Накопители на жестких и гибких магнитных дисках.

Первая в истории дисковая система хранения данных - RАМАС (Random Ассеss Меthоd of Ассоunting and Control) - была анонсирована IВМ 13 сентября 1956 года. На 50 дисках диаметром 24 дюйма можно было хранить 5 Мб данных! Время доступа составляло 1с.

Принцип действия накопителей на магнитных дисках (НМД) основан на магнитной записи - воспроизведении сигнала на магнитном носителе.

Накопитель на жестких магнитных дисках - это пакет дисков (1-5), которые представляют собой керамические, стеклянные или алюминиевые (чаще всего) пластины, на которые нанесен слой ферромагнетика (феррит бария, изотропный оксид бария, сплавы хрома, кобальт и т.п.).

Любой ферромагнетик отличается тем, что, попав во внешнее магнитное поле, намагничивается и становится магнитом. Если учесть, что магнитное поле имеет полярность, соответствующую направлению движения тока, то, подавая на головку то положительное, то отрицательное напряжение, можно создавать точечные участки с магнитными полями различной полярности (домены), которые будут соответствовать единицам или нулям.

Запись данных на жесткий диск компьютера осуществляется следующим образом. Контроллер жесткого диска получает с системной шины очередную порцию байт и делит их на отдельные биты. Биты записываются последовательно путем подачи на головку чтения-записи положительного (для 1) или отрицательного (для 0) напряжения, в результате чего на диске появляются намагниченные зоны той или иной полярности.

Обратная операция — чтение. При чтении головка отключается от внешнего питания, а проносящиеся с большой скоростью мимо нее магнитные домены в точном соответствии с законом Фарадея возбуждают в ней слабый положительный или отрицательный ток, который интерпретируется контроллером жесткого диска или как единица, или как ноль. Дальше контроллер пакует последовательность единиц и нулей в группы и передает на шину порциями по 16 бит (IDE-шина – 16-битная).

На рисунке представлена упрощенная кинематическая схема механической части НЖМД. В герметичном металлическом корпусе (на рис. не показан) с большой скоростью вращается пакет дисков 1. Головки чтения - записи 2 закреплены на подвижном позиционере 3, который вращается вокруг оси 5. Балансир 4 обеспечивает динамическую балансировку коромысла с головками, необходимую для минимизации времени перемещения головок.

А

Вид А

5

4

2

3

2

1

1

Схема устройства НЖМД.

Кроме того, балансир является частью электромагнитной системы точного позиционирования головок, которая обеспечивает их расположение на требуемом цилиндре - совокупности пространства на всех дисках, доступного для чтения - записи без перемещения головок.

Цилиндр — условный термин. На самом деле никаких цилиндров, как реальных физических объектов, не существует. Существуют только дорожки. Дорожка диска (track) — это просто определенного радиуса окружность, состоящая из расположенных на одинаковом расстоянии друг возле друга магнитных доменов. У 3,5—дюймовой дискеты 80 дорожек, у жесткого диска во много раз больше. Как получаются дорожки? В дисководе 3,5— дюймовой дискеты это делается следующим образом. Блок головок (а их у дискетного дисковода— две) перемещается так называемым шаговым двигателем, расстояние между шагами строго фиксированное. Эти шаги и определяют дорожки дискеты. С жестким диском все сложнее. Один из критериев оценки жесткого диска — поверхностная плотность записи, которая определяется путем перемножения двух величин количества дорожек на дюйм (Тгасk Рег Inch — ТРI) и количества битов (магнитных доменов) на дюйм дорожки (Вits Рег Inch — ВРI) — и выражается в Мбит/дюйм² или Гбит/дюйм². TPI современных дисков так велика (порядка 30 тыс. дорожек на дюйм и больше, то есть дорожки расположены очень близко друг от друга), что позиционирование головок над поверхностью диска при помощи шагового двигателя практически невозможно. Для наведения головки на конкретную дорожку применяется другой способ — механизм обратной связи, заключающийся в том, что в какой-то области диска записана специальная информация (сервокоды) о номерах дорожек. Существуют различные варианты реализации этого механизма. Например, «вспомогательный клин», когда сервокоды записаны в специальных «клиньях», как бы врезанных в дорожки. Наиболее быстрый способ построения обратной связи - «специализированный диск», когда поверхность одного из дисков полностью отдается под сервокоды. В этом случае одна из головок постоянно сообщает контроллеру информацию о том, какая дорожка под ней находится. Дорожки дисков, из которых состоит “пакет”, помещенных в блок головок и цилиндров (Head Disk Assembly - HDA), имеют свои номера, и все дорожки с одинаковым номером называются цилиндром. Головки чтения / записи также нумеруются; нумерация начинается с самой нижней. Например, блок, в котором смонтированы четыре диска, имеет восемь головок — по две для каждого диска (для нижней и верхней сторон). Нижняя головка самого нижнего диска имеет номер 0, верхняя головка этого же диска — номер 1, нижняя головка следующего диска имеет номер 2 и т. д. Верхняя головка самого верхнего диска будет иметь номер 7, а если в этом блоке используется система обратной связи со «специализированным диском», то эта головка будет называться сервоголовкой, поскольку будет обслуживать поверхность с записанными сервокодами. Сервокоды записываются в заводских условиях, и если они будут каким-либо образом повреждены, это приведет к невосстановимой потере соответствующих дорожек.

Каждая дорожка диска разбивается на сектора. Опять же для простоты рас смотрим 3,5—дюймовую дискету. Если мысленно разбить ее исходящими из центра лучами на 18 равных сегментов, то тем самым каждая дорожка окажется поделенной на 18 равных частей, которые называются секторами. Емкость одного сектора — величина постоянная. Все диски всех компьютеров имеют полезную емкость одного сектора, равную 512 байт. Реальная емкость одного сектора несколько больше, чем 512 байт, поскольку программа форматирования в начале каждого сектора записывает его заголовок, или префикс (header или prefix), а в конце — прицеп, или суффикс (trailer или suffix). Префикс используется для того, чтобы головка точно определяла начало сектора и его номер, а суффикс — для хранения контрольной суммы, позволяющей проверять целостность данных в секторе. Общая размерность сектора вместе с заголовком и прицепом (которые создаются при форматировании) равна 571 байт. Следует отметить, что сектора являются элементарными ячейками хранения данных.