени загрузки и разгрузки МГ, а также передача данных в режиме ПДП или прерывания.
Один из вариантов построения структурной схемы адаптера НГМД приведен на рис. 13.4.
Дешифратор адреса распознает базовые адреса программно доступных регистров адаптера. Для ЦП адаптер НГМД доступен программно через регистр управления и два порта контроллера НГМД - регистр состояния и регистр данных. Значения отдельных разрядов регистра управления определяют выбор НГМД, сброс контроллера, включение двигателя, разрешение прерывания и ПДП.
О
сновным
функциональным блоком адаптера НГМД
является контроллер НГМД, реализуемый
конструктивно обычно в виде БИС
(интегральные микросхемы 8272 Intel, 765 NEC и
др.). Данный контроллер обеспечивает
управление операциями НГМД и определяет
условия обмена с центральным процессором.
Функционально контроллер подчинен ЦП
и программируется им. В контроллере
имеется регистр состояния и регистр
данных, в котором запоминаются данные,
команды и параметры о состоянии НГМД.
При записи регистр данных используется
как буфер, в который побайтно подаются
данные от процессора. Контроллер
принимает данные от регистра и преобразует
их в последовательный код, используемый
при частотном методе записи.
Контроллер НГМД выполняет следующий набор команд : позиционирование, форматирование, считывание, запись, проверка состояния НГМД и др. Каждая команда выполняется в три фазы : подготовительной, исполнения и заключительной. В подготовительной фазе ЦП передает контроллеру байты управления, которые включают код операции и параметры, необходимые для ее исполнения. На основании этой информации в фазе исполнения контроллер выполняет действия, заданные командой. В заключительной фазе через регистр данных считывается содержимое регистров состояния, хранящих информацию о результате выполнения команды и состоянии НГМД. В ЦП передаются условия завершения операции.
Таблица 13.1
Назначение сигналов интерфейса НГМД
|
Обозначение сигнала |
Назначение сигнала |
Направление |
|
Индекс/сектор | ||
|
Выбор накопителя 0 | ||
|
Выбор накопителя 1 | ||
|
Мотор включить | ||
|
Направление шага | ||
|
Данные записи | ||
|
Разрешение записи | ||
|
Дорожка 00 | ||
|
Данные воспроизведены | ||
|
Выбор поверхности | ||
|
Накопитель готов |
Управление обменом между ЦП и адаптером НГМД осуществляется схемой сопряжения с системной шиной. Двунаправленный формирователь данных согласует электрические параметры шины данных системной и внутренней шины адаптера. Обмен информацией между адаптером и ЦП происходит в двух режимах : ПДП и прерываний. Программная поддержка работы адаптера обеспечивается драйвером, входящим в состав ОС.
Сопряжение интерфейса НГМД с адаптером НГМД осуществляется гибким кабелем. Все сигналы интерфейса НГМД имеют стандартный ТТЛ-уровень (табл. 13.1).
“Внешняя память на
магнитных лентах и дисках”
Внешняяпамять............................................................................................................................................. 3
Носители на магнитных дисках.................................................................................................................... 3
Гибкие магнитные диски (ГМД).................................................................................................................. 4
Жесткий магнитный диск (ЖМД) ................................................................................................................ 5
Магнитная лента............................................................................................................................................ 6
Запись и считывание информациисмагнитногодиска......................................................................... 7
Внешняяпамять
Внешняя (долговременная) память – это место хранения данных, не используемых в данный момент в памяти компьютера. Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания.
Внешняя память дешевле внутренней, создаваемой обычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, что они работают медленнее устройств внутренней памяти.
Традиционно системы хранения можно разделить на следующие три класса:
1. Быстрые системы с произвольным доступом. Это "жесткие диски" Имеют небольшое время доступа и самую высокую удельную стоимость хранения.
- Относительно медленные системы с последовательным доступом. Это отдельно стоящие приводы магнитных лент, библиотеки магнитных лент. Обладают наибольшим временем доступа, наибольшей емкостью и наименьшей удельной стоимостью хранения данных. Используются также в системах иерархического хранения данных.
- Системы с произвольным доступом, которые по емкости, стоимости, скорости занимают промежуточное положение. Это системы, построенные на базе магнитооптики, DVD и CD (R, RW) технологий. В настоящее время используются для организации небольших архивов и промежуточного хранения, в системах иерархического хранения данных.
Носители на магнитных дисках
Самым распространенным устройством внешней памяти на современных компьютерах стали накопители на магнитных дисках (НМД) или дисководы.
Дисковод – устройство для записи и чтения информации на магнитный диск.
Дисководы подразделяются на:
Гибкие магнитные диски (ГМД) или просто дискеты;
Жесткий магнитный диск (ЖМД) или по-другому винчестер.
Количество секторов на дорожке определяется типом диска и его форматом.Все секторы на одном диске имеют фиксированный размер. Персональные компьютеры могут работать с разными размерами секторов – от 128 до 1024. Стандартом является 512 байт.
Вся работа по считыванию и записи данных на дисках производится только полными секторами. Секторы дорожки, как и сами дорожки на каждой стороне диска, обозначаются присвоенными им номерами, начиная не с нуля, а с единицы (нулевой сектор отводится для целей идентификации, а не для хранения данных).
Дорожки с одинаковыми номерами на различных поверхностях
диска (в общем случае пакета диска) образуют цилиндр
.Доступ к данным, записанным в одном цилиндре,
осуществляется без перемещения магнитных головок, т.к. в накопителе вращается
сам диск – головки вдоль дорожек не перемещаются.
Интересно знать, что дискета
вращается только при доступе к ней.В отличие от дискеты, жесткий диск вращается
непрерывно.
Сочетание всех этих измерений дает нам емкость (размер памяти) диска .
Дискета одного и того же вида может иметь разный формат .
Процедура разметки МД на дорожки и сектора называется форматированием
диска.
Гибкие магнитные диски (ГМД)
Дискета или гибкий диск – это компактное низкоскоростное малой ёмкое средство хранения и переноса информации.
Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, не используемую постоянно на компьютере, делать архивные копии программных продуктов, содержащихся на жестком диске.
ГМД делаются из очень мягкого и гибкого материала, миларового пластика с магниточувствительным покрытием из окиси железа. Кстати, немногие знают о том, что первая (рабочая) сторона односторонней дискеты, находится на нижней стороне дискеты, а не на верхней, где расположена наклейка.
ГМД бываютдвух видов:
5,25-дюймовые;
3,5-дюймовые
В компьютерах последних лет выпуска чаще стали использовать накопители для дискет размером 3,5 дюйма (89 мм) и емкостью 0,7 и 1,44 Мбайт. Переход на их использованиебыл в первую очередь связан с бурным развитием портативных компьютеров, в которых нельзя было использовать прежние накопители из-за больших размеров последних.
|
|
|
Круглая дискета диаметром 3,5 дюйма, в отличие от 5,25 дюймовых, заключена в жесткий пластмассовый конверт, что значительно повышает её надежность и долговечность, а также создает значительные удобства при транспортировке, хранении и использовании.
Принцип гибкого диска позволяет исправить конкретный сегмент записей, не затрагивая остальной поверхности. Вот почему запись на диске может быть осуществлена частями, каждая из которых вставляется в любое подходящее место. Единственное дополнительное требование состоит в том, чтобы оглавление на диске изменялось в соответствии с изменениями, сделанными на этом диске.
Жесткий магнитный диск (ЖМД)
Накопитель на жестком диске относится к наиболее совершенным и сложным устройствам современного персонального компьютера. Его диски способны вместить многие мегабайты информации, передаваемой с огромной скоростью. В то время, как почти все элементы компьютера работают бесшумно, жесткий диск ворчит и поскрипывает, что позволяет отнести его к тем немногим компьютерным устройствам, которые содержат как механические, так и электронные компоненты.
|
|
ЖМД - это не один диск, а пакет ЖМД, сделанных из алюминиевого сплава. Этот пакет заключен вместе с головками чтения-записи в герметичный корпус, следовательно, надежно защищен от пыли и загрязнений, встроен в дисковод и, в отличие от дискет, является несъемным. Герметизация позволяет достичь неплохих технических характеристик - большой емкости (от сотен Мбайт до нескольких Гбайт) и высокого для внешней памяти быстродействия. |
Количество дисков в пакете может быть различным - от одного до пяти, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.
Ранние модели винчестеров, как и гибкие диски, изготовлялись с чистыми магнитными поверхностями; первоначальная разметка (форматирование) производилась потребителем по его усмотрению, и могла быть выполнена любое количество раз. Для современных моделей разметка производится в процессе изготовления; при этом на диски записывается сервоинформация - специальные метки, необходимые для стабилизации скорости вращения, поиска секторов и слежения за положением головок на поверхностях.
Информация на внешних носителях имеет файловую структуру .
Файл – это однотипная информация, хранящаяся на внешнем носителе и объединенная общим именем.
Имя файла должно быть уникальным, т.е. не должно повторяться для разных файлов. Список файлов на диске называется каталогом или директорией . Кроме имени файла, в каталоге имеется информация о его размере, дате и времени создания. Каталог можно вывести на экран, чтобы пользователь легко мог выяснить, есть ли на данном диске нужный файл.
Связь между накопителем на жестком магнитном диске и старинным охотничьим ружьем крайне иллюзорна и сводится всего-навсего к совпадению обозначений. Дело в том, что первый загерметизированный жесткий диск, разработанный фирмой IBM в 1973 г., имел 30 цилиндров (по 30 дорожек на каждой поверхности), а каждая дорожка – 30 секторов. Вот почему первый накопитель получил обозначение 30/30, как калибр винтовки «винчестер».
Магнитная лента
Накопитель на магнитной ленте (стример)состоит из полоски плотного вещества, на которую напыляется слой ферромагнетиков. Именно на этот слой “запоминается” информация.
По виду ленточные картриджи похожи на аудиокассеты, но предназначены для цифровой записи. Плотность записи в них выше, чем у аудиокассет, а ленты подвергаются специальному тестированию. Они используются при создании резервных копий для систем на жестких дисках. Цифровые аудиоленты также используются в качестве средства резервирования. При этом в кассете меньшего размера, чем аудиокассета, может храниться до миллиарда байт данных. Все типы ленточных запоминающих устройств имеют один основной недостаток – последовательный режим работы, т.е. лента должна прокручиваться до нужного элемента, что отнимает много времени. Требование экономии времени вынуждает пользователя обращаться к другому, более популярному средству хранения информации для небольших компьютеров, – гибкому диску, или дискете.
Процесс записипохож на процесс записи на виниловые
пластинки - при помощи магнитной индукционной вместо специального аппарата.
На головку подаётся ток, который приводит в действие магнит. Запись звука на плёнку происходит благодаря действию электромагнита на плёнку. Магнитное поле магнита меняется в такт со звуковыми колебаниями, и благодаря этому маленькие магнитные частички (домены) начинают менять своё местоположение на поверхности плёнки в определённом порядке, в зависимости от воздействия на них магнитного поля, создаваемого электромагнитом.
А при воспроизведении записи наблюдается процесс обратный записи: намагниченная лента возбуждает в магнитной головке электрические сигналы, которые после усиления поступают дальше в динамик.
Данные, используемые в компьютерной технике, записываются на магнитные носители таким же образом, с той разницей, что для данных нужно меньше места на плёнке, чем для звука. Просто вся информация, записываемая на магнитный носитель в компьютерах, записывается в двоичной системе - если при чтении с носителя головка “чувствует” нахождение под собой домена(домен – частица-стрелка магнитного покрытия), то это означает, что значение данной частички данных равно “ 1” , если не “чувствует”, то значение - “ 0” . А дальше уже система компьютера преобразует данные, записанные в двоичной системе, в более понятную для человека систему.
Традиционно магнитные ленты были и остаются наименее дорогим и достаточно надежным (сохранность записи более 30 лет) носителем для организации архивов и резервного копирования данных. Однако их слабой сторонойявляется последовательный доступ к информации.
Несмотря на то, что приводов магнитных лент и картриджей разной конструкции достаточно много, базовых технологий, используемых во всех устройствах, всего две. Это линейная запись (запись с неподвижной магнитной головкой) и наклонно-строчная запись . Оба метода пришли из аналоговой магнитной записи.
Линейная система записи имеет свои характерные особенности. Чтобы обеспечить необходимую плотность записи лента должна двигаться мимо магнитной головки со скоростью порядка 160 дюймов/с (порядка 70 см/с). Чем быстрее достигается рабочая скорость движения ленты, тем меньше задержек при неизбежном старт-стопном движении ленты. Поэтому, чем более быстродействующий лентопротяжный механизм, тем больше механическая нагрузка на ленту и применение современных тонких лент AME в этом случае недопустимо.
Наклонно-строчная запись появилась позже, чем линейная. Поэтому с самого начала в основе были заложены более прогрессивные технологические решения. В результате те же объемы записываются на гораздо меньшей площади поверхности ленты. Преимущества устройств, построенных на базе наклонно-строчной записи в том, что сами устройства компактнее, картриджи меньше, используется более совершенная магнитная лента, позволяющая хранить больше данных более длительное время.
Запись и считывание информациисмагнитногодиска
Записи и считывания информации осуществляются с помощью магнитных головок плавающего типа. Они крепятся на рычагах, которые перемещаются по радиусу диска с помощью специального следящего привода.
Плотность записи – это количество элементов двоичной памяти на единицу длины носителя.
Плотность записи определяется величиной зазора между диском и магнитной головкой, а от стабильности зазора зависит качество записи (считывания). Для повышения плотности записи необходимо уменьшить зазор, однако при этом значительно повышаются требования к рабочей поверхности дисков. При малом зазоре и больших погрешностях в макро геометрии поверхности имеют место значительные колебания амплитуды сигнала воспроизведения. Для надежной работы накопителя на гибких магнитных дискахнеобходимо обеспечить шероховатость поверхности не более Ra=0,22 мкм и минимальные микрогеометрические отклонения. Торцевое биение диска при вращении с чистотой 30 об/с не должно превышать 0,3 мм, а удельная неплоскостность 0,7 мкм на длине 10 мм. Выполнение этих требований представляет значительные трудности.
Основными этапами технологического процесса изготовления магнитного диска являются получение заготовки, подготовка поверхности, терморихтование, токарная обработка, нанесения магнитного покрытия, уравновешивание, контроль.
Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы
Домены магнитных материалов используемых в продольной записи располагаются параллельно поверхности носителя. Этот эффект и используется при записи цифровых данных магнитным полем головки изменяющимся в соответствии с сигналом информации. Попытки увеличить поверхностную плотность записи путем уменьшения размеров частиц будут увеличивать отношение размера зоны неопределенности к размеру полезной зоны не в пользу последней и в конце концов неизбежно приведут к так называемому суперпарамагнитному эффекту когда частицы перейдут в однодоменное...
Технологии записи на магнитные диски
Продольная запись
Первые образцы жестких дисков, появившиеся в 70-х годах ХХ века, использовали технологию продольной записи информации. Для этого поверхность диска, так же, как и поверхность магнитной ленты, покрывалась слоем двуокиси хрома CrO 2 или оксидом железа, обеспечивающим продольную намагниченность регистрирующего слоя. Коэрцитивная сила такого носителя H c = 28 кА/м.
Технология нанесения оксидного слоя довольно сложная. Сначала на поверхность быстро вращающегося алюминиевого диска методом напыления наносится суспензия из смеси порошка оксида железа и расплавленного полимера. За счет действия центробежных сил она равномерно распределяется по поверхности диска от его центра к внешнему краю. После полимеризации раствора поверхность шлифуется, и на нее наносится еще один слой чистого полимера, обладающего достаточной прочностью и низким коэффициентом трения. Затем диск окончательно полируется. Диски накопителей такого типа имеют коричневый или желтый цвет.
Как известно, магнитные материалы имеют доменную структуру, т.е. состоят их отдельных микроскопических областей - доменов , внутри которых магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону. В результате каждый такой домен имеет достаточно большой суммарный магнитный момент. Домены магнитных материалов, используемых в продольной записи, располагаются параллельно поверхности носителя. Если на магнитный материал не воздействует внешнее магнитное поле, ориентация магнитных моментов отдельных доменов имеет хаотичный характер и любое их направление равновероятно. Если же такой материал поместить во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты доменов будут стремиться сориентироваться в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля. Этот эффект и используется при записи цифровых данных магнитным полем головки, изменяющимся в соответствии с сигналом информации.
Минимальным элементом (ячейкой) памяти магнитного регистрирующего слоя, способным хранить один бит информации, является не отдельный домен, а частица (область), состоящая из нескольких десятков доменов (70-100). Если направление суммарного магнитного момента такой частицы совпадает с направлением движения магнитной головки, то такое ее состояние можно сопоставить логическому «0» данных, если направления противоположны, логической «1».
Однако если соседние области имеют противоположное направление магнитных моментов, то домены, расположенные на границе между ними и соприкасающиеся одноименными полюсами, будут отталкиваться друг от друга и в конце концов изменят направления своих магнитных моментов каким-то непредсказуемым образом с тем чтобы принять энергетически более устойчивое положение. В результате на границе двух областей образуется зона неопределенности, уменьшающая размеры области, хранящей бит записанной информации и, соответственно, уровень полезного сигнала при считывании (рис. 5.6). Уровень шумов при этом, разумеется, увеличивается.
Попытки увеличить поверхностную плотность записи путем уменьшения размеров частиц будут увеличивать отношение размера зоны неопределенности к размеру полезной зоны не в пользу последней и, в конце концов, неизбежно приведут к так называемому суперпарамагнитному эффекту , когда частицы перейдут в однодоменное состояние и будут уже неспособны фиксировать записываемую информацию, поскольку соседние домены с противоположно направленными магнитными моментами будут изменять свою ориентацию сразу же после удаления магнитного поля записывающей головки. Материал регистрирующего слоя превратится в равномерно намагниченный по всему объему.
Таким образом, из-за наличия суперпарамагнетизма технология продольной записи, достигнув к середине первого десятилетия XXI века величины плотности записи в 120 Гбит на дюйм 2 , практически исчерпала свои возможности и уже не в состоянии обеспечивать существенное повышение емкости накопителей на жестких дисках. Это заставило разработчиков обратиться к другим технологиям, свободным от этого недостатка.
Перпендикулярная запись
Возможность перпендикулярной записи основана на том, что в тонких пленках, содержащих кобальт, платину и некоторые другие вещества, атомы этих веществ стремятся ориентироваться таким образом, что их магнитные оси оказываются перпендикулярными поверхности носителя. Домены, сформированные из таких атомов, также располагаются перпендикулярно поверхности носителя.
Сигнал в считывающей магнитной головке формируется только тогда, когда она пересекает силовые линии магнитного поля домена, т.е. в том месте, где эти силовые линии перпендикулярны поверхности носителя. У домена, расположенного параллельно поверхности носителя, силовые линии магнитного поля перпендикулярны поверхности только у его концов, там, где они выходят на поверхность (рис. 5.7,а). Когда головка перемещается параллельно домену и, следовательно, параллельно его силовым линиям сигнал в ней отсутствует. Уменьшать длину домена, стремясь повысить плотность записи, можно только до определенных пределов - пока не начнет сказываться суперпарамагнитный эффект. Если же домены располагаются перпендикулярно поверхности носителя, то силовые линии их магнитных полей всегда будут перпендикулярны поверхности и будут содержать в себе информацию (рис. 5.7,б). «Холостых» пробегов, обусловленных длиной домена, здесь уже не будет. Как не будет и суперпарамагнетизма, поскольку домены с противоположной намагниченностью не будут отталкиваться друг от друга. Очевидно, что плотность записи на носителе с перпендикулярной намагниченностью можно получить более высокую.
Диск, предназначенный для перпендикулярной записи, требует особой технологии изготовления. Основа пластины тщательно полируется, а затем методом вакуумного напыления на ее поверхность наносится выравнивающий слой фосфата никеля NiP толщиной порядка 10 мкм, который, во-первых, уменьшает шероховатость поверхности, во-вторых, увеличивает адгезию к последующим слоям (рис. 5.8).
Далее наносится слой магнитомягкого материала, обеспечивающий возможность считывания данных с регистрирующего слоя, и сам регистрирующий слой из материала с перпендикулярной ориентацией магнитных доменов. В качестве регистрирующего слоя может использоваться кобальт (Со), платина ( Pt ), палладий (Pd ), их сплавы друг с другом и с хромом ( Cr ), а также многослойные структуры, состоящие из тонких пленок этих металлов толщиной в несколько атомов.
Поверх регистрирующего слоя наносится защитная пленка из стеклокерамики, толщиной порядка сотых долей микрона.
Запись информации на регистрирующий слой с перпендикулярной намагниченностью имеет свои особенности. Для того чтобы обеспечить приемлемый уровень сигнала и обеспечить хорошее отношение сигнал/шум, силовые линии магнитного поля, формируемого головкой записи, должны, проходя через регистрирующий слой, вновь замыкаться на сердечник головки. Для этого и служит магнитомягкий подслой, расположенный ниже регистрирующего (рис. 5.9).
По предварительным прогнозам специалистов технология перпендикулярной записи позволит реализовать плотность записи до 500 Гбит/дюйм 2 . При этом емкость 3,5-дюймового накопителя составит 2 Тбайта, 2,5-дюймового - 640 Гбайт, 1-дюймового - 50 Гбайт. Однако это только предварительные прогнозы. Не исключено, что верхним пределом окажется величина в 1 Тбит/дюйм 2 и даже больше. Будущее покажет.
Перспективные технологии магнитной записи
Технология перпендикулярной записи в настоящее время находится в стадии активного развития и до предельных значений плотности записи здесь пока еще далеко. Однако этот момент когда-нибудь все-таки настанет. Может быть даже раньше, чем сейчас представляется. Поэтому исследования в направлении поиска новых высокоэффективных технологий магнитной записи ведутся уже сейчас.
Одной из таких технологий является термомагнитная запись HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) , т.е. запись с предварительным нагревом носителя. Этот метод предусматривает кратковременный (1 пикосекунда) нагрев участка носителя, на который производится запись, сфокусированным лучом лазера - так же, как в магнитооптической записи. Разница между технологиями проявляется в способе чтения информации с диска. В магнитооптических приводах информация считывается лучом лазера, работающего на меньшей, чем при записи, мощности, а при термомагнитной записи информация считывается магнитной головкой так же, как с обычного жесткого диска. Да и плотность записи здесь планируется получить гораздо более высокую, чем в магнитооптических форматах MD , CD - MO или DVD - MO - до 10 Тбит/дюйм 2 . Поэтому в качестве регистрирующей среды здесь необходимы иные материалы. Сейчас в качестве таких материалов рассматриваются различные соединения платины, кобальта, неодима, самария и некоторых других элементов: Fe 14 Nd 2 B, CoPt, FePt, Co 5 Sm и пр. Такие материалы очень дороги - как из-за дороговизны входящих в их состав редкоземельных элементов, так и из-за сложности и дороговизны технологического процесса по их получению и нанесению на поверхность основы предполагаемого носителя. Конструкция головки записи/считывания в технологии HAMR также предполагается совсем иная, чем в магнитооптической записи: лазер должен располагаться с той же стороны, что и магнитная головка, а не с противоположной, как в магнитооптических рекордерах (рис. 5.10). Нагрев предполагается производить до температуры порядка 100 градусов Цельсия, а не 180.
Еще одним перспективным направлением развития магнитной записи является использование в качестве регистрирующего слоя материалов, частицы в которых выстроены в четко структурированный доменный массив ( Bit Patterned Media ). При такой структуре каждый бит информации будет хранится всего в одной ячейке-домене, а не в массиве из 70-100 доменов (рис. 5.11).
Такой материал можно либо создать искусственно с помощью фотолитографии (рис. 5.12), либо найти сплав с подходящей самоорганизующейся структурой.
Первый метод вряд ли получит развитие, поскольку для получения материала, допускающего плотность записи хотя бы 1 Тбит/дюйм 2 , размер одной частицы должен составить максимум 12,5 нм. Ни существующая, ни планируемая в ближайшие 10 лет технология литографии этого не обеспечивает. Хотя есть довольно хитроумные решения, позволяющие не сбрасывать со счетов данный подход.
Поиск самоорганизующихся магнитных материалов (SOMA - Self-Ordered Magnetic Array ) весьма перспективное направление. Уже несколько лет специалисты компании Seagate указывают на особенности сплава FePt, выпариваемого в гексановом растворителе. Полученный материал имеет идеально ровную ячеистую структуру. Размер одной ячейки 2,4 нм. Если учесть, что каждый домен обладает высокой стабильностью, можно говорить о допустимой плотности записи на уровне 40-50 Тбит/дюйм 2 ! Похоже, это и есть окончательный предел записи на магнитные носители .
S
Зоны неопределенности
Рис. 5.6. Зоны неопределенности, возникающие при продольной записи
Сигнал есть
Сигнала нет
Рис. 5.7. Носители с параллельной (а)
и перпендикулярной (б) намагниченностью
Подслой из магнитомягкого материала
Основа диска (Al)
Выравнивающий слой ( NiP)
Регистрирующий слой с перпендикулярной намагниченностью
Защитный слой
Рис. 5.8. Структура жесткого диска с перпендикулярной
намагниченностью
Магнитотвердый регистрирующий слой
Магнитомягкий подслой
Рис. 5.9. Запись на материал с перпендикулярной
намагниченностью
Записывающий полюс
Возврат-ный полюс полюс
Рис. 5.10. Магнитооптическая головка HARM
Рис. 5.11. Микроструктура ВРМ: 1 - область, соответствующая одному биту информации при обычной записи; 2 - массив, границы которого совпадают с границами доменов; 3 - домен, который способен хранить один бит данных
Рис. 5.12. Регистрирующий слой, полученный с помощью фотолитографии
А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать |
|||
| 41835. | ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И СХЕМЫ | 238.57 KB | |
| Данная работа посвящена изучению простейших комбинационных логических устройств реализующих логические функции сложения умножения и отрицания. В результате функции отображающие информацию принимают в каждый момент времени только значения 0 или 1. Такие функции называют логическими а сигналы входные и выходные переменные двоичными бинарными. Рассматривая входные сигналы х1 х2 хп в качестве аргументов можно соответствующие выходные сигналы представлять в виде функции уi = fх0 х1 х2 хп с помощью... | |||
| 41836. | Изучение и анализ конструкций сцеплений транспортных автомобилей | 78.68 KB | |
| Контрольные вопросы дайте классификацию сцеплений назначение устройство и принцип работы фрикционного однодискового гидравлического и электромагнитного сцеплений конструктивные особенности различных видов сцеплений их преимущества и недостатки применяемые материалы для изготовления элементов и узлов сцеплений какие приводы используются для управления сцеплением опишите их устройство и дайте им характеристику опишите устройство и работу центробежного сцепления какие существуют способы передачи крутящего момента от маховика двигателя к... | |||
| 41837. | Разработка комплекта конструкторской документации на кодовый замок | 763 KB | |
| Наиболее интересными для обывателя являются, правда, другие замки, устанавливающиеся прямо в дверное полотно. Они имеют огромный плюс – им не нужна замочная скважина, а значит, сторонний наблюдатель просто не будет знать о его присутствии | |||
| 41838. | Система питания дизельных двигателей | 177.92 KB | |
| Николаева Лабораторная работа № 9 Система питания дизельного двигателя Сделал студент группы 2151 Гуськов К.Е Система питания дизельных двигателей Общая информация При работе дизельного двигателя в его цилиндры всасывается наружный воздух который сжимается до высокого давления. Система подачи воздуха Главными особенностями конструкции впускного воздушного тракта рассматриваемого в настоящем Руководстве дизельного двигателя являются использование в нем турбокомпрессора приводимого во вращение потоком отработавших газов и отсутствие... | |||
| 41839. | Создание отчетов и экранных форм в среде MS Access | 171.48 KB | |
| Вид отчета представлен на Рисунке 1.01 Идентификационный код Фамилия Имя Отчество Телефон Группа фамилий начинающихся на букву А 1545678990 Архипов Сергей Иванович нет Количество в группе 1 Группа фамилий начинающихся на букву Б 2314743296 Бородулин Андрей Васильевич 271412 1955443781 Безродный Владимир Михайлович 323214 2055894321 Бронзов Станислав Иванович 231070 Количество в группе 3 Группа фамилий начинающихся на букву К... | |||
| 41840. | Исследование конструкции системы отопления пассажирского вагона | 588.5 KB | |
| Цель занятия: Исследовать конструкцию основных элементов системы отопления пассажирского вагона. Котел системы отопления. Схемы систем отопления. | |||
| 41841. | Поиск информации в сети Internet | 344.59 KB | |
| В дополнение к этому существует ряд альтернативных средств поиска способных вам пригодиться включая утилиты которые работая совместно с браузером добывают информацию из Web и так называемые экспертные узлы где с вашими запросами работают живые люди. Поисковые машины и каталоги При всем изобилии методов поиска в Internet наиболее распространенными средствами нахождения информации попрежнему остаются поисковые машины и каталоги. Поисковые машины это комплекс специальных программ для поиска в сети. Хранит ссылки на страницы словарь... | |||
| 41842. | Основные характеристики и испытание интегральных преобразователей кодов (дешифратора, шифратора, демультиплексора и мультиплексора) | 457.22 KB | |
| На одном из m выходов дешифратора появляется логическая 1 а именно на том номер которого соответствует поданному на вход двоичному коду. На всех остальных выходах дешифратора выходные сигналы равны нулю. Условное изображение дешифратора 4х16 читаемого четыре в шестнадцать на схемах дано на рис. | |||
| 41843. | Изучение и анализ конструкций коробок передач транспортных автомобилей | 81.94 KB | |
| Контрольные вопросы дайте классификацию коробкам передач назначение устройство и принцип работы двух и трехвальной механической коробки передач устройство и работа гидромеханической коробки передач конструктивные особенности различных видов коробок передач их преимущества и недостатки применяемые материалы для изготовления элементов и узлов коробок передач назначение устройство и работа синхронизаторов автомобилей ВАЗ и ЗиЛ каким образом предотвращают произвольное выключение передач каким образом предотвращают... | |||
Запись информации на магнитные носители происходит по концентрическим дорожкам. Дорожки разбиты на секторы (512 байт для дискеты). Обмен данными между НМД и оперативной памятью осуществляется последовательно секторами (кластерами).
Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, номер цилиндра (номер дорожки) и номер сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска.
На каждом диске можно выделить две области: системную и данных .
I. Системная область диска состоит из трех участков:
1. Главная загрузочная запись (MBR – Master Boot Record), самый первый сектор диска, в котором описывается структура диска: какой раздел (логический диск) является системным, сколько разделов на этом диске, какого они объема;
2. Таблица размещения файлов (FAT – File Allocation Table). Количество ячеек FAT соответствует количеству кластеров на диске (они нумеруются от 2 до N+1, где N – полное число кластеров на диске). Значениями ячеек является шестнадцатеричный код, по которому можно судить состояние кластера: либо он дефектный (код FFF1-FFF7), либо он свободен (0000), либо используется файлом (код соответствует номеру кластера, где продолжается текущий файл 0002-FFF0), либо содержит последнюю часть файла (FFF8-FFFF).
3. Корневой каталог диска – список файлов и подкаталогов с их параметрами.
II. В области данных расположены подкаталоги и сами данные. На жестком диске системная область создается на каждом логическом диске.
На жестком диске кластер является минимально адресуемым элементом. Размер кластера, в отличие от размера сектора, строго не фиксирован (от 512 байт до 64 Кбайт). Обычно он зависит от типа используемой файловой системы и от емкости диска. Кластеры нумеруются в линейной последовательности (от первого кластера нулевой дорожки до последнего кластера последней дорожки).
Физически, кластеры, выделяемые одному файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.
Например, Файл_1 может занимать кластеры 34, 35 и 47, 48, а Файл_2 - кластеры 36 и 49.
Например, для двух рассмотренных выше файлов таблица FAT с 1-й по 54-ю ячейку принимает следующий вид:
Цепочка размещения для файла Файл_1 выглядит следующим образом: в начальной 34-й ячейке FAT хранится адрес следующего кластера (35), соответственно, в следующей 35-й ячейке хранится 47, в 47-й - 48, в 48-й - знак конца файла (К).
Операционные системы MS-DOS, OS/2, Windows 95 и другие используют файловую систему на основе таблиц размещения файлов (FAT-таблицы File Allocation Table ), состоящих из 16-разрядных полей. Такая файловая система называется FAT16. Она позволяет разместить в FAT-таблицах не более 65 536 записей (2 16) о местоположении единиц хранения данных. Для дисков объемом от 1 до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайт (64 сектора). Это не вполне рациональный расход рабочего пространства, поскольку любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует весь кластер, которому соответствует только одна адресная запись в таблице размещения файлов. Даже если файл достаточно велик и располагается в нескольких кластерах, все равно в его конце образуется некий остаток, нерационально расходующий целый кластер.
Начиная с Windows 98 операционные системы семейства Windows (Windows 98, Windows Me, Windows 2000, Windows XP) поддерживают более совершенную версию файловой системы на основе FAT-таблиц - FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов. Для дисков размером до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайт (8 секторов).
Операционные системы Windows NT и Windows ХР способны поддерживать совершенно другую файловую систему - NTFS. В ней хранение файлов организовано иначе - служебная информация хранится в Главной таблице файлов (MFT). В системе NTFS размер кластера не зависит от размера диска, и, потенциально, для очень больших дисков эта система должна работать эффективнее, чем FAT32. Однако с учетом типичных характеристик современных компьютеров можно говорить о том, что в настоящее время эффективность FAT32 и NTFS примерно одинакова.
1. Что такое жесткий диск?
Жесткий диск (часто называемый винчестером) – устройство, предназначенное для длительного хранения информации. В отличие от оперативной памяти (ОЗУ или RAM ), теряющей информацию при отключении питания, жесткий диск хранит информацию постоянно. Жесткий диск чаще всего имеет объем больше, чем оперативная память.
1.1. Основные компоненты и принцип работы жесткого диска
Жесткий диск состоит из гермоблока и платы с электронными элементами. На платеразмещена вся управляющая электроника, за исключением предусилителя, размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от головок. В гермоблокеразмещенывсе механические части: пластины (диски), шпиндель (ось), магнитные головки чтения/записи, двигатель.
Пластины имеют форму диска и изготавливаются из металла (чаще всего используется алюминий), керамики или стекла. Обе стороны каждой пластины покрыты тонким слоем намагничивающегося материала. В последнее время для этогоиспользуется оксид хрома, который имеет большую износостойкость, чем покрытие наоснове оксида железа, используемого в ранних моделях. Количество пластин определяет физический объем накопителя.
Пластины установлены на центральной оси или шпинделе. Шпиндель вращает все пластины с одинаковой скоростью.
С левой илиправой стороны отшпинделя, находится поворотный позиционер , несколько напоминающий по виду башенный кран: с одной стороны оси находятся обращенные кдискамтонкие,длинныеи легкие несущиемагнитных головок , а с другой -короткий и более массивный хвостовиксобмоткой электромагнитного привода. На каждую пластину приходится по два коромысла, расположенные с разных сторон. Таким образом, каждой стороне каждой пластины соответствует одна головка чтения/записи.
Чем меньше головка и чем ниже она парит над поверхностью диска, тем меньшие магнитные области она может записывать, и, следовательно, тем больше данных можно записать на диск. Головка чтения/записи напоминает подковообразный магнит, так как она образована противоположными полюсами магнита, обращенными друг к другу через узкий промежуток. Этот промежуток делается исключительно узким, чтобы лишь очень малые области поверхности диска испытывали влияние поля в любой момент вращения, что ведет к увеличению плотности записи.
При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией пластин. Такое движение совместно с вращением пластины позволяет головкам получить доступ ко всей поверхности пластины.Угол между осями позиционера и шпинделяи расстояние от оси позиционера до головок подобраны так, чтобыось головки при поворотах как можно меньше отклонялась от касательной к дорожке.
В более ранних моделях коромысло было закреплено наоси шагового двигателя,ирасстояние между дорожками определялось величиной шага.В современных моделяхиспользуются соленоидные позиционеры с линейным двигателем, который не имееткакой-либо дискретности, а установка на дорожку производится по сигналам, записанным напластинах,чтодаетзначительное увеличение точности привода и плотности записи на дисках.
Обмотку позиционера окружает статор,представляющийсобой постоянный магнит. При подаче вобмоткутока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением. Динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливатьпозиционерв любое положение. Такая система приводаполучила названиеVoiceCoil (звуковая катушка) - поаналогиисдиффузором громкоговорителя. Когда позиционер с шаговым мотором переводит головки на большое расстояние, он продвигает их шагами от дорожки к дорожке. Напротив, соленоидным системам достаточно один раз изменить значение магнитного поля, и головки перемещаются прямо по назначению. Это свойство позволяет соленоидным системам работать значительно быстрее систем с шаговым мотором.
Нахвостовикеобычно расположена так называемая магнитная защелка- маленький постоянныймагнит, который при крайнем внутреннем положении головок (landing zone-посадочная зона) притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло в этомположении.Этотакназываемое парковочное положение головок,которыепри этом лежат на поверхности диска, соприкасаясьс нею. В некоторых моделях для фиксации позиционера предусмотрен специальный электромагнит, якорь которого в свободном положении блокирует движениекоромысла. В посадочной зоне дисков информация не записывается.
Двигатель , вращающий диски, расположен под дисками или встроен в шпиндель. При включении питания, процессор жесткого диска выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической скорости вращения дисков плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту от долей до единиц микрон над поверхностями пластин – головки “всплывают”. С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки держатся на воздушной подушке, не касаясь поверхностей дисков.
После достижения дисками скорости вращения, близкой к номинальной, головки выводятся из зоны парковки, и начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения. Затем выполняется считывание информации из служебной зоны (в частности, таблицы переназначения дефектных участков). В завершение инициализации выполняется тестирование позиционера путем перебора заданной последовательности дорожек. Если тестирование прошло успешно, процессор выставляет на интерфейс признак готовности и переходит в режим работы по интерфейсу.
Во время работыпостоянно работает система слежения за положением головки на диске:изнепрерывно считываемого сигнала выделяется сигнал рассогласования, которыйподается в схему обратной связи, управляющую током обмотки позиционера.Врезультате отклонения головки от центра дорожки в обмотке возникает сигнал, стремящийся вернуть ее на место.
При отключении питания процессор, используя энергию, оставшуюся в конденсаторах платы, либо извлекая энергию из обмоток двигателя, который при этом работает как генератор, выдает команду на установку позиционера в парковочное положение. В некоторых жестких дисках этому способствует помещенное между дисками подпружиненное коромысло, постоянно испытывающее давление воздуха. При ослаблении воздушного потока коромысло дополнительно толкает позиционер в парковочное положение, где тот фиксируется защелкой.
Гермоблок заполнен обычным обеспыленным воздухом под атмосферным давлением. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока и постоянно очищается фильтром, установленным на однойиз его сторон. В крышках гермоблоков некоторых жестких дисков специально делаются небольшие отверстия, заклеенныетонкойпленкой, которые служат для выравнивания давления внутрии снаружи. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром.
Внутригермоблока также размещенпредусилитель сигнала, снятого с головок, и их коммутатор. Позиционер соединенс платой предусилителя гибким ленточным кабелем, однако в отдельных винчестерах (в частности - некоторыемодели Maxtor AV) питание обмотки подведено отдельными одножильнымипроводами, которые имеют тенденцию ломаться при активной работе.
У однихмоделейвинчестеровосишпинделяи позиционера закреплены только в одном месте -накорпусе винчестера, у других онидополнительно крепятся винтамик крышке гермоблока. Вторые модели более чувствительны к микродеформации при креплении - достаточно сильной затяжки крепежных винтов, чтобы возникнедопустимыйперекососей. В ряде случаев такой перекос может стать труднообратимым или необратимым совсем.
Плата электроники - съемная, подключается кгермоблоку через один-два разъема различной конструкции. На плате расположены основной процессор винчестера, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) с программой, рабочее ОЗУ, которое обычно используется и в качестве дискового буфера (буфер нужен для согласования скоростей потоков данных на уровне чтения/записи и внешнего интерфейса, его часто ошибочно называют кэшем), цифровой сигнальный процессор (DSP) для подготовки записываемых и обработки считанных сигналов, и интерфейсная логика. На одних винчестерах программа процессора полностью хранится в ПЗУ, на других определенная ее часть записана в служебной области диска. На диске такжемогутбыть записаны параметры накопителя (модель, серийный номер, секторы конфигурации, таблицы дефектов, и т.д.). Некоторыевинчестеры хранят эту информацию в электрически перепрограммируемом ПЗУ (EEPROM).
Многие винчестеры имеют на плате электроники специальный технологический интерфейс с разъемом, через который при помощи стендового оборудования можно выполнять различные сервисныеоперацииснакопителем - тестирование, форматирование, переназначение дефектных участков и т.п.
Жесткий диск посредством шлейфа (40 или 80 жил) соединяется с материнской платой или отдельным контроллером.
1.2. Хранение, запись и чтение данных
Поверхность жесткого диска содержит намагниченные частицы металла. Каждая частица имеет северный и южный полюс. Головка чтения-записи может прикладывать магнитное поле к небольшой группе этих частиц, изменяя их полярность так, что север становится югом и наоборот. Минимальная площадь поверхности диска, которая может сохранять такие изменения магнитного потока, называется магнитным доменом . В то время как диск вращается под головкой, она все время меняет полярность магнитного поля, создавая последовательность изменений полярности на диске.
Данные на жестком диске записываются в виде последовательности двоичных (бинарных) битов (бит – цифра двоичной системы счисления, т.е. “0” или “1”). Каждый бит хранится как магнитный заряд (положительный или отрицательный) на магнитном слое пластины. При записи информации, данные посылаются к жесткому диску в виде последовательности битов. После получения диском данных, используются головки для магнитной записи. В этот момент головка генерирует поток магнитных импульсов, кодирующих данные на поверхности диска. Изменение полярности отвечает значению “1”, а отсутствие изменения – значению “0”. Информация не обязательно хранятся последовательно; например, данные одного файла могут быть записаны в разные местана разных пластинах.
Когда компьютер запрашивает данные, хранящиеся на диске, пластины начинают вращаться, а головки – двигаться, пока не будет найдена область с запрашиваемой информацией. Головка пассивно "парит" над поверхностью диска, и, когда микроскопические магниты, образующие магнитные домены, проходят под ней, они влияют на магнитное поле головки. Электроника дисковода многократно усиливает эти слабые возмущения, превращая их в последовательности нулей и единиц, которые затем поступают в микросхемы памяти компьютера.
Может показаться,что набор из восьми "1" и "0",составляющийодин байт данных, просто записывается в виде восьми последовательных магнитных доменов вдоль дорожкидиска. Это довольно далеко отистинногоположения дел. Слишкоммногоданных пакуется в малуюо6ласть, и если бы в данные не была добавлена дополнительная информация,то существовала бы слишком большая вероятность ошибки. Электроника контроллера должнавыполнить сложную работу. Как контроллеру узнать, какая часть диска проходит подголовками? Ведь если оношибется хотя быв позиции одного магнитного домена, то это может привести к непредсказуемым последствиям.
Ответ заключается в том, чтоконтроллер ориентируется наначало секторов, читаяспециальную информацию, записанную при форматировании диска.Но,когда головка летит над данными сектора, контроллер должен уследить за тысячами доменов, пока онвновь не встретит форматную информацию.Если изменения магнитногопотока носилирегулярный характер,контроллер мог бы легко отслеживать положение головки чтения-записи. Но сектор может быть заполнен нулями,при этом тысячимагнитных доменовпронесутсябезединого изменения магнитного потока, и о6язательно произойдет сбой. Поэтой причине данные должны быть закодированы так, чтобы не встречалось подряд слишком много нулей (отсутствие изменения магнитного потока).
Висходномметодечастотной модуляции (ЧМ) каждый второй магнитный домен отводился под синхроимпульс.Пропадалаполовина дисковогопространства.Потом возникла идея кодировать изменения магнитного потока по отношению кпредыдущемубиту.Врезультатеполучилсяметод модифицированной частотной модуляции (МЧМ).МЧМнетолькоизбавляет от бита синхроимпульса,но и упаковывает на диске вдвое больше данных, чем при ЧМ-кодировании. Существует также кодирование с ограниченным числом повторов (RLL - run length limited). Кодирование с ограниченным числом повторовпереводит данные вспециальные кодовыепоследовательности. Эти коды выбраны за определенные численные характеристики, в особенности за возможное количествовстречающихсяподряднулей.За этим стоит весьма сложная логика, норезультат оченьпрост: на диск удаетсяупаковатьбольшеданных.
2. Что такое форматирование?
Компьютер должен иметь возможность быстро получить доступ к нужной информации. Однако даже самые маленькие диски могут хранить миллионы и миллионы битов. Каким образом компьютер знает где искать необходимые данные? Для решения этой проблемы диск разбивается на части, позволяя проще найти информацию. Базовая форма организации диска называется форматированием . Форматирование подготавливает жесткий диск для чтения и записи данных. Существуют два типа форматирования: физический и логический .
2.1. Физическое форматирование
Жесткий диск перед логическим форматированием должен быть отформатирован физически.Ранние модели винчестеров, как и гибкие диски, изготовлялись с чистыми магнитнымиповерхностями;первоначальнаяразметка(физическое или низкоуровневое форматирование) производилась потребителем поегоусмотрению, и могла быть выполнена любое количество раз. Для современных моделейразметка производится в процессе изготовления;при этом на диски записывается сервоинформация - специальныеметки,необходимые для стабилизации скорости вращения, поиска секторов и слежениязаположением головок на поверхностях. Специальные датчики на головке чтения/записи следят за этими метками; когда они фиксируют сильное изменение поля, контроллер знает, что головка уходит от центра дорожки и изменяет соответст вующим образом величину тока в соленоиде.
Раньше часто для записи сервоинформации использовалась отдельная сервоповерхность (DSS - dedicated servo surface, dedicated - выделенная), при этом целая сторона одной из пластин отдается под серводанные. По этой поверхности настраивались головки всех остальныхповерхностей. Такая систематребовалавысокойжесткости крепления головок, чтобы между ними не возникало расхождений после начальной разметки. Сейчас сервоинформация записывается в промежутках между секторами (embedd ed - встроенная), что позволяет снятьограничениена жесткость подвижной системы. В некоторых моделях применяется комбинированная система слежения - встроенная сервоинформация всочетаниисвыделеннойповерхностью;приэтом грубая настройка выполняется по выделеннойповерхности, а точная - по встроенным меткам.
Поскольку сервоинформация представляет собой опорнуюразметку диска, контроллер винчестера не в состоянии самостоятельновосстановить ее в случае порчи. При программном форматировании такого винчестера возможна только перезапись заголовков и контрольных сумм секторов данных.
При начальной разметке и тестировании современного винчестера на заводе почти всегда обнаруживаются дефектные сектора,которые заносятся в специальную таблицу переназначения. При обычной работе контроллер жесткого диска подменяетэти сектора резервными, которые специально оставляются дляэтой цели на каждойдорожке, группе дорожекили выделенной зоне диска. Благодаря этому новый винчестерсоздает видимость полного отсутствия дефектов поверхности, хотя на самомделеониестьпочти всегда.
Физическое форматирование подразделяет пластины жесткого диска на базовые элементы: дорожки, сектора и цилиндры. По этим элементам определяются адреса, по которым данные читаются и записываются физически.
Каждая сторона пластины разбита на концентрические дорожки . Дорожки идентифицированы числами, начиная с нулевой дорожки на внешней стороне пластины.
Дорожки делятся на сектора , используемые для хранения фиксированного количества данных. Сектора обычно содержат 528 байт информации. 16 байт отводится для служебной информации (адресная информация и контрольная сумма), а остальные 512 байт – для данных. Количество секторов в дорожке не фиксировано из-за разных радиусов и методов записи. Так как физический радиус дорожки варьируется от самого меньшего радиуса внутренней дорожки к наибольшему радиусу внешней, нулевой дорожки, то число секторов в дорожке постепенно повышаетсяот меньших, внутренних дорожек к большим, внешним дорожкам. Однако, это изменение не линейное.
Дорожки на равном расстоянии от центра на всех поверхностях пластин объединяются в цилиндры . Например, третьи дорожки каждой стороны каждой пластины расположены на одном расстоянии от шпинделя. Если представить все эти дорожки соединенными вертикально, то их объединение примет форму цилиндра.
Зоны – группы цилиндров, каждые с одним и тем же количеством дорожек, которые в свою очередь, имеют одинаковое количество секторов. Чтобы минимизировать потери, количество зон, установленных на диске может быть 10 и более.
Таким образом, для доступа к определенному сектору нужно:
1) отвести головки на нужное расстояние от центра, то есть позиционировать на определенный цилиндр;
2) начать просмотр дорожки на нужной пластине, активировав соответствующую головку;
3) производить чтение всей информации до появления заголовка сектора, номер которого (номер содержится в этом заголовке) совпадает с нужным для операции чтения или записи.
В соответствии с такой схемой нахождения необходимой информации на жестком диске такой метод адресации называется CHS-адресацией (Cylinder-Head-Sector). Стороны и головки, нумеруются с 0. Нумерация дорожек такженачинается с 0.Соответственно цилиндр 0 состоит из самых внешних дорожек всехпластин. Какнистранно,нумерация секторов начинается с 1.
Компьютерные аппаратные средства и программное обеспечение часто работают с цилиндрами. Если данные записаны на диск в одном цилиндре, то они могут быть доступны без передвижения головок чтения/записи. А движения головок медленные, по отношению к вращению диска и переключению между головками. Поэтому хранение информации по цилиндрам значительно увеличивает производительность.
Важным понятием является плотность цилиндра . Плотность цилиндра говорит о числе секторов, содержащихся в цилиндре. Она равна числу секторов на дорожке, умноженному на число сторон пластин. Диски с высокой плотностью цилиндра предпочтительнее, поскольку они могут уместить большой файл на меньшем числе цилиндров. При этом при чтении файла понадобится меньше перемещений головок и дисковод будет работать быстрее. Фирмы-производители увеличивают плотность цилиндра, создавая дисководы с большим числом пластин или используя покрытие и электронику, позволяющие достичь больших плотностей данных, что дает большее число секторов на дорожку.
После физического форматирования жесткого диска, магнитные свойства поверхности пластин могут постепенно ухудшаться. В результате чего, становится все сложней и сложней считывать данные с пораженных областей и записывать данные на пораженные области. Сектора, которые не могут больше использоваться для хранения информации, называются сбойными (bad sectors ).
Пораженные области могут образовываться и в других случаях. Сильные вибрации или сбой механики могут вызвать удар головки чтения/записи об оксидное покрытие и оставить на нем углубление. Импульс вращающихся пластин делает это столкновение весьма энергичным. В месте удара головки данные уже не могут быть записаны, а если это место содержало данные, они оказываются потерянными. Но что еще хуже, частицы магнитного материала при ударе освобождаются и получают возможность свободно блуждать внутри дисковода. Эти частицы могут быть много больше, чем зазор между головками и поверхностями пластин; задев такую частицу, головка подлетит вверх и, упав обратно, разрушит новую порцию данных. Иногда частицы прилипают к головке и нарушают ее магнитное поле.
Большинство современных компьютеров могут определять сбойные сектора. Такие сектора просто помечаются и больше не используются.
2.2. Логическое форматирование
После физического форматирования, жесткий диск должен быть отформатирован логически. Логическое форматирование устанавливает файловую систему на диске, позволяя операционным системам (таким как DOS , OS /2, Windows , Linux ) использовать доступное дисковое пространство для хранения данных и доступа к ним. Различные операционные системы используют различные файловые системы, поэтому тип логического форматирования зависит от операционной системы, которую планируется установить.
3. Гибкий диск
Гибкиедиски работают на том же принципе,что и жесткие,но их устройство несколько иное.Головки чтения-записи слегка прижимаютсяк поверхности диска при закрытии дверцы дисковода. Покрытие диска делается толстым,чтобы противостоять трению головок и предохранительного конверта. Так как гибкие диски являются гибкими, они подвержены деформации; размеры диска постоянно меняются с температурой и влажностью. А поскольку дискеты устанавливаются в дисководе на тонкой ступице, они теряютточнуюцентровку.По этим причинам положения дорожек не определены с такой точностью,как на жестком диске. В дисководах гибких дисков используются позиционеры головок с шаговым двигателем, который не следит за положением дорожек, а просто передвигает головку в место предполагаемого нахождения дорожки.Для преодоления этих недостатков на дискете размещают гораздоменьшедорожек,а ширина дорожки больше.
Почему у гибких дисков не бывает аварии головок?На самом деле гибкие диски как бы находятсявпостоянно аварийном состоянии,так как при их вращении головки все время лежат на поверхности.Но аварияподразумевает приложениебольшого усилия к малому участку поверхности диска, а конструкция дисковода гибких дисков исключает это. Дискета вращается медленно, головки имеют большой размер, а сама дискета гибкая. При воздействии на дисковод усилие, передаваемое головке, не увеличивается за счет вращения дискеты; оно приходится на большую площадь, да и сама дискета подается под ударом головки. В результатепрактически нет повреждения.Хотя аварий дискет и не бывает, они все же подвержены износу от трения головки и предохранительного конверта, В котором находится дискета. Вот почему гибкиедискиненаходятсяпостоянновсостояниивращения.
Как и жесткие диски, гибкие получают основной выигрыш в емкости не от упаковки большегоколичестваданныхна дорожку, а от упаковки большего числа дорожек на дискету. Как это ни парадоксально, чем меньше дискета, тем выше плотность дорожек. Уменьшение диаметра означает уменьшение деформаций дискеты. Втулка в жестком пластиковом конверте может точнее отцентрироватьдискету.Сам конверт делает дискету более плоской при вращении, так что она сильно не отклоняется от головок.
Подводя итог,можно сказать, что основой вторичной памяти остаются жесткие диски. Они работают все быстрее и быстрее и вмещают все больше и больше данных. И в них появляются много приспособлений,увеличивающих их надежность и производительность.К сожалению,они по-прежнему представляют угрозу целостности данных. Так как жесткие диски еще долго будут с нами, вы поступите разумно, хорошенько в нихразобравшись.