Опубликован: 17.06.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 4649 / 2599 | Длительность: 17:10:00
Лекция 3:

Внешние запоминающие устройства

Аннотация: Для эффективной обработки данных необходимо обеспечить при минимальных затратах хранение больших объемов информации и быстрый доступ к ней - в этом помогают внешние запоминающие устройства.
Ключевые слова: доступ, компромисс, быстродействие памяти, внешнее запоминающее устройство, ВЗУ, CD-RW, HD-DVD, ATA, величина потока, HDA, RLL, portion, checksumming, error correction, ECC, ST-506, MFM, ESDI, внешний край, boot sector, root directory, DOW, AFC, оперативное запоминающее устройство, смена фильтра, spindle, HDD, firmware, read error, throughput, spin, reallocation, remap, seek error, seek time, POH, MTBF, temperature, error rate, retractable, recover, SATA, crc error, write error, address mark, buzz, torque, amplification, GMR, amplitude, DVD-RAM, compact disc, CD-DA, yellow book, PIT, EDC, mebibyte, EFM, dvd-audio, angular velocity, DVD-10, DVD-18, OTP, DVD+RW, green book, ADPCM, CD-ROM XA, orange book, CD-MO, white book, video cd, blue book, density, DAO, TAO, UDFS, disk format, photocd, photocd master, NTSC, PAL, ISO 9660, HFS+, ROCK, storage technology, macrovision, playback, scrambled, protection system, dvd-video, VTS, VOB, APSE, CAV, TOC, linear velocity, velocity, CLV, bus master, ASPI, WORM, absolute time, OSTA, digitized audio, спецификация формата, optimum, power control, OPC, HDTV, дифракция, AVC, PCM, dolby digital, lossless, свободное программное обеспечение, UDO, sharpness, окончание блока, EOV, Стример, стоимость, стабильность, надежность, запись, битовый массив, electronic device, NAND, micron, MLC

Запоминающие устройства - тип носителей информации, предназначенный записи и хранения информации. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

Для эффективной обработки данных необходимо обеспечить при минимальных затратах хранение больших объемов информации и быстрый доступ к ней. При современном уровне технологии компромисс между емкостью, быстродействием памяти и затратами на нее достигается за счет создания иерархической структуры, включающей в себя сверхоперативный, основной, внешний и архивный уровни. Внешний и архивный уровни образуют систему внешней памяти (внешние запоминающие устройства (ВЗУ), контроллеры ВЗУ, а также носители информации и хранилища).

Классификация запоминающих устройств

По устойчивости записи и возможности перезаписи ЗУ делятся на:

  • Постоянные ЗУ (ПЗУ), содержание которых не может быть изменено конечным пользователем (например, CD-ROM ). ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.
  • Полупостоянные ЗУ, в которые конечный пользователь может записать информацию только один раз (например, CD-R ).
  • Многократно перезаписываемые ЗУ (например, CD-RW ).
  • Оперативные ЗУ (ОЗУ) обеспечивает режим записи, хранения и считывания информации в процессе ее обработки. Разновидностью ОЗУ являются динамические ЗУ, в которых информация исчезает после отключения от источника тока (например, память на триггерах).

По типу доступа ЗУ делятся на:

  • Устройства с последовательным доступом (например, магнитные ленты).
  • Устройства с произвольным доступом ( RAM ) (например, магнитные диски).

По геометрическому исполнению:

  • дисковые (магнитные диски, оптические, магнитооптические);
  • ленточные (магнитные ленты, перфоленты);
  • барабанные (магнитные барабаны);
  • карточные (магнитные карты, перфокарты, флэш-карты и другие).

По физическому принципу:

  • Перфолента
  • Перфокарта
  • с магнитной записью
  • ферритовые сердечники
  • магнитные диски
  • НЖМД
  • Дискеты (НГМД)
  • магнитные ленты
  • магнитные карты
  • оптические
  • CD
  • DVD
  • HD-DVD
  • Blu-Ray
  • Магнитооптические:
  • CD-M

По форме записанной информации выделяют:

  • аналоговые запоминающие устройства
  • цифровые запоминающие устройства

Основными техническими характеристиками ВЗУ являются:

информационная емкость определяет наибольшее количество единиц данных, которое может одновременно храниться в ВЗУ. Она зависит от площади и объема носителя, а также от плотности записи;

плотность записи - число бит информации, записанных на единице поверхности носителя. Различают продольную плотность (бит/мм), т.е. число бит на единице длины носителя вдоль вектора скорости его перемещения (по дорожке), и поперечную плотность (бит/мм), т.е. число бит на единице длины носителя в направлении, перпендикулярном вектору скорости (число дорожек);

время доступа, т.е. интервал времени от момента запроса (чтения или записи) до момента выдачи блока.

скорость передачи данных определяет количество данных, считываемых или записываемых в единицу времени и зависит от скорости движения носителя, плотности записи, числа каналов и т.п.

Основы магнитной записи

Состояния материала носителя: размагниченное (а); намагниченное (б) - (д)

Состояния материала носителя: размагниченное (а); намагниченное (б) - (д)

Запись и считывание информации происходят в процессе взаимодействия магнитного носителя и магнитной головки ( МГ ), которая представляет собой электромагнит. Материал магнитного покрытия можно представить множеством хаотически расположенных магнитных доменов, ориентация которых изменяется под действием внешнего магнитного поля, создаваемого МГ при подаче в ее обмотку тока записи. Если МГ приводит к ориентации доменов в плоскости носителя (рис. б, в), то магнитную запись называют горизонтальной, а если - к ориентации доменов перпендикулярно плоскости носителя (рис. г, д), то магнитную запись называют вертикальной. Хотя вертикальная запись потенциально позволяет добиться более высокой плотности записи, наиболее распространена горизонтальная запись.

Для регистрации информации используется переход от одного состояния намагниченности в противоположное. Этот переход является " отпечатком ", который может быть обнаружен с помощью МГ чтения.

Для горизонтальной магнитной записи МГ записи имеет небольшой зазор, через который замыкается магнитный поток. Под действием тока в обмотке домены носителя ориентируются в одном направлении. Если изменить направление тока записи Iw, то ориентация доменов будет противоположной Количество переходов, размещаемых на единице площади носителя, называют физической плотностью записи. Этот параметр зависит от метода магнитной записи, величины зазора в МГ и ее конструкции, расстояния между МГ и покрытием носителя и др.

 Воздействие тока на различные участки носителя при его движении

Воздействие тока на различные участки носителя при его движении

Если плотность записи очень большая, то соседние переходы влияют друг на друга и это должно учитываться при построении схем записи и воспроизведения.

Магнитная головка чтения позволяет определить моменты времени, когда при движении носителя под ней оказываются границы между участками с противоположными состояниями намагниченности. Магнитный поток, создаваемый доменами носителя, частично замыкается через магнитопровод МГ чтения. Для сокращения длительности импульса воспроизведения уменьшают зазор в головке, толщину магнитного покрытия и расстояние между МГ и покрытием.

Если расстояние от МГ до покрытия равно нулю, то реализуется контактная запись (НМЛ, НГМД). Трение между носителем и МГ вызывает их износ и ограничивает скорость движения носителя. При использовании НЖМД реализуют бесконтактную запись, при которой МГ находится на расстоянии 0,2-5 мкм над поверхностью носителя.

Схемы записи и воспроизведения
 Схемы записи (а) и воспроизведения (б)

Схемы записи (а) и воспроизведения (б)

Чтобы создать магнитный поток МГ, в ее обмотке должен протекать ток Iw или -Iw в процессе записи, а чтобы предотвратить разрушение записанной информации при хранении и считывании, ток записи должен отсутствовать. Этого можно добиться с помощью следующей схемы (рис. ,а). МГ записи имеет две обмотки W1 и W2 , включенные встречно. При наличии разрешающего сигнала записи WR ток от источника через резистор R протекает по обмотке W1, переводя носитель в одно из состояний намагниченности. Противоположное состояние намагниченности создается при протекании тока 2Iw по обмотке W2. Этот ток формируется усилителем записи при наличии сигнала разрешения записи и сигнала от схем кодирования.

Использование элементов с тремя состояниями ( Кл - ключ, переключатель) позволяет уменьшить энергетические затраты и несколько повысить быстродействие, так как требует коммутации меньших токов (рис. б). При считывании необходимо выделять слабые полезные сигналы на фоне помех и амплитудно-частотных искажений.

Представление цифровой информации на внешнем носителе

Способы записи устанавливают соответствие отпечатков на поверхности носителя значениям "0" и "1". Наиболее распространенными являются способы записи без возврата к нулю (БВН), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляции, группового кодирования (ГК). Трактом или каналом записи-воспроизведения называют совокупность аппаратных средств, позволяющих при операциях записи получать отпечатки и восстанавливать записанную кодовую последовательность при операциях чтения. При магнитной записи основными компонентами тракта являются головка записи и воспроизведения, усилители записи и воспроизведения, детекторы информационных и синхронизирующих сигналов, схемы управления.

Рассмотрим наиболее распространенный способ записи - " без возврата к нулю ". Суть этого способа состоит в том, что при записи "1" направление тока изменяется, а при записи "0" - не изменяется и отпечатков на поверхности носителя не остается. Запись и чтение осуществляются при постоянной скорости перемещения носителя. Для воспроизведения "0" и отделения их от "1" используются синхроимпульсы которые при считывании могут воспроизводиться автономным тактовым генератором или считываться как служебная информация со служебной дорожки носителя.

Накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД)

Устройство НГМД включает ГМД, пять основных систем (приводной механизм, механизм позиционирования, механизм центрования и крепления, систему управления и контроля, систему записи-считывания) и три специальных датчика (датчик индексного отверстия, датчик запрета записи, датчик дорожки 00).

Дисковод имеет две головки для чтения и записи данных, т.е. головки приводятся в движение устройством, которое называется приводом головок. Они могут перемещаться по прямой линии и устанавливаться над различными дорожками. Головки двигаются по касательной к дорожкам, которые они записывают на диск.

Верхняя и нижняя головка монтируются на одном держателе и двигаются. Головки представляют собой электромагнитные катушки с сердечниками из мягкого сплава железа.

Цилиндр - это общее количества дорожек, с которых можно считать информацию, не перемещая головок.

Кластер - это ячейка размещения данных, отдельный кластер представляет собой наименьшую область диска, которую DOS может использовать при записи файла. Кластер занимает один или несколько секторов.

Метод записи называется туннельной подчисткой (дополнительные головки стирают внешние границы, аккуратно подравнивая их на диске).

Позиционирование - это расположение головок относительно дорожек, которые используются ими для чтения и записи.

Головки снабжены пружинами и прижимаются к диску под небольшим давлением. Это означает, что они находятся в непосредственном контакте с поверхностью диска во время чтения и записи.

В результате контакта между головками и диском на головках постепенно образуется налет оксидного материала диска. Этот слой должен периодически счищаться с головок во время профилактического ремонта или обычного обслуживания.

Привод головок

Это устройство с механическим двигателем, которое заставляет головки перемещаться над поверхностью диска (используется шаговый двигатель). Шаговый двигатель осуществляет перемещения в двух направлениях с определенным приращением (шагом). Этот двигатель поворачивается на точно определенный угол и останавливается. Шаговый двигатель выполняет перемещение между фиксированными ограничителями, или упорами, и должен останавливаться при определенном положении ограничител. Шаговые двигатели не могут осуществлять непрерывное позиционирование. Каждый шаг перемещения определяет дорожку на диске. Двигателем управляет контроллер диска.

Обычно шаговый двигатель соединен с держателем головок свернутой в спираль стальной лентой. Лента наматывается на ось шагового двигателя, что делает вращательное движение поступательным. В некоторых дисководах вместо ленты используется червячная передача. В устройствах этого типа головки монтируются на червячной передаче, приводимой в движение непосредственно валом шагового двигателя (устанавливается на дискетах диаметром 3,5 дюйма).

Двигатель привода диска

Этот двигатель вращает диск (скорость вращения 300-360 об/мин). В старых дисководах двигатель вращал ось диска с помощью ременной передачи (больший вращающий момент), но во всех современных дисководах используется система прямого привода. Она надежнее, дешевле и компактнее.

Платы управления

В дисководе всегда есть одна или несколько плат управления, или логических плат, на которых расположены схемы управления приводом головок, головками чтения/записи, вращающимся двигателем, датчиками диска и другими компонентами дисковода. Логическая плата осуществляет взаимодействие дисковода и платы контроллера в компьютере.

Во всех дисководах гибких дисков для ПК используется интерфейс Shugart Associates SA-400, созданный Шугартом в 1970-х годах.

Контроллер

В первых моделях компьютеров НГМД подключались к плате расширения, установленной в разъем ISA системной платы. Позднее эти платы были усовершенствованы: кроме поддержки накопителя на гибких дисках, была добавлена поддержка последовательного и параллельного портов, интерфейса IDE/ATA. В настоящее время все эти устройства интегрированы в системную плату.

Независимо от типа (внешний или интегрированный), контроллер использует следующие ресурсы:

  • запрос на прерывание - 6;
  • канал DMA - 2;
  • порты ввода-вывода - 3F0-3F5, 3F7 (ввод-вывод).
  • Эти ресурсы стандартизированы и изменять их не следует.

Один для подводимого к дисководу электрического питания, а другой для передачи сигналов управления и данных к дисководу и от него. Четырехконтактный линейный разъем Mate-N-Lock компании AMP большого и малогоразмеров используется дляподключения питания, а34-контактные разъемы - для сигналов данных и управления.

Pазъемы
Контакт Сигнал Контакт Сигнал
1 Общий 18 Направление (шаговый двигатель)
2 Не используется 19 Общий
3 Общий 20 Импульс шага
4 Не используется 21 Общий
5 Общий 22 Запись данных
6 Не используется 23 Общий
7 Общий 24 Запись разрешена
8 Индекс 25 Общий
9 Общий 26 Дорожка 0
10 Активизация двигателя A 27 Общий
11 Общий 28 Запрещение записи
12 Выбор дисковода В 29 Общий
13 Общий 30 Чтение данных
14 Выбор дисковода А 31 Общий
15 Общий 32 Выбор головки 1
16 Активизация двигателя 33 Общий
17 Общий 34 Общий

Разъемы со стороны кабеля питания являются разъемами-"мамами". Они насаживаются на штыревой разъем ("папу"), который прикреплен к дисководу.


В 34-контактном кабеле линии 10-16 разрезаны и перекручены между разъемами дисководов. Это перекручивание переставляет первое и второе положения перемычки выбора дисковода и сигналы включения двигателя, а следовательно, меняет на противоположные установки DS для дисковода, находящегося за перекручиванием.

Полезная поверхность диска представляет собой набор дорожек, расположенных с определенным шагом. Нумерация дорожек начинается с внешней стороны (нулевой дорожки). Позиция дорожки 00 определяется в накопителе с помощью специального фотоэлектрического датчика. Дорожка разбивается на отдельные участки записи равной длины - секторы. Начало участков записи-считывания на дорожках определяется имеющимся на диске специальным круглым индексным отверстием. Когда индексное отверстие при вращении диска проходит под соответствующим окном кассеты, другой фотоэлектрический датчик вырабатывает короткий электрический импульс, по которому обнаруживается позиция начала дорожки.

Марат Хабибуллин
Марат Хабибуллин
Валерий Хан
Валерий Хан
Алексей Сизых
Алексей Сизых
Россия, г. Иркутск
Константин Зверев
Константин Зверев
Россия