Назначение, характеристики и принцип работы накопителей на жестких магнитных дисках

Виды устройств внешней памяти

Первой внешней памятью стала перфокарта - носитель информации в виде карточки из бумаги, картона, реже из пластмассы, стандартных формы и размеров, на которую информация наносится пробивкой отверстий (перфораций). Перфорационные карты применяют главным образом для ввода и вывода данных в ЭВМ, а также в качестве основного носителя записи в перфорационных вычислительных комплектах. Существует большое число видов карт, различающихся формой, размерами, объёмом хранимой информации, формой и расположением отверстий. В СССР использовали перфорированные карты в основном с 80 колонками (в устаревших моделях вычислительных устройств встречались 45-колонные), изготовляемые из плотного картона толщиной 0, 18 мм в виде прямоугольника со сторонами 187, 4 и 82, 5 мм. Для удобства подборки и укладки левый верхний угол карты срезан. Колонки размечают поперёк карты; вдоль карта разбивается на 12 строк (10 основных и 2 дополнительные). На одной перфорированной карте можно записать до 80 знаков (примерно 10-15 слов). Скорость обработки машинных перфокарт достигает 2000 карт в 1 мин. Воспроизведение (считывание) информации осуществляется с помощью электромеханических считывателей или фотоэлементами. За рубежом применяли также перфокарты с 90, 40 и 21 колонкой с 6, 12 и 10 строками соответственно. Разновидность перфокарт - карты с краевой перфорацией, применяемые в информационных системах, и карты для пишущих автоматов.

Самым распространенным устройством внешней памяти на современных компьютерах стали накопители на магнитных дисках (НМД), или дисководы. Устройство чтения/записи на магнитный диск называется накопителем на магнитном диске (НМД) или дисководом. Информацию сохраняют на накопителях двух видов, в зависимости от действий, которые человеку нужно выполнить с данными. Для переноса небольших объемов информации используют гибкие магнитные диски (дискеты), а для длительного хранения больших объемов информации используют накопители на жестких магнитных дисках (винчестеры).

Сравнительно новым видом внешних носителей являются оптические диски (другое их название - лазерные диски). На них используется не магнитный, а оптико-механический способ записи и чтения информации.

Сначала появились лазерные диски, на которых информация записывается только один раз. Стереть или перезаписать ее невозможно. Такие диски называются CD-ROM - Compact Disk-Read Only Memory, что в переводе значит «компактный диск - только для чтения». Позже были изобретены перезаписываемые лазерные диски - CD-RW. На них, как и на магнитных носителях, хранимую информацию можно стирать и записывать заново. Наибольшей информационной емкостью из сменных носителей обладают лазерные диски типа DVD-ROM. Объем информации, хранящейся на них, может достигать десятков гигабайт.

Флеш-карта представляют собой портативные устройства, предназначенные для хранения и быстрого переноса данных с одного ПК на другой посредством подключения к порту USB. «популярные» модели флеш-карта оснащены светодиодом-индикатором чтения/записи и блокировкой от записи. Также в комплекте могут быть: кабель-удлинитель USB, компакт-диск с драйверами. В последнее время флеш-карта стали очень популярны и практически повсеместно вытеснили 3, 5-дискеты. Флеш-карта стремительно набирают объем (их информационная емкость уже достигла 64 гигабайт и, видимо, это не предел! ) и дешевеют. При этом удобство их эксплуатации - вне конкуренции. Среди достоинств стоит упомянуть также компактность, простоту использования и возможность горячего подключения/отключения. В полной мере оценить удобство работы с флеш-картами можно только на ПК с операционной системой от Windows 2000 и выше, - в этом случае не потребуется устанавливать драйвер для работы с флеш-картой, т.к. ОС воспользуется своей библиотекой драйверов.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД)

Жесткий магнитный диск (винчестер, НЖМД - Hard Disk Drive) - постоянная память, предназначена для долговременного хранения всей имеющейся в компьютере информации. Операционная система, постоянно используемые программы загружаются с жесткого диска, на нем хранится большинство документов.

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД) является одним из ключевых компонентов современного ПК. От него напрямую зависит производительность и надежность системы. Технологии изготовления жестких дисков совершенствуются, размеры программ увеличиваются, данные на компьютере накапливаются.

Основные параметры НЖМД

1. Емкость - накопителя на жестких магнитных дисках имеет объем от 40 Гб до 1024 Гб.

2. Скорость чтения данных. Средний сегодняшний показатель - около 8 Мбайт/с.

. Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель - 9 мс.

. Скорость вращения диска. Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа (поиска). Повышение общей производительности особенно заметно при выборке большого числа файлов.

Размер кэш-памяти - быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные. У накопителя на жестких магнитных дисках есть своя кэш-память размером до 32 Мбайт.

Конструкция НЖМД

Жесткий магнитный диск (винчестер) состоит из гермоблока (рисунок 1) и платы контроллера (рисунок 2).

Рисунок 1 Гермоблок НЖМД

Рисунок 2 Плата контроллера

Гермоблок

В гермоблоке размещены все механические части, на плате вся управляющая электроника, за исключением предусилителя (предварительного усилителя), размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от считывающих головок.

В гермоблоке установлен шпиндель с одним или несколькими дисками.(рисунок) Диски изготовлены из алюминия (иногда - из керамики или стекла) и покрыты тонким слоем окиси хрома. В настоящее время объем информации, хранимой на одном диске, может достигать 1024 Гбайт. Сбоку шпинделя находится поворотный позиционер. С одной стороны, коромысла расположены обращенные к дискам легкие магнитные головки, а с другой - короткий хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков. Под дисками расположен двигатель, который вращает их с большой скоростью. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока. Пыль губительна для поверхности дисков, поэтому блок герметизирован, воздух в нем постоянно очищается специальным фильтром (рисунок.3 ).

Рисунок.3 Фильтр

Для выравнивания давления воздуха внутри и снаружи в крышках гермоблоков делаются небольшие окна, заклеенные тонкой пленкой. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром. Обмотку позиционера окружает статор, представляющий собой постоянный магнит. При подаче в обмотку тока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением. Динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер в любое положение. При вращении дисков аэродинамическая сила поддерживает головки на небольшом расстоянии от поверхности дисков. Головки никогда не соприкасаются с той зоной поверхности диска, где записаны данные. На хвостовике позиционера обычно расположена так называемая магнитная защелка - маленький постоянный магнит, который при крайнем внутреннем положении головок притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло в этом положении. Это так называемое парковочное положение головок, которые при этом лежат на поверхности диска, соприкасаясь с нею. В посадочной зоне дисков информация не записывается, поэтому прямой контакт с нею не опасен. Практически все современные жесткие диски выпускаются по технологии, использующей магниторезистивный эффект. Благодаря этому в последний год емкость дисков растет быстрыми темпами за счет повышения плотности записи информации.

Принцип работы накопителя на жестких магнитных дисках напоминает принцип действия обычного магнитофона, с той лишь разницей, что вместо магнитной ленты используются поверхности дисков, а вместо звуковых сигналов он записывает и воспроизводит цифровые. Любой НЖМД состоит из двух основных частей: гермоблока и контроллера. Гермоблоком, служит корпусом для размещения всех механических частей НЖМД Контроллер представляет собой плату электроники накопителя на жестких магнитных дисках и размещается за пределами гермоблока, как правило, в ее нижней части. В некоторых накопителях на жестких магнитных дисках, например, в известной серии Seagate Barracuda, контроллер закрыт дополнительной металлической крышкой, защищающей электронику от повреждений, а заодно служащей радиатором для отвода тепла от микросхем. Основу всей конструкции составляет прочный герметичный корпус, предохраняющий точную внутреннюю механику от внешних воздействий. Внутри корпуса размещается собственно диск или набор из нескольких дисков, вращаемый электродвигателем; магнитные головки с механизмом их перемещения, а также предварительный усилитель сигнала. Корпус заполнен очищенным от пыли воздухом. Для выравнивания давления внутри и снаружи корпус снабжен фильтром или имеет отверстия, заклеенные пленкой, хотя иногда встречаются и полностью герметичные накопители на жестких магнитных дисках. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует внутри корпуса и постоянно очищается еще одним, внутренним фильтром от пыли, сумевшей каким-то образом попасть внутрь. Современные накопители на жестких магнитных дисках устроены очень сложно. До 90% стоимости составляет прецизионная механика. Рассмотрим более подробно каждую ее часть. Магнитный диск представляет собой круглую пластину из алюминия, поверхность, которой обработана по высочайшему классу точности. В быту такой полировки не встретишь. Чтобы придать пластинам магнитные свойства, их поверхность покрывают сплавом на основе хрома или вакуумном напыляемым слоем кобальта. Такое покрытие имеет высокую твердость, что хорошо, ведь совсем недавно диски были покрыты слоем мягкого лака на основе окиси железа, и он, в отличие от современных покрытий, легко повреждался.

Для вращения дисков применяется специальный электродвигатель, чем-то похожий на двигатель флоппи-дисковода: неподвижный якорь с обмотками и вращающийся постоянный магнит. Основное отличие его состоит в более высокой точности изготовления и наличии специальных подшипников, которые могут быть как обычными шариковыми, так и более совершенными- жидкостными используется специальное масло, поглощающее ударные нагрузки, что увеличивает долговечность двигателя. Жидкостные подшипники имеют более низкий уровень шума и почти не выделяют тепло во время работы. Кроме того, некоторые современные накопители на жестких магнитных дисках имеют двигатель, целиком погруженный в герметичный сосуд с маслом, что способствует эффективному отводу тепла от обмоток.

Магнитная головка также представляет собой сложную конструкцию, состоящую из десятков деталей. Эти детали настолько малы, что изготавливаются методом фотолитографии так же, как и современные микросхемы. Рабочая поверхность керамического корпуса головки отполирована с такой же высокой точностью, как и диск. Привод головок представляет собой плоскую катушку-соленоид из медной проволоки, помещенную между полюсами постоянного магнита и закрепленную на конце рычага, вращающегося на подшипнике. На другом его конце находится легкая стрелка с магнитными головками. Катушка способна перемещаться в магнитном поле под действием проходящего через нее тока, перемещая одновременно все головки в радиальном направлении. Чтобы катушка с головками не болталась из стороны в сторону в нерабочем состоянии, имеется магнитный фиксатор, удерживающий головки выключенного накопителя на жестких магнитных дисках на месте. В нерабочем состоянии накопителя головки находятся вблизи центра дисков, в «зоне парковки» и прижаты к сторонам пластин легкими пружинами. Но стоит дискам начать вращение - и поток воздуха приподнимает головки над поверхностью дисков, преодолевая усилие пружин.

Головки «всплывают» и с этого момента находятся над диском, совершенно не касаясь его. Толщина воздушной прослойки между диском и головкой у современных накопитель на жестких магнитных дисках - всего 0, 1 мкм, что в 500 раз меньше толщины человеческого волоса. Так как механический контакт головки с диском отсутствует, износа дисков и головок не происходит. Как уже говорилось, внутри гермоблока также находится усилитель сигнала, помещенный поближе к головкам, чтобы уменьшить наводки от внешних помех. Он соединен с головками гибким ленточным кабелем. Таким же кабелем подводиться питание к подвижной катушке привода головок, а иногда и к двигателю. Через небольшой разъем все это хозяйство соединено с платой контроллера.

Структурная схема НЖМД

Структурная схема НЖМД представлена на листе 1 графической части дипломного проекта.

Контролер интерфейса является одним из сложнейших элементов накопителя. Он определяет скорость обмена данными между НЖМД и хостом (системной платой). Также его называют HDC-контроллером. К основным функциям HDC-контроллера можно отнести:

1. чтение сектора;

2. запись сектора;

3. поиск адресного маркера;

. запись идентификатора;

. форматирование сектора и дорожки;

. обработка и обслуживание команд от хост-системы;

. формирование сигналов интерфейса IDE;

. обслуживание буферной памяти.

) Сепаратор данных предназначен, в основном, для очистки цифрового сигнала от шумов при чтении, для выделения сигналов синхронизации чтения (RCLK) и записи (WCLK) и для формирования потока данных, предназначенных для записи, с учетом необходимых временных задержек.

) Канал чтения/записи формирует сигналы управления магнитными головками, осуществляя при этом преобразование параллельного кода в последовательный при записи, и последовательного кода в параллельный при чтении. При чтении этим модулем также осуществляется проверка кода CRC (контрольно-циклический код) и при необходимости проводится исправление ошибок.

) Управляющий микропроцессор обеспечивает выполнение микропрограммы накопителя, осуществляя считывание команд из ПЗУ. В соответствии с микропрограммой микропроцессор управляет всеми компонентами НЖМД.

) VCM (звуковая катушка) обеспечивает перемещение и позиционирование блока магнитных головок.

) Шпиндельный двигатель обеспечивает вращение магнитных дисков.

) Драйвер двигателя и VCM формирует сигналы для управления двигателем, поддерживая его скорость постоянной. Кроме того, драйвером формируется ток в катушке VCM, что позволяет осуществлять ее перемещение на заданную величину

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 Следующая ⇒