Телекоммуникации и Информатика и вычислительная техника Ульяновск 2007 2
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
9.3. Накопители на жестких магнитных дисках В накопителе на жестких магнитных дисках носители информации представляют собой круглые жесткие пластины (называемые также платтерами), обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Первая подобная система памяти была создана фирмой IBM в 1956 г. и называлась RAMAC 305 (Random Access Method of Accounting and Control). Данное запоминающее устройство состояло из 50 алюминиевых дисков (покрытых магнитным слоем) диаметром около 60 см и толщиной см, которые были насажены на ось мощного электромотора. На поверхности каждого диска располагалось 100 концентрических дорожек, на каждой из которых можно было запомнить 500 алфавитно-цифровых символов, закодированных вис- пользовавшемся тогда семибитном коде. RAMAC 305 состоял из двух огромных блоков, занимающих площадь 3–3,5 ми мог хранить 5 млн символов. Современные НЖМД строятся по винчестерской технологии и называются винчестерами. Данная технология впервые была применена при создании накопителей на жестких дисках (модели IBM 3340) на предприятии IBM в английском городе Винчестер в 1973 г. В винчестерах головки считывания-записи вместе сих несущей конструкцией и дисками заключены в герметичный закрытый корпус. Головка, используемая в винчестере, имеет небольшие размеры и массу и размещается на держателе специальной аэродинамической формы. При вращении диска над ним образуется тонкий воздушный слой, обеспечивающий воздушную подушку для зависания головки над поверхностью диска на расстоянии доли микрон. При этом масса головки и прижимающее усилие к поверхности диска настолько малы, что, даже если в процессе работы устройства головка опускается на зону данных, вероятность их повреждения очень низкая. Винчестер (рис. 9.4) состоит из нескольких одинаковых дисков, расположенных друг под другом. Для каждого диска в винчестере имеется пара рабочих головок, которые приводятся в движение и позиционируются шаговым двигателем. Все головки расположены гребнем. Позиционирование одной головки обязательно вызывает аналогичное перемещение и всех остальных, поэтому, когда речь идет о разбиении винчестера, обычно говорят о цилиндрах (cylinder), а не о дорожках. Цилиндр – это совокупность всех совпадающих друг с другом дорожек по вертикали, по всем рабочим поверхностям. Рис. 9.4. Накопитель на жестких магнитных дисках Общая емкость пакета дисков НЖМД определяется произведением количества цилиндров (С, количества магнитных головок (Н, количества секторов на дорожке (S) и размера сектора в байтах (как правило, 512 байт. Объем винчестера = С H S 512 байт. Например, винчестер емкостью 1,2 Гбайт содержит 2632 цилиндра с 16 магнитными дорожками на каждом цилиндре и с 63 секторами на дорожке. Современные винчестеры имеют очень высокую плотность хранения информации порядка миллиардов бит на квадратный сантиметр – и очень большую емкость Магнитные головки Позиционер Платтеры Привод от десятков до сотен Гбайт. Кроме объема, основными характеристиками производительности накопителя являются время доступа – интервал между моментом, когда процессор запрашивает с диска данные, и моментом их выдачи. Время доступа зависит от расположения головок и пластин подними, поэтому для него даются средние значения, составляющие в настоящее время единицы миллисекунд частота вращения – частота, с которой пластины диска вращаются относительно магнитных головок (измеряется в об./мин). У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) составляет порядка 10 000 об./мин; средняя скорость передачи данных диском, определяемая временем для передачи данных после запуска операции чтения. Эта скорость зависит также от канала ввода-вывода. У современных моделей максимальная скорость передачи данных составляет порядка 300 Мбайт/с; размер кэш-памяти. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем порядка 10 Мбайт), который существенно повышает их производительность. На быстродействие винчестера оказывает сильное влияние то, как размещены секторы на дорожках и соседних сторонах дисков. Если все секторы будут идти друг за другом и параллельно на каждой стороне диска, то скорость доступа к информации будет не слишком велика, т. к. электроника, которая считывает данные с диска, имеет ограниченное быстродействие. Для увеличения быстродействия еще в самых первых винчестерах использовался метод чередования секторов (Interleave), при котором номера секторов идут непоследовательно. В настоящее время в винчестерах используется буферная память, что позволяет считать сразу всю дорожку, поэтому чередование секторов на дорожке теперь не всегда применяют, а для секторов на соседних дорожках такой способ остался в силе, при этом чаще используется сдвиг между началом дорожек на разных сторонах. 9.4. Накопители на оптических дисках К оптическим накопителям относятся устройства CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) – неперезаписываемые лазерно- оптические диски или компакт-диски ПЗУ 198 CD-R (Compact Disk Recordable) – компакт-диски с однократной записью CD-RW (CD Rewritable) – компакт-диски перезаписываемые, с многократной записью DVD-ROM (Digital Versatile Disk Read Only Memory) – неперезаписываемые цифровые универсальные диски DVD-R (DVD Recordable) – цифровые универсальные диски с однократной записью или DVD-RAM – DVD Read Access Memory) – цифровые перезаписываемые универсальные диски CC-WORM (Continuous Composite Write Once Read Many) – магнитооптические накопители с однократной записью Е (Continuous Composite Erasable) – перезаписываемые магнитооптические накопители. В устройствах CD-ROM носителем информации является оптический диск (компакт-диск), изготавливаемый на поточном производстве с помощью штамповочных машин и предназначенный только для чтения. Компакт-диск представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра. Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске или питов) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска, расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тыс. витков спиральной дорожки. Для сравнения – на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость такого CD достигает 800 Мбайт. В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну – спиральную. Первое поколение CD-ROM имели скорость передачи данных равную 150 Кбит/с. В следующих поколениях CD-ROM скорость вращения постепенно увеличивали, а для классификации устройств использовали кратность относительно первого поколения. В табл. 9.3 приведено соотношение между кратностью привода и скоростью передачи данных CD-ROM и DVD. Таблица 9.3 Кратность CD DVD х Кбайт/с 1,32 Мбайт/с х Кбайт/с 5,28 Мбайт/с х Кбайт/с 7,93 Мбайт/с х Мбайт/с 10,57 Мбайт/с х Мбайт/с 13,21 Мбайт/с х Мбайт/с 15,84 Мбайт/с х Мбайт/с 21,13 Мбайт/с х Мбайт/с 26,4 Мбайт/с х Мбайт/с 42,26 Мбайт/с При записи лазерная оптическая головка устанавливается механизмом позиционирования на дорожку, соответствующую адресу (рис. 9.5). Фотодетектор Расщепитель Зеркало Кодирование Распознавание информации Коррекция ошибок блока на дорожке Выход чтения Лазер Индикатор ошибок О О О О О О О О Фокусирующая катушка Двига- тель Коррекция скорости Оптический диск А В Механизм позиционирования Проверка достоверности Вход записи Адрес дорожки Слежение за дорожкой А Управление фокусировкой В Оптическая головка Рис. 9.5. Схема оптико-механического лазерного блока Со служебной дорожки считываются сигналы на индикатор ошибок. Он вырабатывает сигналы, корректирующие скорость двигателя дисковода, фокусировку луча лазера и его положение на дорожке. Информация, подлежащая записи, поступает на вход записи. Она проверяется на достоверность, перекодируется и дополняется разрядами, обеспечивающими обнаружение и исправление ошибок при чтении. Сформированный таким образом информационный сигнал поступает на вход модуляции записывающего луча лазера. Модулированный луч лазера последовательно проходит конденсаторную линзу, расщепитель (коллиматор, отражается от зеркала слежения за дорожкой, проходит фокусирующие линзу и катушку и попадает на запоминающую пленку оптического диска, прожигая в ней отверстие (при записи 1) или оставляя неповрежденной (при записи 0). В режиме чтения требуемого (по адресу) блока информации на вход диодного лазера поступает небольшое постоянное напряжение, так что лазер генерирует луч невысокой постоянной интенсивности, который не может прожечь отверстие на пленке диска. Отражаясь от элементов дорожки, луч приобретает модуляцию по интенсивности и поступает обратно потому же пути до расщепителя, из которого выходит через линзу на фотодетектор. Далее он поступает на блок распознавания информации с помощью выделенных синхроимпульсов и на блок коррекции ошибок. В последнем блоке с помощью дополнительных разрядов, введенных при записи, обнаруживается и исправляется большинство ошибок. Фокусировка луча лазера на отражательной поверхности диска осуществляется с помощью объектива. Таким образом, если в последовательных тактах считывания длина пути света не меняется, то и состояние светодиода остается прежним. В результате ток через светодиод образует последовательность двоичных электрических сигналов, соответствующих сочетанию впадин (0) и выступов (1) на дорожке (рис. 9.6). 1 0 0 1 0 0 0 1 0 Длина области данных 300 нм Выступ Впадина Профиль дорожки Рис. 9.6. Профиль дорожки CD-ROM Различная длина оптического пути луча света в двух последовательных тактах считывания информации соответствует двоичным единицам. Одинаковая длина соответствует двоичным нолям. Накопители CD-R позволяют считывать информацию с компакт-дисков и записывать на оптические диски CD-R с помощью лазерного луча. Запись на такие диски осуществляется благодаря наличию на них особого светочувствительного слоя из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Накопители дают возможность делать многократную запись на диск, которая производится гораздо более сложным способом. В этом случае применяется специальный комбинированный слой красителя, который при нагреве лазерным лучом способен многократно менять свои характеристики. Вещество такого слоя при этом может многократно переходить из кристаллического состояния в аморфное и обратно. Накопители имеют тот же геометрический размер, что и обычные CD-ROM, но вмещают до 17 Гбайт данных. Это достигнуто благодаря уменьшению размеров углублений (питов) и ровных участков, а также расстояния между дорожками, использованию лазеров с меньшей длиной волны (635 нм против 780 нм у дисководов. Кроме того, диски могут иметь два слоя информации (оба слоя имеют отражающую поверхность, при этом один из них обладает высокой прозрачностью – док которым можно обращаться, регулируя фокусировку лазерного луча. Магнитооптический накопитель использует для записи истирания информации специальный магнитный слой, который реагирует как на оптическое, таки на магнитное воздействие. Запись информации осуществляется с помощью лазера, нагревающего отдельные участки слоя до температуры выше 150 С, при которой может изменяться ориентация намагниченности. После этого магнитной головкой на диск записываются данные. При считывании информации вектор поляризации лазерного луча, отраженного от слоя, меняет свое направление в зависимости от ориентации намагниченного участка. Преимуществом магнитооптического метода записи по сравнению с магнитным является независимость от внешних магнитных полей при нормальных температурах, поскольку перемагничивание возможно только при температуре выше 150 С. 9.5. Структура файловой системы Windows За организацию хранения и доступа к информации на магнитном носителе, как и на любом другом носителе информации, отвечает файловая система, являющаяся важной составной частью любой операционной системы. Понятие файловая система включает совокупность всех файлов на диске, наборы служебных структур данных, используемых для управления файлами (каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске и т. па также комплекс системных программных средств, предназначенных для реализации операций с файлами поиска, чтения, записи, создания, уничтожения, установки атрибутов и уровней доступа и т. п. Для того чтобы файловая система могла использовать жесткий диск или дискету, их необходимо отформатировать. Форматирование жесткого диска включает три этапа низкоуровневое форматирование диска создание главных (основных) разделов или логических дисков на расширенном разделе логическое форматирование главных разделов или логических дисков. Процедура форматирования дискет включает два совмещенных этапа низкоуровневое и логическое форматирование – и осуществляется за один шаг. Низкоуровневое форматирование диска выполняется, как правило, на заводе- изготовителе. При этом определяются размер сектора, количество дорожек и количество секторов на дорожку, на диск также записывается информация о коррекции ошибок и идентификации секторов (для каждого сектора. Жесткий диск совместимых компьютеров может содержать, как правило, до четырех основных разделов, каждый из которых может быть использован конкретной файловой системой. Кроме того, на диске может быть создан один так называемый расширенный (extended) раздел, который в свою очередь может разбиваться на несколько логических дисков, также используемых конкретной файловой системой. Таким образом, на диске может быть один, два или три главных раздела и один расширенный раздел, содержащий один или несколько логических дисков. При этом в качестве системного раздела (раздела, содержащего зависимые от аппаратной платформы файлы, необходимые для загрузки и инициализации операционной системы) можно использовать только главный раздел. Главные разделы, а также каждый из логических дисков обозначаются одной из букв английского алфавита и двоеточием. Буквой С обозначается первый главный раздел. Следующий получает букву потом Е и т. д. (Буквой А общепринято обозначать дисковод для гибких дисков, буква В зарезервирована на тот случай, если в компьютере не один, а два дисковода гибких дисков) При создании первого разделана диске (основного или расширенного) в первом физическом секторе жесткого диска создается главная загрузочная запись) и таблица разделов (partition table), содержащая информацию о каждом из имеющихся на диске разделов. Главная загрузочная запись используется программой начальной загрузки BIOS (ROM Bootstrap routine), которая при загрузке с жесткого диска считывает и загружает в память первый физический сектор на активном разделе диска, называемый загрузочным сектором (Boot Sector). В процессе логического форматирования главных разделов или логических дисков на диск записывается информация, необходимая для работы конкретной файловой системы, в том числе и загрузочный сектор раздела (Partition Boot Sector). Современные операционные системы могут работать одновременно с несколькими файловыми системами. На рис. 9.7 представлена схема раздела файловой системы FAT. (Свое название FAT получила от одноименной таблицы размещения файлов – File Allocation Table.) Загрузочный сектор раздела FAT FAT (копия) Корневой каталог Область файлов Рис. 9.7. Структура раздела FAT Корневой каталог содержит список имен файлов с указанием даты, времени их создания и размеров. В качестве дополнительной информации каталог включает атрибуты файла только для чтения, системный, скрытый или архивный. Кроме того, в каталоге содержится начальная позиция файла, те. номер первого кластера на диске, содержащего данные требуемого файла. Таблица размещения файлов (FAT) – это список, содержащий информацию о расположении данных файла на диске. Для каждого кластера отводится один элемент списка, содержащий, помимо информации о расположении данных файла, информацию о состоянии кластера занят, свободен, испорчен. Когда системе нужен какой-то файл, она находит его стартовый кластер по имени файла в каталоге их размещения и затем просматривает FAT в поисках элемента списка, соответствующего начальному кластеру. Если весь файл помещен водном кластере, то элемент FAT содержит индикатор конца файла. Если файл занимает несколько кластеров, элемент FAT указывает номер следующего кластера, в котором должно находиться продолжение файла, либо признак его окончания. В сущности, FAT содержит цепочки ссылок, следуя по которым можно найти размещение каждого файла на диске. Для предотвращения возможной потери информации таблица размещения файлов дублируется на случай повреждения первой FAT. Размер таблицы FAT при фиксированном объеме диска зависит от размера кластера чем меньше размер кластера, тем больше их количество и, следовательно, больше размер таблицы FAT. Таким образом, использование кластеров, размер которых больше одного сектора, помимо снижения фрагментации, уменьшает объем дискового пространства, необходимого для хранения FAT. Первоначально для записи в таблице размещения файлов адреса любого файла FAT использовала 12 бит и поддерживала разделы объемом до 16 Мбайт. Для поддержки дисков размером более 32 Мб разрядность FAT была повышена добит. С помощью 16 битов можно выразить 2 16 (65 536) разных значений. Это значит, что файлам на жестком диске не может быть предоставлено более чем 65 536 кластеров. Таким образом, чем больше жесткий диск, тем больше места на нем расходуется впустую из-за несовершенной системы адресации файлов. Один из способов борьбы с нерациональными потерями – разбиение жесткого диска на несколько разделов, или логических дисков, каждый из которых имеет собственную таблицу размещения файлов. В итоге потери, обусловленные большими размерами кластеров, становятся меньше. Начиная с файловой системы Windows 95 OSR2 при записи адреса файла на жестком диске используется не два, а четыре байта, или 32 бита (FAT 32). С помощью 205 32 битов можно выразить 2 32 (4 294 967 296) разных значений, те. файлам на жестком диске может быть предоставлено 2 32 кластеров. В этом случае размеры отдельных кластеров могут быть значительно меньше и нерациональные потери дисковой памяти уменьшаются (табл. 9.4). Таблица 9.4 Объем диска Количество секторов на кластер Размер кластера 513 Мбайт… 8192 Мбайт 8 4 Кбайт 8193 Мбайт… 16 384 Мбайт 16 8 Кбайт 16 385 Мбайт… 32 768 Мбайт 32 16 Кбайт Более 32 768 Мбайт 64 32 Кбайт Файловая система NTFS (New Technology File System) использует кластеры в качестве фундаментальной единицы дискового пространства. При этом для записи адреса файла может использоваться 8 байт (64 бита, и соответственно, файлам на жестком диске может быть предоставлено 2 64 кластеров. Однако на практике используются таблицы разделов размерами до 2 32 секторов, те, работая с файловой системой NTFS, можно создать файл, максимальный размер которого составляет 2 32 кластеров как и при использовании FAT 32). Структура раздела файловой системы NTFS представлена на рис. 9.8. Загрузочный сектор раздела Главная таблица файлов (MFT) Системные файлы (метафайлы) Область файлов Рис. 9.8. Структура раздела NTFS Форматирование раздела для использования файловой системы NTFS приводит к созданию нескольких системных файлов и главной таблицы файлов – файла MFT (Master File Table), содержащего информацию обо всех файлах и папках, имеющихся в разделе NTFS. Первые 16 записей MFT зарезервированы для служебных файлов, называемых также метафайлами, причем первая запись таблицы описывает непосредственно саму главную файловую таблицу – сам MFT, также являющийся метафайлом. За ней следует запись зеркальной копии MFT, гарантирующая доступ к зеркальному файлу MFT в случае, если первая запись MFT будет разрушена. Местоположение сегментов данных MFT и зеркального файла MFT хранится в загрузочном секторе раздела, который также дублируется. С третьей по шестнадцатую записи MFT содержат описания других метафайлов, каждый из которых отвечает за какой-либо аспект работы системы. Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются собственно файлами и каталогами на томе. Отличительная особенность файловой системы NTFS – значительное расширение возможностей по управлению доступом к отдельным файлами каталогам, большое число атрибутов файлов (в том числе атрибутов защищенности, позволяющих обеспечить защиту данных от несанкционированного доступа. При использовании FAT возможность установки прав доступа к отдельным каталогами файлам отсутствует. Единственной мерой защиты служат права доступа к разделяемым ресурсам, которые устанавливаются навесь разделяемый ресурс, действуют по отношению ко всем имеющимся на нем файлами папками имеют силу только при доступе через сеть. Контрольные вопросы 1. По каким признакам классифицируются ВЗУ? 2. На какие типы классифицируются магнитные накопители 3. Назовите характеристики дисковых накопителей. 4. Что понимается под сектором на магнитном диске и какова его емкость 5. Какие параметры учитываются в определении емкости магнитного диска 1,44 Мбайта? 6. Какие параметры учитываются в определении емкости жесткого диска 7. Назовите типы оптических дисков. 8. Охарактеризуйте схему раздела FAT. 9. В чем особенность файловой системы NTFS? |