Лекция 1-04

-1Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
Лекция 1-04
1.3.9. Внутренняя память компьютера
1.3.10. Типы внутренней памяти
1.3.11. Устройства внешней памяти
1.3.12. Процессы магнитной записи и воспроизведения
1.3.13. Гибкие диски и дисководы гибких дисков
1.3.14. Дисководы жестких магнитных дисков
1.3.15. Интерфейсы внешней памяти
1.3.16. Характеристики дисководов на жестком диске
1.3.17. Дисководы со сменными дисками большой емкости
1.3.18. Магнитооптические дисководы
1.3.9. Внутренняя память компьютера
К внутренней памяти компьютера обычно относят оперативную память, внешнюю
кэш-память, кэш-память первого и второго уровней, а также память, в которой
размещается BIOS (ROM BIOS).
Внутренняя память компьютера состоит из ячеек. Объем ячейки памяти
принимается обычно равным одному байту. Каждой ячейке памяти присваивается свой
адрес или номер.
Ячейки памяти организованы в матрицу, состоящую из строк и столбцов. Полный
адрес ячейки данных включает два компонента – адрес строки (row address) и адрес
столбца (column address).
Когда центральный процессор или устройство, использующее канал DMA,
обращается к памяти для чтения данных, выполняется следующая последовательность
операций:
 на вход памяти поступает сигнал вывода данных (Output Enabled);
 адрес ячейки поступает по адресным линиям на дешифратор памяти, который
преобразует поступивший набор нулей и единиц в номер строки и номер столбца;
 на вход памяти поступает адрес строки;
 данные, с помощью внутренней шины, общей для каждого столбца памяти,
считываются со всей выбранной строки запоминающих элементов одновременно, и
помещаются в буфер ввода/вывода памяти;
 с незначительной задержкой на вход памяти подается адрес столбца;
 данные для заданного столбца выбираются из буфера ввода/вывода и поступают
на выход памяти.
При считывании данных из ячеек памяти происходит ее разрушение, поэтому
производится перезапись считанных данных: выходы буфера ввода/вывода снова
соединяются с общими шинами столбцов памяти, чтобы перезаписать считанную
информацию из строки. Если ячейка имела заряд, то она снова будет заряжена еще до
завершения цикла чтения. На ячейки, которые не имели заряда, напряжение не подается.
Если производится запись в память, то, после поступления сигнала записи (Write
Enable), выполняется перезапись данных, по заданному адресу столбца и строки, но
данные берутся не из буфера ввода/вывода, а с входа памяти.
Основными характеристиками элементов памяти являются:
 разрядность и емкость;
 время доступа;
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-2Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
 временная диаграмма;
 тип.
Если микросхема памяти, имеет только одну линию ввода/вывода, то из такой
микросхемы центральный процессор может одновременно считать (записать) только один
бит данных. Для повышения скорости обмена данными между центральным процессором
и памятью были разработаны микросхемы, имеющие 4, 8 и 16 линий ввода/вывода.
Подобные микросхемы имеют соответственно 4, 8 или 16 одинаковых матриц ячеек
памяти. Таким образом, при поступлении на входы микросхемы адреса ячейки
производится одновременное чтение (запись) всех ячеек, находящихся по данному адресу,
но в различных матрицах, т.е. в этом случае одновременно считывается, записывается
сразу несколько бит информации (4 бита, байт или 2 байта).
Количество линий ввода/вывода определяет разрядность шины ввода/вывода
микросхемы.
Количество бит информации, которое хранится в ячейках каждой матрицы,
называется глубиной адресного пространства (address depth) микросхемы памяти.
Таким образом, общая емкость микросхемы памяти определяется
произведением глубины адресного пространства на количество линий ввода/вывода
(разрядов). Например, емкость микросхемы памяти, имеющей глубину адресного
пространства 1 Мбайт и 4 линии ввода/вывода (четырехразрядную шину ввода/вывода),
составляет 1 Мб4 = 4 Мб. Такая микросхема обозначается 14, 1М4, хх4400 либо
хх4401.
Производительность микросхемы памяти характеризуется временем выполнения
элементарных действий между двумя операциями чтения либо записи данных.
Последовательность этих операций называют рабочим циклом (или циклом обращения).
Он включает указание адреса данных, выбор строки, выбор столбца и чтение (запись).
Время, необходимое для чтения (записи) данных, хранящихся по случайному
адресу, называется временем доступа (access time). Для современных микросхем оно
составляет 40-60 нс, что соответствует частоте появления данных 16,7-25 МГц на выходе
микросхемы.
Для повышения скорости обмена данными между центральным процессором и
микросхемами памяти разработаны специальные режимы работы памяти и технологии:
 пакетный режим;
 чередование адресов;
 разбиение памяти на страницы;
 кэширование памяти.
При использовании пакетного режима (Burst mode) центральный процессор
запрашивает данные из памяти не побайтно, а в виде пакетов, состоящих из 32 или 64
битов. В этом режиме, кроме одного слова центральный процессор считывает еще три,
расположенные рядом.
Метод управления памятью с чередованием адресов (Interleaving mode) основан
на том, что логически связанные байты чаще всего располагаются в памяти друг за
другом. Чтобы не было пауз в работе памяти, осуществляется ее чередование, т. е.
помещение следующих друг за другом ячеек памяти в разные микросхемы памяти, из
которых хранящие в них данные можно считывать одновременно.
Метод разбиения памяти на страницы (Paging mode) основан на том факте, что
каждый поступающий в центральный процессор байт расположен рядом с байтом, уже
считанным из памяти и логически связанным с ним. Следовательно, не нужно повторять
сигнал ввода или записи, если адреса строк выбираемых ячеек памяти находятся в
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-3Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
пределах одной страницы, т. е. адрес строки неизменен. Обычно память делится на
страницы размером 512 байт и более.
Кэширование памяти используется для ускорения доступа к данным,
находящимся в RAM и реализуется с помощью одного из рассмотренных выше видов
кэш-памяти (внешней или внутренней кэш-памяти).
В реальных условиях обращение к памяти чаше происходит не по случайному
адресу, поэтому рабочий цикл короче. Так при выполнении последовательных операций
чтения/записи время рабочего цикла для второго и следующих циклов может быть
значительно меньше, чем для первого цикла.
Временная диаграмма характеризует количество тактов, которые необходимы
центральному процессору для выполнения четырех последовательных операций
считывания данных. Например, диаграмма 5-2-2-2 для 8-разрядной микросхемы означает,
что для считывания первого байта необходимо пять тактов центрального процесса, а для
считывания трех последующих байтов – два такта.
Ниже рассматриваются используемые в настоящее время типы внутренней памяти.
1.3.10. Типы внутренней памяти
В зависимости от функционального назначения памяти применяют следующие
типы памяти:
 память с произвольным обращением (оперативная память), функционирующая
только при включенном электропитании;
 постоянная память, в которой отключение электропитания не приводит к
стиранию информации.
Память с произвольным обращением (RAM) (Random Access Memory)
представляет собой совокупность микросхем, способных накапливать и временно хранить
информацию. При отключении питания оперативная память полностью утрачивает свое
содержимое.
По своим характеристикам микросхемы, составляющие RAM, делят на две группы:
динамическая оперативная память и статическая оперативная память.
Динамическая оперативная память DRAM (Dynamic Random Access Memory)
построена на микросхемах, которые требуют периодического обновления («регенерации»)
информации в них во избежание потерь.
Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который
может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Заряженному состоянию
конденсатора соответствует 1, разряженному – 0. В идеальном конденсаторе заряд может
сохраняться неограниченное время. В реальном конденсаторе существует ток утечки,
поэтому информация, записанная в динамическую память, со временем будет утрачена,
так как конденсаторы запоминающих элементов полностью разрядятся.
Единственным способом регенерации хранимых в памяти данных является
выполнение операции чтения/записи данных, поэтому регенерация памяти автоматически
происходит при выполнении каждой операции чтения или записи.
Однако нет гарантии, что при выполнении любой программы произойдет
обращение ко всем ячейкам памяти, поэтому имеется специальная схема, которая через
определенные промежутки времени (например, каждые 2 мс) будет осуществлять доступ
(для считывания) ко всем строкам памяти. В эти моменты центральный процессор
находится в состоянии ожидания. За один цикл схема регенерирует все строки
динамической памяти.
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-4Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
На регенерацию данных в микросхемах динамической оперативной памяти
расходуется 5-12% времени работы системы. Длительность одного цикла регенерации
колеблется в пределах 100-500 наносекунд. Попытка прочитать данные до момента
завершения цикла регенерации приводит к появлению ошибок.
Эти особенности динамической памяти накладывают существенные ограничения
на возможность быстрого получения данных из микросхем динамической памяти (то есть
увеличивают время доступа к ОЗУ). Для преодоления этого недостатка разработаны и
продолжают разрабатываться различные модификации DRAM. В настоящее время
используются следующие модификации DRAM:
 DRAM с кэш-памятью – CDRAM (Cache DRAM) и улучшенная DRAM –
EDRAM (Enhanced DRAM), в которой некоторые участки памяти выполнены на
элементах статической оперативной памяти;
 синхронная DRAM – SDRAM (Synchronous DRAM), в которой моменты
обновления данных синхронизованы с частотой системной шины (это позволяет
уменьшить время
доступа к данным). Элементы SDRAM имеют следующие
характеристики: время доступа 60-70 нс, время рабочего цикла 10-12 нс, временная
диаграмма 5-1-1-1;
 улучшенная SDRAM – ESDRAM (Enhanced SDRAM), в которой, также, как у
EDRAM, некоторые участки памяти выполнены на элементах статической оперативной
памяти;
 PC100SDRAM, спецификация для которой была разработана фирмой Intel для
функционирования при частоте системной шины 100 МГц;
 SDRAM II или удвоенная SDRAM – DDR SDRAM (Double Date Rate SDRAM)
– память SDRAM с удвоенным быстродействием;
 DRAM по технологии фирмы Rambus – Direct RDRAM (Rambus DRAM), в
которой существенно увеличены быстродействие и емкость памяти за счет увеличения
тактовой частоты до 400 МГц и выше (спецификация технологии является закрытой);
 SLDRAM (SyncLink DRAM), разработанный фирмами-производителями как
альтернативный Direct RDRAM вариант с открытой спецификацией.
Статическая оперативная память (SRAM) (Static Random Access Memory)
реализована на основе микросхем, не требующих регенерации содержимого для
обеспечения сохранности данных.
Как и DRAM, память SRAM является энергозависимой памятью, т.е. для того,
чтобы данные не были уничтожены, должно быть обеспечено питание либо от сети, либо
от аккумулятора. При этом ток, потребляемый элементами SRAM настолько мал, что
содержимое памяти (при наличии аккумулятора) остается неизменным около двух лет,
даже если компьютер в течение этого времени ни разу не включался.
Существуют следующие разновидности статической памяти:
 Async SRAM;
 Sync Burst SRAM;
 Pipelined Burst SRAM.
Микросхемы типа асинхронной SRAM – Async SRAM (Asynchronous SRAM)
имеют простейший асинхронный интерфейс, подобный интерфейсу DRAM, включающий
шины адреса, данных и управления. До недавнего времени микросхемы этого типа были
стандартом для статической памяти. Время доступа у подобных микросхем составляет от
12 до 20 нс с временной диаграммой 2-1-1-1 (на частоте работы системной шины 33 МГц)
или 3-2-2-2 (на более высоких частотах).
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-5Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
Синхронная пакетная SRAM – Sync Burst SRAM (Synchronous Burst SRAM) имеет
время доступа обеспечивает временную диаграмму 2-1-1-1 на частотах работы системной
шины 50, 60 и 66 МГц и имеет время доступа 8,5, 10 и 13,5 нс, соответственно. На
частотах 75 МГц и выше временная диаграмма будет 3-2-2-2.
Конвейерная пакетная SRAM – РВ
Burst SRAM (Pipelined Burst SRAM)
представляет собой усовершенствованную Sync Burst SRAM. Конвейерная архитектура
позволяет получать данные без тактов ожидания на частотах более 75 МГц. Память этого
типа обеспечивает временную диаграмму 3-1-1-1 на частотах 66, 75 и 83 МГц (время
доступа 15, 13 и 12 нс, соответственно).
Микросхемы SRAM имеют более низкую информационную емкость, большую
потребляемую мощность и стоят в 4-5 раз дороже микросхем динамической памяти.
Поэтому эти микросхемы используются в кэш-памяти и памяти для сохранения
параметров BIOS.
Постоянная память – NVRAM (Non Volatile RAM) не нуждается в
электропитании и позволяет хранить данные в течение длительного времени.
Существует несколько типов энергонезависимой памяти. Они различаются по
способу перезаписи информации и применяются в разных областях.
Микросхемы
памяти «только для чтения» – ROM
(Read Only Memory) в
настоящее время практически не применяются, поскольку не позволяют изменять
записанную в них информацию. Программирование этих микросхем осуществляется на
этапе их разработки и при изменении кода приходилось разрабатывать новую микросхему.
Микросхемы программируемой ROM – PROM (Programmable ROM) нашли более
широкое применение. Эти микросхемы программируются специальными программаторами однократно после изготовления. Кроме того, микросхемы PROM практически не
чувствительны к электромагнитным полям.
Стираемые и многократно перепрограммируемые микросхемы – EPROM (Erasable
Programmable ROM) до недавнего времени были самыми распространенными носителями
BIOS системы и карт расширения. Кроме того, микросхемы EPROM применяются в
качестве знакогенератора принтера. В отличие от PROM, микросхемы EPROM можно
перепрограммировать с помощью специального программатора, подключаемого к
компьютеру через последовательный или параллельный порт. Стирание данных в EPROM
проводится с помощью ультрафиолетового или рентгеновского излучения, а запись
производится с помощью электрических сигналов.
В отличие от EPROM, данные в микросхемах электрически стираемой PROM –
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) удаляются с помощью
электрического сигнала.
Память Flash EEPROM (или Flash Memory) может быть перезаписана
непосредственно в компьютере. Основными ее преимуществами по сравнению с EEPROM
является малое время доступа и малая длительность процесса стирания информации.
Большинство современных микросхем BIOS относятся к типу Flash EEPROM. Для установки новой версии BIOS необходима специальная программа (прошивальщик), которая,
как правило, поставляется вместе с материнской платой (на дискете или компакт-диске), и
файл с новой системой BIOS. В настоящее время микросхемы флэш-памяти выпускают
практически все крупные фирмы-производители микросхем памяти, причем флэш-память
широко используется не только в компьютерах, но и в сотовых телефонах, сетевом
оборудовании, принтерах, факсах и т. д.
Новыми типами постоянной памяти, которые недавно появились на рынке,
являются FRAM и MRAM.
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-6Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
В отличие от традиционной кремниевой технологии производства элементов
памяти в ферроэлектрической памяти – FRAM (Ferroelectric RAM) применяется
сегнетоэлектрическая пленка на основе сплавов оксидов металлов (титана, циркония,
свинца и т. п.).
Элементом памяти FRAM является кристалл идеальной архитектуры памяти
Ramtron, изображенный на рис. 2.20. «Черный» атом, расположенный в центре
кристаллической решетки, под воздействием электрического заряда может перемещаться
вверх или вниз, оставаясь в этом положении, пока не будет подан электрический сигнал.
Смещение атома от центрального положения в одну сторону соответствует значение 1, в
другую – 0, причем допускается многократная перезарядка.
Рис. 2.20. Ферромагнитная ячейка памяти FRAM
В ферроэлектрической памяти RAM информация сохраняется даже после того, как
отключено напряжение питания. Память FRAM имеет преимущества динамической
DRAM (возможность многократной перезаписи) и статической SRAM (высокая скорость),
а также памяти ROM (энергонезависимость). Комбинация этих свойств позволяет создать
идеальное запоминающее устройство – быструю память, которая не теряет данные.
Магнитная память RAM – MRAM (Magnetic RAM) – это новое поколение
энергонезависимой магнитной памяти, разработанной в исследовательском центре IMEC
(Бельгия) и корпорацией Toshiba. Основой запоминающей ячейки микросхемы является
многослойный магнитный вентиль, выполненный в виде полупроводникового кристалла.
Согласно имеющейся информации, цикл чтения/записи для MRAM не превышает 6 нc.
Постоянная память используется для хранения кода BIOS компьютера, BIOS карт
расширения, конфигурации периферийных устройств и т.п.
Первые микросхемы памяти выпускались в так называемых DIP-корпусах (Dual Inline Package – корпус с двухрядным расположением выводов). Такая конструкция корпуса
удобна для печатного монтажа и установки микросхемы в панельки на материнской плате,
а также для соблюдения температурного режима работы элементов.
В настоящее время на модули памяти устанавливаются микросхемы в корпусе SOJ
(Small Outline J-shaped) и TSOP (Thin Small Outline Package). Микросхемы памяти в
корпусах SOJ устанавливаются на SIMM-модули и применяются для расширения памяти
на видеокартах, а микросхемы в корпусе TSOP устанавливаются на DIMM модули.
Корпуса DIP, SOJ и TSOP представлены на рисунке 2.21.
Рис. 2.21. Корпуса памяти типа DIP, SOJ и TSOP
Первоначально модули памяти в DIP-корпусах крепились непосредственно к
материнской плате, однако с увеличением объема памяти ее микросхемы стали занимать
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-7Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
много места на плате, а микросхемы в корпусах SOJ, TSOP и других стали крепиться к
плате, которая была названа модулем памяти.
Каждый модуль устанавливается в свой разъем (слот) на материнской плате. В
зависимости от размера разъема и количества контактов в разъеме различают SIMMмодули, DIMM-модули и RIMM-модули.
Однорядные модули памяти – SIMM-модули (Single In-line Memory Module) –
вставляются в специальные разъемы на материнской платы. Первые модули были 30контактными, затем стали выпускать 72-контактные SIMM. Эти модули длительное время
являлись стандартными элементами памяти в компьютерах, однако последнее время им на
смену пришли DIMM-модули.
В отличие от SIMM-модулей, двухрядные модули памяти – DIMM-модули (Dual
In-line Memory Module) имеют электрически независимые контакты с двух сторон
разъема. Наиболее распространенными являются 168-контатные 64-разрядные модули
DIMM, имеющие по 84 контакта с каждой стороны. В настоящее время большинство
материнских плат оборудовано слотами для DIMM-модулей.
Модуль памяти RIMM-модуль (Rambus In-line Memory Module) разработан
компанией Rambus для памяти Direct RDRAM. Внешне RIMM-модуль похож на DIMMмодуль, но имеет 184 контакта.
Внешний вид DIMM-модулей и SIMM-модулей приведен на рис. 2.22.
Рис. 2.22. Внешний вид модулей памяти:
а) DIMM-модули; б) RIMM-модули
1.3.11. Устройства внешней памяти
Внешняя память или внешние запоминающие устройства используются для
долговременного хранения информации.
Объемы информации, хранимые в таких
устройствах, могут на 1-3 порядка превышать емкость оперативной (внутренней) памяти
компьютера.
Внешние запоминающие устройства можно классифицировать по следующим
признакам:
 по способу хранения данных: магнитоэлектрические, оптические и
магнитооптические;
 по виду носителя данных: дискета, жесткий диск, компакт-диск (CD – Compact
Disk), DVD-диск, магнитооптический диск, магнитная лента;
 по способу организации доступа к данным: прямой доступ к данным (дискета,
все виды дисков), последовательный доступ к данным(магнитная лента);
 по типу носителей данных: съемные носители (дискета, CD-диск, DVD-диск,
съемные жесткие диски, магнитная лента), несъемные носители (жесткий диск,
магнитооптический диск);
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-8Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
 по возможности перезаписи данных на носители: перезаписываемые носители
(дискета, жесткий и магнитооптический диск, диск CD-RW, диск DVD-RAM, магнитная
лента), носители с однократной записью («только для чтения») (диски CD-ROM и CD-R);
 по типу устройства хранения данных: внутренние (встраиваемые в системный
блок) и внешние (подключаемые к системному блоку через один из портов или с
помощью платы расширения).
Как правилу, каждому виду носителя данных соответствует свое устройство чтения
или чтения/записи, однако бывают и исключения. Так, накопители для дискет Floptical
могут читать и записывать данные с обычных дискет.
Устройства внешней памяти делятся на следующие основные группы:
 накопители на гибких магнитных дисках (FDD) (Floppy Disk Drives);
 накопители на жестких дисках (HDD), или винчестерские диски (Hard Disk
Drives или Winchester disks);
 накопители на оптических дисках (CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD, DVD-RAM);
 накопители на магнитооптических дисках (Magneto-Optical Drives);
 накопители на магнитной ленте (Streamers).
Ниже рассматриваются способы записи/чтения данных для различных видов
носителей, принципы функционирования и основные характеристики, о также области
использования для перечисленных типов носителей.
1.3.12. Процессы магнитной записи и воспроизведения
Впервые магнитная запись была применена при записи звука, т. е. аналоговой
информации, и только впоследствии была использована при цифровой записи, которая
необходима в компьютерах. Цифровая магнитная запись производится на
магниточувствительный материал. К таким материалам относятся некоторые
разновидности оксидов железа, никель, кобальт, соединения редкоземельных элементов
(особенно легких) с кобальтом, различные сплавы и микропорошковые магнитные
материалы.
Очень тонкое покрытие (несколько микрометров) наносится на немагнитную
основу, в качестве которой для магнитных лент и гибких дисков используются различные
пластмассы (типа майлара), а для жестких дисков – алюминиевые круги. Магнитное
покрытие диска имеет доменную структуру, т. е. состоит из множества мельчайших
частиц, намагниченных определенным образом.
Магнитный домен – это макроскопическая однородно намагниченная область в
ферромагнитных образцах, отделенная от соседних областей тонкими переходными
слоями (доменными границами).
Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля
доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После
прекращения воздействия внешнего поля на поверхности домена образуются зоны
остаточной намагниченности. Таким образом, на носителе сохраняется информация о
действовавшем магнитном поле. Изменение направления тока записи вызывает
соответствующее изменение направления магнитного потока в сердечнике головки, что
приводит к появлению на поверхности носителя участков с противоположной
ориентацией магнитных диполей.
Зоны остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив
зазора магнитной головки, наводят в ней при считывании электродвижущую силу
(э.д.с.). Изменение направления э.д.с. в течение некоторого промежутка времени
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-9Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения – с нулем.
Указанный промежуток времени называется битовым элементом.
Для записи информации на магнитную поверхность лент и дисков применяется
один и тот же способ. Поверхность рассматривается как последовательность точечных
позиций (dot positions), каждая из которых ассоциируется с битом информации. Поскольку
расположение этих позиций определяется неточно, для записи требуются заранее
нанесенные метки, которые помогают находить необходимые позиции записи. Чтобы
нанести такие синхронизирующие метки, диски должны быть предварительно
отформатированы (т.е. должно быть произведено логическое разбиение диска на
дорожки и секторы).
Организация механизма быстрого доступа к диску является вторым ключевым
фактором хранения данных. Магнитная лента представляет собой линейный носитель
(информация на ней записана от начала к концу), поэтому быстро перейти к нужному
участку в конце ленты невозможно. Ситуация с накопителем на гибком или жестком
диске иная. Быстрый доступ к любой части поверхности диска обеспечивается, во-первых,
за счет его вращения и, во-вторых, передвижением магнитной головки чтения/записи по
радиусу диска. Благодаря быстрому вращению диска задержка при переходе от одной точки любой части окружности диска к другой невелика.
Каждое из концентрических колец диска, на котором записаны данные, называется
дорожкой записи. Поверхность диска разбивается на дорожки, начиная с внешнего края,
число дорожек зависит от типа диска. В используемых ныне гибких магнитных дисках
(3,5", 1,44 Мбайт) число дорожек равно 80, а число дорожек жесткого диска составляет от
нескольких сотен до нескольких тысяч. Дорожки независимо от их числа
идентифицируются номером (внешняя дорожка имеет нулевой номер). Количество
дорожек на стандартном диске определяется плотностью записи. Под плотностью записи
обычно подразумевают объем информации, который можно надежно разместить на
единице площади поверхности носителя.
Аналогично разбиению поверхности диска на дорожки кольцо дорожки разбивается на участки, называемые секторами. Например, гибкий диск 3,5" может иметь на
дорожке 18 секторов (емкость диска 1,44 Мбайт) или 36 секторов (емкость диска 2,88
Мбайт). Число секторов на дорожках жестких дисков обычно составляет 17.
Размер секторов различных дисков находится в диапазоне от 128 до 1024 байт, но в
качестве стандарта принят размер сектора 512 байт. На рис. 2.23 показано разбиение
магнитных дисков на дорожки и секторы.
Рис. 2.23. Дорожки и сектора магнитного диска
Секторам на дорожке присваиваются номера, начиная с нуля. Сектор с нулевым
номером на каждой дорожке резервируется для идентификации записываемой
информации, а не для хранения данных.
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 10 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
Наименьший участок диска, с которым имеет дело операционная система,
называется кластером. Кластер состоит из одного или нескольких секторов (обычно
двух и более).
Часто при рассмотрении организации дисковой памяти используется термин
цилиндр. Под цилиндром понимаются все дорожки, одновременно находящиеся под
головками чтения/записи. В накопителях на гибких дисках цилиндр состоит из двух
дорожек. Что касается термина цилиндр, то он не является точным, так как
геометрическая фигура, образованная совокупностью дорожек и расположенными
относительно них магнитными головками, представляет собой усеченный конус, как
показано на рис. 2.24.
Рис. 2.24. Расположение магнитных головок в накопителе на дисках
Дорожки на верхней стороне диска (головка 1) смещены к центру относительно
дорожек на нижней стороне (головка 0). Но исторически сложилось так, что благодаря
широкому употреблению, термин цилиндр стал практически стандартным.
1.3.13. Гибкие диски и дисководы гибких дисков
Без дисковода гибких дисков (дискет) сегодня не обходится практически ни один
персональный компьютер.
В зависимости от размеров и конструктивных особенностей гибких дисков,
дисководы бывают 5,25- и 3,5-дюймовыми (соответственно диаметру дисков), причем
5,25-дюймовые дисководы сохранились только на старых компьютерах.
В состав дисковода гибких дисков входят следующие основные элементы:
 рабочий двигатель;
 рабочие головки;
 шаговые двигатели;
 управляющие электронные элементы.
Рабочий двигатель включается только тогда, когда в дисковод вставлена дискета.
Двигатель имеет постоянную скорость вращения – 300 об/мин. Для запуска двигателю
необходимо в среднем 400 мс.
Для записи и чтения данных дисковод оснащается двумя комбинированными
рабочими головками (для чтения и записи), которые располагаются над рабочей
поверхностью дискеты. Поскольку обычно дискеты являются двухсторонними, т. е. имеют
две рабочие поверхности, то одна головка предназначена для верхней, а другая – для
нижней поверхности дискеты.
Движение и позиционирование головок выполняются при помощи двух шаговых
двигателей. Шаговый двигатель – это электродвигатель, подвижная часть которого
(ротор) может поворачиваться ступенчато, каждый раз на строго определенный угол.
Ротор двигателя механически связан с блоком головок с помощью стальной ленты,
намотанной на его ось, либо зубчатой рейки и шестерни. Обычно каждому шагу ротора
(повороту на фиксированный угол) соответствует перемещение головок на одну дорожку.
Магнитная головка чтения/записи, расположенная на специальном кронштейне, может
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 11 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
передвигаться с помощью шаговых двигателей по радиусу диска на расстояние около 3,5
см.
Управляющие электронные элементы дисковода чаще всего размещаются с его
нижней стороны. Они выполняют функции передачи сигналов к контроллеру, т. е.
отвечают за преобразование данных, которые считывают или записывают головки. Чтобы
не изменялась скорость вращения дискеты, привод должен работать только в
горизонтальном или вертикальном положении.
При обращении к диску накопитель вначале приводит его во вращение, затем
устанавливает головку чтения/записи в ту область, где записаны данные о файлах диска,
считывает физические координаты местоположения требуемого файла и, переместив
головку сразу в нужное место, считывает данные.
Дисководам гибких дисков нужен контроллер, который обычно размещается на
материнской плате, причем в современных компьютерах к этому контроллеру можно
подключить один дисковод 5,25 дюйма и один дисковод 3,5 дюйма.
Дисковод гибких дисков вставляется в отсек дисковода (drive bay), который
находится в передней части компьютера. С тыльной стороны к дисководу подключаются
два кабеля: один для подачи питания от блока питания, другой для данных (от
контроллера).
Накопители на 3,5-дюймовых дисках (дискеты) бывают следующих видов:
 дискеты двойной плотности (на 720 Кбайт) – стандарт DD (Double Density) (в
настоящее время не выпускаются);
 дискеты высокой плотности (на 1,44 Мбайта) – стандарт HD (High Density),
являющиеся стандартными дисководами в IBM-совместимых компьютерах (80 дорожек
на дюйм и 18 секторов на дорожку);
 дискеты на 2,88 Мбайт – стандарт ED (Extra High Density) (80 дорожек на дюйм
и 36 секторов на дорожку).
В дискетах на 2,88 Мбайт основу магнитного слоя составляет феррит бария, а само
покрытие более толстое, чем у дисков других стандартов. Это позволяет использовать
метод вертикальной записи, при котором магнитные домены оказываются
ориентированными в вертикальной, а не в горизонтальной плоскости. Располагаются они
при этом более компактно, обеспечивая более высокую плотность записи. Эти дискеты
требуют специальных дисководов, которые могут читать как дискеты стандарта ED, так и
дискеты стандартов HD и DD.
Перед записью информации необходимо произвести логическое разбиение дискеты
на определенные участки. Это выполняется путем форматирования с помощью
специальной команды (например, в MS DOS это команда Format).
Дискета разбивается на дорожки (tracks) и секторы (sectors). Количество байт,
которое может быть записано в секторе, произвольно. Для MS DOS оно составляет 512.
Другие операционные системы устанавливают свои размеры секторов.
Емкость дискеты вычисляется по формуле:
Емкость дискеты = Число сторон  Число дорожек на стороне 
Число секторов на дорожке  Количество байт в секторе
Для дискеты 3,5" HD формула имеет вид:
1474560 байт = 28018512
Однако весь объем дисковой памяти недоступен пользователю. Операционная
система для организации манипулирования данными резервирует определенные области
дисков. При логическом разбиении дисков операционная система разделяет их на две
части: системную область и область данных
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 12 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
В системной области располагаются:
 загрузочная запись диска;
 таблицы размещения файлов;
 корневой каталог файлов.
Загрузочная запись, или блок начальной загрузки, является самой первой частью
диска. Она содержит короткую программу (длиной всего несколько сот байтов), которая
инициирует загрузку операционной системы в память компьютера. Нулевая дорожка
первого сектора на нулевой стороне диска – это так называемый boot-сектор
(загрузочный). В этом месте загрузочной (системной) дискеты, содержащей компоненты
операционной системы, находится программа загрузки системы.
Следующая часть системной области диска называется таблицей размещения
файлов – FAT (File Allocation Table). На каждом диске записываются две отдельные
копии FAT, причем используется только первая копия (вторая копия используется для
восстановления поврежденных дисков).
Последней частью системной области диска является корневой каталог, или
встроенное оглавление содержащихся на диске файлов. На дисках можно организовывать
и подкаталоги, но они образуют необязательную часть диска и создаются по мере
необходимости. Для каждого типа диска размер корневого каталога фиксирован. Каждый
элемент каталога имеет длину 32 байта, в одном секторе размещаются 16 элементов.
Например, на гибком диске 3,5" емкостью 1,44 Мбайт для корневого каталога выделено 14
секторов, в которых может быть записана информация о 224 файлах (16  14 = 224). На
жестких дисках для корневого каталога обычно выделяются 32 сектора.
Область данных предназначена для хранения файлов. Следует отметить, что
файлы данных могут быть записаны на диске в несмежных кластерах.
1.3.14. Дисководы жестких магнитных дисков
В настоящее время выпускаются несколько десятков типов дисководов на жестких
дисках – HDD (Hard Disk Drives), называемых также «винчестерными дисками» или
просто «винчестерами», однако принципы работы большинства дисковода одинаковы.
Основными элементами конструкции типового дисковода на жестких дисках являются
(рис. 2.25):
 магнитные диски;
 головки чтения/записи;
 механизм привода головок;
 двигатель привода дисков;
 печатная плата с электронной схемой управления;
 разъемы, элементы конфигурирования и монтажа.
Типовой дисковод состоит из гермоблока и платы электронного блока. В
гермоблоке размещены все механические части, на плате – вся управляющая электроника.
Корпус дисковода имеет щель, которая закрыта микрофильтром, для того чтобы защитить
материал дисков от пыли и частиц грязи. Поры этого фильтра настолько малы, что не
допускают проникновения внутрь корпуса даже частиц пыли. Через эту щель
выравнивается давление воздуха внутри дисковода и в окружающей среде. Другой фильтр
удаляет частицы, образующиеся в результате работы механических частей диска.
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 13 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
Рис. 2.25. Основные элементы накопителя на жестких дисках
Первоначально основа магнитных дисков изготавливалась из алюминиевого
сплава (с небольшим добавлением магния). По мере возрастания требований к емкости и
размерам накопителей в качестве основного материала для дисковых пластин стал
использоваться композиционный материал из стекла и керамики. Дисковод жестких
дисков содержит один или несколько дисков, называемых пластинами.
Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он
покрывается тонким слоем магнитного вещества (рабочим слоем), способным сохранять
намагниченность после прекращения воздействия внешнего магнитного поля. Рабочий
слой может быть двух типов: оксидный и на основе тонких пленок.
Оксидный рабочий слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем
из окиси железа. Рабочий слой на основе тонких пленок имеет меньшую толщину и более
прочен, а качество его поверхности гораздо выше. Эта технология легла в основу
производства дисководов нового поколения, в которых удалось значительно уменьшить
зазор между головками и поверхностями дисков, и, следовательно, повысить плотность
записи данных (в настоящее время объем данных на одной пластине жесткого диска
достигает 20 Гбайт).
В дисководах на жестких дисках для каждой стороны диска предусмотрена своя
головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и
перемещаются одновременно.
Когда дисковод выключен, головки касаются дисков. При раскручивании дисков
возрастает аэродинамическое давление на головки, что приводит к их отрыву от рабочих
поверхностей. В первых дисководах жестких дисков величина просвета составляла от 5 до
8 мкм, в современных накопителях на жестких дисках она лежит в диапазоне 0,03-0,12
мкм и продолжает снижаться благодаря применению перспективных технологий. По мере
развития технологии производства дисководов совершенствовались и конструкции
головок чтения/записи. В настоящее время лучшими считаются магниторезистивные (MR
– Magneto-Resistive) головки, принцип работы которых основан на том, что при
считывании данных сопротивление обмотки MR-головки оказывается различным при
прохождении над участками с разными значениями остаточной намагниченности. Для
записи в этом случае используется тонкопленочная (TF – Thin Film) головка, получаемая
напылением по технологии, аналогичной технологии изготовления микросхем.
С помощью механизма привода головки перемещаются от центра дисков к их
краям и устанавливаются на заданный цилиндр. Первоначально в дисководах жестких
дисков, как и в дисководах гибких дисков, использовались шаговые двигатели, однако в
современных дисководах используются более быстродействующие механизмы с
подвижной катушкой.
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 14 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
Подвижная катушка жестко соединена с блоком головок и размещается в поле
постоянного магнита. Электрический импульс, поступая на катушку, вызывает ее
смещение относительно жестко закрепленного постоянного магнита, и в результате блок
головок перемещается. Особенностью приводов с подвижной катушкой является
специальная электронная система наведения головок, называемая сервоприводом. В
основе
этой системы лежит использование сигнала обратной связи, несущего
информацию о реальном взаимном расположении дорожек и головок. Для этого на диск
(при его изготовлении) записывается специальная техническая информация – сервокоды.
Современные дисководы на жестких дисках имеют функцию автоматической
парковки магнитных головок, т. е. при выключении компьютера головки
устанавливаются на определенный, чаще всего последний, цилиндр. Эта парковочная
позиция обозначается в CMOS Setup как Landing Zone, или сокращенно L-Zone.
Двигатель привода дисков, вращающий магнитные диски, связан с пакетом
дисков непосредственно (без передаточных шестерен). Скорость вращения двигателя
современных дисководов колеблется от 3600 до 7200 оборотов/мин, а в некоторых
моделях достигает
10000 оборотов/мин. В современных дисководах двигатель
встраивается внутрь пакета дисков, представляя собой центральную его часть. Такая
конструкция позволяет, не изменяя размера дисковода по высоте, увеличивать количество
дисков.
На печатной плате монтируются электронные схемы управления двигателем и
приводом головок, схема для обмена данными с контроллером. Иногда контроллер
устанавливается непосредственно на плате. Кроме того, на печатной плате современных
дисководов размещается кэш-память дисковода. сохраняет прочитанные с упреждением
данные, которые с высокой вероятностью могут понадобиться процессору.
В большинстве дисководов на жестких дисках имеется несколько разъемов для
подключения к системе подачи питания и интерфейсному кабелю.
1.3.15. Интерфейсы внешней памяти
Со времени создания персональных компьютеров было разработано несколько
типов интерфейсов для жестких дисков. Два первых интерфейса – ST-506/412 (фирмы
Seagate Technologies) и ESDI (Enhanced Small Device Interface — усовершенствованный
интерфейс малых устройств) в настоящее время не используются. Развитие интерфейсов
шло по пути объединения контроллера и накопителя на жестких дисках, что позволило
повысить тактовую частоту шифратора/дешифратора, плотность размещения данных на
носителе и общее быстродействие системы. Поскольку современные интерфейсы
используются для обмена данными не только с жесткими дисками, но и другими
устройствами внешней памяти (например, CD-ROM или стримерами) их правильнее
называть интерфейсами внешней памяти.
Наиболее распространенным интерфейсом внешней памяти на IBM-совместимых
компьютерах является стандарт IDE (IDE расшифровывается как intelligent drive
electronics или integrated drive electronics). Другое, официальное название интерфейса IDE,
признанного ANSI в марте 1989 г., — АТА (AT Attachment).
Интерфейс ATA – это интерфейс системного уровня, в котором контроллер
выполнен в виде микросхемы, установленной на плате накопителя. Первая версия
интерфейса IDE (ATA) обеспечивала подключение не более двух жестких дисков со
скоростью обмена 2-3 Мбайта/с, причем емкость жесткого диска не должна была
превышать 504 Мбайт.
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 15 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
Спецификация АТА-2 или EIDE (Enhanced IDE), разработанная фирмой Western
Digital, представляет собой расширение первоначального варианта, названного АТА-1.
Аналогичные стандарты Fast-ATA и Fast-ATA-2 были приняты фирмами Seagate и
Quantum. В стандарте ATA-2 были произведены следующие изменения:
 увеличена максимальная емкость накопителей;
 увеличена скорость обмена данными;
 введен вторичный канал для подключения еще двух устройств;
 введен интерфейс ATAPI;
 введен режим экономии электроэнергии.
Максимальная емкость накопителей АТА-2 значительно увеличена за счет разработки улучшенной BIOS (Enhanced BIOS), что позволило преодолеть барьер в 504
Мбайт емкости жесткого диска.
В спецификации АТА-2 предусмотрено несколько режимов быстрого обмена
данными с жесткими дисками, которые называются режимами программного
ввода/вывода PIO (Programmed Input/Output) со скоростями передачи данных 3,3-20
Мбайт/с. В многозадачных операционных системах целесообразно использовать режимы
прямого доступа к оперативной памяти – DMA (Direct Memory Access). Процесс
ввода/вывода данных в этом режиме происходит под управлением контроллера
накопителя на жестких дисках только в паузах между обращениями процессора к
оперативной памяти, что несколько снижает скорость передачи данных, но экономит
процессорное время. Для реализации режимов DMA, в отличие от PIO, необходимы
специальные контроллеры и драйверы. В настоящее время разработан и внедрен новый
режим – Ultra DMA-33, при котором скорость передачи данных повышается до 33
Мбайт/с.
В новых дисководах на магнитных дисках используется режим Ultra ATA/100,
обеспечивающий режим обмена данными до 100 Мбайт/с.
С появлением процессоров Pentium контроллеры АТА-2 обеспечивают функцию
Bus Master. В этом режиме процессор указывает контроллеру АТА-2, откуда он должен
взять данные, и в какую область оперативной памяти их поместить. После этого
контроллер захватывает управление шиной PCI и выполняет операции без участия
процессора с помощью контроллера DMA. Особенно заметны преимущества режима Bus
Master при одновременной работе нескольких приложений.
Контроллер АТА-2 имеет два канала (primary – первичный и secondary –
вторичный), к каждому из которых можно подключить до двух устройств (всего четыре
устройства).
Кроме того, АТА-2 позволяет подключать к контроллеру не только жесткие диски,
но и другие устройства (дисководы CD-ROM, стримеры) поддерживающие спецификацию
ATAPI (АТ Attachment Packet Interface). Эта спецификация получила широкую поддержку
среди производителей дисководов CD-ROM и производителей операционных систем, что
еще более расширило сферу распространения ATA-2.
В новых устройствах ATA-2 предусмотрен режим экономии электроэнергии:
двигатель жесткого диска сам останавливается при отсутствии обращения к диску в
течение временного интервала, определяемого пользователем системы.
Второй широко используемый интерфейс внешней памяти – SCSI (Small Computer
System Interface – системный интерфейс малых компьютеров) был разработан и принят
ANSI в 1986г. Этот интерфейс предусматривает подключение к одному адаптеру до 8
устройств (жестких дисков, дисководов CD-ROM, стримеров, сканеров и др.).
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 16 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
Связь между устройством SCSI и шиной ввода/вывода выполняется с помощью
специального адаптера (контроллера) SCSI, вставляемого в разъем PCI. Каждое
устройство, подключенное к адаптеру SCSI с помощью специальльной шины получает
логический номер шины для идентификации его адаптером и установления связи с ним.
Стандарт SCSI за время своего развития претерпел существенные изменения.
Одним из недостатков первой спецификации стандарта (SCSI-I) было то, что многие
команды и функции не были определены как обязательные, а это затрудняло работу
периферийных устройств. В конечном счете, фирмы-изготовители определили набор из 18
базовых команд SCSI, и это привело к появлению в 1994 г. стандарта SCSI-II и его
разновидностей: Fast SCSI со скоростью передачи данных 10 Мбайт/с, Wide SCSI со
скоростью передачи данных до 20 Мбайт/с и Ultra SCSI со скоростью передачи данных до
40 Мбайт/с.
Последней
версией
стандарта
SCSI
является
стандарт
SCSI-III,
предусматривающий реализацию последовательного канала передачи данных на
оптоволокне (Fiber Channel Serial SCSI) со скоростью передачи данных до 100 Мбайт/с.
Интерфейс SCSI имеет явные преимущества перед ATA-2, особенно при работе с
видео. Однако его аппаратная реализация обходится значительно дороже, т.к. во-первых,
необходимо приобретение адаптера SCSI, а во-вторых, стоимость устройств с
интерфейсом SCSI выше, чем аналогичных устройств с интерфейсом ATA-2. Поэтому, в
основном, этот интерфейс используется в мощных серверах (кроме того, этот интерфейс
является стандартным интерфейсом компьютеров фирмы Apple).
1.3.16. Характеристики дисководов на жестком диске
Основными характеристиками дисководов жесткого диска являются:
 емкость;
 используемый интерфейс;
 быстродействие;
 объем кэш-памяти;
 надежность;
 форм-фактор.
Главной характеристикой жесткого диска является форматированная емкость
(formatted storage capacity) – максимальное количество данных, которое можно хранить
на диске.
Процесс разметки (форматирования) жестких дисков принципиально ничем не
отличается от разметки дискет. Разница состоит в том, что при форматировании дискет
происходит полное уничтожение всей информации, а при разметке жесткого диска
происходит только перезапись меток формата и уничтожается (если не принять мер по ее
сохранению) таблица размещения файлов.
До форматирования жесткий диск должен быть инициализирован специальной
программой "разметки низкого уровня" (Low Level Format). В настоящее время такая
разметка выполняется только производителем жесткого диска. Разметка низкого уровня
позволяет выявить дефектные области магнитного диска, не отзывающиеся на
контрольное считывание после записи пробного блока данных. В ходе такой разметки
доступ к дефектным областям диска будет закрыт во избежание потерь данных.
Реальная емкость диска несколько больше, поскольку операционная система
использует часть диска для хранения такой информации, как число секторов и дорожек,
информации для коррекции ошибок и другой системной информации. Обычно
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 17 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
изготовители указывают форматированную емкость, однако иногда (в основном в целях
рекламы) указывается реальная емкость.
Реальную емкость диска можно вычислить, умножая размер сектора (512 байт) на
количество секторов на дорожке, количество дорожек на диске и количество
поверхностей, содержащих пользовательские данные.
Для управления жесткими дисками используется специальный интерфейс обмена
информацией, который должен быть единым и у дисковода и у контроллера.
В
настоящее время – это один из интерфейсов рассмотренных выше – ATA (EIDE) или SCSI.
Быстродействие жесткого диска определяется временем доступа к данным и
скоростью передачи данных.
Время доступа к данным является суммой времени поиска нужной дорожки,
времени установки, т.е. время гашения колебаний головки при установке на нужную
дорожку и времени вращения, т.е. времени подвода нужного сектора под головку.
Изготовители в качестве характеристики обычно указывают среднее время
поиска, в качестве которого в паспортных данных накопителя часто указывается
временной интервал, необходимый для перемещения магнитных головок на расстояние,
равное одной трети ширины зоны записи данных на диске. Новые высокоемкостные
накопители имеют среднее время поиска от 8,5 до 12 мс.
Скорость передачи данных является интегральной характеристикой при оценке
общей производительности компьютера и зависит от таких характеристик жесткого диска,
как количество байт в секторе, количество секторов на дорожке и от скорости вращения
диска. Максимальная скорость передачи данных – MDTR (Maximum Data Transfer Rate)
определяется по следующей формуле:
MTDR = SRTSSRPM/60 (байт/с).
где SRT – количество секторов на дорожке, SS – размер сектора, RPM – скорость
вращения диска (оборотов в минуту).
Объем кэш-памяти может существенно влиять на скорость доступа к данным. У
современных дисководов жестких дисков объемы кэш-памяти лежат в диапазоне от 512
Кбайт до 2 Мбайт.
В качестве характеристики надежности в описаниях накопителей указывается
такой параметр, как среднестатистическое время между сбоями – MTBF (Mean Time
Between Failures), характеризующее надежность устройства. Значение этого параметра
обычно колеблется от 20 000 до 500 000 часов, но может составлять и 1 млн. часов. Эти
значения являются расчетными (ожидаемыми) с известной вероятностью, и нетрудно
подсчитать, что при круглосуточной работе компьютера для подтверждения заявленных
500 тыс. часов безотказной работы понадобится примерно 57 лет. На самом деле гораздо
раньше необходимо менять дисковод из-за его физического или морального старения.
Для повышения надежности в большинстве современных дисководов на жестких
дисках гермоблоки комплектуются противоударной подвеской. Между корпусом
накопителя и монтажным каркасом устанавливаются специальные прокладки из
эластичной резины (или полимерного материала), компенсирующие (частично или
полностью) удары и вибрацию. Однако нужно помнить, что залогом безотказной работы
накопителя является бережное отношение к нему и соблюдение правил эксплуатации.
Физические размеры жестких дисков стандартизованы параметром, называемым
форм-фактором. Этот показатель связан с размером дисков в дисководе. Сейчас
практически во всех настольных компьютерах используются жесткие диски размером с
размером (форм-фактором) 3,5". Такой дисковод имеет стандартные размеры корпуса
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 18 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
41,6101146 мм. В портативных компьютерах обычно используются жесткие диски с
форм-фактором 2,5" (их размеры 70,119,05101,9 мм).
1.3.17. Дисководы со сменными дисками большой емкости
Ограниченная емкость дискет не позволяет копировать большие объемы данных с
одного компьютера на другой. Для этих целей в настоящее время используются
следующие типы устройств:
 дисководы Бернулли;
 дисководы на гибких дисках большой емкости;
 сменные жесткие диски;
 дисководы на сменных жестких дисках.
В дисководах Бернулли (картриджах), которые производит фирма IOmega,
применяются гибкие магнитные диски 3,5 и 5,25" объемом 150 Мбайт и более.
Принцип, положенный в основу работы дисководов, базируется на открытии
швейцарского математика Даниила Бернулли. Закон Бернулли гласит, что чем выше
скорость потока жидкости или газа через произвольно выбранное сечение, тем меньше
статическое давление, а при уменьшении скорости потока статическое давление
возрастает. Этот закон объясняет наличие подъемной силы крыла как птицы, так и
самолета. Строение крыла таково, что поток обтекает верхнюю часть крыла быстрее, чем
нижнюю, а разность давлений образует подъемную силу.
Фирма IOmega применила этот же принцип при создании картриджа со сменным
гибким диском и в знак уважения к швейцарскому математику назвала его именем
Бернулли. Когда гибкий диск вращается внутри картриджа (конструкционные требования
к картриджу высоки) с большой скоростью (3600 оборотов/мин), он становится
псевдожестким диском.
Конструкционной особенностью дисковода Бернулли является использование
пластины специального профиля (пластины Бернулли), которая располагается над гибким
диском. Поток воздуха между пластиной и вращающимся гибким диском заставляет
последний подниматься к пластине. Магнитные подвижные головки записи/чтения
расположены в прорезях пластины. Верхнее расположение магнитных головок имеет ряд
достоинств. Вращающийся диск притягивается к головке на расстояние долей микрона, но
не касается ее (зазор между носителем и головкой в накопителях Бернулли меньше, чем в
жестких дисках).
Среднее время доступа к данным около 18 мс. Когда скорость диска падает, он
плавно отходит от магнитной головки, т. е. в принципе исключается возможность касания
головкой поверхности диска в случае механического отказа или отключения
электропитания. Помимо высокоточного исполнения всех узлов, дисковод Бернулли
должен обладать достаточной прочностью. Дисководы Бернулли выпускаются как во
встраиваемом в компьютер варианте, так и для внешнего подключения. Модель MultiDisk150 размещается в отсеке для пятидюймового дисковода и подключается к адаптеру IDE.
Для портативного устройства требуется плата адаптера SCSI с внешним разъемом.
Кроме фирмы IOmega, устройства со сменными гибкими магнитными носителями
выпускаются всего несколькими компаниями, в том числе SyQuest (новое название этой
фирмы SyQT). Дисководы этой фирмы используют картриджи 135 Мбайт и 230 Мбайт
(новые модели) и подключаются к компьютеру либо с помощью интерфейса EIDE
(внутренние устройства), либо к параллельному порту или к интерфейсу SCSI (внешние
устройства).
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 19 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
Дисководы на гибких магнитных дисках большой емкости выпускаются
различными фирмами, но наиболее распространенными являются дисководы Zip фирмы
IOmega, дисководы LS-120 (SuperDisk), выпускаемые несколькими фирмами, и дисководы
HiFD совместного производства Sony и FujiFilm.
Первые дисководы Zip появились в 1995 г. и были рассчитаны на использование
картриджей емкостью 100 Мбайт. Новые дисководы читают и записывают дискеты
размером 250 Мбайт, но также поддерживают и старый формат на 100 Мбайт.
Эти устройства базируются на традиционной технологии магнитных носителей, но
имеют более совершенную систему позиционирования головок записи/чтения и надежную
механику привода.
Дисководы Zip выпускаются как во внутреннем исполнении (с интерфейсом EIDE
или SCSI), так и в виде внешних устройств (в разных моделях для подключения
используются разные интерфейсы: параллельный порт, SCSI или USB).
Скорость вращения диска в дисководе Zip составляет 3000 оборотов/мин, среднее
время доступа – 29 мс. Скорость передачи данных зависит от типа интерфейса:
минимальная – при использовании параллельного порта (0,79 Мбайт/с) и максимальная –
при использовании встроенного накопителя со SCSI-контроллером (1,4 Мбайт/с).
В конце 1996 г. на рынке появились дисководы LS-120 емкостью 120 Мбайт,
разработанные фирмами Compaq и ЗМ. В LS-120 используются стандартные технологии
изготовления дисководов на магнитных дисках, однако они имеют специальные
синхронизирующие дорожки, которые при изготовлении были записаны лазерным лучом
на носитель. Дисководы на гибких магнитных дисках LS-120 используют лазерный луч
для считывания информации с синхронизирующей дорожки и, таким образом,
обеспечивают точное позиционирование магнитной головки записи/чтения. Высокая
точность позиционирования головки позволяет увеличить поперечную плотность записи.
Для дискет LS-120 поперечная плотность записи равна 2490 дорожек/дюйм (у 3,5дюймовых дискет формата HD значение этого параметра может достигать 135
дорожек/дюйм). Такая высокая плотность достигается с помощью использования
технологии двойного покрытия дискеты высокоплотным магнитным пигментом.
Отличительной особенностью дисководов LS-120 является возможность
чтения/записи обычных 3,5-дюймовых дискет емкостью 1,44 Мбайта. Все современные
материнские платы позволяют использовать дисководы LS-120 вместо FDD при загрузке
операционной системы.
Так же, как и дисководы Zip, дисководы LS-120 выпускаются как во внутреннем
исполнении (с интерфейсом EIDE или SCSI), так и в виде внешних устройств (с
интерфейсами параллельного порта, SCSI или USB).
Скорость вращения диска в дисководе LS-120 составляет 720 оборотов/мин, а
среднее время поиска – 70 мс. Скорость передачи данных так же, как у дисковода Zip,
зависит от типа интерфейса: минимальная – при использовании параллельного порта (565
Кбайт/с) и максимальная – при использовании встроенного накопителя со SCSIконтроллером (до 4 Мбайт/с).
Дисководы HiFD (High Capacity Floppy Disk) появились в 1998 году и пока еще
мало распространен среди пользователей компьютеров. Емкость его гибких дисков равна
200 Мбайт, и, кроме того, этот дисковод, как и LS-120, позволяет читать и записывать
обычные 3,5-дюймовые дискеты. Внутренние дисководы HiFD подключаются с помощью
интерфейса EIDE, а внешние – параллельному порту или порту USB. Скорость вращения
для этого дисковода составляет 3600 оборотов/мин, а пиковая скорость передачи данных –
до 3,6 Мбайт (в зависимости от типа интерфейса).
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 20 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
У сменного жесткого диска переносным является не только носитель данных, но
и весь дисковод. В таких дисководах жесткий диск заключен вместе со своей электронной
платой в о6щий корпус, закрытый со всех сторон, наружу выведены лишь разъемы для его
подключения к контроллеру EIDE и электропитанию. Такой дисковод может вставляться
в компьютер, а также извлекаться из него (для этого на его передней панели имеется
специальная ручка).
Такие сменные жесткие диски можно использовать для архивирования и переноса
больших объемов данных между компьютерами. Однако такие дисководы, также как и
обычные дисководы жестких дисков, плохо приспособлены к внешним воздействиям,
возникающим при их транспортировке (колебаниям и ударам). Кроме того, каждый раз
при установке или извлечении таких дисководов необходимо вносить изменения в
параметры CMOS Setup. Эти ограничения существенно ограничивают использование
сменных жестких дисков.
В отличие от сменных жестких дисков, в дисководах на сменных жестких
дисках сам корпус закрепляется в компьютере стационарно (для внутренних устройств),
либо подключается к компьютеру как внешнее устройство, а сменными являются сами
жесткие диски.
Дисководы на сменных жестких дисках производятся различными фирмами, но
имеют общие черты.
В отличие от гибких дисков, сменные жесткие диски имеют жесткую
металлическую или стеклопластиковую основу и выполнены с использованием
технологии, аналогичной технологии производства жестких дисков. Однако расстояние
между магнитным диском и головкой больше, чем в классических дисководах жестких
дисков, поэтому плотность записи и, соответственно, общая емкость у этих дисководов
меньше, чем у обычных жестких дисков. Для защиты от повреждений пластина жесткого
диска заключается в прочный пластмассовый конверт. Привод дисковода на сменных
жестких дисках во многом идентичен приводу внешнего дисковода на 3,25 и 5,25" гибких
дисках.
Наиболее распространенными дисководами на сменных жестких дисках являются:
дисководы Jaz фирмы Iomega и дисковод SyJet фирмы SyQT и дисковод ORB фирмы
CastleWood.
Емкости сменных картриджей дисководов Jaz составляют 1 Гбайт и 2 Гбайта.
Хотя в настоящее время выпускаются только двухгигабайтные дисководы, в них можно
использовать оба типа картриджей. Накопители Jaz подключаются через интерфейс Fast
SCSI-2 и выпускаются как во внутреннем, так и во внешнем исполнении.
Вращение диска в дисководе Jaz происходит со скоростью 5400 оборотов/мин.
Средняя скорость обмена в устоявшемся режиме составляет 7,4 Мбайт/с, а среднее время
доступа – 15,5-17,5 мс. Дисковод имеет кэш-память, размер которой составляет 512 Кбайт.
Программное обеспечение Jaz предусматривает присвоение буквенного символа
сменному дисководу, причем программные инструменты устанавливают собственную
пиктограмму (а не используют по умолчанию значок накопителя на сменных дисках).
Дисковод SyJet использует сменные картриджи емкостью 1,5 Гбайт. Такой
картридж имеет 2 диска, 4 поверхности, а считывающие головки находятся снаружи, т.е. в
самом устройстве. Помимо интерфейса SCSI внутренний дисковод может подключаться к
интерфейсу EIDE, а внешний – к параллельному порту.
Скорость вращения диска – 5400 оборотов/мин, скорость передачи составляет от
1,3 Мбайт/с (для параллельного порта) до 7 Мбайт/с (для интерфейсов EIDE и SCSI), а
среднее время доступа – 11 мс.
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 21 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
Еще более вместительным и быстродействующим является дисковод ORB,
емкость картриджа которого равна 2,2 Гбайт, а средняя скорость передачи – 12 Мбайт/с.
Внутренний дисковод подключается по интерфейсам EIDE и SCSI, а внешний – к
параллельному порту и порту USB, а также к интерфейсам SCSI и FireWire.
1.3.18. Магнитооптические дисководы
К дисководам со сменными дисками большой емкости относятся и
магнитооптические дисководы. Магнитооптическая технология была разработана фирмой
IBM в начале 70-х годов. Первые опытные образцы магнитооптических (МО) накопителей
представила в начале 80-х годов фирма Sony. На рынке компьютерной техники
магнитооптические накопители вначале не пользовались спросом вследствие дороговизны
и сложности, однако по мере развития технологии и снижения цен отношение к ним
изменилось.
В настоящее время используются магнитооптические диски двух основных
размеров – 3,5 и 5,25". В принципе, устройство магнитооптических дисков всех размеров
одинаковое, основное различие заключается лишь в числе рабочих поверхностей. Слои
одностороннего магнитооптического диска представлены на рис. 2.26.
Рис. 2.26. Строение магнитооптического диска
На стеклопластиковую подложку наносится алюминиевое (либо золотое)
покрытие, предназначенное для отражения лазерного луча. Диэлектрические слои
(прокладки), окружающие магнитооптический слой, выполнены из прозрачного полимера
и защищают диск от перегрева, повышают чувствительность при записи и отражающую
способность при считывании информации.
Магнитооптический слой создается на основе порошка из сплава кобальта, железа
и тербия (65-й элемент периодической таблицы Менделеева, группа лантаноидов).
Верхний защитный слой из прозрачного полимера предохраняет рабочую поверхность от
механических повреждений. Магнитооптические диски бывают односторонними и
двусторонними, причем последние состоят фактически из двух односторонних, склеенных
между собой подложками.
Существенным достоинством магнитооптических дисков является их повышенная
надежность и стойкость к неблагоприятным условиям окружающей среды.
Магнитооптический диск заключен в специальный пластиковый конверт – картридж.
Технология записи и чтения данных для магнитооптического диска показана на
рис. 2.27.
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 22 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
Рис. 2.27. Технология записи и чтения данных для магнитооптического диска
В процессе записи данных на магнитооптический диск лазерный луч фокусируется
на поверхности магнитного слоя в пятно микронного размера. Поверхность
магнитооптического слоя в точке фокусировки разогревается, и его температура достигает
точки Кюри (около 200 °С), и поле записывающей магнитной головки формирует запись.
После охлаждения материала новая магнитная ориентация доменов в данной точке
сохраняется. В зависимости от магнитной ориентации участка магнитного материала он
интерпретируется как логический нуль или логическая единица. Данные записываются
блоками по 512 байт. Для изменения части этой информации необходимо перезаписывать
весь блок, поэтому при первом проходе инициализируется (разогревается) весь блок, а при
подходе сектора под магнитную головку происходит запись новых данных. Такой процесс
называется записью в два прохода, т.е. операция записи в магнитооптическом дисководе
длится в два раза дольше операции считывания.
Считывание данных с диска происходит с помощью поляризованного лазерного
луча пониженной мощности, которой недостаточно для разогрева рабочего слоя
(мощность излучения лазера около 25% от номинальной мощности). При попадании луча
на упорядоченные магнитные частицы диска (ориентированные при записи данных) их
магнитное поле незначительно изменяет поляризацию луча (так называемый эффект
Керра). Хотя плоскость поляризации поворачивается всего на несколько градусов, это
легко определяется фотодектором, также как изменение магнитного поля при считывании
данных с жестких дисков. Поскольку в магнитооптических дисках
направление
намагничивания перпендикулярно поверхности диска (так называемая вертикальная
запись), достигается плотность записи информации в пять раз выше, чем в жестких
дисках. Поэтому емкость магнитооптических дисков составляет: для дисков 3,5" – 230640 Мбайт, для дисков 5,25" – до 4,6 Гбайт.
Теоретически данные на магнитооптический диск можно записывать бесконечное
количество раз, поскольку никаких необратимых процессов в материале носителя не
происходит. Если нужно удалить старые данные, достаточно нагреть лазерным лучом
соответствующие дорожки (секторы) и размагнитить их внешним магнитным полем.
Многие фирмы-изготовители гарантируют миллион циклов перезаписи информации на
магнитооптические диски.
Магнитооптические диски и дисководы большинства фирм-изготовителей
соответствуют требованиям ISO (International Standards Organization – международная
организация по стандартизации). Такое соответствие гарантирует, что любой по стандарту
ISO будет работать на любом дисководе, соответствующем стандарту ISO.
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 23 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-04
Наиболее распространенными в настоящее время являются дисководы фирм Fujitsu
и Maxoptix.
Дисководы Fujitsu серии DynaMO предназначены для 3,5-дюймовых дисков
емкостью 640 Мбайт и 1,3 Гбайт. Кроме этого, эти дисководы поддерживают предыдущие
поколения магнитооптических дисков (230 и 128 Мбайт), совместимые со стандартом ISO.
Эти дисководы выпускаются как во внутреннем, так и во внешнем исполнении для
интерфейсов EIDE, SCSI, USB и FireWire. Скорость вращения в разных моделях лежит в
диапазоне от 3600 до 4300 оборотов/мин. Скорость передачи данных для разных
интерфейсов меняется от 3,9 Мбайт/с до 5,9 Мбайт/с, а среднее время доступа – 28 мс. Все
дисководы фирмы Fujitsu имеют кэш-память объемом 2 Мбайта.
Фирма Maxoptix также является одним из лидеров в производстве магнитооптики.
Их 5,25-дюймовые диски и дисководы соответствуют стандартам ISO и имеют емкость.
Максимальные емкости дисков – 2,6 Гбайт (для модели Star T5-2600) и 5,2 Гбайта (для
модели Star T6-5200). Оба дисковода поддерживают интерфейс Ultra-SCSI для достижения
высокой скорости передачи данных и кэш-память объемом 8 Мбайт.
Магнитооптические дисководы других фирм имеют характеристики, сходные с
представленными выше характеристиками продукции фирм Fujitsu и Maxoptix.
Интересной разновидностью магнитоооптических дисководов являются
устройства с автоматической подачей дисков (Juke Box). Автоматы типа Juke Box
манипулируют магнитооптическими дисками, снимая их с полок хранения и вставляя в
дисковод.
В настоящее время несколько компаний выпускают устройства типа Juke Box,
которые имеют в своем составе один дисковод и 16 или 32 сменных диска. Емкость бокса
магнитооптического накопителя ALTA фирмы Pinnacle Micro составляет 16 дисков, что
дает возможность хранить около 74 Гбайт информации, а накопители типа 80fx Optical
Juke Box фирмы Sure Store имеют два дисковода и емкость около 80 Гбайт.
Магнитооптические накопители можно использовать в тех приложениях, где
приходится обрабатывать, хранить и передавать большие массивы данных. Это архивы,
базы данных большого объема, банковское дело, издательские системы самого разного
уровня, включая настольные, серьезные графические приложения и мультимедиатехнологии, связанные с обработкой звука и видеоизображений. Еще более очевидна
выгода от таких устройств, если магнитооптический накопитель является разделяемым
ресурсом сети, например в телекоммуникационных узлах.
Файл: 446966387 Создан: 28.08.1995 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.