4. Каков порядок поиска нужного сектора на дискете?
5. Какие аппаратно-программные и аппаратные средства РС используются для пересылки считанных с дискеты данных в ОЗУ?
6. Что такое рекалибровка дисковода?
7. Как осуществляется контроль считанной с дискеты информации?
8. Находятся ли в контакте с поверхностью дискеты головки НГМД при чтении/записи?
1.5.2.2) Накопители на жестких магнитных дисках
Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД, HDD,) содержит:
- пакет дисков,
- блок головок чтения/записи,
- привод головок (позиционер),
- плату электроники и интерфейса.
Диски и головки.
Особенность конструкции HDD в том, что диски, головки и позиционер помещены в герметичный бокс, называемый HDA (Head Disk Assembly – сборка жесткого диска) и встроенная в него система циркуляции воздуха содержит наружный и внутренний фильтры, защищающие диски и головки от пыли. Во время работы, НЖМД очень чувствительны к тряске и ударам: микро-аварии головок (кратковременные падения головок на поверхность диска) приводят к неустранимому повреждению магнитного покрытия пластин дисков. По этим причинам разборка HDD, без повреждений накопителя, в неспециализированных условиях практически невозможна.
Воздушная подушка, возникающая при вращении дисков, благодаря аэродинамической форме держателей головок, держит головки над поверхностью дисков на высоте 2-5 мкм, т. е. головки не находятся в контакте с диском, что, вместе с защитой от пыли, позволяет использовать плотность записи в 20 – 30 раз большую, чем на дискетах.
Головки НЖМД по технологии их изготовления могут быть композитными, ферритовыми или тонкопленочными. Первые – тяжелее, обеспечивают зазор между головками и поверхностями дисков в 10-20 микродюймов, сравнительно дешевы, позволяют достичь плотности записи в 1500 TPI. Тонкопленочные – используют специальный полупроводниковый кристалл; они легче, допускают зазор до 6 микродюймов и позволяют достичь плотности записи до 2000 TPI и больше.
Позиционер.
Позиционеры в НЖМД ранее использовались двух типов: с шаговым двигателем (ШД) и с соленоидным приводом (СП), последний называется также позиционером с подвижной катушкой.
Сравнительные характеристики дисководов с шаговым и соленоидным приводами приведены в таблице 1.7.
Таблица 1.7. Сравнительные характеристики дисководов с шаговым и соленоидным приводами.
ПАРАМЕТР ШД СП
скорость позиционирования малая высокая
чувствительность к темпе-
ратурным изменениям высокая нет
чувствительность к ориен-
тации дисковода высокая нет
автопарковка головок нет есть
обслуживание периодическое нет
надежность малая хорошая
сложность малая высокая
стоимость низкая высокая.
Система с шаговым двигателем – система "открытого управления": сколько выдано сигналов ШАГ, столько и выполнено перемещений головок по цилиндрам. Считается, что головки автоматически точно устанавливаются на дорожки, но, при изменениях температуры, диски сжимаются или расширяются, поэтому позиционирование получается не вполне точным, следовательно, чтение – не вполне устойчивым, особенно при включении холодной системы. В настоящее время жесткие диски с шаговым двигателем не выпускаются и их можно встретить только в очень старых компьютерах типа IBM-286.
Соленоидный привод, вследствие существенных преимуществ перед приводом с ШД, что хорошо видно из приведенной выше таблицы 1.7, начал применяется в накопителях, емкостью более 100 Мбайт и используется во всех современных жестких дисках.
Накопитель с СП имеет специальный сервопривод, следящий за тем, чтобы головка устанавливалась точно на цилиндр. Для этого одна из поверхностей пакета дисков (служебная) содержит специальную информацию, записанную уже на заводе-изготовителе, и не участвует в запоминании данных, не форматируется и не может быть восстановлена после повреждений. Эта поверхность называется DSS (Dedicaded-Servo-Surface) и содержит также индексные метки, соответствующие цилиндрам и секторам диска.
В некоторых типах дисков, сервоинформация пишется в процессе форматирования просто между дорожками. Дисководы с выделенной поверхностью – более быстродействующие и позволяют большие плотности TPI, а с сервоинформацией, встроенной между информационными дорожками имеют большую надежность хранения информации в условиях колебаний температуры, когда взаимные размеры служебного и рабочих дисков могут изменяться.
Соленоидная система привода – это система "с замкнутой петлей управления". Сервосистема, имея 100% отрицательную обратную связь, постоянно следит за положением головок относительно дорожек и корректирует его в процессе работы.
Парковка головок дисководов с соленоидным приводом – пружинная, а дисководов с ШД электрическая, что, в последнем случае, требует автономных источников тока (накопительных емкостей) питания привода для парковки головок при нештатных отключениях питания.
Плата электроники.
Плата электроники, называемая иногда интерфейсной платой, содержит:
1) схемы управления шпиндельным двигателем,
2) схемы управления позиционером,
3) тракт чтения информации с диска,
4) тракт записи информации на диск,
5) элементы конфигурирования дисковода,
6) формирователи сигналов от датчиков ИНДЕКС, TRACK-0,
7) схемы сопряжения электроники диска с интерфейсом дисковой системы по уровням, логике и т.д.,
8) разъемы для подключения компонент накопителя, интерфейса связи с адаптером дисков и питания.
Для выработки сигналов INDEX и TRACK-0, в HDD нет оптических датчиков, как в FDD, а используются специальные индексные дорожки. После включения питания и разгона шпиндельного двигателя ищется служебная дорожка "–1", устанавливается внутренний счетчик цилиндров, головки перемещаются на цилиндр 0 и сигнал TRACK-0 передается через интерфейс контроллеру. Индексная "дорожка –1" содержит специальную метку для опознания дорожки именно как "–1".
Эксплуатационные характеристики HDD.
Номенклатура HDD включает много типов дисководов, отличающихся:
- максимальной емкостью,
- интерфейсом,
- форм-фактором (физическими размерами),
- быстродействием,
- надежностью,
- стоимостью.
Емкость жестких дисков бывает от 20 Мбайт до 80 Гбайт и выше. Дисководы емкостью более 100 Кбайт имеют всегда соленоидный привод и специальное покрытие дисков – напыление магнитного слоя особой структуры, и, тем самым, отличаются повышенными допустимыми продольной и поперечной плотностями записи.
Быстродействие дисковода определяется временем произвольного доступа к информации и зависит от организации хранения данных на диске, скорости вращения пакета дисков и скорости позиционирования головок.
Время доступа к информации на диске складывается из:
1) времени установки головок на требуемый цилиндр и времени успокоения позиционера;
2) времени ожидания подхода искомого сектора к головкам;
3) времени чтения информации с найденного сектора;
4) скорости передачи данных из буфера сектора в DRAM компьютера.
Среднее время установки головок составляет:
для РС/ХТ – 40 - 65 мсек,
для РС/АТ – 28 -40 мсек,
для РС386 – 12 - 20 мсек.
Скорость передачи данных определяется, главным образом, применяемым методом кодирования (FM, MFM, RLL), используемым интерфейсом, наличием буферов данных и их объемами.
Максимальная скорость считывания данных вычисляется как
Vmax = w * N * n * m,
где
w – скорость вращения шпиндельного двигаткля,
N – число секторов на дорожку диска,
n – емкость сектора (количество байтов в секторе),
m – число бит в байте.
Если принять распространенные значения: w = 3600 об/мин, n = 512 байт, m = 8, тогда скорость считывания данных будет определяться количеством секторов на дорожку данного диска
Так, накопитель с 17 секторами на дорожку должен иметь скорость передачи 4.177.920 бит/сек. Реально эту скорость достичь не удается, так как нужно время и для запоминания информации в ОЗУ РС, а пока контроллер и ПДП (или CPU) заняты передачей информации из буфера сектора в ОЗУ, диски продолжают вращаться, так что к концу передачи информации, считанной с предыдущего сектора, следующий сектор бывает уже недоступен (пройден идентификатор следующего сектора) и для чтения требуемого сектора придется ждать еще один оборот диска. Для РС/АТ ранних моделей без прокрутки лишнего оборота мог быть передан только каждый третий сектор, а для РС/ХТ только пятый.
Преодолеть этот недостаток позволяет прием, называемый фактором чередования секторов (Interleave). Смысл его в том, что физические сектора нумеруются (присваиваются адреса) не подряд, а так, чтобы к моменту окончания передачи считанных данных сектора, к головке подходил сектор со следующим по порядку адресом.
Например, при чередовании 3:1 сектора нумеруются в следующем порядке: 1, 7, 13, 2, 8, 14, 3, 9,15, 4 и т. д. Так что, пока контроллер обрабатывает данные из сектора 1, секторы 7 и 13 пройдут мимо головок и к считыванию будет готов сектор 2 и т. д. Выбор фактора чередования (а он устанавливается программно, во время низкоуровневого форматирования диска и записывается как один из параметров конфигурации HDD), должен быть проведен с учетом:
- быстродействия HDD,
- быстродействия контроллера,
- скорости обработки ввода CPU,
- наличия и скорости работы контроллера ПДП.
Вручную все это учесть достаточно сложно, но помогают некоторые программы тестирования из DOS и NU: CALIBRATE, ROM Diagnostic и др.
Важным, с точки зрения возможности установки HDD в корпусе РС, является форм-фактор:
- 5.25" полной высоты (82 мм), сейчас такие диски уже не выпускаются, но в компьютерах, выпущенных в 80 – 90 годы еще встречаются,
- 5.25" половинной высоты (41 мм),