10,3. Диски

Одна или обе поверхности диска покрываются магнитным материалом. Во время работы диск приводится во вращение, а одна или несколько магнитных головок перемещаются вдоль поверхности (см. Рис. 11).

Рис. 11

Достоинство дисков перед барабанами были описаны выше. Достоинства дисков перед лентами аналогичны достоинствам устройств с произвольным доступом перед устройствами с последовательным. Несколько дисков могут быть объединены в пакет, который имеет один общий механизм для перемещения головок, что уменьшает себестоимость хранения информации. В этом случае все головки перемещаются одновременно, а единый механизм с головками чтения/записи называется блок головок.

Существуют два способа размещения данных на диске.

1. Весь диск разбивается на концентрические дорожки. При работе с одной дорожкой головка чтения/записи неподвижна относительно оси вращения диска. Переход от одной дорожки к другой осуществляется перемещением головки.

2. На диске присутствует одна дорожка, которая в виде спирали с постоянным шагом проходит через всю рабочую поверхность диска. В режиме чтения/записи головка все время перемещается со скоростью V_ГОЛ=D, где– угловая скорость вращения диска,D– шаг спирали.

Первый способ проще организационно: в нем проще размещать данные при записи, быстрее и проще выполнять поиск требуемых данных, однако, в нем возникают паузы, вызванные перемещением головки с дорожки на дорожку.

И в том и в другом способе каждая дорожка на диске разбита на сектора. Сектор – минимальное количество данных, которое может быть записано на диске. Все сектора пронумерованы по порядку. При поиске требуемых данных ищется сектор с соответствующим номером.

В настоящее время второй способ применяется только на CD-ROM. Это вызвано тем, что изначально эти диски использовались для воспроизведения звука, и определяющим фактором при выборе схемы размещения здесь было отсутствие пауз при чтении. С другой стороны, эти диски записываются один раз при изготовлении, а быстрый поиск данных там не требуется, так как звук обычно воспроизводится последовательно. На перезаписываемых магнитных средах всегда применяется первый способ, а перезаписываемые оптические диски допускают размещение данных обоими способами. Далее, если это не оговорено специально, везде подразумевается первый способ размещения данных – в виде большого числа концентрических дорожек.

Каждая сторона диска может обслуживаться либо одной, либо несколькими головками чтения/записи. Применение нескольких головок на одной стороне позволяет увеличить скорость записи/чтения, уменьшить амплитуду перемещения головок, однако резко увеличивает инерционность блока головок в целом, а значит и время доступа, поэтому такая схема в настоящее время применяется редко. Если диск или пакет дисков имеют несколько сторон, все дорожки, которые могут быть прочитаны или записаны при фиксированном положении блока головок, объединяются в цилиндр. Для уменьшения перемещений головок при нумерации секторов сначала полностью заполняют один цилиндр, потом следующий и т.д.

Традиционно адресация к данным на магнитном диске осуществляется по схеме Цилиндр:Головка:Сектор. Это значит, что порядковый номер требуемого сектора преобразуется операционной системой в номера цилиндра, головки и сектора (здесь имеется в виду номер сектора на дорожке). Соотношения, определяющие это преобразование, называют геометрией диска.

Главный недостаток диска, как варианта перемещения в том, что при постоянной угловой скорости вращения диска  скорость перемещения головок относительно рабочей поверхности (или линейная скорость движения головок относительно диска)Vзависит от положения головки относительно оси вращения диска следующим образом:V=2***r(r– расстояние от головок до оси вращения диска). Это не позволяет использовать всю поверхность диска и, кроме того, требует компенсировать изменение линейной скорости движения головок. В частности, при использовании 50% поверхности диска линейная скорость изменяется в2 раз, при использовании 75% в 2 раза, при использовании 90% в10 раз. Пусть время записи единичного бита, тогда длина одного бита на дорожкеS=V*. Общее количество битов на дорожкеN=1/(*). Количество битов на единицу длины дорожки плотность записи_д=1/(*V)=1/(2***r*). Величина=1/называется частотой записи. ТогдаN=/, а плотность записи

( 0)

При записи на диск мы можем управлять двумя параметрами: угловой скоростью вращения диска и частотой записывающего сигнала. Согласно формуле (1) эти параметры однозначно определяют плотность записи в зависимости от расстояния между головкой и центром вращения. Если для простоты положить, что при перемещении головки мы будем изменять только один из параметров, мы получим три способа компенсации изменения радиуса:

1. =const;=const; изменяется_д(плотность размещения информации или плотность записи);

2. _д=const;=const; изменяется(частота чтения/записи).

3. =const;_д=const; изменяется(угловая скорости вращения диска).

Первый способ технологически и организационно намного проще всех остальных, поэтому стал применяться с появлением дисковых накопителей и теперь применяется в тех случаях, когда плотность записи изначально невысока. Например, в накопителях на гибких магнитных дисках или в накопителях на жестких магнитных дисках при невысокой плотности записи.

Главный недостаток этого способа в неэффективном использовании поверхности диска. Максимальная плотность записи может быть только на ближайшей к центру дорожке. По мере удаления от него плотность уменьшается пропорционально увеличению радиуса, причем чем меньше радиус центральной дорожки, т.е. чем большая часть поверхности используется, тем больше потери за счет уменьшения плотности на краях диска. Так как запись идет на некоторую рабочую зону в форме кольца, нетрудно получить для достаточно большого числа дорожек, что если отношение внутреннего радиуса этого кольца к внешнему k_Р, а теоретическая емкость всей поверхности диска при заданной постоянной плотности записи –C₀, то емкость диска при этом способе записи равна:

C_Д= 2*k_Р(1-k_Р) C₀.

Отсюда следует, что максимальная емкость будет в том случае, когда внутренний радиус кольца равен половине внешнего и емкость диска при этом составляет половину от емкости всей поверхности диска, используемой на максимальной плотности.

Еще один недостаток состоит в том, что в некоторых случаях плотность размещения информации задана технологически (стандартом) и не может быть изменена (например, в оптических накопителях).

Второй способ позволяет заполнить весь диск с максимальной плотностью, однако его гораздо сложнее реализовать технически, чем первый. Одна проблема достаточно легко разрешима и заключается в необходимости варьировать частоту записи при переходе от дорожки к дорожке. Более серьезная проблема в том, что в этом способе мы получаем разное количество битов данных на разных дорожках. Это означает сложность формирования адреса по схеме Цилиндр:Головка:Сектор.

Для первого способа кольцо может быть развернуто в прямоугольник (Рис. 12), а несколько колец, расположенных на разных сторонах, могут быть собраны в параллелепипед. Параметры параллелепипеда задаются тремя числами (максимальное число сторон, цилиндров и секторов) и тогда нужный адрес легко формируется при помощи целочисленного деления.

Рис. 12

Во втором способе каждое кольцо представляет собой достаточно сложную фигуру (Рис. 13).

Рис. 13

Это в свою очередь приводит к тому, что: 1) любая операция с данными требует обязательных (так как требуется адресация) сложных предварительных вычислений; 2) требуется хранить информацию о размере дорожек на диске в некоторой дополнительной памяти в устройстве доступа; 3) для правильного формирования адреса требуется передавать в ОС информацию о геометрии диска. Если это делать каждый раз, трудно будет обеспечить совместимость новых моделей дисков с ОС. Необходимо обеспечить универсальный способ обращения к дискам с любой геометрией. Первый способ был способом с учетом прекомпрессии– количество секторов на разных дорожках вычислялось по определенной формуле, в которую входил параметр (прекомпрессия), определяющий количество дорожек с одинаковым количеством секторов. Как выяснилось, такой линейный способ недостаточно универсален. Более совершенный способ –зонное кодирование. По этому способу операционная система работает с диском так, будто бы количество секторов на всех дорожках одинаково – формирует, так называемый виртуальный адрес. Контроллер, расположенный в накопителе, самостоятельно (по встроенным таблицам) пересчитывает виртуальные координаты сектора в реальные.

Еще один недостаток этого способа состоит в том, что скорость чтения записи зависит от места расположения информации на накопителе. В частности, для современного жесткого диска краю кольца обычно соответствует «начало» диска, а центру «конец» диска, а при разделении диска на разделы он разбивается от краев к центру. Это справедливо всегда, кроме случаев переназначения секторов (remapping). На внутренние дорожки диска информация записывается (или считывается) медленнее, чем на внешние. Это следует учитывать при работе с процессами, критичными к скорости работы жесткого диска.

В современных накопителях на жестких магнитных дисках обычно применяется комбинация первого и второго способов. Диск разбивается на большое количество зон с разной частотой записи (зонное кодирование). В свою очередь, внутри одной зоны изменяется только плотность размещения информации. Для того, чтобы выровнять скорость чтения/записи на разных дорожках диска, она изначально ограничивается сверху некоторой величиной близкой к скорости чтения/записи на внутренних дорожках (меньшей).

Третий способ позволяет сохранить постоянную плотность записи при постоянной скорости записи/чтения, однако не позволяет решить проблему разного количества данных на разных дорожках и неудобен, прежде всего, из-за проблемы изменения момента инерции вращающегося диска. Это проблема приводит к следующему:

• управление скоростью вращения диска требует усложнения двигателя вращающего диск и значительного увеличения его мощности;

• необходимость изменения угловой скорости вращения диска отрицательно сказывается на времени доступа (перемещение головок требует резкого разгона или торможения диска с большим моментом инерции);

• с целью достижения максимальной скорости чтения/записи, скорость вращения диска устанавливается настолько высокой, насколько позволяют мощность двигателя, прочность и точность изготовления конструкции; необходимость изменения скорости вращения не только уменьшает среднюю скорость записи/чтения, но и увеличивает время доступа и общую себестоимость хранения данных.

По этим причинам такой способ применяется только для оптических дисков CD-ROM, используемых в аудиоаппаратуре (этот способ обозначаетсяCLV–constantlinearvelocity, постоянная линейная скорость). Диск здесь выполняется из легкой пластмассы, момент инерции его не велик, скорость доступа при прослушивании не так существенна, а скорость вращения диска не велика (от 200 об./мин при чтении на внешних дорожках, до 500 об./мин при чтении внутренних). Приводы оптических дисков, используемые в персональных компьютерах, изначально также изменяли скорость вращения диска, но по мере роста требований к скорости чтения потребовалось увеличивать общую скорость вращения дисков. Увеличение скорости вращения оптического диска увеличивает его момент инерции, поэтому накопители, работающие со скоростями больше 5000 об./мин (так называемая, 10-ти кратная скорость), работают по второму способу – с постоянной угловой скоростью вращения, но с переменной скоростью чтения (этот способ обозначаетсяCAV–constantangularvelocity, постоянная угловая скорость).