Накопители на жестких магнитных дисках

Оглавление

Введение

1. Накопители на гибких магнитных дисках

1.1 Физическое устройство НГМД

1.2 Работа НГМД

1.3 Методы и организация записи информации НГМД

1.4 Адаптеры на НГМД

2. Накопители на жестких магнитных дисках

2.1 Физическое устройство НЖМД

2.2 Характеристики НЖМД

2.3 Физическая организация данных в НЖМД

2.4 Логическая организация данных в НЖМД

2.5 Интерфейсы НЖМД

2.6 Перспективные технологии производства НЖМД

2.7 Сравнительный анализ НГМД и НЖМД.

Заключение

Глоссарий

Список используемых сокращений

Список используемой литературы

Приложения

Введение

Выпускаемые промышленностью накопители информации представляют собой гамму запоминающих устройств, с различным принципом действия, физическими и техническими эксплуатационными характеристиками. Носитель информации это материальный объект, используемый для хранения информации Накопитель же это механическое устройство, управляющее записью, хранением и считыванием данных. Различают накопители на гибких магнитных дисках и накопители на жестких магнитных дисках. Основным свойством и назначением накопителей информации является ее хранение и воспроизведение. Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и другими характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные - магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения воспроизведения и записи цифровой информации. Поэтому, в связи с видом и техническим исполнением носителя информации различают: электронные, дисковые и ленточные устройства [8]. Далее речь в моей выпускной квалификационной работе пойдет о дисковых носителях информации, а в частности о сравнительном анализе и оценке возможностей накопителей на жестких и гибких магнитных дисках.

Накопители на гибких и на жестких магнитных дисках (далее НГМД и НЖМД соответственно) являются внешними накопителями или внешней памятью [9]. Внешняя память относится к внешним устройствам персонального компьютера (далее ПК), подключается с помощью шлейфов к материнской плате компьютера и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач (Рис 1. Приложения 1). В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (HDD) и гибких (HD) магнитных дисках. В основу записи, хранения и считывания информации положены два физических принципа, магнитный и оптический. В НГМД и НЖМД используется магнитный принцип. При магнитном способе запись информации производится на магнитный носитель (диск, покрытый ферромагнитным лаком) с помощью магнитных головок.

В процессе записи головка с сердечником из магнитомягкого материала (малая остаточная намагниченность) перемещается вдоль магнитного слоя магнитожесткого носителя (большая остаточная намагниченность). Электрические импульсы создают в головке магнитное поле, которое последовательно намагничивает (1) или не намагничивает (О) элементы носителя. При считывании информации намагниченные участки носителя вызывают в магнитной головке импульс тока (явление электромагнитной индукции). Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую. Для подключения НГМД и НЖМД к ПК используются специальные устройства, которые, называются адаптерами либо контроллерами. Эти устройства вставляются в разъем системной шины ПК, а НГМД и НЖМД подключаются к ним с помощью специальных кабелей.

В последующих разделах излагаются вопросы функционирования НГМД и НЖМД в ПК типа IBM PC/XT, IBM PC/AT и совместимых с ними.

накопитель жесткий магнитный диск

Назначение НГМД и НЖМД - хранение больших объемов информации, запись, а также выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Как известно, первые ЭВМ (электронно-вычислительные машины) были однозадачными, то есть программировались и создавались для решения только одной задачи, например для расчета ядерных реакций или траекторий ракет [2]. Это были ЭВМ на лампах, и полупроводниках, однако с развитием техники появились программируемые машины, на которых программа задавалась с помощью перфокарт, но на всех этих машинах не было запоминающего устройства, то есть они только принимали информацию, обрабатывали и воспроизводили, но не хранили её. Однако с развитием компьютерной техники, в частности, персональных компьютеров, появилась необходимость в накопителях информации. Примерно в это время (начало 70-х), с появлением персонального компьютера и появляются понятия накопителей. Вначале это были накопители на гибких дисках, содержащие операционную систему, т.е. они работали так: при загрузке компьютера дискета вставлялась в дисковод, с которой загружалась операционная система в оперативную память компьютера и после чего пользователь мог запускать программы и работать с ними. Этого было достаточно для ранних операционных систем, например MS DOS, но не очень удобно, т.к. дискеты и по сегодняшний день не отличаются надежностью, поэтому выходом оказалось создание накопителей на жестких магнитных дисках. Способ чтения и записи на накопителях одинаков - с использованием магнитных полей, но реализация этого принципа с помощью НЖМД оказалась более удачной, т.к. жесткие магнитные диски отличаются большим объемом и надежностью, поэтому этот накопитель стал основной памятью компьютера уже в начале 80-х годов и достигал объема уже в несколько раз большего, чем у НГМД. В последствии, с появлением операционных систем семейства Windows (версий 3.1 и 3.11) гибкие диски не могли обеспечить хранение и оперативную загрузку операционных систем [15], что окончательно определило НЖМД как основную память, на который и стали записывать программы и операционные системы и делают это по сей день. Что же произошло далее с накопителями на гибких магнитных дисках? Они стали использоваться как средства переноса информации между компьютерами, т.к. для той же цели НЖМД оказались непригодны, хоть у них и больше объем памяти и скорость чтения/записи, но они находятся внутри системного блока и для снятия или подключения требуется завершать работу компьютера. Гибкие же диски оставались практически единственным оперативным способом для обмена информацией между персональными компьютерами вплоть до середины 90-х годов и хотя сейчас в западных странах с появлением DVD и SD-RW приводов, а также объединения компьютеров в сеть повсеместно отказываются от применения дискет (большинство офисных компьютеров, объединенных с помощью локальных сетей уже не оборудуются НГМД), но в СНГ сейчас степень развития компьютеризации на сегодняшний день такова, что невозможно отказаться от накопителей на гибких магнитных дисков виду их оперативности и повсеместного присутствия, что подтверждается не уменьшаемыми объемами продаж гибких магнитных дискет [3].

Исторически оба накопителя были практически не различимы по важности для архитектуры ПК, но большее развитие к настоящему моменту получили накопители на жестких магнитных дисках, которые и являются основным запоминающим устройством современного ПК. На первоначальных этапах, скорости работы и объемы хранимой информации на НГМД и НЖМД практически не отличались, это было во времена ПК на базе процессоров i80386 и i80486, под управлением системы MS DOS, т.к. это обуславливалось распределением памяти и файловой системой и физически объем памяти не мог превысить 512 Кбайт. Но с появлением же файловых систем FAT 16 и FAT 32, а особенно NTFS позволило увеличить емкость жестких дисков в тысячи раз, тогда как первые НЖМД мерялись в мегабайтах, то сейчас их значения достигают десятков, а то и сотен гигобайт. Накопители же на гибких магнитных дисках, пройдя эволюцию от 5,25 дюймовых дискет (имелись также сейчас давно неиспользуемые 8 дюймовые дискеты) до 3,5 дюймовых (самых распространенных сейчас среди пользователей ПК), дискет, объем записываемой информации на которых от 720 Кб до 2,88 Мб, поэтому ясно, что на сегодняшний день никто не рассматривает их, как альтернативу НЖМД, однако и у них есть своя ниша, из-за которой от них не могут отказаться даже современные производители компьютерной техники, хотя такие заявления неоднократно звучали, в частности от корпорации SONY, занимающей значительное место на рынке производства дискет, а также от SAMSUNGа, производителя дисководов. Почему же так происходит, что даже в новейшие конфигурации компьютеров включают накопители на гибких магнитных дисков? Ответ прост, производители не могут отказаться от НГМД, т.к. по оперативности переноса небольших, как правило, текстовых файлов (Word, Excel), гибкие магнитные диски лидируют, а если учесть, что многие пользователи имеют устаревшие модели компьютеров, не оснащенные более совершенными способами переноса файлов (например, CD-RW дисководами или не объединены в сеть), а работают как электронные пишущие машинки, то понятно, что полностью отказаться от НГМД в ближайшее время не получится [1]. Как видно из вышеуказанного, возникает вопрос, чем на сегодняшний день различаются данные накопители, каково их развитие и перспективы, надежность, а также стоит ли отказываться от НГМД.

Целью моей работы является сравнительный анализ и оценка характеристик НГМД и НЖМД. Задачи, решаемые из поставленной цели:

)        Рассмотреть физическое устройство НГМД и НЖМД, их работу;

2)      Выявить их характеристики и дать им оценку;

)        Рассмотреть перспективные технологии гибких и жестких дисков;

)        Провести сравнительный анализ НГМД и НЖМД.

Актуальность работы, исходя из вышесказанного не вызывает сомнений. Практической значимостью работы заключается в том, что на основе представленных сведений можно сделать анализ среди накопителей и выбрать наиболее подходящий, что будет полезно знать не только начинающим пользователям, но и профессионалам в этой сфере, так как на сегодняшний день анализ статей показал, что объективной информации по этой теме крайне мало и она не систематизирована.

Личный вклад автора заключается в следующем:

)        подобрана и проанализирована имеющаяся по тематике выпускной квалификационной работы литература;

2)      Решены поставленные задачи из цели работы;

)        Разработаны рекомендации.

1. Накопители на гибких магнитных дисках

Существуют различные виды НГМД, они состоят из двух частей - дисковода и дискеты (носителя информации). Наиболее широко распространены устройства с диаметром носителя 203мм (8") 133мм (5,25") и 89мм (3,5"). В профессиональных ЭВМ наиболее часто используют НГМД с диаметром диска 133 и 89мм. В современных дискетах для хранения информации используются обе стороны магнитного диска. Такие дискеты называются двусторонними. Раньше в некоторых моделях ПК использовались односторонние дискеты. Для обозначения количества рабочих поверхностей на некоторых импортных дискетах можно увидеть аббревиатуру: SS - Single Sided (односторонняя дискета), DS - Double Sided (двусторонняя дискета) [9].

За время, прошедшее со времени появления накопителей на гибких магнитных дисках быстро возрастала их популярность как средства массовой памяти с произвольной выборкой для малых компьютеров. Одной из причин этого феноменального роста было то, что за это время емкость дискеты возросла более чем в 10 раз. Примерно 40% этого увеличения явилось результатом улучшений механической части дискового привода, позволивших вдвое повысить плотность размещения дорожек и перейти к записи на обеих сторонах диска. Но остальные 60% - это следствие внедрения различных методов кодирования данных, позволяющих более эффективно использовать рабочую поверхность диска.

.1 Физическое устройство НГМД

Устройство НГМД (Рис 2 Приложения 1) включает гибкий магнитный диск (диски называются гибкими потому, что пластиковый диск, расположенный внутри защитного конверта, действительно гнется, именно поэтому защитный конверт изготовлен из твердого пластика.), пять основных систем (приводной механизм, механизм позиционирования, механизм центрирования и крепления, систему управления и контроля, систему записи и считывания) и три специальных датчика. Диск покрывается сверху специальным магнитным слоем, которых обеспечивает хранение данных. Информация записывается с двух сторон диска по дорожкам, которые представляют собой концентрические окружности. Каждая дорожка разделяется на секторы. Центральным отверстием дискета одевается на усеченный конусообразный вал шпиндель (ступицу), который вращается с постоянной скоростью. В кассете имеется окно овальной формы - отверстие головки вытянутое в радиальном направлении. Через это отверстие магнитная головка прижимается к диску, производя в необходимых местах его поверхности запись - считывание данных контактным способом. Магнитная головка, перемещаясь в прорези кассеты, позволяет записывать электромагнитным способом данные в виде последовательности бит на концентрические окружности - дорожки. Два небольших выреза на кромке кассеты расположенные симметрично относительно окна головки обеспечивают ее позиционирование и фиксацию в НГМД. Справа от них на кассете имеется прямоугольный вырез, заклеенный специальной светонепроницаемое полоской, который запрещает запись и непреднамеренное стирание. В НГМД имеется специальный датчик обнаруживающий наличие данного выреза [15].

Плотность записи данных зависит от плотности нанесения дорожек на поверхность, т.е. числа дорожек на поверхности диска, а также от плотности записи информации вдоль дорожки. Доступ магнитных головок записи/считывания к носителю осуществляется через скользящую металлическую заслонку на корпусе дискеты. Когда дискета вставляется в дисковод заслонка автоматически смещается. Конструкция дискеты имеет ключ (срезанный угол корпуса), предотвращающий ее некорректную установку в дисковод. Приспособление для защиты от записи размещено в нижней части дискеты. Для идентификации параметров плотности записи на дискете с левой стороны располагается квадратное отверстие.

Полезная поверхность диска, предназначенная для записи/считывания информации, представляет собой набор дорожек расположенных с определенным шагом. Зная число дорожек (N), число секторов (M) и размер одного сектора (S), можно вычислить объем гибкого диска (V):

= 2*N*M*S

На 133мм дискетах располагаются 40 или 80 дорожек. Нумерация дорожек начинается с внешней стороны (нулевой дорожки) и заканчивается последней внутренней. Позиция дорожки 00 определяется в накопителе с помощью специального фотоэлектрического датчика. Сама дорожка разбивается на отдельные секторы. У 133мм дискеты обычно 8, 9 или 16 секторов на дорожке. Информационная емкость сектора 128, 256, 512 или 1024 байт. Начало участков записи определяется имеющемся на диске и в кассете специальным круглым индексным отверстием. Когда индексное отверстие при вращении проходит под соответствующим отверстием кассеты еще один специальный фотоэлектрический датчик вырабатывает короткий электрический сигнал, по которому обнаруживается позиция начала дорожки. Дисководы 3,5" работают с двухсторонними дискетами емкостью 512 байт по 9 или 18 секторов на дорожку. Обычно на диске используется 80 дорожек.

Обычно при покупке на поверхность диска не нанесены дорожки и секторы. В таком случае нужно подготовить диск для записи данных, т.е. отформатировать. Для этого в состав системного программного обеспечения включена специальная программа, которая производит форматирование диска. Форматирование - это процесс разметки диска на дорожки и секторы. Дисковод для гибких дисков относится к группе накопителей прямого доступа и устанавливается внутри системного блока (Рис 3 Приложения 1). Диск вставляется внутрь дисковода и при обращении к нему соответствующей программы головка записи/чтения устанавливается на нужное место. Один двигатель дисковода обеспечивает вращение диска внутри защитного конверта. Чем выше скорость вращения, тем быстрее считывается информация, а значит, увеличивается скорость обмена информацией. Второй двигатель перемещает головки записи/чтения по поверхности диска и определяет другую характеристику внешней памяти - время доступа информации. Типичный приводной механизм гибкого магнитного диска содержит микродвигатель постоянного тока вращения диска и шпиндель. Обычно скорость вращения 300 или 360 оборотов в минуту (об/мин). Вращение диска с нужной скоростью обеспечивается сервосистемой.

Позиционирующая система служит для установки магнитной головки точно над определенной дорожкой на поверхности носителя. Перемещение каретки с магнитной головкой в радиальном направлении осуществляется с помощью первичной передачи шагового двигателя при подаче на последний импульсного напряжения.

Механизм центрирования и крепления обеспечивает крепление и прецизионное центрирование дискета с помощью корпусного замка.

Механическая часть системы записи/считывания состоит из магнитных головок с устройствами прижима головок, расположенных на подвижной каретке. Устройства прижима механически осуществляют прижим дискеты к головке. Возможен вариант, когда головка прижимается к дискете с помощью соленоида.

Системой управления и контроля управляются и контролируются отдельные механические узлы накопителя, процесс записи/считывания и связи с адаптером НГМД. Обычно в профессиональной ЭВМ к одному адаптеру можно подключить несколько НГМД.

Для подключения определенных НГМД применяются микропереключатели. Контрольные и управляющие логические схемы служат для сбора информации о характеристиках рабочих состояний НГМД и выдачи соответствующих сообщений.

Электронные схемы системы позиционирования обеспечивают оптимальное по времени позиционирование подвижной каретки с магнитной головкой относительно необходимой дорожки.

Для управления двигателями служат электронные схемы регулирования и усиления сигналов, подаваемых на двигатели: шаговый (для привода каретки) и постоянный ток (для привода дискеты). Усилители записи предназначены для усиления сигналов записи, подаваемых на магнитные головки, а усилители считывания используются для усиления считываемых магнитной головкой сигналов и для подготовки их к дальнейшей обработке.

Защитный конверт диска имеет область доступа к данным и средства закрепления диска на кронштейне внутри дисковода для обеспечения вращения диска. Для обращения к диску, вставленному в дисководе, компьютер использует специальные имена. Как правило, дисководу для считывания информации с трехдюймового диска присваивается имя в виде латинской буквы с двоеточием А:, а для 5-дюймового или второго трехдюймового - в виде латинской буквы с двоеточием В:. Наличие после буквы двоеточия позволяет компьютеру отличать имя дисковода от буквы.

Правила работы с дисками рекомендуют не дотрагиваться до поверхности диска руками, не держать диски вблизи сильного магнитного поля, не подвергать их нагреванию. И конечно, лучше всего сделать его копию на случай выхода диска из строя.

1.2 Работа НГМД

Основные внутренние элементы дисковода - дискетная pама, шпиндельный двигатель, блок головок с приводом и плата электроники.

Шпиндельный двигатель - плоский многополюсный, с постоянной скоростью вращения 300 об/мин. Двигатель привода блока головок - шаговый, с червячной, зубчатой или ленточной передачей.

Для опознания свойств дискеты на плате электроники возле пеpеднего торца дисковода установлено три механических нажимных датчика: два - под отвеpстиями защиты и плотности записи, и тpетий - за датчиком плотности - для определения момента опускания дискеты. Вставляемая в щель дискета попадает внутpь дискетной pамы, где с нее сдвигается защитная штоpка, а сама pама при этом снимается со стопора и опускается вниз - металлическое кольцо дискеты при этом ложится на вал шпиндельного двигателя, а нижняя поверхность дискеты - на нижнюю головку (сторона 0). Одновременно освобождается верхняя головка, которая под действием пружины прижимается к верхней стороне дискеты. На большинстве дисководов скорость опускания рамы никак не ограничена, из-за чего головки наносят ощутимый удар по поверхностям дискеты, а это сильно сокращает срок их надежной работы. В некоторых моделях дисководов (Teac, Panasonic, ALPS) предусмотрен замедлитель-микpолифт для плавного опускания pамы. Для продления срока службы дискет и головок в дисководах без микpо-лифта рекомендуется при вставлении дискеты пpидеpживать пальцем кнопку дисковода, не давая раме опускаться слишком резко. На валу шпиндельного двигателя имеется кольцо с магнитным замком, который в начале вращения двигателя плотно захватывает кольцо дискеты, одновременно центpиpуя ее на валу. В большинстве моделей дисководов сигнал от датчика опускания дискеты вызывает кpатковpеменный запуск двигателя с целью ее захвата и центpиpования.

Дисковод соединяется с контpоллеpом при помощи 34-пpоводного кабеля, в котором четные провода являются сигнальными, а нечетные - общими. Общий вариант интерфейса пpедусматpивает подключение к контpоллеpу до четырех дисководов, вариант для IBM PC - до двух. В общем варианте дисководы подключаются полностью параллельно друг другу, а номер дисковода (0.3) задается перемычками на плате электроники; в варианте для IBM PC оба дисковода имеют номер 1, но подключаются при помощи кабеля, в котоpом сигналы выбоpа (пpовода 10-16) пеpевеpнуты между pазъемами двух дисководов. Иногда на pазъеме дисковода удаляется контакт 6, игpающий в этом случае pоль механического ключа. Интеpфейс дисковода достаточно пpост и включает сигналы выбоpа устpойства (четыpе устpойства в общем случае, два - в ваpианте для IBM PC), запуска двигателя, перемещения головок на один шаг, включения и записи, считываемые/записываемые данные, а также информационные сигналы от дисковода - начало дорожки, признак установки головок на нулевую (внешнюю) дорожку, сигналы с датчиков и т.п. Вся работа по кодированию информации, поиску дорожек и секторов, синхронизации, коppекции ошибок выполняется контpоллеpом.

.3 Методы и организация записи информации НГМД

В контроллере НГМД данные обрабатываются в двоичном коде и передаются в НГМД в последовательном коде. В НГМД используются три основных метода записи:

·        метод частотной модуляции;

·        метод модифицированной частной модуляции (МЧМ);

·        метод кодирования с ограничением расстояния между переходами намагниченности RLL.

Данные пользователя на дискете располагаются вместе со служебной информацией, необходимой для нумерации отдельных областей, отделения их друг от друга, для контроля информации и т.д.

В НГМД используют стандартные форматы информации, позволяющие унифицировать схему НГМД и адаптеров. Вся информация, записанная на дискете, подразделяется на секторы. Максимальное число секторов на дорожке определяется оперативной системой ПЭВМ. Расположение секторов нумеруется от 1 до М, начиная с физического начала дорожки, определяемого сигналом ИНДЕКС. Произведение числа дорожек на количество секторов записи позволяет определить информационную емкость дискеты. Каждый сектор включает в себя две области: поле служебной информации и поле данных пользователя. Служебная информация составляет идентификатор сектора, позволяющий отличать этот сектор от других. Он включает несколько отдельных частей:

) адресный маркер (метку) - специальный код, отличающийся от данных; он указывает начало сектора и служебной информации (применяются определенные битовые комбинации тактовых импульсов, которые не появляются в режиме записи);

) номер дорожки, содержащий код порядкового номера дорожки на которой расположен данный сектор;

) номер головки, который указывает на одну из двух магнитных головок расположенных на соответствующих сторонах дискеты;

) номер сектора - код определяющий логический номер сектора, который может не совпадать с физическим номером сектора;

) контрольные байты - код, предназначенный для контроля ошибок считывания информации (по результатам считывания составляется контрольный код, и если он не совпадает с записанным в идентификаторе, то это означает ошибку при считывании).

Поле данных используется для хранения основной информации. Пригодность участков для записи определяется при форматировании. Поле данных начинается с адресного маркера и заканчивается контрольными байтами. Рассмотрим подробнее организацию данных в НГМД.

Физическая организация данных

Перед использованием чистой дискеты она должна быть размечена. Процедура разметки (форматирования) дискеты заключается в том, что в определенные места каждой дорожки записываются служебные последовательности символов, называемые форматом. Формат предназначен для того, чтобы аппаратура адаптера дисководов могла однозначно определить позицию головки на дорожке, в нужное, время переключиться с поиска нужного сектора на запись или чтение поля данных и проверить достоверность записанных и прочитанных данных. Все операции записи данных сопровождаются накоплением и записью в конце поля данных двух байтов контрольной суммы. Эта контрольная сумма, иначе называемая кодом циклического контроля (CRC - Cyclic Redundency Check), подсчитывается с помощью полинома, вид которого показан ниже:

Х16 + Х12 + Х5 + Х + 1

При операциях чтения и проверки данных на внутренних регистрах контроллера НГМД происходит накопление контрольной суммы по этому же алгоритму, а затем накопленная и записанная контрольные суммы сравниваются. При их совпадении прочитанные или проверенные данные считаются достоверными, при несовпадении - вырабатывается сигнал сбоя данных.

Логическая организация данных

Как сказано выше, первая выполняемая на новом диске операция - это форматирование. Этот процесс позволяет придать диску его окончательную структуру. В ходе форматирования определяется, в частности, количество дорожек и число секторов на дорожке.

В операционной системе MS-DOS предусмотрены четыре логических области дискеты:

) загрузочный сектор;

) таблица размещения файлов - FAT (Files Allocation Table);

) каталог;

) область данных.

Загрузочный сектор содержит короткую программу начальной загрузки ОС в память компьютера. Независимо от формата записи эта программа всегда занимает один сектор - первый сектор на цилиндре, имеющем номер ноль. В следующих секторах расположена таблица размещения файлов (FAT). Она содержит информацию, определяющую расположение записанных на дискету файлов. Отметим, что соседние фрагменты файла отнюдь не обязательно записываются в соседних секторах. Новые файлы могут занимать место, освобожденное в результате стирания ранее записанных. В связи с важностью информации, хранящейся в FAT, на дискете находятся две копии таблицы. Непосредственно за таблицей размещения файлов находится каталог. В нем записываются основные параметры (например, длина) файлов, записанных в области данных.

Величина области данных, каталога и FAT зависит от числа секторов на дискете, которое в свою очередь обусловлено форматом записи данных. В MS-DOS длина сектора составляет 512 байтов, но число секторов может быть различным и зависит от версии системы и типа накопителя.

Главная загрузочная и загрузочная запись

Первый сектор гибкого диска (сектор 1, дорожка 0, головка 0) содержит так называемую главную загрузочную запись (Master Boot Record). Эта запись занимает не весь сектор, а только его начальную часть.

Сама по себе главная загрузочная запись является программой. Эта программа во время начальной загрузки операционной системы с НМД помещается по адресу 7COOh: OOOOh, после чего ей передается управление. Загрузочная запись продолжает процесс загрузки операционной системы.

В первом секторе активного раздела расположена загрузочная запись (Boot Record), которую не следует путать с главной загрузочной записью (Master Boot Record). Загрузочная запись считывается в оперативную память главной загрузочной записью, после чего ей передается управление. Загрузочная запись и выполняет загрузку операционной системы.

Первый сектор на системной дискете занижает загрузочная запись (Boot Record). Эта запись считывается из активного раздела диска программой главной загрузочной записи (Master Boot Record) и запускается на выполнение. Задача загрузочной записи - выполнить загрузку операционной системы. Каждый тип операционной системы имеет свою загрузочную запись. Даже для разных версий одной и той же операционной системы программа загрузки может выполнять различные действия.

Кроме программы начальной загрузки операционной системы в загрузочной записи находился параметры, описывающие характеристики данного логического диска. Все эти параметры располагаются в самом начале сектора, в его так называемой форматированной области. Формат этой области изменился в версии 4.0 операционной системы MS-DOS.

Логический номер сектора MS-DOS предоставляет программе возможность работы с так называемыми логическими номерами секторов. Это номера секторов внутри логического диска.

Для адресации сектора при помощи функций BIOS необходимо указывать номер дорожки, номер головки и номер сектора на дорожке. MS-DOS организует "сквозную" нумерацию секторов, при которой каждому сектору логического диска присваивается свой номер. Порядок нумерации выбран таким, что при последовательном увеличении номера сектора вначале увеличивается номер головки, затем - номер дорожки. Это сделано для сокращения перемещений блока головок при обращении к последовательным логическим номерам секторов.

Пусть, например, у нас есть дискета с девятью секторами на дорожке. Сектор с логическим номером, равным единице, расположен на нулевой дорожке и для обращения к нему используется нулевая головка. Это первый сектор на дорожке, он имеет номер 1. Следующий сектор на нулевой дорожке имеет логический номер 2, последний сектор на нулевой дорожке имеет логический номер 9. Сектор с логическим номером 10 расположен также на нулевой дорожке. Это тоже первый сектор на дорожке, но теперь для доступа к нему используется головка с номером 1. И так далее, по мере увеличения логического номера сектора изменяются номера головок и дорожек.

Прямой и последовательный доступ

Начнем с магнитных лент. При использовании магнитных лент информация записывается в виде файлов с последовательным доступом. Последовательный доступ означает, что для чтения какого-либо файла требуется вначале прочитать (или просмотреть) все предыдущие файлы. При записи информация может добавляться в конец ленты, после той информации, которая была записана в последний раз.

Для такого устройства, как магнитный диск, возможна запись информации либо последовательным, либо прямым методом доступа. Использование прямого метода доступа позволяет программе позиционировать головки сразу нужный файл. Например, при чтении записи можно задать номер сектора на определенной дорожке и номер головки, где она расположена, либо смещение записи относительно начала файла в байтах.

Как правило, прямой метод доступа более эффективен.

.4 Адаптеры на НГМД

Для обеспечения управления работой НГМД и согласования интерфейсов дисководов с интерфейсом системной шины в составе ПЭВМ необходимо электронное оборудование адаптера НГМД.

Адаптер НГМД переводит команды, поступающие с ПЗУ BIOS в электрические сигналы управляющие НГМД, а также преобразует поток импульсов, считываемых магнитной головкой, в информацию воспроизводимую ПЭВМ. Конструктивно электронное оборудование адаптера НГМД может быть размещено на системной плате, либо совмещено с оборудованием других адаптеров (НЖМД портов и т.д.). Большинство адаптеров предназначено для работы с дисководами использующими код МЧМ. Основным функциональным блоком адаптера НГМД является контроллер НГМД, выполненный конструктивно обычно в виде БИС [4]. Наиболее часто в качестве БИС контроллеров НГМД используются ИМС 8272 фирмы Intel и ИМС 765 фирмы NEC.

Для центрального процессора адаптер НГМД доступен программно через регистр управления и два порта контроллера НГМД - регистр состояния и регистр данных.

Значение отдельных разрядов регистра управления определяют: выбор НГМД, сброс контроллера, включение двигателя, разрешение прерывания и ПДП. Для организации обмена информацией между центральным процессором и адаптером используется регистр состояния контроллера, доступный только для считывания.

Регистр данных служит для запоминания данных, команд, параметров и информации о состоянии НГМД. При записи регистр данных используется как буфер, в который побайтно подаются данные от процессора.

Дешифратор адреса распознает базовые адреса программно доступных регистров.

Контроллер НГМД выполняет набор команд, среди которых основные - позиционирование, форматирование, считывание, запись, проверка состояния и др. Исполнение каждой команды имеет три фазы: подготовительную, исполнения и заключительную. В подготовительной фазе центральный процессор передает контроллеру управляющие байты, которые включают код операции и параметры, необходимые для ее исполнения. На основании управляющей информации в фазе исполнения контроллер выполняет действия, заданные командой. В заключительной фазе через регистр данных считывается содержимое регистров состояния, хранящих информацию о результатах выполнения заданной команды и состоянии НГМД.

Правильно эксплуатируемый диск выдерживает несколько месяцев непрерывной работы на одной дорожке, но ведь таких дорожек на диске несколько десятков. Дискеты высокого качества известных и опытных изготовителей гарантируют в среднем 70 млн. проходов головки по дорожке, что на практике сводится к более чем 20-летней интенсивной эксплуатации. Правила работы с дисками рекомендуют не дотрагиваться до поверхности диска руками, не держать диски вблизи сильного магнитного паля, не подвергать их нагреванию. И конечно, лучше всего сделать его копию на случай выхода диска из строя. На этом месте я хотел бы перейти к рассмотрению накопителей на жестких магнитных дисках.

2. Накопители на жестких магнитных дисках

Эволюция персональных компьютеров связана с изменениями накопителей на жестких дисках. Жесткие магнитные диски, или "винчестеры", являются обязательным компонентом персонального компьютера. Первые ПК не имели таких накопителей, в компьютерах PC XT эти устройства уже использовались, а в PC/AT жестким дискам придавалось особое значение. Первый накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД) появился в далеком июне 1956 г. И даже его создатель Рейнолд Джонсон, руководитель одной из исследовательских лабораторий IBM, скорее всего, вряд ли мог предположить, сколь огромное влияние окажет его изобретение на все последующее развитие компьютерной индустрии. Первый жесткий диск имел емкость около 5 Мбайт. Устройство состояло из 50 дисков диаметром 24 дюйма, вращающихся с частотой 1200 об/мин, среднее время поиска составляло около 1 с.

Наименование диска - жесткий - подчеркивает его отличие от гибкого диска: магнитное покрытие наносится на жесткую подложку. Термин жесткий диск (hard disk) используется, в основном, в англоязычных странах. В продаже первый накопитель на жестких дисках появился в 1973 г. и имел кодовое обозначение "30/30" (двусторонний диск емкостью 30 + 30 Мбайт). Это кодовое обозначение совпадало с обозначением калибра легендарного охотничьего ружья "винчестер", использовавшегося при завоевании Дикого Запада. Такие же намерения были и у разработчиков жесткого диска; наименование "винчестер" получило широкое распространение. В настоящее время как основными производителями, так и дочерними фирмами выпускаются несколько десятков типов накопителей на жестких дисках. Зачастую используются оригинальные конструкционные материалы, имеются отличия в расположении узлов, но принципы работы большинства накопителей одинаковы [5].

2.1 Физическое устройство НЖМД

Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель (носители) и устройство чтения/записи, а также, нередко, и интерфейсную часть, называемую собственно контроллером жесткого диска. Жесткий диск - это несколько алюминиевых пластин, покрытых магнитным слоем, которые вместе с механизмом считывания и записи заключены в герметически закрытый корпус внутри системного блока. Накопитель на жестком диске, выглядит как прочный металлический корпус, к которому снизу прикреплена печатная плата с электронными компонентами (Рис 4 Приложения 1). Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя (Рис.5 Приложения 1). Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех. В корпусе же находятся элементы для закрепления накопителя в компьютере. Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы (Рис 6 Приложения 1). Механизмы - это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение. Кроме того, у некоторых типов накопителей внутри находится воздушный фильтр, который адсорбирует образующиеся во время работы частицы пыли. Вскрывать корпус можно только в производственных условиях, в так называемой "чистой зоне", что исключает попадание внутри пыли и других вредных веществ. Накопителя зарубежных фирм, как правило, имеют специальную надпись на верхней крышке корпуса. Надпись обычно выполняет роль предохранительной пломбы и гласит следующее: "Вскрытие изделия, прекращает действие гарантий" [8].

На лицевой панели накопителя зачастую можно увидеть светодиодный индикатор. Этот индикатор включается тогда, когда происходит обращение к данному НЖМД. В ПК типа IBM PC/XT старых моделей, при использовании двух НЖМД, в исходном состояния оба индикатора выключены и включение одного из них происходит только на время активизации контроллером линии интерфейса "выбор". В ПК типа IBM PC/AT и в IBM PC/XT новых моделей индикатор одного из НЖМД постоянно включен, т.к. контроллер не сбрасывает сигнал "выбор" того НЖМД, обращение к которому было последним. Соответственно, при использовании одного НЖМД в этих моделях, он включен постоянно. Истинный факт обращения к НЖМД индицируется на передней панели ПК.

Диск представляет собой круглую металлическую пластину с очень ровной поверхностью, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Количество дисков может быть различным, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить".

Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности представьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Для корректного считывания данных увеличение плотности записи требует соответствующего уменьшения так называемой "магнитной толщины". Она численно равна произведению величины магнитного момента на толщину магнитного слоя. Традиционное решение, применявшееся до настоящего времени, - использование более тонкого магнитного слоя, что означает, в свою очередь, меньшую энергию магнитного домена. Но чем меньше размер магнитного домена, направление намагниченности которого определяет бит информации (0 или 1), тем меньшая энергия требуется для изменения направления намагниченности на противоположное. Возникает впечатление, что снижать размер домена выгодно, но как только энергия, необходимая для изменения направления намагниченности, будет сравнима по порядку с тепловой энергией частиц, жесткие диски больше нельзя будет считать надежным способом хранения данных. Ведь повышение температуры на несколько градусов будет автоматически означать потерю данных без возможности их восстановления, так как направление намагниченности будет произвольно изменяться под действием тепла. Такое явление принято называть эффектом супер парамагнетизма. Разумеется, с серийными образцами ничего подобного не произойдет, поскольку ни один производитель не пойдет на увеличение объема в обмен на риск потери данных. Тем не менее, количество информации растет с каждым днем, а значит, необходимость увеличивать объемы хранимой на дисках информации существует, т.е. в какой-то момент место НЖМД могут занять накопители данных, работающие по совершенно другой технологии. Исследования в этом направлении уже ведутся.

Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Для того чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности.

Головки перемещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы "плывут" на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. Держатель головки представляет собой крыло, парящее над поверхностью, благодаря тому, что поверхность увлекает с собой частицы воздуха, создавая таким образом набегающий на крыло поток. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Дорожка это концентрическое кольцо на поверхности магнитного диска, на которое записываются данные, а сектор - деление дисковых дорожек, представляющее собой основную единицу размера, используемую накопителем. Секторы обычно содержат по 512 байтов.

В настоящее время, для позиционирования головок чтения/записи, наиболее часто, применяются шаговые и линейные двигатели механизмов позиционирования и механизмы перемещения головок в целом.

В системах с шаговым механизмом и двигателем головки перемещаются на определенную величину, соответствующую расстоянию между дорожками. Дискретность шагов зависит либо от характеристик шагового двигателя, либо задается серво-метками на диске, которые могут иметь магнитную или оптическую природу. Для считывания магнитных меток используется дополнительная серво-головка, а для считывания оптических - специальные оптические датчики.

В системах с линейным приводом головки перемещаются электромагнитом, а для определения необходимого положения служат специальные сервисные сигналы, записанные на носитель при его производстве и считываемые при позиционировании головок. Во многих устройствах для серво-сигналов используется целая поверхность и специальная головка или оптический датчик. Такой способ организации серво-данных носит название выделенная запись серво-сигналов. Если серво-сигналы записываются на те же дорожки, что и данные и для них выделяется специальный серво-сектор, а чтение производится теми же головками, что и чтение данных, то такой механизм называется встроенная запись серво-сигналов. Выделенная запись обеспечивает более высокое быстродействие, а встроенная - повышает емкость устройства.

Линейные приводы перемещают головки значительно быстрее, чем шаговые, кроме того, они позволяют производить небольшие радиальные перемещения "внутри" дорожки, давая возможность отследить центр окружности серводорожки. Этим достигается положение головки, наилучшее для считывания с каждой дорожки, что значительно повышает достоверность считываемых данных и исключает необходимость временных затрат на процедуры коррекции. Как правило, все устройства с линейным приводом имеют автоматический механизм парковки головок чтения/записи при отключении питания устройства.

Парковкой головок называют процесс их перемещения в безопасное положение. Это - так называемое "парковочное" положение головок в той области дисков, где ложатся головки. Там, обычно, не записано никакой информации, кроме серво-данных, это специальная "посадочная зона" (Landing Zone). Для фиксации привода головок в этом положении в большинстве ЖД используется маленький постоянный магнит, когда головки принимают парковочное положение - этот магнит соприкасается с основанием корпуса и удерживает позиционер головок от ненужных колебаний. При запуске накопителя схема управления линейным двигателем "отрывает" фиксатор, подавая на двигатель, позиционирующий головки, усиленный импульс тока. В ряде накопителей используются и другие способы фиксации - основанные, например, на воздушном потоке, создаваемом вращением дисков. В запаркованном состоянии накопитель можно транспортировать при достаточно плохих физических условиях (вибрация, удары, сотрясения), т.к. нет опасности повреждения поверхности носителя головками. В настоящее время на всех современных устройствах парковка головок накопителей производится автоматически внутренними схемами контроллера при отключении питания и не требует для этого никаких дополнительных программных операций, как это было с первыми моделями.

Во время работы все механические части накопителя подвергаются тепловому расширению, и расстояния между дорожками, осями шпинделя и позиционером головок чтения/записи меняется. В общем случае это никак не влияет на работу накопителя, поскольку для стабилизации используются обратные связи, однако некоторые модели время от времени выполняют рекалибровку привода головок, сопровождаемую характерным звуком, напоминающим звук при первичном старте, подстраивая систему к изменившимся расстояниям.

Число дисков, головок и дорожек накопителя устанавливается изготовителем исходя из свойств и качества дисков. Изменить эти характеристики нельзя. Количество секторов на диске зависит от метода записи. В одном секторе располагается 512 байт (в системе DOS). Зная эту величину, всегда можно рассчитать общий объем накопителя:

- С Н S В

где С - количество цилиндров; Н - количество головок; S - количество секторов на дорожку; В - размер сектора.

Описанное выше разбиение называется низкоуровневым (LowLewel) форматированием. Такое форматирование нижнего уровня чаще всего выполняет изготовитель, используя специальные программные средства (например, Speed Store или Disk Manager) или команды DOS. Перед первым использованием дисков необходимо произвести их логическое форматирование - специальным образом инициализировать их (с помощью программы format). Для обращения к жесткому диску используется имя, заданное латинской буквой С:. В случае, если установлен второй жесткий диск, ему присваивается следующая буква латинского алфавита D:.

В компьютере предусмотрена возможность с помощью специальной системной программы условно разбивать один диск на несколько. Такие диски, которые не существуют как отдельное физическое устройство, а представляют лишь часть одного физического диска, называют логическими дисками. Логическим дискам присваиваются имена, в качестве которых используются буквы латинского алфавита С:,D:,E:,F: и т.д.

Кроме внутреннего жесткого диска, установленного в системном блоке, в персональном компьютере могут использоваться накопители на сменных жестких дисках, которые, как правило, имеют автономное внешнее исполнение.

Хранение и извлечение данных с диска требует взаимодействия между операционной системой, контроллером жесткого диска и электронными и механическими компонентами самого накопителя.

Электроника жесткого диска спрятана в нижней части винчестера. Она расшифровывает команды контроллера жесткого диска и передает их в виде изменяющегося напряжения на шаговый двигатель, перемещающий магнитные головки к нужному цилиндру диска. Кроме того, она управляет приводом шпинделя, стабилизируя скорость вращения пакета дисков, генерирует сигналы для головок при записи, усиливает эти сигналы при чтении и управляет работой других электронных узлов накопителя. Плата электроники современного накопителя на жестких магнитных дисках представляет собой самостоятельный микрокомпьютер с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и прочими традиционными атрибутами присущими компьютеру. На плате могут располагаться множество переключателей и перемычек, однако не все из них предназначены для использования пользователем. Как правило, руководства пользователя описывают назначение только перемычек, связанных с выбором логического адреса устройства и режима его работы, а для накопителей с интерфейсом SCSI - и перемычки, отвечающие за управление резисторной сборкой (стабилизирующей нагрузкой в цепи) [10].

.2 Характеристики НЖМД

Рассмотрим параметры, характеризующие накопители на жестких дисках:

Емкость

Емкость является важнейшей характеристикой НЖМД. Собственно говоря, эти накопители и появились вследствие необходимости ввести в состав ПК быстродействующие запоминающие устройства большой емкости.

В документации на НЖМД можно встретить два термина, относящиеся к их полной емкости: неформатированная и форматированная емкость. Неформатированная емкость - это количество байтов данных, которое можно разместить на всех дорожках всех рабочих поверхностей дисков, если всю длину дорожки использовать только для данных, т.е. если данные не обрамлять никакой служебной информацией (не использовать формат записи). Форматированная емкость - это суммарное количество байтов данных, которое можно поместить в отведенные для данных поля всех секторов на всех дорожках. Пользователя, конечно же, интересует форматированная емкость НЖМД, т.к. именно она является для него полезной, доступной для размещения программ и данных. Форматированная емкость НЖМД численно представляет из себя произведение следующих величин: размер сектора в байтах, количество секторов на дорожке (при постоянном их числе на всех дорожках), количество рабочих поверхностей дисков (число головок чтения-записи), число цилиндров. При этом нужно учитывать, что число доступных для пользовательских программ цилиндров на один меньше, чем это указано в документации на НЖМД. Дело в том, что последний (самый внутренний) цилиндр используется исключительно для целей диагностики. Для проверки правильности выполнения команд записи и форматирования различные тестовые программы используют именно этот цилиндр. Так, например, накопитель ST225 фирмы Seagate Technology имеет 615 цилиндров (0-614). Диагностическим является 614-й цилиндр. Для пользовательских программ доступны цилиндры 0-613.

Скоростные параметры.

Наряду с емкостью, быстродействие является важнейшей характеристикой НЖМД. При работе с динамическими таблицами, базами данных или использовании системы автоматизированного проектирования (САПР), быстродействующий накопитель значительно повысит продуктивность вашей работы. Вместе с быстродействием центрального процессора и оперативной памяти быстродействие НЖМД определяет эффективную производительность ПК в целом.

Среднее время доступа к данным (Average Access Time) - это среднее время, за которое головка перемещается к нужной дорожке диска, устанавливается на нее и начинает считывать данные. Любая прикладная программа, часто обращающаяся к данным, хранящимся в разных местах жесткого диска (например, база данных), будет работать гораздо эффективнее, если накопитель имеет малое время доступа. Измеряется время в миллисекундах и составляет в настоящее время 8-11 мс. Данный параметр улучшается медленно, так как совершенствовать механику трудно. Иногда время чтения меньше времени записи. Параметр обязательно сообщается в торговых предложениях. Для конкретного диска его можно оценить утилитами, например, Norton SI, Checkit.

Среднее время доступа определяется тем, как организовано хранение данных на диске и насколько быстро перемещаются головки чтения-записи. В подавляющем большинстве НЖМД имеется несколько дисков. Обычно данные хранятся на обеих сторонах диска, причем на каждую сторону приходится своя головка чтения-записи [22].

После того, как контроллер инициирует перемещение головок, они начинают двигаться к требуемому цилиндру. По окончании этого процесса, должно пройти некоторое время, прежде чем станет возможным запись или чтение информации с требуемой дорожки. Это время называется временем успокоения и необходимо для прекращения механических колебаний головок, вызванных перемещением.

Время, затрачиваемое на перемещение блока головок к нужному цилиндру и успокоение их в новом положении, называют временем установки или временем поиска. Среднее время установки представляет собой усредненный результат большого числа измерений этого времени при перемещении головок между различными цилиндрами. В каталогах фирм-производителей НЖМД этот параметр называется Average Seek Time. Для того, чтобы определить среднее время установки головок, изготовители дисковых систем памяти обычно проверяют свои накопители с помощью многочисленных тестов.

Среднее время доступа имеет значение, например, когда архивируется целый набор файлов, так как в это время головки интенсивно перемещаются от файла к файлу.

Скорость вращения (Rotational Speed, Spindle Speed) - скорость вращения дисков, измеряемая в оборотах в минуту (RPM - Rotational Per Minute). Параметр относится к основным, так как пропорционально скорости вращения диска растет скорость обмена данными между винчестером и шиной данных системной платы. Для дисков пользовательских компьютеров сейчас скорость вращения составляет 5400 и 7200 об/мин. Более высокооборотные диски (10000 об/мин и более) имеют SCSI-интерфейс. Они очень дороги и предназначены для серверов.

С ростом скорости вращения появляются проблемы вибрации, шума и нагрева. Наилучшим решением в ближайшее время будет использование гидродинамических подшипников, впервые внедренных фирмой Seagate.

При скорости 5400 об/мин никаких специальных мер по охлаждению применять не нужно. При скорости 7200 об/мин диск нужно устанавливать посередине хорошо вентилируемого корпуса и обеспечивать свободное пространство для лучшего тепло отвода. При скорости вращения 10 000 об/мин применяют обдув диска отдельным вентилятором.

Перегрев диска приводит к температурным расширениям механики и, как следствие, ухудшает распознавание дорожек. Это вызывает замедление работы (что недопустимо для работы с аудио - и видеоинформацией в реальном времени).

В связи с этим, например, компания Quantum постоянно принимает меры по увеличению плотности записи, что позволяет получить ту же скорость доступа к данным, но при меньших оборотах.

Внутренняя скорость обмена (Internal Data Rate) - скорость обмена между поверхностью диска и буфером (Media to Buffer). Измеряется в мегабитах в секунду. Порядок чисел - 200 Мбит/с, или 20 Мбайт/с. Однако это пиковая скорость, реальная - 10-12 Мбит/с. В эту скорость неявно входят как множители скорость вращения и линейная плотность записи. К сожалению, данный параметр редко указывается в предложениях, несмотря на то, что отражает реальную скорость жесткого диска. Измеряется он, например, утилитой Norton SI.

Внешняя скорость обмена {Data Transfer Rate Buffer-to-Host) - это скорость обмена между буфером и контроллером канала (Host). Определяется интерфейсом, поддерживаемым диском (а также чипсетом со стороны системной платы). Она с запасом превосходит скорость считывания данных с диска, поэтому не очень существенна.

Среднее время перехода на соседнюю дорожку (Track-To-Track Seek Time) имеет значение только при работе с большими (не фрагментированными) файлами, поэтому редко указывается. Измеряется в миллисекундах. Типичное значение - около 1,5-3 мс [21].

Параметры надежности

Стойкость к ударам (Shock resistance). В механике под ударом понимается кратковременное воздействие значительной внешней силы. Стойкость к ударам, после которых устройство остается работоспособным, определяется ускорением {g - 9,8 м/с²), а также временем воздействия.

Стойкость к ударам бывает двух типов: во время работы диска и в выключенном состоянии. Раньше диски были слабо защищены и любой удар приводил к тяжелым последствиям. В настоящее время они выдерживают удары не менее 10 g при работе и 100 g в выключенном состоянии. Падение диска на жесткий материал с высоты 10 см равнозначно воздействию в 70 g.

Существуют интересные фирменные технологии защиты. Примером является антиударная система Quantum Shock Protection System (SPS), защищающая диск при транспортировке.

Технология SMART. Название этой технологии часто записывают через точки: S. M. A. R. T. Сокращение от английского Self Monitoring Analysis Reporting Technology - самомониторинг и информирование о состоянии диска.

Это технология самоконтроля диска, и содержание ее заключается в том, что на основные компоненты (двигатели, головки, поверхности и т.д.) крепятся датчики. Информацию от датчиков постоянно обрабатывают процедуры из firmware-диска. В результате этого в самом диске накапливается и запоминается статистика. При включении компьютера программа из BIOS системной платы или ОС должна просмотреть статистику и сравнить с заранее установленными пороговыми значениями контролируемых параметров (например, число плохих секторов). Как только контролируемый параметр выходит за допустимые пределы, выдается сигнал на дисплей. В результате своевременно и точно выдаются предупреждение и диагностика, позволяющие принять меры (ремонт или замена) и не потерять драгоценные данные.

Технология была разработана компанией Compaq и первоначально называлась SntelliSafe. В настоящее время известна версия SMART II, которая является частью стандарта АТА - 2 (EIDE). Слабостью SMART является ее пассивность - она оповещает, но не лечит. Поэтому в настоящее время получили распространение фирменные расширения стандарта, позволяющие автоматизировать поддержку работоспособности жесткого диска. Примером является технология Data. Lifeguard компании Western Digital. Через каждые несколько часов работы она тестирует поверхность диска в фоновом режиме и исправляет ошибки, вплоть до переписывания информации в резервный сектор.

Среднее время безотказной работы (Mean Time Between Failure, MTBF) - это среднее время между двумя соседними сбоями. В настоящее время данный показатель достигает 300, 400 и 500 тысяч часов, а у лучших моделей и 800 тысяч [20].

Параметр второстепенен для пользователя, так как предполагает, что диск включен постоянно. А такая ситуация бывает только на серверах. На самом деле время жизни диска на порядок меньше (около 5 лет), чему способствует операция включения/выключения. Гарантированное число включений также не имеет особого значения для пользователя, так как их число достаточно велико - 40-50 тысяч. Полезно понимать разницу между сроком гарантии и временем наработки на отказ - жесткий диск заменят, но бесценные данные пропадут.

Архитектурные параметры

Число пластин. Винчестер строится обычно на основе 1-4 пластин (реже больше). В принципе, чем меньше пластин при одинаковой емкости устройства, тем лучше; во-первых, выше плотность записи и не надо форсировать число оборотов; во-вторых, меньше деталей, а значит, выше надежность. У современных дисков емкость пластины превысила 2,5 Гбайт.

Размер кэша (Buffer Size). Кэш является аппаратным и выполняется обычно на модулях типа DRAM, иногда он называется буфером, но это настоящий кэш со своей таблицей [19].

Для получения требуемых данных в буфер считывается вся дорожка, где они располагаются, а затем из буфера извлекаются только нужные данные.

Размер кэша обязательно сообщается в торговых предложениях. До недавнего времени размер кэша был 128 Кбайт, сейчас используется кап размером 512 Кбайт, причем для IDE-дисков (раньше - исключительно для SCSI).

Тип головок. В настоящее время для большинства жестких дисков применяют головки типа GR, а для более совершенных моделей используют головки типа MGR, которые способствуют более высокой плотности записи.

До 80-х годов основа 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.

2.3 Физическая организация данных в НЖМД

Как было сказано выше, поверхность диска разбивается на концентрические кольца, именуемые дорожками. Дорожки, в свою очередь, разделены на участки, называемые секторами. Количество секторов на дорожках, как правило, одно и то же. Однако, некоторые изготовители НЖМД с целью повышения его емкости за счет более эффективного использования поверхности дисков, организуют разное количество секторов на дорожках: на внешних - больше, на внутренних - меньше. Это делается только в накопителях, конструктивно совмещенных с контроллером (использующих интерфейс IDE или SCSI). Такой метод повышения емкости получил название Zoned-Bn Recording. При этом поступающие в контроллер логические номера цилиндров, дорожек и секторов преобразовываются им в конкретные физические номера, которые совершенно безразличны для пользователя. Примером таких НЖМД могут служить накопители серии С2230 фирмы Hewlett-Packard, имеющие 72 физических сектора во внешней зоне, 60 - в средней и 48 - во внутренней [8].

Группу дорожек, находящихся на разных дисках и имеющих один и тот же номер, называют цилиндром. Каждый цилиндр имеет числовой адрес. Например, в накопителе с двумя дисками и четырьмя головками чтения-записи первый цилиндр состоит из четырех дорожек с одинаковыми номерами: первая - на верхней стороне диска О, вторая на нижней стороне диска 0, третья - на верхней стороне диска 1 и четвертая - на нижней стороне диска 1.

Каждый сектор, в свою очередь, состоит из двух частей поле идентификатора и поля данных. Информация, находящаяся в идентификаторе, записывается на диск при форматировании низкого уровня. Эта информация является служебной и недоступна программам компьютера. Она необходима для того, чтобы контроллер мог найти требуемый сектор на диске и определить его пригодность к записи-чтению. Запись информации на "диск производится посредством "вписывания" ее в поля данных соответствующих секторов.

Данные в секторах защищены с помощью контрольной суммы В качестве контрольной суммы используются так называемые байты ЕСС (Error Correction Code). С помощью этих байтов производится обнаружение и исправление ошибок в данных. Записывая данные на диск, адаптер производит накопление контрольной суммы путем циклического деления входных данных на полином определенного вида. Остаток от деления представляет из себя уникальную для входных данных комбинацию и записывается непосредственно за ними. Количество байтов ЕСС, используемых для коррекции данных, определяется видом используемого полинома. Эта функция недоступна программам и связана только с аппаратурой адаптера. При считывании данных производится накопление контрольной суммы по тому же закону. Причем в формировании остатка участвуют как байты данных, так и байты ЕСС. Нулевое значение остатка свидетельствует об успешном чтении. В случае ненулевого остатка предпринимается попытка скорректировать прочитанные данные до передачи их в память ПК. Возможность коррекции определяется разрядностью (степенью старшего разряда) полинома, которая непосредственно связана с количеством байтов ЕСС. То есть чем больше число байтов ЕСС, тем большее число неверно прочитанных битов может быть скорректировано. Но, естественно, тем выше и информационная избыточность корректирующего кода.

Различные адаптеры используют полиномы разного вида и, соответственно, разное количество байтов ЕСС. Как правило, их число может быть от 4 до 7. Один из возможных видов полинома при четырех байтах ЕСС приведен ниже.

Х32 + Х23 + Х21 + XII + Х2 + 1

Данные записываются на диск в последовательном виде, бит за битом, причем старший бит записывается первым. Чтение происходит в том же порядке. Количество битов, требуемое для записи одного байта, зависит от используемого метода кодирования данных. Два наиболее распространенных метода кодирования с двойной плотностью записи получили впоследствии названия модифицированной частотной модуляции (MFM - Modified Frequency Modulation) и миллеровской модифицированной частотной модуляции (M-FM). Еще через год к ним прибавился метод записи с" групповым кодированием (RLL - Run Limited Length), позволивший повысить продольную плотность записи на 117% по сравнению с FM. В современных НЖМД, как правило, используются методы MFM и RLL [11].

.4 Логическая организация данных в НЖМД

Логические диски

Персональный компьютер обычно комплектуется одним или двумя НЖМД. Однако операционная система позволяет разбивать НЖМД на части, причем каждая часть будет рассматриваться MS-DOS как отдельный "логический" диск.

Зачем нужно разбивать диск на логические диски? Первые персональные компьютеры IBM PC были укомплектованы только НГМД. Дискеты позволяют хранить относительно небольшие объемы информации, поэтому делить их на части не имеет смысла. Следующая модель компьютера IBM PC/XT имела НЖМД объемом 10 или 20 Мбайт. При использовании таких дисков и операционных систем MS-DOS версий до 3.20 у пользователей не возникало никаких проблем, и желания разбить диск относительно малого объема на еще меньшие части [10].

Проблемы возникли, когда производители НЖМД освоили выпуск дисков объемом 40 Мбайт и больше. Оказалось, что используемый в MS-DOS механизм 16-разрядной адресации секторов не позволяет использовать диски объемом большим, чем 32 Мбайт.

Операционная система MS-DOS версии 3.30 предложила выход из создавшегося положения. С помощью программы fdisk. exe можно было разбить физический диск на логические, каждый из которых не должен превышать по объему 32 Мбайт.

Впоследствии в версии 4.00 операционной системы MS-DOS и в версии 3.31 операционной системы COMPAQ DOS указанное выше ограничение на размер логического диска было снято, однако схема разделения физического диска на логические диски полностью сохранилась.

Существуют и другие причины, по которым может быть полезно разделение большого диска на части: в случае повреждения логического диска пропадает только та информация, которая находилась на этом логическом диске; реорганизация и выгрузка диска маленького размера выполняется быстрее, чем большого; на одном диске может находиться несколько различных операционных систем, расположенных в разных разделах. В ходе начальной загрузки можно указать раздел диска, из которого должна загружаться нужная вам в данный момент операционная система.

Главная загрузочная запись

Первый сектор жесткого диска (сектор 1, дорожка 0, головка 0) содержит так называемую главную загрузочную запись (Master Boot Record). Эта запись занимает не весь сектор, а только его начальную часть.

Сама по себе главная загрузочная запись является программой. Эта программа во время начальной загрузки операционной системы с ЖМД помещается по адресу 7COOh: OOOOh, после чего ей передается управление. Загрузочная запись продолжает процесс загрузки операционной системы.

Таблица разделов диска

В конце первого сектора жесткого диска располагается таблица разделов диска (Partition Table). Эта таблица содержит четыре элемента, описывающих до четырех разделов диска. В последних двух байтах сектора находится значение 55AAh. Это признак таблицы разделов (сигнатура таблицы разделов). Для просмотра и изменения содержимого таблицы разделов НМД используется программа fdisk. exe.

Что представляет собой элемент таблицы разделов диска? Это структура размером 16 байт, соответствующая части диска, называемой разделом. В структуре располагается информация о расположении и размере раздела в секаторах, а также о назначении раздела.

Разделы диска бывают активными или неактивными. Активный раздел может использоваться для загрузки операционной системы. Диск может содержать одновременно несколько активных разделов, которые могут принадлежать разным операционным системам.

Загрузка операционной системы

Загрузка операционной системы с жесткого диска - двухступенчатый процесс. Вначале модули инициализации BIOS считывают главную загрузочную запись в память по адресу 7COOh: OOOOh и передают ей управление. Главная загрузочная запись просматривает таблицу разделов и находит активный раздел. Если активных разделов несколько, на консоль выводится сообщение о необходимости выбора активного раздела для продолжения загрузки.

После того как активный раздел найден, главная загрузочная запись считывает первый сектор раздела в оперативную память. Этот сектор содержит загрузочную запись, которой главная загрузочная запись и передает управление. Загрузочная запись активного раздела выполняет загрузку операционной системы, находящейся в активном разделе.

Такой двухступенчатый метод загрузки операционной системы необходим по той причине, что способ загрузки зависит от самой операционной системы. Поэтому каждая операционная система имеет свой собственный загрузчик. Фиксированным является только расположение загрузочной записи - первый сектор активного раздела [12].

2.5 Интерфейсы НЖМД

Обзор интерфейсов

В отличие от интерфейса НГМД, который по ряду причин является довольно консервативным, интерфейс НЖМД представляет собой динамичную, постоянно развивающуюся область. Это связано с тем, что характеристики НЖМД радикальным образом влияют на эффективность работы ПК в целом. Для обозначения интерфейсов НЖМД используются следующие аббревиатуры: ST506/412 (разработан фирмой Seagate Technology, США), IDE (Integrated Drive Electronics), ESDI (Enhanced Small Device Interface), и SCSI (Small Computer System Interface). Ниже описаны некоторые наиболее популярные интерфейсы накопителей на жестких дисках для персональных компьютеров.

Чтобы правильно представить себе перечисленные интерфейсы, важно знать, каким образом накопители на жестких дисках вписываются в различные конфигурации компьютеров. В современных персональных компьютерах в основном используются интерфейсы, относящиеся к диапазону низкого и среднего быстродействия, в том числе ST506/412, IDE, ESDI, SCSI. Такой почтенного возраста интерфейс как SMD уже редко применяется, но иногда используется для соединения больших дисководов с файл-серверами.

Компьютерная техника развивается настолько быстрыми темпами, что существенные сдвиги в увеличении производительности происходят практически ежегодно. Появление НЖМД с новыми интерфейсами предопределяет появление новых адаптеров и поддерживающих их драйверов. Поэтому не стоит бросаться немедленно совершенствовать какую-либо отдельную компоненту дисковой системы, как только промышленность сделает очередной рывок, если другие компоненты по сравнению с ней работают куда медленнее.

Использование жестких дисков в микрокомпьютерах - явление относительно новое. Хотя такие накопители и выпускались для многих компьютеров первых поколений (например, S-100 и Apple II), в первом персональном компьютере фирмы IBM - IBM PC накопителя на жестких дисках не было. Настоящий бум по введению НЖМД в персональные компьютеры пришелся на начало 80-х годов, когда впервые появились жесткие диски диаметром 5,25 дюйма. Пионером в этом деле была фирма Seagate Technology, которая выпустила накопитель на жестком диске емкостью 5 Мбайт с интерфейсом ST506 и методом кодирования данных MFM. Скорость передачи данных у этого накопителя была 5 Мбит/сек. Аналогичные НЖМД выпускали и другие производители, например накопитель NP05-10 фирмы Nippon Periferals Ltd. Когда в 1983 году вошли в употребление компьютеры типа PC/XT фирмы IBM, установленный на них жесткий диск емкостью 10 Мбайт и временем доступа 100 миллисекунд представлял собой по тому времени чудо технологии: для ПК это были невиданные объем и скорость обмена данными. Накопитель подключался к адаптеру через интерфейс ST506 и представлял собой довольно громоздкое по нынешним понятиям устройство высотой 82 мм (Full Height).

В дальнейшем интерфейс ST506 был усовершенствован в части управления перемещением магнитных головок. Усовершенствованный интерфейс получил название ST412. В течение длительного времени интерфейс ST412 вполне соответствовал своему назначению. Действительно, жесткий диск совместно с этим интерфейсом осуществлял передачу данных быстрее, чем компьютер мог ее обрабатывать. Это вынуждало разработчиков оборудования искусственно снижать скорость передачи данных жестких дисков за счет их форматирования с коэффициентом чередования равным 6, синхронизируя таким образом скорость передачи данных накопителя со скоростью обработки информации в системе. При этом фактическая скорость - передачи данных соответствовала приблизительно 85 Байтам в секунду.

Но разработчики компьютерной техники имеют тенденцию увеличивать скорость работы проектируемого оборудования, и в скором времени производительность жестких дисков стала стремительно расти. Так, например, время обращения снизилось приблизительно до 40 миллисекунд. Тем временем промышленность с 1984 года приступила к выпуску быстродействующих компьютеров класса PC/AT, шина данных в которых работала на частоте 6, а затем и 8 МГц. Интерфейс ST412 также совершенствовался и все еще неплохо справлялся со своей задачей, достигнув скорости передачи данных, равной приблизительно 165 Кбайт/сек (для компьютеров класса PC/AT, что почти в два раза превышало скорость передачи данных для компьютеров класса PC/XT). Здесь имеется ввиду весь тракт передачи между НЖМД и памятью ПК [11].

С 1986 года, с появлением на рынке процессоров серии 80386, тактовая частота компьютеров повысилась до 20, а затем и до 33 МГц, что потребовало сокращения времени обращения к жесткому диску до 15-20 миллисекунд. С этого момента интерфейс ST412 становится узким местом, так как обеспечиваемая им скорость передачи данных значительно ниже возможностей новых накопителей и не соответствует общей производительности компьютера. Некоторые фирмы-изготовители компьютерного оборудования сумели несколько улучшить характеристики интерфейса ST412 за счет более высокой скорости передачи данных и увеличения плотности записи информации на диске. Однако некоторые функциональные ограничения, присущие интерфейсу ST412, так и не позволили усовершенствовать его настолько, чтобы он действительно соответствовал современным высокопроизводительным компьютерам. Поэтому ни для кого не стало неожиданностью то, что в 1986 году появилась необходимость внедрения новых стандартов для интерфейсов - ESDI и SCSI. В совокупности эти интерфейсы практически полностью вытеснили интерфейс ST412 применительно к сетевым файл-серверам, а также и в других случаях, требующих повышенных функциональных возможностей. Большинство высокопроизводительных персональных компьютерных систем включает в себя контроллер НЖМД типа ESDI как стандартное оборудование, а многие поставщики предлагают компьютерные системы, имеющие накопители на жестком диске с интерфейсами как ESDI так и SCSI.

Интерфейсы ESDI и SCSI превосходят интерфейс ST412 главным образом за счет значительно более высокой скорости передачи данных. Кроме того, они являются более гибкими, т.е. ориентированы на подключение не только НЖМД, но и других устройств. Максимальная скорость передачи данных в компьютерах, имеющих жесткие диски, ограничивается скоростью, с которой данные поступают на головки чтения-записи. (Здесь не рассматриваются накопители со встроенной кэш-памятью). Величина этой скорости ограничивается двумя факторами: скоростью вращения диска и плотностью информации на нем. Почти все 5-дюймовые НЖМД имеют скорость вращения 3600 оборотов в минуту. При использовании интерфейса ST412 и метода кодирования MFM данные организованы следующим образом: 17 секторов на дорожке при 512 байтах (по 8 бит) в каждом секторе. В результате такой организации данных скорость их передачи в лучшем случае равна произведению этих четырех чисел (60 * 512 * 17 * 8) и составляет 4 177 920 бит/сек. Повышение скорости передачи данных может быть достигнуто двумя способами: либо за счет увеличения количества секторов на дорожке, либо путем увеличения емкости каждого сектора. Увеличение емкости сектора связано с рядом ограничений, налагаемых аппаратурой, драйверами жестких дисков и программным обеспечением. Использование метода кодирования данных RLL позволяет разместить на дорожке 26 секторов. При этом скорость обмена данными составляет 6 389 760 бит/сек [16]. Заметим, что приведенные здесь цифры учитывают среднюю скорость обмена данными; при обработке дорожки. Реальная же скорость при MFM-методе составляет 5, при RLL - 7,5 Мбит/сек. Таким образом, дальнейшее улучшение параметров интерфейса типа ST412 ограничивается величиной скорости передачи данных равной 7,5 Мбит/сек. Интерфейсы ESDI и SCSI позволяют эксплуатировать жесткие диски при более высокой плотности записи и при скорости передачи данных 10 Мбит в секунду и выше [13].

Накопители, использующие интерфейс IDE, как правило, функционально соответствуют накопителям с интерфейсом ST412 и отличаются от них лишь распределением функций между адаптером и НЖМД.

Интерфейс IDE

Интерфейс IDE был предложен пользователям IBM-совместимых персональных компьютеров классов PC/XT и AT в 1988 г. как недорогая альтернатива интерфейсам ESDI и SCSI. Отличительная особенность этого интерфейса - реализация функций контроллера в накопителе. При этом плата, которая является промежуточной между системной шиной ПК и НЖМД представляет собой довольно простое устройство, содержащее дешифратор базовых адресов контроллера и формирователи сигналов интерфейса. При использовании в ПК типа IBM PC/XT на плате еще размещен BIOS НЖМД, что является стандартным для адаптеров НЖМД PC/XT с любым интерфейсом. Функциональные характеристики интерфейса IDE не отличаются от аналогичных характеристик интерфейса ST412,. то есть все отличия заключаются в конструктивном исполнении. Интерфейс IDE позволяет подключать один или два НЖМД.

Интерфейс IDE подразделяется на два вида: IDE (XT) и IDE (AT). Первый из них применяется в ПК типа IBM PC/XT, второй - в PC/AT. НЖМД подключается к адаптеру одним 40-жильным кабелем, по которому производится обмен как данными, так и управляющими сигналами. Необходимо отметить, что в ПК типа IBM PC/XT этот интерфейс применяется довольно редко. Несмотря на его широкое распространение в современных массовых моделях ПК типа IBM PC/AT, он до сих пор не стандартизован [14].

2.6 Перспективные технологии производства НЖМД

Когда именно прекратится развитие жестких дисков, выпускаемых по существующей традиционной технологии, пока неизвестно. Несмотря на то что об эффекте супер парамагнетизма в связи с производством жестких дисков сказано уже очень много, единого мнения о том, какова максимально допустимая плотность записи, так и не сформировалось. Ранее предполагалось, что барьер супер парамагнетизма находится вблизи величины 100 Гбит/кв. дюйм, но сейчас существуют образцы дисков с плотностью записи около 110 Гбит/кв. дюйм. Теперь считается, что барьер расположен где-то между 150 и 200 Гбит/кв. дюйм. Но эта оценка тоже приблизительная и впоследствии также может измениться.

Одна из причин, по которым увеличение объемов при достижении плотности в 200 Мбайт на дюйм поверхности гарантированно не остановится, - появление разработанной в исследовательском центре IBM технологии AFC (Antiferromagnetically coupled - антиферромагнитно сопряженные пары). Суть ее заключается в следующем: вместо традиционного магнитного покрытия используется многослойное, с двумя слоями магнитного вещества, разделенными очень тонким слоем рутения (редкого металла, сходного по свойствам с платиной). На первый взгляд использование редкого драгоценного металла должно значительно увеличить себестоимость носителя. Но на самом деле технология разрабатывалась совершенно не для того, чтобы выпускаемые продукты встали в один ряд с соединительными проводами из чистого серебра или мобильными телефонами инкрустированными бриллиантами. Слой рутения разделяет верхний и нижний слои с противоположными направлениями вектора намагниченности. Таким образом, напряженность измеряемого головкой диска магнитного поля уменьшается, соответственно уменьшается и эффективная магнитная толщина диска. Однако при этом сохраняется размер доменов верхнего слоя, достаточный для того, чтобы энергия намагниченности значительно превышала тепловую энергию частиц.

Специалисты исследовательского центра IBM предполагают, что использование данной технологии в перспективе позволит увеличить плотность записи до 100 Гбит/кв. дюйм. Фактически AFC дает возможность выпускать диски на имеющихся производственных мощностях сразу или после минимального переоборудования, чего не скажешь о других возможных технологиях. Причем диски, изготовленные c использованием AFC, уже можно найти в ближайшем компьютерном магазине [18].

Другой возможный способ увеличения плотности записи - использование технологии перпендикулярной записи. Кстати, эту технологию только с определенной натяжкой можно назвать новой, перпендикулярная запись уже применялась. Тогда этот способ не получил широкого распространения из-за высокой стоимости носителей. Как следует из названия, основное его отличие от применяемого сегодня способа записи состоит в том, что векторы намагниченности доменов располагаются не в плоскости диска, а перпендикулярно его поверхности. По результатам экспериментов, такой способ записи позволяет заметно увеличить плотность дорожек на диске с гарантированным различением соседних дорожек при считывании.

Предполагается также, что в случае перпендикулярного расположения магнитных доменов эффект супер парамагнетизма будет наблюдаться при заметно большей плотности данных, чем при традиционном способе записи.

Однако, если эта технология получит массовое распространение, потребуются значительные инвестиции в создание соответствующих производственных мощностей. Тем не менее, первый опытный образец диска с применением технологии перпендикулярной записи уже был продемонстрирован компанией Seagate. Экспериментальный накопитель имеет плотность записи около 60 Гбит/ кв. дюйм, а уже к началу 2004 г., согласно заявлениям представителей компании, Seagate планирует приступить к серийному выпуску таких дисков.

Технологии AFC и перпендикулярной записи, скорее всего, будут востребованы в течение ближайших нескольких лет. Но в более отдаленной перспективе готовятся и другие альтернативы, например технология HAMR (Heat-assisted magnetic recording - магнитная запись с нагревом носителя), с помощью которой предполагается увеличить плотность записи до величин порядка терабита на квадратный дюйм. Ее применение обусловлено следующими соображениями. Существует ряд магнитных материалов, отличающихся заметно большей устойчивостью к супер парамагнитному эффекту при рабочих температурах жесткого диск [17] а. Но как следствие, такие материалы обладают при обычных температурах большим сопротивлением к изменению направления намагниченности и поэтому их использование в накопителях, работающих по традиционной технологии, фактически невозможно. Вывод напрашивается сам - для того, чтобы использовать такие материалы, необходимо иметь возможность нагреть до более высокой температуры участок диска, ответственный за хранение бита информации, непосредственно перед его намагничиванием. Наиболее вероятный способ нагрева - использование лазера, примерно как в магнитооптических дисках. Информация записывается совершенно аналогично тому, как это происходит в магнитооптических накопителях, - участок поверхности диска нагревается лазером непосредственно перед записью и под действием магнитного поля головки получает требуемое направление вектора намагниченности. Принципиальное отличие от магнитооптических накопителей заключается в способе чтения: данные считываются так же, как и в сегодняшних жестких дисках, с помощью магнитной головки, а не фото сенсора, регистрирующего изменения лазерного луча.

2.7 Сравнительный анализ НГМД и НЖМД.

Теперь перейдем к сравнительному анализу. Как было показано выше, основные характеристики у обоих накопителей качественно не сильно отличаются друг от друга, но в количественном отношении между ними на сегодняшний момент - огромная пропасть. Как же это получилось? Как было уже сказано во введении, первые ЭВМ были узкоспециализированными и не нуждались в накопителях информации, но при дальнейшем развитии этой отрасли индустрии, а особенно с появлением персональных компьютеров и программных средств к ним (например, языков программирования высокого уровня или операционных систем), компьютер стал нуждаться в накопителе информации, который бы хранил, а также в нужный момент выдавал информацию. Это оказалось совершенно необходимым с появлением первых операционных систем, в частности, MS DOS, которая и загружалась с накопителей на гибких магнитных дисках. С этого времени, с перехода управления ЭВМ от машинно-зависимых языков программирования низкого уровня к языкам высокого уровня накопители прочно завоевали свое место в структуре машины. Из-за уровня развития на тот момент техники, оба основных накопителя ПК были реализованы для чтения/записи с помощью магнитных полей, механизм этого был описан выше, и впоследствии оказались в магнитной "ловушке", т.к. из-за развития экономики и технологии фирм, производящих накопители, не позволяет отказаться от этого принципа, что негативно сказывается на сегодняшний день уже на накопителях на гибких магнитных дисках, т.к. их развитие практически остановилось на сегодняшний день, "застыв" на отметке 1,44 Мбайт, что, конечно же абсолютно не подходит для современных персональных компьютеров, ведь принцип оптической записи оказался, по сравнению с НГМД, гораздо более работоспособным и качественным (в том числе по количеству и надежности хранения информации). Настоящий прорыв в этой сфере произошел с появлением DVD, на которых при двусторонней записи может достигаться значения хранимой информации 18 Гбайт (!). Поэтому фирмы не могут сейчас отказаться от производства НГМД в пользу оптики.

С накопителями на жестких магнитных дисках ситуация не такая критическая, но у производителей и этих накопителей не все в порядке, теперь уже то, что касается качества [6]. Многие производители совсем недавно давали гарантию безупречной работы в течение пяти лет, но только если диск будет постоянно включен, что, конечно же невозможно достичь на персональных компьютерах, а только на серверах, а сейчас предоставляют гарантию всего на год, т.к. в условиях жесточайшей конкуренции среди производителей жестких дисков нет времени на исследования надежности и переоборудования, что также объясняется скоростью развития компьютерной техники, если еще в конце 90-х годов 4-6 Гигабайтные жесткие диски были вполне приемлемым уровнем оснащения компьютера, то сейчас уже никто не возьмется их чинить, а просто посоветуют купить новый.

Как же пришли к такой ситуации? После появления НЖМД (НГМД появились раньше, как уже было сказано), его характеристики не сильно отличались от НГМД, их скорости, объемы были сопоставимы, а конкурировать по мобильности они тем более не могли, т.к. НЖМД встраиваются внутрь системного блока и извлечение их оттуда довольно проблематично. Но в итоге их минус превратился в плюс: они были лучше защищены и не нуждались в высоких степенях надежности от внешних воздействий [17] (например, раздавить их можно только вместе с системным блоком, естественно, когда жесткий диск конструктивно находится внутри системного блока), гибкий диск не нуждался в более надежной защите, что и привело к созданию пластикового конверта (раздел "Физическое устройство НГМД"). Затем, НЖМД стали развиваться скачкообразно, чему способствовало развитие операционных, и, в особенности, файловых систем, то есть способов размещения файлов. А самые распространенные НГМД на сегодняшний день имеют параметры: размер 3,5 дюйма и объем 1,44 Мбайта, когда у НЖМД при размерах 5,25 дюймов объемы достигают сотен Гигобайт, что объясняется развитием технологии по пути совершенствования способов записи, размещения информации на диске, а также свойствами самого накопителя (сравнительная таблица характеристик в приложении, табл.1). Поэтому главный вывод из вышесказанного - каждый из накопителей в процессе развития занял свое место в архитектуре ПК, исходя из своих свойств, из-за степени развития экономики, а следовательно и покупательской способности населения, а также компьютерной техники, дискеты остаются на сегодняшний день основными мобильными переносчиками информации, а накопители на жестких магнитных дисках стали основными хранителями программ и информации в современном ПК.

Поскольку жесткий диск, как правило, хранит наиболее важную информацию, учитывая все вышеизложенное, рассмотрим предлагаемую методику тестирования:

Наиболее опасная неисправность - физическое повреждение магнитной поверхности, следовательно, первая операция тестирование - поиск плохих секторов, и в случае нахождения плохих секторов может возникнуть необходимость в извлечении магнитных дисков из корпуса и снятие с них информации специальными способами. Данную операцию рекомендуется провести при помощи программы scandisk. exe или ndd. exe из пакета Norton Utilities.

Следующим шагом должна быть проверка Partition Table, как основной карты размещения разделов на жестком диске. В случае уничтожения или повреждения, может быть потерян доступ к некоторым или всем томам данных. Данную операцию рекомендуется провести при помощи программы scandisk. exe или ndd. exe из пакета Norton Utilities.

)        Проверка целостности Partition Table

2)      Проверка типов разделов

)        Проверка на перекрытие адресных пространств глобальных разделов

)        Проверка на перекрытие адресных пространств локальных разделов внутри глобальных разделов

)        Проверка на правильность порядка следования разделов

На этом этапе необходимо произвести проверку области BOOT Sector. Данную операцию рекомендуется провести при помощи программы scandisk. exe или ndd. exe из пакета Norton Utilities. Поиск вирусов рекомендуется проводить при помощи новейших антивирусных программ.

)        Проверка целостности

2)      Проверка хранимых параметров, используя данные Partition Table

)        Проверка логической правильности параметров Boot Sector.

)        Проверка загрузочной микропрограммы на каскадное включение других загрузчиков

)        Проверка загрузочной микропрограммы на наличие в ней вирусов

Анализируем FAT. Данную операцию рекомендуется провести при помощи программы scandisk. exe или ndd. exe из пакета Norton Utilities.

)        Определяем фактическое количество копий FAT и сравниваем со значением из Boot Sectord

2)      Определяем фактический тип FAT

)        Проверяем целостность всех копий FAT (реальный размер и рассчитанный на основе фактических данных)

)        Производим поиск потерянных цепочек и преобразуем их в файлы.

Анализируем корневой каталог (ROOT). Данную операцию рекомендуется провести при помощи программы scandisk. exe или ndd. exe из пакета Norton Utilities.

)        Проверка целостности (месторасположения и фактического размера)

2)      Проверка правильности имен и ссылок в корневом каталоге

)        Проверка целостности системных файлов в корневом каталоге

Обход дерева каталогов. Данную операцию рекомендуется провести при помощи программы scandisk. exe или ndd. exe из пакета Norton Utilities.

)        Проход по дереву подкаталогов и проверка правильности имен и ссылок в подкаталогах

2)      Проверка длинных имен файлов

)        Поиск пустых ссылок.

Тестирование и диагностика гибкого диска:

Наиболее опасная неисправность - физическое повреждение магнитной поверхности, следовательно, первая операция тестирование - поиск плохих секторов, и в случае нахождения плохих секторов может возникнуть необходимость в извлечении магнитных дисков из корпуса и снятие с них информации специальными способами. Данную операцию рекомендуется провести при помощи программы scandisk. exe или ndd. exe из пакета Norton Utilities.

Проверка устройства чтения гибкого диска

)        Поиск видимых эффектов

2)      Проверка работы привода дисковода

)        Проверка наличия индикации при операциях чтения/записи

)        Проверка на способность различать дискеты с разной емкостью

)        Проверка фактора чередования

На третьем этапе необходимо произвести проверку области BOOT Sector. Данную операцию рекомендуется провести при помощи программы scandisk. exe или ndd. exe из пакета Norton Utilities. Поиск вирусов рекомендуется проводить при помощи новейших антивирусных программ.

)        Проверка целостности

2)      Проверка хранимых параметров, используя данные Partition Table

)        Проверка логической правильности параметров Boot Sector.

)        Проверка загрузочной микропрограммы на каскадное включение других загрузчиков

)        Проверка загрузочной микропрограммы на наличие в ней вирусов

Анализируем FAT. Данную операцию рекомендуется провести при помощи программы scandisk. exe или ndd. exe из пакета Norton Utilities.

)        Определяем фактическое количество копий FAT и сравниваем со значением из Boot Sector

2)      Определяем фактический тип FAT

)        Проверяем целостность всех копий FAT (реальный размер и рассчитанный на основе фактических данных)

)        Производим поиск потерянных цепочек и преобразуем их в файлы.

Анализируем корневой каталог (ROOT). Данную операцию рекомендуется провести при помощи программы scandisk. exe или ndd. exe из пакета Norton Utilities.

)        Проверка целостности (месторасположения и фактического размера)

2)      Проверка правильности имен и ссылок в корневом каталоге

)        Проверка целостности системных файлов в корневом каталоге

Обход дерева каталогов. Данную операцию рекомендуется провести при помощи программы scandisk. exe или ndd. exe из пакета Norton Utilities.

)        Проход по дереву подкаталогов и проверка правильности имен и ссылок в подкаталогах

2)      Проверка длинных имен файлов

)        Поиск пустых ссылок

Данная методика тестирования и диагностики дисковой подсистемы персонального компьютера, обеспечивает наибольшую защиту от сбоев в условиях применения на персональном компьютере.

Заключение

Из вышеуказанного можно сделать следующие выводы:

·        на сегодняшний день у НГМД и НЖМД является общим только способ организации чтения/записи

·        каждый из накопителей в процессе развития занял свое место в архитектуре ПК.

·        НГМД является мобильным средством для хранения данных

·        надежность гибких дисков оставляет желать лучшего из-за технических недоработок дисководов, несмотря на защитные меры, реализуемые при производстве диска

·        характеристики работы примерно одинаковы у НГМД и НЖМД

·        улучшение характеристик накопителей на гибких магнитных дисках не производится из-за существенных ограничений физических свойств дисков

·        у жестких дисков объединено в одном корпусе устройство чтения/записи и накопитель

·        существуют перспективные технологии производства НЖМД, из-за которых их дальнейшее развитие не прекратится

·        при существующем развитии технологий, в скором времени ожидается оборудование НЖМД бытовой техники

А также хотелось бы дать некоторые рекомендации по исследуемой теме:

·        при покупке оснащать компьютером обоими накопителями, т.к. записывающий оптический накопитель дорог, т.к. всегда может возникнуть необходимость перенести несколько небольших файлов на другой компьютер, что быстрее и дешевле всего сделать с помощью гибкого магнитного диска (дискеты)

·        при работе накопителя из дисковода не должен раздаваться скрежет и громкий шум

·        индикатор работы НЖМД на передней панели должен периодически загораться при работе, но не гореть постоянно или вообще не подавать признаков жизни, оба последних варианта указывают на некачественную сборку или неполадки с накопителем

·        объем современных накопителей должен быть не менее десятка Гигобайт, самые современные и надежные накопители имеют объем от 40 до 80 Гигобайт, а надежным производителем является фирма Seagate

·        обязательно наличие гарантии, сроком не менее года.

Глоссарий