Накопители на жестких и гибких магнитных дисках

Эти накопители, в отличие от оперативных запоминающих устройств, относятся к ЗУ с прямым (циклическим) доступом, т. к. в них возможность обращения к определенной ячейки памяти циклически повторяется из-за непрерывного вращения физического магнитного диска, который и является носителем информации. Обе поверхности такого диска имеют магнитное покрытие на основе оксидов железа или хрома, которое может изменять свои свойства под воздействием внешнего магнитного поля. Процесс записи состоит в локальных изменениях состояния этого покрытия. Информация на магнитных дисках располагается по концентрическим окружностям, называемым дорожками, причем совокупность равноудаленных от оси вращения дорожек всех физических дисков одного накопителя называется цилиндром. Дорожки для хранения информации разбиты на секторы, емкость которых в большинстве случаев составляет 512 байт.

Накопитель на жестких магнитных дисках (жесткий диск, винчестер) представляет собой единое устройство, которое обычно крепится внутри компьютера и состоит из электромеханической и электронной частей. Электромеханическая часть размещается в жестком герметичном корпусе, внутри которого закреплен двигатель. На вращающейся оси двигателя крепятся несколько (2-12) магнитных дисков, изготовленных из алюминия, керамики или стекла. В этом же корпусе установлен подвижный блок головок чтения/записи с приводом, обеспечивающим их позиционирование (перемещение). Необходимость герметизации корпуса обусловлена тем, что расстояние между головкой и рабочей поверхностью диска обычно составляет десятые доли микрона и попадание даже небольшой пылинки в этот зазор может привести к повреждению поверхности диска и необратимой потери данных. В электронную часть диска входят контроллер, усилители сигналов записи/считывания и буферная память (кэш диска). Контроллер управляет процессами разгона и остановки двигателя, позиционирования головок, чтения и записи информации. В современных компьютерах функции контроллера жесткого диска выполняют специальные микросхемы, расположенные в чипсете.

Позиционирование головок осуществляется при помощи подвижной катушки индуктивности, перемещающейся в магнитном поле постоянного магнита под действием протекающего в ней тока. Направление и сила тока определяют направление и скорость перемещения катушки и механически связанных с ней головок чтения/записи.

Гибкие магнитные диски, в отличие от жестких, предназначены для обмена информацией с другими компьютерами и характеризуются значительно меньшей емкостью(1,44 мегабайта) и быстродействием. Кроме того, гибкий диск в пластиковом картридже и привод диска не составляют единого целого. Однако принципы работы накопителей на гибких и жестких магнитных дисках аналогичны.

Основными характеристиками любых запоминающих устройств являются емкость и быстродействие. Для оценки последнего используется понятие времени доступа, т.е. времени, необходимого программе или устройству для получения порции данных и подготовки этой порции для обработки компьютером. Иначе говоря, это время между запросом данных и их готовностью к дальнейшей обработке. В случае дисковых накопителей время доступа включает в себя:

время разгона диска (spin-up time) – время достижения рабочей скорости вращения диска, т.к. в обычном режиме скорость его вращения, как правило, снижается с целью экономии энергии и уменьшения шума;

время поиска (seek time) – время установки блока головок на нужную дорожку и устранения биений;

время ожидания (rotational delay) – время ожидания подвода первого сектора необходимого файла;

время чтения/записи (transfer time) – собственно время чтения или записи данных.

Среднее время поиска в различных жестких дисках составляет 4-10 мс. Время ожидания в среднем равно времени половины оборота диска, что, например, при скорости вращения диска 7200 оборотов/мин, составляет 4,2 мс. Время чтения/записи в основном определяется пропускной способностью канала передачи информации. Таким образом, случае накопителей на жестких дисках следует говорить о среднем времени доступа, которое составляет приблизительно 6-13 миллисекунд.

Кэш память жесткого диска позволяет ускорить процесс обмена данными – чем больше ее емкость, тем выше вероятность того, что в кэш-памяти будет необходимая информация, которую не надо считывать с диска (этот процесс в тысячи раз медленней). Емкость кэш-памяти в современных жестких дисках может достигать 8 и более мегабайт;

Наиболее общей характеристикой быстродействия жестких дисков является средняя скорость обмена, которая определяется объемом данных, которые могут быть переданы из накопителя или в накопитель за единицу времени. Эта величина зависит как от характеристик жесткого диска, так и от режима передачи данных, например, DMA (Direct Memory Access), который разрешает передавать данные непосредственно в оперативную память без участия процессора. В современных жестких дисках средняя скорость обмена данными находится в пределах 30-100 Мбайт/с.

При необходимости хранения и обработки больших объемов информации в современных компьютерах применяется технология RAID (Redundant Array of Independent Disks -- матрица с резервируемыми независимыми дисками), в которых несколько накопителей на жестких дисках объединены и работают как один большой диск. При этом, в зависимости от схемы работы, значительно улучшаются и некоторые другие характеристики всей системы. Например, для повышения надежности хранения информации жесткие диски ПК объединяются попарно, и запись информации происходит одновременно на каждый диск пары, т.е. дублируется.