cl-Ast-informatikaУЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

расположены в прорезях пластины. Вращающийся диск притягивается к головке на расстояние долей микрона, но не касается ее. Когда скорость диска падает, он плавно отходит от пластины и магнитной головки. Среднее время безотказной работы 75000 часов.

Картридж ZIP содержит гибкие магнитные диски, обеспечивающие хранение данных до 100 Мб. Накопитель может быть внешний или встраивается в стандартный 5- дюймовый отсек. Размеры картриджа 6х102х102 мм, вес 30 гр. Размер внешнего накопителя 375х137х180 мм вес 500 гр. Скорость вращения 3000 об/мин.

Для повышения сохранности магнитного слоя поверхность диска покрывают тефлоном, который уменьшает повреждение поверхности при вынужденном прикосновении магнитной головки.

По технологии XT фирмы Sony диски покрывают магнитным веществом в 3 слоя; при повреждении одного или двух слоев сохраняется возможность корректного считывания информации.

Фирма 3М выпускает магнитные диски со слоем защитного бактерицидного материала, что предохраняет от образования плесени при эксплуатации во влажном климате.

В дисководах для гибких магнитных дисков применяется шаговый двигатель — электродвигатель, ротор которого поворачивается ступенчато на строго определенный угол. Каждому шагу ротора соответствует перемещение головок на одну дорожку.

2.4.2 Жесткие магнитные диски

Дорожки жесткого диска также разбиваются на секторы, которым присваиваются номера, начиная с 0. Нулевой сектор резервируется для идентификации записываемой информации. Кластер (ячейка размещения данных) — это наименьший участок диска, с которым оперирует операционная система при записи файла. Кластер состоит из одного или нескольких секторов. Жесткий диск представляет собой пакет, состоящий из нескольких дисков, стороны дисков нумеруются, начиная с верхней стороны верхнего диска. Цилиндр — это все дорожки, одновременно находящиеся под головками чтения записи. Раздел — независимые логические части диска.

Типовой накопитель состоит из гермоблока и платы электронного блока. В гермоблоке размещены все механические части, на плате — вся управляющая электроника.

Рис. 5 Основные элементы накопителя на жестких дисках

70

До 80-х гг. основа дисков изготавливалась из алюминиевого сплава. По мере возрастания требований к емкости и размерам, стали использовать композиционный материал из стекла и керамики. Диски из стеклокерамики менее восприимчивы к колебаниям температуры. Основа диска покрывается тонким слоем магнитного вещества, который может быть и оксидным на основе тонких пленок.

Оксидный рабочий слой представляет полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. На поверхность вращающегося диска разбрызгивается оксид железа в растворе полимера. За счет центробежных сил слой равномерно растекается по поверхности диска. Затем поверхность шлифуется и процедура повторяется. Рабочий слой на основе тонких пленок имеет меньшую толщину за счет гальванического напыления и более прочен. Алюминиевая или стеклокерамическая подложка диска погружается последовательно в ванны с различными растворами, в результате чего покрывается несколькими слоями металлической пленки. При напылении рабочего слоя в специальных вакуумных камерах сплавы переводятся в газообразное состояние, а затем осаждаются на подложку. На поверхность магнитного рабочего слоя наносится высокопрочное защитное покрытие (карбид кремния) толщиной 0,025 мкм. Поверхность получается исключительно гладкая, благодаря чему зазор между головками и поверхностью диска составляет 0,05- 0,08 мкм. Чем ближе располагаются головки к поверхности рабочего слоя, тем ближе друг к другу располагаются домены, тем выше емкость диска.

Преимущества "стеклянных" винчестеров

1.Стеклянная подложка имеет примерно на 20 % меньше поверхностных дефектов, чем алюминиево-магниевая. Это позволяет увеличить плотность записи и уменьшить высоту, на которой головка «плавает» над поверхностью дисковых пластин. Последнее ведет к сокращению ошибок чтения/записи.

2.Стеклянная подложка прочнее металлической, что позволяет уменьшить время разгона/остановки и увеличить скорость вращения дисков, повысить их устойчивость к ударным перегрузкам.

Все головки чтения/записи смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно. Сердечники головок выполняют из прессованного оксида железа, при протекании тока через обмотку в зазоре головки возникает магнитное поле. При изменении направленности магнитного поля вблизи зазора головки в обмотке наводится ЭДС. Таким образом, головка используется и для чтения, и для записи информации. В сердечнике любой головки имеются два зазора: рабочий, обращенный к носителю и технологический. При заполнении технологического зазора магнитным сплавом, повышается магнитная индукция в рабочем зазоре. Это позволяет производить запись на носителе с большой коэрцитивной силой (магнитный слой на основе тонких пленок).

Механизм привода головок определяет:

•быстродействие и надежность накопителя,

•температурную стабильность (0º-50º),

•чувствительность к вибрации и выбору рабочего положения,

•достоверность считанных данных.

В приводе с подвижной катушкой (рисунок 4) используется обратная электронная связь для точного определения местоположения головок и коррекции их относительно дорожек. Электронный импульс, поступая на катушку, вызывает ее смещение относительно жестко закрепленного постоянного магнита, в результате чего перемещается блок головок. Электронная система наведения головок — сервопривод. Необходима предварительная запись на диск специальной технологической информации (сервокодов). Поскольку сервокод считывается непрерывно, то в процессе нагрева система наведения головок отслеживает дорожку и корректирует головку.

71

Накопители на жестких дисках имеют функцию автоматической парковки головок. При выключении ПК головки устанавливаются на последний цилиндр. Эта парковочная позиция обозначается L-Zone.

Двигатель, приводящий в движение магнитные диски, является шпиндельным. Скорость вращения от 3600 до 15000 об/мин.

Характеристики привода

Среднее время поиска — среднестатистическое время, в течение которого магнитная головка перемещается с одного цилиндра к другому. В качестве среднего времени часто указывается временной интервал, необходимый для перемещения магнитной головки на расстояние, равное трети ширины зоны записи данных на диске.

Среднее время доступа отличается от среднего времени поиска тем, что учитывается запаздывание при перемещении магнитной головки к нужному сектору на дорожке. Величина запаздывания равна половине периода вращения диска.

Скорость передачи данных зависит от характера элементов конструкции гермоблока накопителя и параметров контроллера.

Время безотказной работы — среднестатистическое время между сбоями, характеризующее надежность устройства.

Кэш-память. Для повышения скорости обмена данными процессора с дисками винчестер следует кэшировать. Кэш-память для дисков служит быстродействующим буфером памяти для кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем в оперативной памяти. Типичный размер памяти КЭШ 64 Кбайт (256 Кбайт, 512 Кбайт, 1024 Кбайт).

2.4.3 Накопители CD-ROM

CD-ROM — это компакт-диск (CD), предназначенный только для хранения в цифровом виде записанной на него информации и считывания ее с помощью специального устройства — привода. Информация, хранимая на CD-ROM (в отличие от информации на магнитных дисках) практически не подвержена разрушению электрическими и магнитными полями и стиранию в результате естественного старения материала носителя. Стоимость записи и хранения единицы информации на CD-ROM значительно меньше, чем на магнитных дисках.

Исторический предшественник стандарта CD-ROM — стандарт цифровой записи на аудио компакт-диск (Compact Disk-Audio — CD-A).

Периоды развития технологии оптических носителей информации

Первый период (1980-1985 гг.); создание стандарта цифровой записи звуковой информации и выпуск первого проигрывателя дисков.

Второй период (1985-1994 гг.); дальнейшее совершенствование портативных музыкальных систем на компакт-дисках, начало разработки стандарта CD-ROM (анонсирован в 1985 г). Расширение и дополнение стандарта CD-ROM новыми стандартами для записываемых компакт-дисков CD-R (CD-Recordable).

Третий период (1985-2001) скорость передачи данных в CD-ROM выросла в 32 раза начали широко применяться накопители записываемых дисков CD-R и перезаписываемых CD-RW. Начался переход на новый, единый для PC и бытовой электронной техники, стандарт DVD-дисков емкостью 4,7 Гбайт.

Толщина диска составляет 1,2 мм, диаметр — 120 мм. Прозрачный поликарбонатный диск, покрыт с одной стороны тонким металлическим отражающим слоем (алюминия, реже золота) и защитной пленкой специального прозрачного лака. Двоичный нуль представляется на диске как в виде углубления, так и в виде основной поверхности, а двоичная единица — в виде границы между ними.

72

При кодировании 1 байта (8 бит) информации на диске записывается 14 бит плюс 3 бита. Базовая информационная единица — кадр — содержит 24 кодированных байта или 588 бит (24 х (14 + 3) + 180 бит для коррекции ошибок) Кадры на диске образуют секторы и блоки. Сектор содержит 3234 кодированных байта (2352 информационных байта и 882 байта коррекции ошибок и управления). Такая организация записи данных на CD-ROM и использование алгоритмов коррекции ошибок позволяют обеспечить качественное чтение информации с вероятностью ошибки на бит 10-10

Рис. 7 Оптико-механический блок привода Алгоритм функционирования привода CD-ROM

1.После помещения CD в привод оптико-механический блок обеспечивает перемещение оптической головки считывания по радиусу диска и считывание информации.

2.Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч (длина волны 780 нм, мощность излучения 0,2 —5,0 мВт), который попадает на отражающее зеркало.

3.Серводвигатель по командам встроенного микропроцессора перемещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске.

4.Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму, которая направляет луч на вторую фокусирующую линзу.

5.Фотодатчик преобразует световую энергию в электроимпульсы, которые поступают на универсальный декодер.

6.Универсальный декодер представляет собой процессор для обработки считанных с CD сигналов. Декодер выделяет из цифрового потока информационные символы, синхросигналы и служебную информацию. Каскадный декодер формирует блоки символов для их размещения на различных участках информационной дорожки. Двойное декодирование с перемещением символов позволяет восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт, что соответствует дефекту дорожки длиной 2,5 мм.

7.В усилителе системы автоматического регулирования выделяются сигналы ошибок слежения и осуществляется коррекция считываемого сигнала.

8.Сигналы ошибок слежения поступают в системы автоматического регулирования фокуса и радиального слежения.

9.Система автоматического регулирования радиальной подачи управляет серводвигателем перемещения оптической головки.

74

10.Система автоматического регулирования мощности излучения лазера поддерживает ее неизменной независимо от температуры окружающей среды и перепадов напряжения.

11.Система автоматического регулирования линейной скорости обеспечивает постоянную линейную скорость вращения диска (при однократной скорости вращения диска 1,2 м/с).

Характеристики привода

Скорость передачи данных — максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память компьютера. Со скоростью передачи данных связана скорость вращения диска («кратность»).

Первое поколение приводов CD-ROM имело скорость передачи данных 150 Кбайт/с (как и проигрыватели аудио CD). Скорости передачи данных следующих поколений устройств кратны этому числу. Термин «кратность» соответствует линейной скорости движения дорожки диска относительно считывающего устройства.

До недавнего времени приводы CD-ROM, использовали метод считывания информации с постоянной линейной скоростью (CLV), при котором угловая скорость вращения диска зависит от места считывания информации (уменьшается по мере продвижения головки от центра к краю диска). При скоростях передачи информации 2400 Кбайт/с (кратность 16х) и более, возникают серьезные технические проблемы, поэтому стали выпускать накопители с частично-постоянной угловой скоростью вращения диска.

Специалисты фирмы Hitachi для поддержания постоянной производительности накопителя при чтении на внешних и во внутренних областях диска (CAV-технология) предложили следующее решение: по мере перемещения оптической головки от внутренних областей диска к внешним, скорость передачи данных растет благодаря постоянной скорости вращения диска (CAV-режим). В точке Х скорость передачи данных достигает 2400 Кбайт/с. От точки Х до внешней стороны диска скорость вращения меняется так, что скорость передачи данных сохраняется на постоянном уровне (CLVрежим). Высокая скорость передачи данных необходима для синхронизации изображения и звука. При недостаточной скорости передачи возможен пропуск кадров видеоизображения (дрожание изображения) и искажение звука. При скорости вращения CD выше 7200 об/мин не обеспечивается требуемый уровень качества считывания.

Уровень качества считывания характеризуется коэффициентом ошибок, который отражает способность привода CD-ROM корректировать ошибки записи/чтения (паспортные значения 10-10-10-12). Коэффициент ошибок — это оценка вероятности искажения информационного бита при его считывании с загрязненного или поцарапанного участка диска. Если ошибка не устраняется за счет избыточности помехоустойчивого кода, то привод переходит на пониженную скорость считывания данных с многократным его повтором. Если и это не устраняет сбоя, то на мониторе компьютера появляется сообщение «Сектор не найден». В случае устранения сбоя привод переключается на максимальную скорость считывания данных.

Среднее время доступа AT (Access Time) — это время (в миллисекундах), которое требуется приводу для нахождения на носителе нужных данных. При работе на внутренних участках диска время доступа меньше, чем при считывании информации с внешних участков (в паспорте накопителя приводится среднее значение при выполнении нескольких считываний данных с выбранных случайным образом участков диска).

Объем буферной памяти — это объем оперативного запоминающего устройства привода CD ROM; используется для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Благодаря буферной памяти, данные в компьютер могут передаваться с постоянной скоростью.

75

Типы буфера накопителя:

•Статический буфер принимает и накапливает все блоки данных, поступающих от накопителя, пока их не вызовет процессор компьютера.

•Динамический буфер накапливает только те блоки данных, которые предположительно могут быть затребованы повторно; используется при работе с небольшими по размеру файлами, произвольно расположенными на диске, (что характерно для баз данных).

•Буфер с опережающим чтением учитывает характер передаваемых данных, что позволяет подготовить нужные данные заблаговременно.

Средняя наработка на отказ для первых моделей приводов CD-ROM составляла около 30 тыс. ч. (3,5 года круглосуточной работы). Для современных моделей составляет 50 —125 тыс. ч., что почти на порядок превышает срок морального старения накопителя.

Накопители CD-WORM или CD-R позволяют единожды записать информацию на диск и многократно ее считывать. По технологии CD-WORM при записи данных на поверхности диска не выжигаются углубления. Диск покрыт термочувствительным слоем красителя с такими же отражающими свойствами, как у алюминиевого покрытия обычного CD. При записи информации луч лазера разогревает слой золота и слой красящего вещества. В результате химической реакции облучаемый участок на поверхности диска изменяет свой цвет, а следовательно, и свои отражательные свойства, (они начинают рассеивать свет точно также, как углубления на мастер-диске обычного CD). Считывающий лазер стандартного накопителя CD-ROM воспринимает эти участки как псевдоуглубления с меньшим уровнем интенсивности отражаемого света.

Технология CD/RW — перезаписываемые CD (CD-E — стираемые CD) объединяет технологии двойного изменения фазы вещества и CD-R.Устройство CD/RW рассчитано на выполнение 1000-кратной перезаписи. Емкость CD-RW 700 Мбайт.

Для ликвидации несовместимости стандартов, в сентябре 1995 г фирма Sony в союзе с восемью другими фирмами предложила новый универсальный формат записи данных на CD — DVD (Digital Versatile Disk).

Диски формата DVD не тождественны с Digital Video Disks (цифровыми видеодисками).

В накопителях DVD используется более узкий луч лазера, чем в приводах CDROM, поэтому толщина защитного слоя диска была снижена до 0,6 мм. Так как общая толщина диска должна остаться неизменной (1,2 мм), под предохранительный слой поместили укрепляющий, на котором также стали записывать информацию. Так появились двухслойные диски. При считывании лазерным лучом информации, записанной на первом слое, в глубине диска, луч беспрепятственно проходит через полупрозрачную пленку, образующую второй слой. По окончании считывания информации с первого слоя, луч фокусируется в плоскости наружного полупрозрачного слоя для дальнейшего считывания данных.

Сравнительная характеристика стандартов

76

2.4.4 Магнитооптические накопители

МО-технология разработана фирмой IBM в 70-е годы.

Устройство МО-дисков размеров 3,5 и 5,25"одинаковое; различие заключается в числе рабочих поверхностей. Строение одностороннего МО-диска в разрезе представлено совокупностью слоев (сверху вниз):

•защитного;

•диэлектрического;

•магнитооптического;

•диэлектрического;

•отражающего;

•подложки.

На стеклопластиковую подложку для отражения лазерного луча наносится алюминиевое (золотое) покрытие. Диэлектрические слои (прозрачный полимер) окружающие магнитооптический слой, защищают диск от перегрева, повышают чувствительность при записи и отражающую способность при считывании информации. Магнитооптический слой создается на основе порошка из сплава кобальта, железа и тербия. Верхний защитный слой из прозрачного полимера предохраняет рабочую поверхность от механических повреждений. Магнитооптические диски бывают одно- и двусторонние (два односторонних, склеенных между собой подложками). МО-диск заключен в специальный пластиковый конверт — картридж.

При записи данных лазерный луч фокусируется на поверхности магнитного слоя в пятно микронного размера. Поверхность магнетика в точке фокусировки разогревается, (до 200 °С), коэрцитивная сила падает до нуля, и поле записывающей магнитной головки формирует запись. После охлаждения материала новая магнитная ориентация доменов в данной точке сохраняется. В зависимости от магнитной ориентации участок магнитного материала интерпретируется как логический нуль или логическая единица. Данные записываются блоками по 512 байт. При первом проходе разогревается весь блок, а при подходе сектора под магнитную головку происходит запись новых данных. Таким образом, операция записи в МО-накопителе в два раза дольше операции считывания.

Считывание данных происходит с помощью лазерного луча пониженной мощности (около 25% от номинальной), которой недостаточно для разогрева рабочего слоя. При попадании луча на магнитные частицы диска их магнитное поле изменяет поляризацию луча на несколько градусов. Теоретически данные на магнитооптический диск можно записывать бесконечное количество раз.

Скорость вращения МО диска составляет 2000 (3600) об/мин. В МО-накопителях используется массивная головка чтения/записи, в которой совмещены оптический и магнитный узлы. Среднее время доступа к данным в МО-накопителях около 30 мс, а гарантийный срок работы (средняя наработка на отказ) — 75 000 ч Появились накопители, в которых запись на носитель осуществляется за один проход

Лидерами рынка накопителей на МО дисках являются компании Sony, Fujitsu и HP.

2.4.5 Накопители на магнитной ленте

Лучшая защита от потери информации — резервное копирование.

1972 год. Фирма 3М разработала первую кассету размером 15х10х1,6 см (для магнитной ленты шириной 1/4", предназначенную для хранения данных.

1983 год. Выпущен первый стандартный QIC-накопитель на магнитной ленте, емкостью 60 Мбайт. Запись данных производилась на 9 дорожках, длина магнитной ленты около 90 м.

В дальнейшем был разработаны стандарты на мини-кассеты формата МС 8,25х6,35х1,5 см и системы резервного копирования с емкостью кассет от 86 Мбайт до 13

77

Гбайт. Формат DC: емкость 130 Гбайт, плотность записи 68 бит/дюйм, 144 дорожки, длина 360 м.

DDS — наклонно-строчная технология записи цифровых данных на магнитную ленту. Магнитная лента проходит через блок головок, установленных на вращающемся барабане (ось вращения барабана наклонена под углом 7° к направлению движения ленты). Записывается столько наклонных дорожек, сколько магнитных головок в блоке.

Технология DLT. Магнитная лента, разделенная на параллельные горизонтальные дорожки, проходит через неподвижную магниторезистивную головку со скоростью 2,5 — 3,7 м/с, что обеспечивает малый износ магнитного слоя ленты. Расчетный срок службы ленты — 500 000 перемоток. Накопители DLT могут хранить 20/40 Гбайт данных и обеспечивают скорость передачи данных 1,5 — 3,0 Мбайт/с.

Фирма ЗМ разработала стандарт кассет TRAVAN, основанный на стандарте QIC. Картридж TRAVAN содержит 225 м магнитной ленты шириной 8 мм.

2.4.6 Накопители на твердотельной памяти

В накопителях на твердотельной памяти носителями информации являются полупроводниковые элементы. Эти элементы конструктивно выполнены в виде интегральных CMOS-микросхем и называются твердотельной памятью.

Микросхемы являются энергонезависимыми и перезаписываемыми.

1998 г. Фирма Intel представила flash-память.

Flash-память используется для мобильных приложений, так как: устойчива к неблагоприятным внешним воздействиям, имеет сравнительно малое среднее время доступа к данным, низкое энергопотребление, высокую емкость, небольшой вес и размеры.

Основные характеристики накопителей на Flash-памяти

Накопители на Flash-памяти

•полностью эмулируют работу накопителей на жестких магнитных дисках,

•сохраняют работоспособность при температурах от -40 до + 85 °С,

•выдерживают ударные ускорения до 1000 g.

Микросхемы типа Bulk-Erase (стираемые целиком) имеют возможность электрического стирания данных при сохранении энегонезависимости. При использовании обычного постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) процесс модификации программного кода требует извлечения микросхемы из платы и облучения ее ультрафиолетовыми лучами для стирания. При использовании микросхем Flash-памяти перепрограммирование выполняется под управлением процессора системы.

Микросхемы типа Boot-Block, (стираемые по частям, блокам). Применяются в качестве микросхем BIOS; и позволяют объединить BIOS (там хранятся параметры компьютера и часть операционной системы) и загрузочный код, который может быть защищен от несанкционированного доступа.

Микросхемы Flash-памяти применяются в аппаратах сотовой связи и цифровых фотоаппаратах. Установка в цифровые фотоаппараты накопителей на Flash-памяти емкостью 60 Мбайт, позволит хранить в них до 60 кадров (без сжатия данных).

78

КЛЮЧЕВЫЕ ПОНЯТИЯ

Буфер с опережающим чтением CD ROM учитывает характер передаваемых данных, что позволяет подготовить нужные данные заблаговременно.

Время безотказной работы — среднестатистическое время между сбоями, характеризующее надежность устройства.

Динамический буфер CD ROM накапливает только те блоки данных, которые предположительно могут быть затребованы повторно.

Емкость памяти определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться.

Интерфейс — коммуникационное устройство, позволяющее одному устройству взаимодействовать с другими и устанавливающее соответствие между выходом одного устройства и входом другого.

Кластер (ячейка размещения данных) — это наименьший участок диска, с которым оперирует операционная система при записи файла.

Корневой каталог — это встроенное оглавление содержащихся на диске файлов. Коэрцитивная сила — напряженность магнитного поля, необходимая для перемагничивания.

Кэш-память для дисков служит быстродействующим буфером памяти для кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. Магнитный домен — это однородно намагниченная область, отделенная от соседних областей тонкими переходными слоями, доменными границами.

Память ЭВМ — совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации.

Плотность записи — это объем информации, который можно надежно разместить на единице площади поверхности носителя.

Сервопривод — электронная система наведения головок.

Скорость передачи данных — максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память компьютера.

Среднее время поиска — среднестатистическое время, в течение которого магнитная головка перемещается с одного цилиндра к другому.

Статический буфер CD ROM принимает и накапливает все блоки данных, поступающих от накопителя, пока их не вызовет процессор компьютера.

Цилиндр — это все дорожки, одновременно находящиеся под головками чтения записи. Шаговый двигатель — электродвигатель, ротор которого может поворачиваться ступенчато каждый раз на строго определенный угол.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Как производится запись на магнитный носитель с физической точки зрения?

2.Чем отличается физическая структура диска от логической?

3.Какие существуют методы адресации памяти?

4.Перечислите известные вам типы накопителей.

5.Какие устройства используются для резервного копирования?

6.Чем стек отличается от магазина?

7.Назовите типы оперативной памяти.

8.Перечислите известные вам типы головок чтения/записи.

9.На какие этапы делится процесс изготовления CD?

10.Чем динамический буфер CD отличается от статического?

79