Учебник для вузов Общие сведения Аппаратное обеспечение
 Скачать 5.31 Mb.
|
Устройства хранения информации Первыми такими устройствами для ПК были Floppy-дисководы (FDD) и сменные дискеты – вначале пятидюймовые (5,25") емкостью 360 Кб и 1,2 Мб, затем трехдюймовые (3,5") емкостью 1,44 Мб. В настоящее время применяются редко в связи с широким распространением устройств флэш-памяти емкостью в несколько гигабайт. Примечание. На больших ЭВМ в эпоху до появления ПК для хранения информации использовались бумажные перфокарты, перфоленты, магнитные ленты и диски. ВинчестерСледующий этап в развитии устройств хранения информации для ПК – винчестеры (или жесткие диски – Hard Disk Drive, HDD), которые в настоящее время являются обязательным компонентом каждого настоль- ного персонального компьютера. В принципе, могут существовать бездис- ковые сетевые рабочие станции и терминалы, с загрузкой операционной системы с сервера и работой с дисковыми устройствами сервера, но на практике такие ПК встречаются достаточно редко. В субноутбуках винче- стер может отсутствовать, вместо него используется флэш-память боль- шого объема. Первый винчестер с обозначением 30/30 был создан корпорацией IBM в 1973 г. и позволял на двухстороннем алюминиевом диске сохранять 30 + 30 МБайт данных. Название 30/30 совпадает с обозначением амери- канской винтовки типа «винчестер», откуда и произошло наименование устройств хранения информации на жестких дисках. Современные винчестеры имеют емкость 500 ГБайт и более. Винче- стер представляет собой плоскую, герметически закрытую металлическую коробку, внутри которой на общей оси находятся несколько жестких алю- миниевых или стеклянных пластинок круглой формы (см. рисунок 2.15).
 Выпускаются винчестеры в основном двух размеров дисков (форм-фактор) – 3.5 и 2.5 (послед- ние преимущественно для использо- вания в ноутбуках). Поверхность каждого диска покрыта тонким фер- ромагнитным слоем (веществом, способным длительное время сохра- нять состояние намагниченности). Для чтения и записи данных в вин- честерах используются плавающие на воздушной подушке магнитные головки. Зазор между магнитным слоем и головкой составляет десятые доли микрон. Для перемещения го- ловок используется электромагнит, а для отслеживания местоположения применяется автоматическая система регулирования, которая по магнит- ным меткам на поверхности опорного диска позиционирует головки в нужном месте. Пакет дисков вращается непрерывно с большой скоростью (7200 – 15000 об/мин). Запись данных осуществляется следующим образом. При изменении силы тока, проходящего через записывающую головку, проис- ходит изменение напряженности магнитного поля в щели между поверх- ностью и головкой, что приводит к изменению напряженности магнитного поля на небольшом участке ферромагнитного покрытия диска. Намагни- ченные участки и не намагниченные соответствуют двоичным кодам 1 и 0. Для чтения данных используется магниторезистивный принцип, когда со- противление полупроводниковой пленки, из которой сделана головка чте- ния, меняется в зависимости от напряженности магнитного поля на по- верхности ферромагнитного диска. Электрический сигнал с головки уси- ливается и передается на обработку в контроллер жесткого диска, распо- ложенный в чипсете. Вся электроника, предназначенная для управления двигателем при- вода дисков и электромагнитом головок, а также для чтения и записи дан- ных, располагается на небольшой печатной плате, укрепленной снаружи корпуса. Винчестер может иметь до десяти дисков. На поверхности дисков размечаются траектории записи информации – концентрические окружно- сти, которые называются дорожками или треками (track) и сектора на каж- дой дорожке. Каждая дорожка имеет свой номер. Дорожки с одинаковыми номерами, расположенные одна над другой на разных дисках образуют цилиндр. Каждый сектор на дорожке также имеет номер, нумерация начи- нается с единицы. В один сектор может быть записано 571 байт двоичной информации: 512 байт отведено для записи нужной информации, осталь- ные под заголовок (префикс), определяющий начало и номер секции и окончание (суффикс), где записана контрольная сумма, нужная для про- верки целостности хранимых данных. Секторы и дорожки образуются во время низкоуровневого форматирования диска на заводе-изготовителе. В новых винчестерах число секторов на внешних дорожках больше, чем на внутренних, и для них используют линейный способ адресации блоков LBA (Linear Block Addressing), когда все секторы нумеруются последова- тельно от первого сектора нулевой дорожки нулевого цилиндра до по- следнего на крайней внутренней дорожке. К современным винчестерам неприменима операция низкоуровнево- го форматирования пользователем с помощью специальных программ (возможна для гибких дисков и старых винчестеров). Несколько секторов образуют кластер – наименьшую адресуемую единицу на диске для используемой файловой системы. Форматирование с разметкой кластеров и созданием файловой системы на диске выполняется с помощью специальной программы, входящей в состав операционной си- стемы (иногда на стадии установки этой системы). Неформатированный диск не может быть использован для записи файлов. До форматирования жесткий диск можно разбить на логические диски (раздел винчестера или том). Это удобно, поскольку наличие не- скольких логических дисков упрощает структуризацию данных, храня- щихся на жестком диске. Существует огромное количество разных моделей жестких дисков многих фирм, таких как Seagate, Maxtor, Western Digital, Quantum, Fujitsu, Hitachi, Samsung, Toshiba и пр. Для обеспечения совместимости винчесте- ров, разработаны стандарты на их характеристики, определяющие номен- клатуру соединительных проводников, их размещение в переходных разъ- емах, электрические параметры сигналов. Самый распространенный до недавнего времени тип винчестера по интерфейсу подключения был IDE (Integrated Drive Electronics). Винчестер типа IDE использует спецификацию параллельного интерфейса АТА (Ad- vanced Technology Attachment). В настоящее время новые чипсеты под- держивают новую спецификацию подключения HDD – последовательный интерфейс SerialATA и SerialATA II. Соответственно новые винчестеры имеют тип интерфейса SerialATA. Особняком стоит SCSI (Small Computer System Interface – интерфейс малых компьютеров), так этот интерфейс ис- пользуется, в основном, в серверах и устройства SCSI довольно дороги. ATA – один из старейших стандартов обмена данными, был разра- ботан в 1989 году тремя компаниями: Imprimus – подразделением Control Data Corporation, Western Digital и Compaq. Представляет собой парал- лельный шинный интерфейс. Первый стандарт ATA был утвержден в 1994 году национальным комитетом по стандартам информационных техноло- гий (NCITS). ATA и его дальнейшие варианты, такие как ATA-2, ATA-3, и т. д. – официальные названия стандарта. IDE, EIDE, UltraATA, и т.д. – маркетинговые термины, используемые производителями винчестеров. IDE-интерфейс позволяет обмениваться данными со скоростью до 2 МБайт/с. Serial ATA – последовательный шинный интерфейс для передачи данных, пришел на замену ATA. Был разработан компанией Intel совмест- но с IBM, Dell, Seagate, Quantum, Maxtor, APT Technologies и др. в 2000 году. Обеспечивает пропускную способность до 3 Гбит/с. Среди других параметров, которые влияют на быстродействие HDD следует отметить следующие: скорость вращения дисков – в наше время обычно 7200 об/мин, накопители SCSI 10000 – 15000 об/мин; объем кэш-памяти – во всех современных дисковых накопителях устанавливается кэш-буфер, ускоряющий обмен данными; чем больше его 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-буфера в со- временных винчестерах 8 – 16 МБайт; среднее время доступа – время (в миллисекундах), на протяжении которого блок головок смещается с одного цилиндра на другой. У современных винчестеров составляет 5 – 10 миллисекунд; время задержки – это время от момента позиционирования блока го- ловок на нужный цилиндр до позицирования конкретной головки на конкретный сектор, другими словами, это время поиска нужного сектора (около 4 мс); скорость обмена – определяет объем данных, которые могут быть переданы из накопителя к микропроцессору и в обратном направле- нии за определенные промежутки времени; максимальное значение этого параметра равно пропускной способности дискового интер- фейса и зависит от того, какой режим используется: PIO (Pro- grammed I/O) или DMA; в режиме PIO обмен данными между дис- ком и контроллером происходит при непосредственном участии центрального процессора, чем больше номер режима PIO, тем выше скорость обмена; работа в режиме DMA (Direct Memory Access) раз- решает передавать данные непосредственно в оперативную память без участия процессора; скорость передачи данных в современных жестких дисках до 300 МБайт/с. Несмотря на внешнюю простоту и наличие всего двух разъемов – информационного и питания, винчестеры являются очень сложными устройствами, которые требуют бережного и правильного обращения – следует избегать тряски и резкого перемещения работающего винчестера, это может привести к разрушению внутренних механических узлов и по- вреждению магнитных головок и поверхности дисков. Современные винчестеры могут безотказно работать более 100 000 часов, система автоматической дефектации (S.M.A.R.T., Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) незаметно для пользователя заменяет плохие кластеры на резервные (если в BIOS включен режим S.M.A.R.T.). Если на винчестере появляются плохие сектора и их количество постоянно увеличивается, то такой винчестер лучше заменить на новый. В настоящее время на винчестеры производителями устанавливается 1 – 3-летний га- рантийный срок. Винчестеры фирм Seagate и Hitachi объемом 500 Гб состоят из 5 дисков с плотностью записи 100 Гб на диск. Hitachi и Samsung успешно эксплуатируют в своих винчестерах диски объемом 125 Гб. Seagate наряду с WD имеют в составе своих продуктовых линеек винчестеры с плотно- стью записи 133 Гб на диск. Лидеры рынка дисков класса 7200/3.5, компании Seagate, Maxtor и WD, выпускают также внешние жесткие диски, выполненные в отдель- ном корпусе с блоком питания, интерфейсом USB или IEEE1394 (FireWire). Некоторые модели выпускаемых в настоящее время винчестеров по- казаны в таблице 2.8. Данные таблицы по стоимости единицы хранения информации сви- детельствуют, что на текущий момент наиболее выгодным приобретением будет винчестер объемом не менее 2 ТБайт. Таблица 2.8. Сравнение стоимости винчестеров (январь 2014 г.)
|