Енмриз. Факультет фундаментальные науки кафедра физика рефератэссе
 Скачать 58.9 Kb.
|
  М  инистерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) ФАКУЛЬТЕТ «ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ НАУКИ» КАФЕДРА «ФИЗИКА» РЕФЕРАТ-ЭССЕ По дисциплине «Естественно-научные методы решения инновационных задач» «Дискета» Студент ИБМ3-52Б ____________ Овчинников Н.С. (Подпись, дата) Руководитель ____________ Левина Е.Ю. (Подпись, дата) 2020 год ОглавлениеВведение 3 Основная часть 5 История создания дискеты и ее актуальность в свое время 5 Физический принцип работы дискеты 6 Техническое устройство дискеты 8 Заключение 16 Библиография 17 ВведениеМногие вещи, которые сейчас нам кажутся такими обыденными, еще пару веков назад были недостижимыми мечтами, которые, пожалуй, даже футурологи тех времен не могли бы предсказать. Мы не можем представить свою жизнь прежде всего без современных технологий, именно они характеризуют наш XXI век. Первый способ хранения информации для последующей обработки на пк представлял собой перфокарты и перфоленты, суть метода заключалась в том, что в плотном листе проделывали отверстия определенным образом, что позволяло держать контакт в разомкнутом и замкнутом положении, т.е 0 и 1. Данные числа программа вносила в память и позже обрабатывала. Позже метод считывания контакта усовершенствовали, его превратили в оптический и внедрили оптопару, это позволило точнее определять позиции и быстрее решать поставленную задачу. Однако, такая система позволяла хранить весьма маленький объём данных, плотность хранения была так же никакой, бобины с перфолентами вмещали в себя, порой, многокилометровую бумажную дорожку, а объём данных был весьма мал, такой же маленькой была и скорость обмена данными с ЭВМ. Для того, чтобы «завести» какой-нибудь станок с ЧПУ, этого хватало, перфокарты применялись в отдельных отраслях вплоть до 90-х годов, однако, на смену перфокартам пришли магнитные ленты, а позже и дискеты. В 2003 г. во всем мире было продано около 1,5 млрд дискет. На Европу пришлось 420 млн, из них на Восточную Европу и Россию — 105 млн. Исследователи из Magnetic Media Information Services приводят другую цифру общемировых продаж дискет — около 1 млрд штук, но и они не отмечают уменьшения рынка.[1] Цель работы - описать техническое устройство с акцентом на физико-технические особенности. Задачи: определить физические принципы работы устройства; описать физическую модель (дополнить концептуальной технической моделью); определить актуальность на момент его создания; определить причины успешности устройства; определить физико-техническую задачу и способы её решения на момент создания устройства; выделить недостатки устройства; описать концепцию «нового» устройства. Основная частьИстория создания дискеты и ее актуальность в свое времяВ 1967 году Алан Шугарт возглавлял команду, которая разрабатывала дисководы в лаборатории фирмы IBM, где были созданы накопители на гибких дисках. Дэвид Нобль, один из старших инженеров, работающих под его руководством, предложил гибкий диск (прообраз дискеты диаметром 8 дюймов) и защитный кожух с тканевой прокладкой, этот год можно считать датой основания дискеты. Самые ранние дискеты были размером 8" и ёмкостью 128—800 КБ. Позже появились 5,25". А в 1980 году фирма SONY замутила 3,5".В старых ПК частенько не было жёсткого диска, и загрузка производилась только с дискет. Защита от записи была сугубо механической — в том смысле, что выглядела как отверстие в корпусе сабжа. Для включения защиты на 5,25" и 8" эту пробоину просто заклеивали чем-нибудь, имевшимся под рукой, а на 3,5" открывали встроенную шторку. Подобную защиту от записи имели в своё время и кассеты, а также похожая защита наличествует на стандартных картах памяти формата SD. При стандартной разметке на дискету 3,5" высокой плотности (HD) помещалось 1,38 мегабайт, однако существовали программы, позволявшие форматировать их в альтернативных форматах, вмещавших на 146% информации больше (1760Kb, 1840Kb, 1920Kb, а иногда и больше за счёт использования «несуществующих дорожек»). Дискеты на 5,25 дюймов были двойной, четверной и повышенной плотности, соответственно 360К, 720К и 1200К. Умельцы, с применением специальных программ вида 800.com, могли наформатировать 400К, 800К и даже 1440К на высокой плотности, что позволяло копировать на них 3,5" дискеты напрямую. Существовали дискеты и дисководы, способные записывать 2,88 мегабайт данных, но они практически не встречались, и о них ненароком упоминается лишь в настройках современных BIOS. Дискеты 5,25" одинарной плотности уже в конце 1980-х были редчайшими артефактами, и до нынешнего племени они, как и перфокарты с перфо- и магнитными лентами.[2] На момент появления дискеты стали очень популярны, несмотря на несовершенство конструкции. Но из-за предложенного объёма памяти и скорости записи эти проблемы отходили на второй план. Дискеты использовались повсеместно, в машиностроении, станкостроении, в банковских системах и др. Распространение дискет позволило человечеству начать переход к цифровизации. Физический принцип работы дискетыМагнитные свойства материала характеризуются зависимостью магнитной индукции (степенью намагниченности) от напряженности магнитного поля (от силы внешнего магнитного поля). Для магнитной записи информации пригодны материалы, способные сохранять остаточную магнитную индукцию после прекращения действия внешнего магнитного поля. Запись осуществляется записывающей магнитной головкой или иглой, которая представляет собой металлический или ферритовый сердечник с зазором, на который намотана катушка. При записи по катушке головки записи пропускают ток записи. В результате в сердечнике головки возникает магнитный поток, который замыкается по рабочему слою носителя, находящемуся около рабочего зазора сердечника. Носитель намагничивается и при удалении от головки сохраняет намагниченность, т. е. обладает собственным магнитным потоком. Величина остаточной индукции и ее направление зависят от величины и направления тока в головке записи. Чтение записанной информации осуществляется головкой чтения, которая имеет конструкцию аналогичную конструкции записывающей головки. При движении носителя перед зазором головки чтения намагниченный участок рабочего слоя приближается к зазору сердечника и магнитный поток его замыкается по сердечнику головки. Поскольку магнитный поток в сердечнике меняется вследствие движения носителя то в катушке наводится ЭДС. При удалении намагниченного участка носителя от зазора головки магнитный поток в сердечнике уменьшается, а ЭДС меняет знак и также уменьшается. Запись и считывание цифровой информации обычно осуществляется одной головкой – универсальной. В отличие от аналоговой записи, когда ток записи меняется как по величине, так и по направлению, цифровая запись осуществляется потенциальным методом. Это значит, что ток в головке записи течет непрерывно и его величина остается неизменной, но в момент, когда необходимо записать двоичный символ (0 или 1) направление тока меняется на противоположное. При чтении такой записи в момент изменения направления остаточной индукции около зазора головки в ее катушке возникает импульс напряжения той или иной полярности. Физически, информация на дискете представляет собой последовательность намагниченных в разных направлениях участков, последовательности намагничивания определяются ошибкоустойчивым кодированием. Данные на дискету записываются концентрическими дорожками, вдоль направления вращения диска. Стандартно на стороне дискеты помещается 40 или 80 дорожек. Обычно есть возможность записать ещё 2-4 дорожки, но это уже определяется механическими ограничителями. Каждая дорожка при этом разбита на несколько секторов. Посекторная запись обеспечивает произвольный доступ достаточно небольшими фрагментами. Некоторые системы производят чтение и запись дорожки целиком, и тогда разбитие на сектора может либо не производиться, либо быть чисто логическим. Обычно размер сектора составляет 512 Б, хотя некоторые системы используют значения от 128 до 1024 Б. 512-битных секторов обычно помещается на дискету 9 (двойная плотность записи), 15 (5-дюймовые дискеты высокой плотности) или 18 (3-дюймовые дискеты высокой плотности). Такая же система записи используется и в HDD, однако там минимум 7 магнитных дисков и гораздо больше секторов, и система безопасности хранения данных гораздо выше, так, можно создать сервер с одним основным диском и двумя резервными, что позволяет надежно хранить информацию и восстановить информацию с резвых дисков. Техническое устройство дискетыИзвестно два формата дискет: 3-дюймовые дискеты с диаметром диска 3,5" и 5-дюймовые – с диаметром 5,25", где " – дюйм, при этом 1" = 25,4 мм. Конструктивное оформление дискет. Дискета любого формата представляет собой конверт-футляр квадратной формы, в котором размещается пластмассовый диск с нанесенным на его поверхность магнитным слоем. Внутренняя поверхность конверта покрыта мягким материалом для защиты магнитного слоя от пыли и повреждений при вращении диска. В конверте имеется вырез, через который магнитные головки соприкасаются с магнитным слоем в процессе записи/чтения. В конструкции диска предусмотрены элементы для механической связи с электроприводом. Дискета располагает средствами защиты от записи. Конверт-футляр дискеты выполнен из пластмассы и надежно защищает магнитный диск от механических воздействий. Чтобы вставить дискету в дисковод с требуемой ориентацией сторон, один угол конверта имеет срез. В верхней части дискеты расположена скользящая крышка с окном для записи/чтения, которая предназначена для зашиты магнитного слоя диска от пыли и повреждений. После установки дискеты в дисковод скользящая крышка сдвигается вправо, открывая через окно и вырез в конверте доступ магнитным головкам к магнитному слою диска для записи/чтения. В правой нижней части дискеты имеется окно защиты от записи. Если задвижка окна находится в нижнем положении, окно открыто и дискета защищена от записи. Запись разрешена в верхнем положении задвижки, когда окно закрыто. В левой нижней части дискеты имеется окно идентификации дискет емкостью 1,44 Мбайт. В дискетах емкостью 720 и 2880 Кбайт такое окно отсутствует. Для механического сопряжения дискеты с приводом в конверте- футляре имеется вырез круглой формы, через который осуществляется связь диска с механизмом привода. Вырез прямоугольной формы в центральной части диска выполняет функции фиксатора. Информация хранится в магнитных слоях, расположенных на обеих сторонах диска. Для упорядочения записи и чтения информации поверхность диска разбивается на отдельные участки, совокупность которых образует логическую структуру дискеты. Процесс создания логической структуры дискеты называется форматированием. Форматирование выполняется программным способом с помощью специальной команды. Например, для DOS используется команда FORMAT. В процессе форматирования поверхность диска разбивается на дорожки (Tracks) и секторы (Sectors). Количество дорожек и секторов определяется качеством материала магнитного слоя. Дорожки, секторы и стороны диска нумеруются, начиная с нуля. Минимальной физической единицей, отводимой на диске для хранения информации, является сектор одной дорожки, или абсолютный сектор. Общее количество абсолютных секторов дискеты определяется произведением числа сторон N, числа дорожек D на стороне, числа секторов S на дорожке и для приведенной логической структуры. Каждый сектор имеет собственный адрес, указанный в его заголовке. Секторы отделены друг от друга пробелами. Количество байт, которое можно записать в сектор, зависит от операционной системы. Для DOS размер сектора составляет 512 байт. Емкость V дискеты определяется произведением общего числа секторов Sa на число байт в секторе В: Известно три стандарта 3-дюймовых дискет: • стандарт двойной плотности (DD – Double Density). Такие дискеты имеют 80 дорожек и 9 секторов. Их емкость составляет 720 Кбайт; • стандарт высокой плотности (HD – High Density). Такие дискеты имеют 80 дорожек и 18 секторов. Их емкость равна 1440 Кбайт. Основу магнитного слоя дискет составляет феррит кобальта, толщина слоя – 1 мкм; • стандарт сверхвысокой плотности (ED – Extra-high Density). Такие дискеты имеют 80 дорожек и 36 секторов. Их емкость равна 2880 Кбайт. Основу магнитного слоя дискет составляет феррит бария, толщина слоя – 2,5 мкм. Толстый магнитный слой позволяет использовать способ вертикальной записи, при котором домены ориентированы перпендикулярно поверхности диска и располагаются более компактно, чем при горизонтальной записи, что повышает плотность записи данных. Все 3-дюймовые дискеты имеют магнитный слой с обеих сторон диска (стандарт DS – Double Sided). При форматировании на диске выделяются две области: системная область и область данных. Системная область. Эта область находится в самом начале обеих сторон диска, занимая несколько килобайт. В системной области располагаются: • загрузочная запись, содержащая информацию о физических характеристиках диска (размер сектора в байтах, число секторов на дорожку, число абсолютных секторов, число головок и т.д.) для драйверов различных устройств и программу начальной загрузки, которая используется для пуска компьютера после включения питания или системного сброса. Эта программа проверяет наличие на диске системных файлов. При их наличии (диск является системным) инициируется загрузка операционной системы в память компьютера, после чего управление компьютером передается операционной системе. При отсутствии системных файлов компьютер выдает сообщение об ошибке. В этом случае необходимо удалить дискету из дисковода либо установить системную дискету; • таблица размещения файлов (File Allocation Table – FAT), предназначенная для идентификации информации на диске. В таблице содержится опись размещения всех данных (файлов и каталогов, или папок), хранящихся на диске. Единицей измерения данных служит кластер, который в зависимости от типа дискеты занимает один или два соседних сектора. Следует иметь в виду, что кластеры файла могут находиться в разных местах диска. Файл с таким размещением кластеров называется фрагментированным. Таблица содержит две колонки. В одной из них размещается список номеров (начиная со второго) кластеров из области данных, в другой – список чисел, дающий информацию о кластерах. Для каждой записи в FAT отводится 12 двоичных разрядов или 3 шестнадцатеричных разряда. Строка второй колонки может содержать одну из следующих записей, которые представим 16-разрядным кодом: 000Н – кластер свободен; ХХХН – номер следующего кластера в файле; FF8 + FFFH – последний кластер файла; FF7H – дефектный кластер; FF0 + FF6H – зарезервированный кластер. • корневой каталог, представляющий собой сводку записей, каждая из которых имеет длину 32 байта и содержит информацию о файле или (под)каталоге. Для системного диска первые два файла в корневом каталоге содержат интерфейсные программы BIOS и ядро операционной системы. Как указывалось выше, они используются программой начальной загрузки. Для каждого типа диска размер корневого каталога фиксирован. Например, на диске формата 3,5" емкостью 1,4 Мбайт размер корневого каталога составляет 14 секторов (512 х 14 = 7168 байт). Поэтому максимальное число записей в корневом каталоге равно 7168: 32 = 224. Для размещения на диске большего числа файлов необходимо создавать (под)каталоги. В отличие от корневого каталога подкаталоги могут иметь любой размер и размещаться в любой области данных. Каждая запись корневого (и любого другого) каталога содержит поля, под каждое поле отведено определенное количество байтов. Имя файла в кодах ASCII. Имя файла разделено на 8-байтное основное имя и 3-байтное расширение. Между основным именем и расширением ставится точка. Если первый байт имени файла состоит из нулей, то этот файл не используется и фиксирует конец записей каталога. Если первый байт имени файла содержит код Е5Н = 229ю, то это является признаком удаления файла. При удалении файла в корневом каталоге остается номер начального кластера файла, его длина и сами данные в кластерах. Поэтому случайно удаленный файл можно восстановить, если в кластеры не записаны новые данные Байт атрибутов файла. Единичное значение каждого из шести младших битов B5...B0 байта отражает один атрибут файла. Ниже приведены двоичные коды атрибутов: 00000001 – файл только для чтения (запрещается изменение содержимого файла); 00000010 – скрытый файл (не выводится в листинги каталогов); 00000100 – системный файл (только для чтения); 00001000 – метка тома до 11 символов (предназначена для идентификации диска); 00010000 –каталог (имеет такое же имя, как и файл); 00100000 – атрибут архивации. используемый при резервном копировании. Атрибут устанавливается после создания или модификации файла и сбрасывается после того, как программа архивации скопирует файл. Таким образом, всегда известно, с каких файлов снята копия, а с каких нет. Файл может иметь несколько атрибутов одновременно Резервные байты. Байты предназначены для будущего использования Время создания или последней модификации файла. Отдельные биты #15.../¾ 2-байтового слова используются следующим образом: #15#14#13#12#ц – число часов: 00, 01,02,..., 23; #i0#9#s#7#6#5 – число минут: 00,01,02,..., 59; #4#з#2#|#о – число секунд: 00, 02, 04,..., 58 Дата создания или последней модификации файла. Отдельные биты #15.../¾ 2-байтового слова используются следующим образом: #i5#i4#i3#i2#i 1 – день месяца: 01,02, 03,..., 31; #ю#9#8#7 – месяц: 01, 02,03,..., 12; #б#5#4#з#2#| #о – год: 00, 01,02,..., 99 Область данных - эта область предназначена для хранения данных, содержащихся в файлах и подкаталогах. Необходимо иметь в виду, что файл на диске всегда занимает целое число кластеров. Например, если файл длиной 1024 байта занимает на диске один кластер(1024 байта), то файл длиной 1025 байт будет занимать два кластера (2048 байт).[3] Кроме того, данные файла могут располагаться в виде отдельных фрагментов в несмежных кластерах. Такие фрагментированные файлы увеличивают время доступа к данным. Для устранения указанного недостатка следует регулярно выполнять операцию дефрагментации файлов с помощью соответствующих программ (утилит). Для более наглядного представления логической структуры дискеты. Следует отметить, что: • системная область занимает 12 секторов, причем в первом секторе размещается загрузочная запись, во втором и третьем – FAT1, в четвертом и пятом – FAT2, а остальные 7 секторов – корневой каталог, размер которого составляет 512 x 7 = 3584 байта. Поэтому максимальное число записей в корневом каталоге равно 3584: 32 = 112; • область данных занимает остальную часть диска. Данные хранятся в кластерах. Кластер является логическим элементом и включает в себя два сектора. Нумерация кластеров начинается с числа 2 и осуществляется с последовательным чередованием нулевой (0) и первой (1) сторон диска; • цилиндр представляет собой совокупность двух дорожек, расположенных с разных сторон диска и имеющих одинаковые номера. Нумерация цилиндров, как и дорожек, начинается с 0. Дисководы. Основными компонентами дисковода НГМД являются: • привод с механизмом фиксации дискеты. В качестве привода используется шпиндельный двигатель. Скорость вращения двигателя для 3-дюймовых дискет составляет 300 об/мин. Среднее время запуска двигателя составляет 400 мс;[4] • блок магнитных головок с механизмами прижима головок к диску. Блок головок содержит каретку с закрепленными на ней головка- Размещение системной области и области данных на 720К-дискете записи/чтения осуществляется стирающими головками. Головки расположены с каждой стороны диска. Стирающие головки предназначены для уменьшения ширины дорожки при записи. Благодаря этому между записанными дорожками создаются размагниченные участки, что повышает качество считывания данных. В процессе позиционирования, записи/чтения магнитные головки соприкасаются с поверхностью диска, в паузах между записью и считыванием головки приподнимаются над поверхностью; • шаговый двигатель, вращательное движение которого преобразуется в поступательное движение каретки. С помощью шагового двигателя каретка с магнитными головками перемещается по поверхности диска в радиальном направлении фиксированными шагами. Величина шага зависит от плотности записи дорожек. В частности, при записи с плотностью 96 дорожек на дюйм (track per inch – tpi) величина шага соответствует повороту ротора шагового двигателя на 1,8°. Перемещение блока головок из одного положения в другое называется позиционированием. Максимальное время позиционирования при перемещении головок из одного крайнего положения в другое имеет значение порядка 100 мс, а между двумя соседними дорожками – порядка 3 мс; • умы управления дисководом: ■ логические схемы позиционирования головок, контроля, управления шпиндельным двигателем; ■ источники тока записи и стирания; ■ усилители; ■ датчики индекса, используемые для определения начала дорожки при форматировании дискеты; ■ формирователи индексной метки и выходного сигнала; ■ коммутатор головок и т.д.; • корпус, в котором размещаются перечисленные выше компоненты: ■ на лицевой стороне корпуса имеется окно-щель, в которое вставляется дискета, и индикатор, светящийся при вращении шпиндельного двигателя. Окно-щель 3-дюймовых дисководов закрыто шторкой. Для удаления дискеты из дисковода используется кнопка. Для блокирования 5-дюймовых дискет после установки в дисковод и разблокирования при удалении из дисковода предусмотрена защелка; на тыльной стороне корпуса установлены 4-штырьковый разъем для подключения питания и 34-штырьковый разъем для соединения с контроллером. Контроллеры. Контроллер выполняет функции сопряжения НГМД с процессором, при этом на процессор возлагается общее управление контроллером с помощью команд и слов состояния процессора, а на контроллер – непосредственное управление НГМД. Основными составными частями контроллера являются: • буфер шины данных, предназначенный для трансляции данных при записи/чтении; • регистры, выполняющие функции временного хранения данных; • логическое устройство, на которое возлагаются функции центрального процессора контроллера. Оно обеспечивает режим обмена контроллера. Контроллеры НГМД интегрированы в чипсеты системных плат. Дисководы подключаются к разъему на системной плате с помощью 34-жильного плоского кабеля. Перекрученные жилы кабеля позволяют присваивать разные имена приводам 3-дюймовых и 5-дюймовых дискет (А: или В:). ЗаключениеИзобретение дискеты очень сильно повлияло на информационную сферу общества. Компьютеры перестали быть роскошью и получили повсеместное распространение, да, сама технология передачи и хранения была не выверена, однако массовое производство дискет позволило вступить в эпоху цифровизации. Создавались различные программы, операционные системы, по его передавали у устанавливали при помощи дискет. Бухгалтерскую отчетность стали хранить в электронном формате. Дискеты позволили создавать базы данных и оперативно обмениваться информацией, устанавливать программы и ПО. Из-за физических особенностей магнитной ленты надежность дискет была нем очень высокой, однако сама технология записи нашла отклик в будущих проектах и технологиях, например, HDD. Наибольшее распространение получили трехдюймовые дискеты (размер – 3,5 дюйма, объем памяти – 1,44 Мб). Информация на диске покрытым магнитным слоем, записывалась на концентрические дорожки. Информация на дискете могла записываться и перезаписываться. Как правило, дискеты использовались для обмена информацией между персональными компьютерами и для хранения архивной информации.[5,6] БиблиографияМинидискета [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38014341 Программное и техническое обеспечение информационных систем : учеб. пособие / О. В. Батенькина ; Минобрнауки России, ОмГТУ. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2014. – 200 с Хранение информации [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/263/book794.html [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17921759 Дискета [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.bmstu.wiki/%D0%94%D0%B8%D1%81%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%B0 Принцип записи информации на магнитный носитель [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://studopedia.ru/14_3702_printsip-zapisi-informatsii-na-magnitniy-nositel.html |