1Аппаратные средства ЭВМ. 4 (стр. 15 из 43)
За редким исключением, практически все IBM PC-совместимые компьютеры имеют в своем составе хотя бы один накопитель на жестких несменных дисках, иначе называемый винчестером. История появления этого устройства такова: В 1973 году на фирме IBM по новой технологии был разработан первый жесткий диск, который мог хранить до 16 Кбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров (дорожек), каждая из которых была разбита на 30 секторов, то поначалу ему присвоили незамысловатое название — 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, такие жесткие диски получили прозвище "винчестер".
Итак, накопитель содержит один или несколько дисков (platters), то есть это носитель, который смонтирован на оси-шпинделе, приводимом в движение специальным двигателем (часть привода)(рис. 13). Скорость вращения двигателя для обычных моделей составляет около 5400 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 физически просто разрушиться. Тем не менее, в современных моделях винчестеров скорость вращения достигает уже 5400, 7200, 10 000 и даже 15 000 об/мин.
Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины, на которые нанесен специальный магнитный слой (покрытие). Надо отметить, что за последние годы технология изготовления этих деталей ушла далеко вперед.
 |
| Рис. 9 Жесткий диск |
Количество дисков может быть различным — от одного до пяти и выше, число рабочих поверхностей при этом соответственно в два 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 (рис.9).
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) (рис.10). Это и есть
 |
вращающийся позиционер головок (head actuator). Существуют также линейные позиционеры, по принципу движения, напоминающие тангенсальные тонармы.
Заметим, что в современных винчестерах головки
| Рис. 10 Позиционер |
как бы "летят" на расстоянии доли микрона (обычно около 0,13 мкм) от поверхности дисков, разумеется, не касаясь их. Кстати, в жестких дисках выпуска 1980 года это расстояние составляло 1,4 мкм, в перспективных же моделях ожидается его уменьшение до 0,005 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 соленоидными. К их преимуществам можно отнести относительно высокую скорость перемещения, практическую нечувствительность к изменениям температуры и положениям привода. Кроме того, при использовании соленоидных двигателей реализуется автоматическая парковка головок записи-чтения при отключении питания винчестера. В отличие от накопителей с шаговым двигателем не требуется периодическое переформатирование поверхности носителя.
Кроме выщеперечисленного, внутри любого винчестера находится печатная плата с электронными компонентами, которые необходимы для нормального функционирования устройства привода. Так, 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).
 |
| Рис. 11 |
Непременными компонентами большинства винчестеров являются специальные внутренние фильтры. По понятным причинам, большое значение для работы жесткого диска имеет чистота окружающего воздуха, поскольку грязь или пыль могут вызвать соударение головки с диском; что однозначно приведет к выходу его из строя (рис. 11). Габаритные размеры современных винчестеров характеризуются так называемым форм-фактором. Как правило, форм-фактор указывает горизонтальный и вертикальный размеры винчестера. В настоящее время горизонтальный размер жесткого диска может быть определен одним из следующих значений:. 1,8; 2,5; 3,5 дюйма (действительный размер корпуса винчестера, разумеется, 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 дюйма (82,5 мм), "половинной" — 1,63 дюйма и "низкопрофильные" — около 1 дюйма. Необходимо помнить, что для установки привода, имеющего меньший форм-фактор, чем монтажный отсек в системном блоке, придется использовать специальные крепления.
1.10.3 Методы хранения информации
Для начала вспомним некоторые основы магнитной записи. Цифровая информация (в виде нулей и единиц) преобразуется в переменный электрический ток, который, как известно, сопровождается переменным магнитным полем, и уже этот переменный ток подается на магнитную головку записи-чтения. Поскольку магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей спонтанной намагниченности (доменов), то под воздействием внешнего магнитного поля, создаваемого головкой, собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После снятия внешнего поля на поверхности дисков в результате записи информации остаются зоны остаточной намагниченности в форме концентрических окружностей — это и есть магнитные дорожки. Совокупность таких дорожек, расположенных друг над другом на всех рабочих поверхностях дисков, называют цилиндром.- Все концентрические дорожки разбиты на дуги — так называемые сектора, причем сектор является одной из основных единиц записи информации на жесткий диск.
Понятно, что производители винчестеров заинтересованы в размещении как можно большего числа битов на одной дорожке. Здесь им на помощь приходят различные методы кодирования и записи данных. Наиболее распространенным когда то был способ магнитной записи — модифицированной частотной модуляции (MFM, Modified Frequency Modulation). В соответствии с ним в простейшем случае каждому изменению знака намагниченности на противоположный присваивалось значение бита данных. Другие методы записи, использующие так называемое групповое RLL-кодирование (Run Length Limited), оказались более эффективными по плотности записи и в настоящее время практически вытеснили метод MFM.
Все дорожки магнитного диска на внешних цилиндрах больше, чем на внутренних. Соответственно, при одинаковом количестве секторов на каждой из них плотность записи на внутренних дорожках должна быть больше, чем на внешних. Этот процесс называется прекомпенсацией. В современных винчестерах стал использоваться метод зонно-секционной записи, когда все пространство диска делится на несколько зон, причем во внешних зонах секторов размещается больше, чем во внутренних;. Это, в частности, позволило увеличить емкость жестких дисков примерно на 30%.
В современных винчестерах существует несколько алгоритмов для автоматического замещения дефектных секторов, появляющихся в процессе эксплуатации диска. Один из них заключается в том, что на каждом цилиндре имеется несколько резервных секторов и для каждой зоны — несколько запасных цилиндров. В этом случае сбойный сектор или дорожка могут заменяться на резервные путем переадресации, то есть записи в служебные поля адреса свободного сектора или дорожки. Второй метод использует создание специальной таблицы перекодировки. В этом случае обращения к сбойным секторам вообще не происходит, так как они исключаются из поля доступных секторов диска.
В некоторых винчестерах информация о заголовках секторов (ID или Header) хранится не на поверхности диска, а в специальной полупроводниковой памяти. Благодаря этому повышается полезная емкость диска и, кроме того, по утверждению фирмы IBM (которая и является автором этого нововведения), увеличивается скорость обмена данными и уменьшается время доступа.
1.10.4 Важные параметры
Помимо своих геометрических размеров (форм-фактора) винчестеры да и практически все накопители характеризуются такими параметрами, как емкость, среднее время доступа к данным, скорость передачи данных, среднее время безотказной работы.
Емкость винчестера может указываться как до, так и после форматирования. В последнем случае она, разумеется, несколько меньше. Измеряется емкость в мегабайтах.
Среднее время доступа определяет временной интервал, в течение которого накопитель находит требуемые данные. Это время обычно представляет собой сумму времени, необходимого для позиционирования головок на нужную дорожку и ожидания требуемого сектора. Как правило, эти параметры называют временем поиска и временем латентности. Измеряется данная величина в миллисекундах. Заметим, что среднее время доступа только примерно отражает действительное быстродействие накопителя при работе с тем или иным программным приложением.