Принцип записи данных на гибкий магнитный диск. Магнитный принцип чтения и записи информации

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) \ HDD (Hard Disk Drive) \ винчестер (носитель) – материальный объект, способный хранить информацию.

Накопители информации могут быть классифицированы по следующим признакам:

• способу хранения информации: магнитоэлектрические, оптические, магнитооптические;
• виду носителя информации: накопители на гибких и жестких магнитных дисках, оптических и магнитооптических дисках, магнитной ленте, твердотельные элементы памяти;
• способу организации доступа к информации - накопители прямого, последовательного и блочного доступа;
• типу устройства хранения информации - встраиваемые (внутренние), внешние, автономные, мобильные (носимые) и др.

Значительная часть накопителей информации, используемых в настоящее время, создана на базе магнитных носителей.

Устройство жесткого диска

Винчестер содержит набор пластин, представляющих чаще всего металлические диски, покрытые магнитным материалом – платтером (гамма-феррит-оксид, феррит бария, окись хрома…) и соединенные между собой при помощи шпинделя (вала, оси).
Сами диски (толщина примерно 2мм.) изготавливаются из алюминия, латуни, керамики или стекла. (см. Рис)

Для записи используются обе поверхности дисков. Используется 4-9 пластин . Вал вращается с высокой постоянной скоростью (3600-7200 оборотов/мин.)
Вращение дисков и радикальное перемещение головок осуществляется с помощью 2-х электродвигателей .
Данные записываются или считываются с помощью головок записи/чтения по одной на каждую поверхность диска. Количество головок равно количеству рабочих поверхностей всех дисков.

Запись информации на диск ведется по строго определенным местам — концентрическим дорожкам (трекам) . Дорожки делятся на сектора . В одном секторе 512 байт информации.

Обмен данными между ОЗУ и НМД осуществляется последовательно целым числом (кластером). Кластер — цепочки последовательных секторов (1,2,3,4,…)

Специальный двигатель с помощью кронштейна позиционирует головку чтения/записи над заданной дорожкой (перемещает ее в радиальном направлении).
При повороте диска головка располагается над нужным сектором. Очевидно, что все головки перемещаются одновременно и считывают инфоголовки перемещаются одновременно и считывают информацию с одинаковых дорожек разныхрмацию с одинаковых дорожек разных дисков.

Дорожки винчестера с одинаковым порядковым номером на разных дисках винчестера называется цилиндром .
Головки чтения записи перемещаются в вдоль поверхности платтера. Чем ближе к поверхности диска находится головка при этом не касаясь ее, тем выше допустимая плотность записи.

Устройство винчестера

Магнитный принцип чтения и записи информации

магнитный принцап записи информации

Физические основы процессов записи и воспроизведения информации на магнитных носителях заложены в работах физиков М.Фарадея (1791 - 1867) и Д. К. Максвелла (1831 - 1879).

В магнитных носителях информации цифровая запись производится на магнито чувствительный материал. К таким материалам относятся некоторые разновидности оксидов железа, никель, кобальт и его соединения, сплавы, а также магнитопласты и магнитоэласты со вязкой из пластмасс и резины, микропорошковые магнитные материалы.

Магнитное покрытие имеет толщину в несколько микрометров. Покрытие наносится на немагнитную основу, в качестве которой для магнитных лент и гибких дисков используются различие пластмассы, а для жестких дисков - алюминиевые сплавы и композиционные материалы подложки. Магнитное покрытие диска имеет доменную структуру, т.е. состоит из множества намагниченных мельчайших частиц.

Магнитный домен (от лат. dominium - владение) - это микроскопическая, однородно намагниченная область в ферромагнитных образцах, отделенная от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами).

Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего поля на поверхности домена образуются зоны остаточной намагниченности. Благодаря этому свойству на магнитном носителе сохраняется информация, действовавшем магнитном поле.

При записи информации внешнее магнитное поле создается с помощью магнитной головки. В процессе считывания информации зоны остаточной намагниченности, оказавшись напротив магнитной головки, наводят в ней при считывании электродвижущую силу (ЭДС).

Схема записи и чтения с магнитного диска дана на рис.3.1 Изменение направления ЭДС в течение некоторого промежутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения - с нулем. Указанный промежуток времени называется битовым элементом .

Поверхность магнитного носителя рассматривается как последовательность точечных позиций, каждая из которых ассоциируется с битом информации. Поскольку расположение этих позиций определяется неточно, для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помогают находить необходимые позиции записи. Для нанесения таких синхронизирующих меток должно быть произведено разбиение диска на дорожки
и секторы - форматирование .

Организация быстрого доступа к информации на диске является важным этапом хранения данных. Оперативный доступ к любой части поверхности диска обеспечивается, во-первых, за счет придания ему быстрого вращения и, во-вторых, путем перемещения магнитной головки чтения/записи по радиусу диска.
Гибкий диск вращается со скоростью 300-360 об/мин, а жесткий диск - 3600- 7200 об/мин.

Логическое устройство винчестера

Магнитный диск первоначально к работе не готов. Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатирован , т.е. должна быть создана структура диска.

Структура (разметка) диска создается в процессе форматирования.

Форматирование магнитных дисков включает 2 этапа:

1. физическое форматирование (низкого уровня)
2. логическое (высокого уровня).

При физическом форматировании рабочая поверхность диска разбивается на отдельные области, называемые секторами , которые расположены вдоль концентрических окружностей – дорожек.

Кроме того, определяются сектора, непригодные для записи данных, они помечаются как плохие для того, чтобы избежать их использования. Каждый сектор является минимальной единицей данных на диске, имеет собственный адрес для обеспечения прямого доступа к нему. Адрес сектора включает номер стороны диска, номер дорожки и номер сектора на дорожке. Задаются физические параметры диска.

Как правило, пользователю не нужно заниматься физическим форматированием, так как в большинстве случаев жесткие диски поступают в отформатированном виде. Вообще говоря, этим должен заниматься специализированный сервисный центр.

Форматирование низкого уровня нужно производить в следующих случаях:

• если появился сбой в нулевой дорожке, вызывающий проблемы при загрузке с жесткого диска, но сам диск при загрузке с дискеты доступен;
• если вы возвращаете в рабочее состояние старый диск, например, пе¬реставленный со сломавшегося компьютера.
• если диск оказался отформатированным для работы с другой операционной системой;
• если диск перестал нормально работать и все методы восстановления не дали положительных результатов.

Нужно иметь в виду, что физическое форматирование является очень сильнодействующей операцией — при его выполнении данные, хранившиеся на диске будут полностью стерты и восстановить их будет совершенно невозможно! Поэтому не приступайте к форматированию низкого уровня, если вы не уверены в том, что сохранили все важные данные вне жесткого диска!

После того, как вы выполните форматирование низкого уровня, следует очередной этап — создание разбивки жесткого диска на один или несколько логических дисков — наилучший способ справиться с путаницей каталогов и файлов, разбросанных по диску.

Не добавляя никаких аппаратных элементов в вашу систему, Вы получаете возможность работать с несколькими частями одного жесткого диска, как с несколькими накопителями.
При этом емкость диска не увеличивается, однако можно значительно улучшить его организацию. Кроме того, различные логические диски можно использовать для различных операционных систем.

При логическом форматировании происходит окончательная подготовка носителя к хранению данных путем логической организации дискового пространства.
Диск подготавливается для записи файлов в сектора, созданные при низкоуровневом форматировании.
После создания таблицы разбивки диска следует очередной этап — логическое форматирование отдельных частей разбивки, именуемых в дальнейшем логическими дисками.

Логический диск — это некоторая область жесткого диска, работающая так же, как отдельный накопитель.

Логическое форматирование представляет собой значительно более простой процесс, чем форматирование низкого уровня.
Для того, чтобы выполнить его, загрузитесь с дискеты, содержащей утилиту FORMAT.
Если у вас несколько логических дисков, последовательно отформатируйте все.

В процессе логического форматирования на диске выделяется системная область , которая состоит из 3-х частей:

• загрузочного сектора и таблица разделов (Boot reсord)
• таблицы размещения файлов (FAT) , в которых записываются номера дорожек и секторов, хранящих файлы
• корневой каталог (Root Direсtory).

Запись информации осуществляется частями через кластер. В одном и том же кластере не может быть 2-х разных файлов.
Кроме того, на данном этапе диску может быть присвоено имя.

Жесткий диск может быть разбит на несколько логических дисков и наоборот 2 жестких диска может быть объединены в один логический.

Рекомендуется на жеском диске создавать как минимум два раздела(два логических диска): один из них отводится под операционную систему и программное обеспечение, второй диск исключительно выделяется под данные пользователя. Таким образом данные и системные файлы хранятся отдельно друг от друга и в случае сбоя операционной системы гораздо больше вереятность сохранения данных пользователя.

Характеристики винчестеров

Жесткие диски (винчестеры) отличаются между собой следующими характеристиками:

1. емкостью
2. быстродействием – временем доступа к данным, скоростью чтения и записи информации.
3. интерфейсом (способ подключения) — типом контролера, к которому должен присоединяться винчестер (чаще всего IDE/EIDE и различные варианты SСSI).
4. другие особенности

1. Емкость — количество информации, помещающееся на диске (определяется уровнем технологии изготовления).
На сегодня емкость составляет 500 -2000 и более Гб. Места на жестком диске никогда не бывает много.

2. Скорость работы (быстродействие) диска характеризуется двумя показателями: временем доступа к данным на диске и скоростью чтения/записи на диске .

Время доступа – время необходимое для перемещения (позиционирования) головок чтения/записи на нужную дорожку и нужный сектор.
Среднее характерное время доступа между двумя случайно выбранными дорожками примерно 8-12мс(миллисекунд), более быстрые диски имеют время 5-7мс.
Время перехода на соседнюю дорожку (соседний цилиндр) меньше 0.5 — 1.5мс. Для поворота в нужный сектор тоже нужно время.
Полное время оборота диска для сегодняшних винчестеров 8 – 16мс, среднее время ожидания сектора составляет 3-8мс.
Чем меньше время доступа, тем быстрее будет работать диск.

Скорость чтения/записи (пропускная способность ввода/вывода) или cкорость передачи данных (трансферт) – время передачи последовательно расположенных данных, зависит не только от диска, но и от его контроллера, типы шины, быстродействие процессора. Скорость медленных дисков 1.5-3 Мб/с, у быстрых 4-5Мб/с, у самых последних 20Мб/с.
Винчестеры со SСSI–интерфейсом поддерживают частоту вращение 10000 об./мин. и среднее время поиска 5мс, скорость передачи данных 40-80 Мб/с.

3. Стандарт интерфейса подключения винчестера — т.е. тип контроллера, к которому должен подключаться жесткий диск. Он находится на материнской плате.
Различают три основных интерфейса подключения

1. IDE и его различные варианты

IDE(Integrated Disk Eleсtroniс) или (ATA) Advanсed Teсhnology Attaсhment
Достоинства — простота и невысокая стоимость

Скорость передачи:8.3, 16.7, 33.3, 66.6, 100 Мб/с. По мере развития данных интерфейс поддерживает расширение списка устройств: жесткий диск, супер-флоппи, магнитооптика,
НМЛ, СD-ROM, СD-R, DVD-ROM, LS-120, ZIP.

Вводятся некоторые элементы распараллеливания (gneuing и disсonneсt/reсonneсt), контроля за целостностью данных при передаче. Главный недостаток IDE — небольшое количество подключаемых устройств (не больше 4), что для ПК высокого класса явно мало.
Сегодня IDE-интерфейсы перешли на новые протоколы обмена Ultra ATA. Значительно увеличив свою пропускную способность
Mode 4 и DMA (Direсt Memory Aссess) Mode 2 позволяет передавать данные со скоростью 16,6Мб/с, однако реальная скорость передачи данных была бы намного меньше.
Стандарты Ultra DMA/33 и Ultra DMA/66, разработанные в феврале 98г. компанией Quantum имеют 3 режима работы 0,1,2 и 4,соответствено во втором режиме носитель поддерживает
скорость передачи 33Мб/с. (Ultra DMA/33 Mode 2) Для обеспечения такой высокой скорости можно достичь только при обмене с буфером накопителя. Для того, чтобы воспользоваться
стандартами Ultra DMA необходимо выполнить 2 условия:

1. аппаратная поддержка на материнской плате (чипсета) и со стороны самого накопителя.

2. для поддержания режима Ultra DMA, как и другой DMA (direсt memory Aссess-прямой доступ к памяти).

Требуется специальный драйвер для разных наборов микросхем различных. Как правило, они входят в комплект системной платы, в случаи необходимости ее можно «скачать»
из Internet со страницы фирмы-изготовителя материнской платы.

Стандарт Ultra DMA обладает обратной совместимостью с предыдущими контроллерами, работающих в более медленном варианте.
Сегодняшний вариант: Ultra DMA/100 (конец 2000г.) и Ultra DMA/133 (2001г.).

SATA
Замена IDE (ATA) не другую высокоскоростную последовательную шину Fireware (IEEE-1394). Применение новой технологии позволит довести скорость передачи равной 100Мб/с,
повышается надежность системы, это позволит устанавливать устройства не включая ПК, что категорически нельзя в ATA-интерфейсе.

SСSI (Small Сomputer System Interfaсe) — устройства дороже обычных в 2 раза, требуют специального контроллера на материнской плате.
Используются для серверов, издательских системах, САПР. Обеспечивают более высокое быстродействие (скорость до 160Мб/с), широкий диапазон подключаемых устройств хранения данных.
SСSI- контроллер необходимо покупать вместе с соответствующим диском.

SСSI преимущество перед IDE- гибкость и производительность.
Гибкость заключается большим количеством подключаемых устройств (7-15), а у IDE (4 максимально), большей длиной кабеля.
Производительность — высокая скорость передачи и возможность одновременной обработки нескольких транзакций.

1. Ultra Sсsi 2/3(Fast-20) до 40Мб/с 16-разрядный вариант Ultra2- стандарт SСSI до 80Мб/с

2. Другая технология SСSI-интерфейса названа Fibre Сhannel Arbitrated Loop (FС-AL) позволяет подключать до 100Мбс, длина кабеля при этом до 30 метров. Технология FС-AL позволяет выполнить «горячие» подключение, т.е. на «ходу», имеет дополнительные линии для контроля и коррекции ошибок (технология дороже обычного SСSI).

4. Другие особенности современных винчестеров

Огромное разнообразие моделей винчестера затрудняет выбор подходящего.
Кроме нужной емкости, очень важно и производительность, которая определяется в основном его физическими характеристиками.
Такими характеристиками и является среднее время поиска, скорость вращения, внутренняя и внешняя скорость передачи, объем Кэш-памяти.

4.1 Среднее время поиска.

Жесткий диск затрачивает какое-то время для того, чтобы переместить магнитную головку текущего положения в новое, требуемое для считывания очередной порции информации.
В каждой конкретной ситуации это время разное, в зависимости от расстояния, на которое должна переместиться головка. Обычно в спецификациях приводится только усредненные значения, причем применяемые разными фирмами алгоритмы усреднения, в общем случае различаются, так что прямое сравнение затруднено.

Так, фирмы Fujitsu, Western Digital проводят по всем возможным парам дорожек, фирмы Maxtor и Quantum применяют метод случайного доступа. Получаемый результат может дополнительно корректироваться.

Значение времени поиска для записи часто несколько выше, чем для чтения. Некоторые производители в своих спецификациях приводят только меньшее значение (для чтения). В любом случае кроме средних значений полезно учитывать и максимальное (через весь диск),
и минимальное (то есть с дорожки на дорожку) время поиска.

4.2 Скорость вращения

С точки зрения быстроты доступа к нужному фрагменту записи скорость вращения оказывает влияние на величину так называемого скрытого времени, которого для того, чтобы диск повернулся к магнитной головке нужным сектором.

Среднее значение этого времени соответствует половине оборота диска и составляет 8.33 мс при 3600 об/мин, 6.67 мс при 4500 об/мин, 5,56 мс при 5400 об/мин, 4,17 мс при 7200 об/мин.

Значение скрытого времени сопоставимо со средним временем поиска, так что в некоторых режимах оно может оказывать такое же, если не больше, влияние на производительность.

4.3 Внутренняя скорость передачи

— скорость, с которой данные записываются на диск или считываются с диска. Из-за зонной записи она имеет переменное значение – выше на внешних дорожках и ниже на внутренних.
При работе с длинными файлами во многих случаях именно этот параметр ограничивает скорость передачи.

4.4 Внешняя скорость передачи

— скорость (пиковая) с которой данные передаются через интерфейс.

Она зависит от типа интерфейса и имеет чаще всего, фиксированные значения: 8.3; 11.1; 16.7Мб/с для Enhanсed IDE (PIO Mode2, 3, 4); 33.3 66.6 100 для Ultra DMA; 5, 10, 20, 40, 80, 160 Мб/с для синхронных SСSI, Fast SСSI-2, FastWide SСSI-2 Ultra SСSI (16 разрядов) соответственно.

4.5 Наличие у винчестера своей Кэш-памяти и ее объем (дисковый буфер).

Объем и организация Кэш-памяти (внутреннего буфера) может заметно вливать на производительность жесткого диска. Так же как и для обычной Кэш-памяти,
прирост производительности по достижении некоторого объема резко замедляется.

Сегментированная Кэш-память большого объема актуальна для производительных SСSI–дисков, используемых в многозадачных средах. Чем больше КЭШ, тем быстрее работает винчестер (128-256Кб).

Влияние каждого из параметров на общую производительность вычленить довольно трудно.

Требования к жестким дискам

Основное требование к дискам — надежность работы гарантируется большим сроком службы компонентов 5-7 лет; хорошими статистическими показателями, а именно:

• среднее время наработки на отказ не менее 500 тысяч часов (высшего класса 1 миллион часов и более.)
• встроенная система активного контроля за состоянием узлов диска SMART /Self Monitoring Analysis and Report Teсhnology.

Технология S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Teсhnology) является открытым промышленным стандартом, разработанный в свое время Сompaq, IBM и рядом других производителей жестких дисков.

Смысл этой технологии заключается во внутренней самодиагностике жесткого диска, которая позволяет оценить его текущее состояние и информировать о возможных будущих проблемах, могущих привести к потере данных или к выходу диска из строя.

Осуществляется постоянный мониторинг состояния всех жизненно важных элементов диска:
головок, рабочих поверхностей, электромотора со шпинделем, блока электроники. Скажем, если обнаруживается ослабление сигнала, то информация перезаписывается и происходит дальнейшее наблюдение.
Если сигнал опять ослабляется, то данные переносятся в другое место, а данный кластер помещается как дефектный и недоступный, а вместо него предоставляется в распоряжении другой кластер из резерва диска.

При работе с жестким диском следует соблюдать температурный режим, в котором функционирует накопитель. Изготовители гарантируют безотказную работу винчестера при температуре окружающей их среды в диапазоне от 0С до 50С, хотя, в принципе, без серьезных последствий можно изменить границы по крайней мере градусов на 10 в обе стороны.
При больших отклонениях температуры воздушная прослойка необходимой толщиной может не образовываться, что приведет к повреждению магнитного слоя.

Вообще производители HDD уделяют довольно большое внимание надежности своих изделий.

Основная проблема — попадание внутрь диска посторонних частиц.

Для сравнения: частичка табачного дыма в два раза больше расстояния между поверхностью и головкой, толщина человеческого волоса в 5-10 раза больше.
Для головки встреча с такими предметами обернется сильным ударом и, как следствие, частичным повреждением или же полным выходом из строя.
Внешне это заметно, как появление большого количества закономерно расположенных негодных кластеров.

Опасны кратковременные большие по модулю ускорения (перегрузки), возникающие при ударах, падениях и т.д. Например, от удара головка резко ударяет по магнитному
слою и вызывает его разрушение в соответственном месте. Или, наоборот, сначала движется в противоположную сторону, а затем под действием силы упругости словно пружина бьет по поверхности.
В результате в корпусе появляются частицы магнитного покрытия, которые опять-таки могут повредить головку.

Не стоит думать, что под действием центробежной силы они улетят с диска — магнитный слой
прочно притянет их к себе. В принципе, страшны последствия не самого удара (можно как-нибудь смириться с потерей некоторого количества кластеров), а то, что при этом образуются частицы, которые обязательно вызовут дальнейшую порчу диска.

Для предотвращения таких весьма неприятных случаев различные фирмы прибегают ко всякого рода ухищрениям. Помимо простого повышения механической прочности компонентов диска, применяются также интеллектуальная технология S.M.A.R.T., которая следит за надежностью записи и сохранности данных на носителе (см. выше).

Вообще-то диск всегда отформатирован не на полную емкость, имеется некоторый запас. Связано это главным образом еще и с тем, что практически невозможно изготовить носитель,
на котором абсолютно вся поверхность была бы качественной, обязательно будет иметься bad-кластеры (сбойные). При низкоуровневом форматировании диска его электроника настраивается так,
чтобы она обходила эти сбойные участки, и для пользователя было совершенно не заметно, что носитель имеет дефект. Но вот если они видны (например, после форматирования
утилита выводит их количество, отличное от нуля), то это уже очень плохо.

Если гарантия не истекла (а HDD, на мой взгляд, лучше всего покупать с гарантией), то сразу же отнесите диск к продавцу и потребуйте замены носителя или возврат денег.
Продавец, конечно же, сразу начнет говорить, что парочка сбойных участков – еще не повод для беспокойства, но не верьте ему. Как уже говорилось, это парочка, скорее всего, вызовет еще множество других, а впоследствии вообще возможен полный выход винчестера из строя.

Особенно чувствителен к повреждениям диск в рабочем состоянии, поэтому не следует помещать компьютер в место, где он может быть подвержен различным толчкам, вибрациям и так далее.

Подготовка винчестера к работе

Начнем с самого начала. Предположим, что вы купили накопитель на жестком диске и шлейф к нему отдельно от компьютера.
(Дело в том, что, покупая собранный компьютер, вы получите подготовленный к использованию диск).

Несколько слов об обращении с ним. Накопитель на жестком диске — очень сложное изделие, содержащее кроме электроники прецизионную механику.
Поэтому он требует аккуратного обращения — удары, падения и сильная вибрация могут повредить его механическую часть. Как правило, плата накопителя содержит много малогабаритных элементов, и не закрыта прочными крышками. По этой причине следует позаботиться о ее сохранности.
Первое, что следует сделать, получив жесткий диск — прочитать пришедшую с ним документацию — в ней наверняка окажется много полезной и интересной информации. При этом следует обратить внимание на следующие моменты:

• наличие и варианты установки перемычек, определяющих настройку (установку) диска, например, определяющую такой параметр, как физическое имя диска (они могут быть, но их может и не быть),
• количество головок, цилиндров, секторов на дисках, уровень прекомпенсации, а также тип диска. Эти данные нужно ввести в ответ на запрос программы установки компьютера (setup).
  Вся эта информация понадобится при форматировании диска и подготовке машины к работе с ним.
• В случае если ПК сам не определит параметры вашего винчестера, большей проблемой станет установка накопителя, на который нет никакой документации.
  На большинстве жестких дисков можно найти этикетки с названием фирмы-изготовителя, с типом (маркой) устройства, а также с таблицей недопустимых для использования дорожек.
  Кроме того, на накопителе может быть приведена информация о количестве головок, цилиндров и секторов и об уровне прекомпенсации.

Справедливости ради нужно сказать, что нередко на диске написано только его название. Но и в этом случае можно найти требуемую информацию либо в справочнике,
либо позвонив в представительство фирмы. При этом важно получить ответы на три вопроса:

• как должны быть установлены перемычки для того, чтобы использовать накопитель как master \ slave?
• сколько на диске цилиндров, головок, сколько секторов на дорожку, чему равняется значение прекомпенсации?
• какой тип диска из записанных в ROM BIOS лучше всего соответствует данному накопителю?

Владея этой информацией, можно переходить к установке накопителя на жестком диске.

Для установки жесткого диска в компьютер следует сделать следующее:

1. Отключить полностью системный блок от питания, снять крышку.
2. Присоединить шлейф винчестера к контроллеру материнской платы. Если Вы устанавливаете второй диск можно воспользоваться шлейфом от первого при наличии на нем дополнительного разъема, при этом нужно помнить, что ск орость работы разных винчестеров будет сравнена в сторону медленно.
3. Если требуется, переключить перемычки в соответствии со способом использования жесткого диска.
4. Установить накопитель на свободное место и присоединить шлейф от контроллера на плате к разъему винчестера красной полосой к питанию, кабель источника питания.
5. Надежно закрепить жесткий диск четырьмя болтами с двух сторон, акку/spanратно расположить кабели внутри компьютера, так, чтобы при закрывании крышки не перерубить их,
6. Закрыть системный блок.
7. Если ПК сам не определил винчестер, то изменить конфигурацию компьютера с помощью Setup, чтобы компьютер знал, что к нему добавили новое устройство.

Фирмы-изготовители винчестеров

Винчестеры одинаковой емкости (но от разных производителей) обычно обладают более-менее сходными характеристиками, а отличия выражаются главным образом в конструкции корпуса, форм-факторе (проще говоря, размерах) и сроке гарантийного обслуживания. Причем о последнем следует сказать особо: стоимость информации на современном винчестере часто во много раз превышает его собственную цену.

Если на вашем диске появились сбои, то пытаться его ремонтировать — зачастую означает лишь подвергать свои данные к дополнительному риску.
Гораздо более разумный путь- замена сбойного устройства на новое.
Львиную долю жестких дисков на российском (да и не только) рынке составляет продукции фирм IBM, Maxtor, Fujitsu, Western Digital (WD), Seagate, Quantum.

название фирмы-изготовителя, производящего данный тип накопителя,

Корпорация Quantum (www. quantum. сom.) , основанная в 1980г.,- одна из ветеранов на рынке дисковых накопителей. Компания известна своими новаторскими техническими решениями, направленными на повышение надежности и производительности жестких дисков, временем доступа к данным на диске и скоростью чтения/записи на диске, возможностью информировать о возможных будущих проблемах, могущих привести к потере данных или к выходу диска из строя.

— Одной из фирменных технологий Quantum является SPS (Shoсk Proteсtion System), призванная защитить диск от ударных воздействий.

— встроенная программа DPS (Data Proteсtion System), предназначенной сохранить самое дорогое — хранящиеся на них данные.

Корпорация Western Digital (www.wdс.сom.) также является одной из старейших компаний-производителей дисковых накопителей, она знала в своей истории и взлеты и падения.
Компания за последние время смогла внедрить в свои диски самые последние технологии. Среди них стоит отметить собственную разработку-технологию Data Lifeguard,которая является дальнейшим развитием системы S.M.A.R.T. В ней сделана попытка логического завершения цепочки.

Согласно этой технологии производится регулярное сканирование поверхности диска в период, когда он незадействован системой. При этом производится чтение данных и проверка их целостности. Если в процессе обращения к сектору отмечаются проблемы, то данные переносятся в другой сектор.
Информация о некачественных секторах заносится во внутренний дефект-лист, что позволяет избежать в будущем записи в будущем записи в дефектные сектора.

Фирма Seagate (www.seagate. Сom) очень известна на нашем рынке. К слову сказать, я рекомендую винчестеры именно этой фирмы, как самык надежные и долговечные.

В 1998 г. она заставила вновь обратить на себя внимание, выпустив серию дисков Medallist Pro
со скоростью вращения 7200 об/мин,применив для этого специальные подшипники. Раньше такая скорость использовалась только в дисках интерфейса SСSI, что позволило увеличить производительность. В этой же серии используется технология SeaShield System, призванная улучшить защиту диска и хранящихся на нем данных от влияния электростатики и ударных воздействий. Одновременно уменьшается также и воздействие электромагнитных излучений.

Все производимые диски поддерживают технологию S.M.A.R.T.
В новых дисках Seagate предусматривает применение улучшенной версии своей системы SeaShield с более широкими возможностями.
Показательно, что Seagate заявил о наибольшей в отрасли стойкости обновленной серии к ударам – 300G в нерабочем состоянии.

Фирма IBM (www. storage. ibm. сom) хотя и не являлась до недавнего времени крупным поставщиком на российском рынке жестких дисков, но успела быстро завоевать хорошую репутацию благодаря своим быстрым и надежным дисковым накопителям.

Фирма Fujitsu (www. Fujitsu. сom) является крупным и опытным производителем дисковых накопителей, причем не только магнитных, но и оптических и магнитооптических.
Правда, на рынке винчестеров с интерфейсом IDE компания отнюдь не лидер: она контролирует (по разным различных исследований) примерно 4% этого рынка, а основные ее интересы лежат в области SСSI-устройств.

Терминологический словарь

Так как некоторые элементы накопителя, играющие важную роль в его работе, часто воспринимаются как абстрактные понятия, ниже приводится объяснение наиболее важных терминов.

Время доступа (Aссes time) — период времени, необходимый накопителю на жестком диске для поиска и передачи данных в память или из памяти.
Быстродействие накопителей на жестких магнитных дисках часто определяется временем доступа (выборки).

Кластер (Сluster) — наименьшая единица пространства, с которой работает ОС в таблице расположения файлов. Обычно кластер состоит из 2-4-8 или более секторов.
Количество секторов зависит от типа диска. Поиск кластеров вместо отдельных секторов сокращает издержки ОС по времени. Крупные кластеры обеспечивают более быструю работу
накопителя, поскольку количество кластеров в таком случае меньше, но при этом хуже используется пространство (место) на диске, так как многие файлы могут оказаться меньше кластера и оставшиеся байты кластера не используются.

Контроллер (УУ) (Сontroller) — схемы, обычно расположенные на плате расширения, обеспечивающие управление работой накопителя на жестком диске, включая перемещение головки и считывание и запись данных.

Цилиндр (Сylinder) — дорожки, расположенные напротив друг друга на всех сторонах всех дисков.

Головка накопителя (Drive head) — механизм, который перемещается по поверхности жесткого диска и обеспечивает электромагнитную запись или считывание данных.

Таблица размещения файлов (FAT) (File Alloсation Table (FAT)) — запись, формируемая ОС, которая отслеживает размещение каждого файла на диске и то, какие сектора использованы, а какие — свободны для записи в них новых данных.

Зазор магнитной головки (Head gap) — расстояние между головкой накопителя и поверхностью диска.

Чередование (Interleave) — отношение между скоростью вращения диска и организацией секторов на диске. Обычно скорость вращения диска превышает способность компьютера получать данные с диска. К тому моменту, когда контроллер производит считывание данных, следующий последовательный сектор уже проходит головку. Поэтому данные записываются на диск через один или два сектора. С помощью специального программного обеспечения при форматировании диска можно изменить порядок чередования.

Логический диск (Logiсal drive) — определенные части рабочей поверхности жесткого диска, которые рассматривают как отдельные накопители.
Некоторые логические диски могут быть использованы для других операционных систем, таких как, например, UNIX.

Парковка (Park) — перемещение головок накопителя в определенную точку и фиксация их в неподвижном состоянии над неиспользуемыми частями диска, для того, чтобы свести к минимуму повреждения при сотрясении накопителя, когда головки ударяются о поверхности диска.

Разбивка (Partitioning) – операция разбивки жесткого диска на логические диски. Разбиваются все диски, хотя небольшие диски могут иметь только один раздел.

Диск (Platter) — сам металлический диск, покрытый магнитным материалом, на который записываются данные. Накопитель на жестких дисках имеет, как правило, более одного диска.

RLL (Run-length-limited) — кодирующая схема, используемая некоторыми контроллерами для увеличения количества секторов на дорожку для размещения большего количества данных.

Сектор (Seсtor) — деление дисковых дорожек, представляющее собой основную единицу размера, используемую накопителем. Секторы ОС обычно содержат по 512 байтов.

Время позиционирования (Seek time) — время, необходимое головке для пе¬ремещения с дорожки, на которой она установлена, на какую-либо другую нужную дорожку.

Дорожка (Traсk) — концентрическое деление диска. Дорожки похожи на дорожки на пластинке. В отличие от дорожек пластинки, которые представляют собой непрерывную спираль, дорожки на диске имеют форму окружности. Дорожки в свою очередь делятся на кластеры и сектора.

Время перехода с дорожки на дорожку (Traсk-to-traсk seek time) — время, необходимое для перехода головки накопителя на соседнюю дорожку.

Скорость передачи данных (Transfer rate) — объем информации, передаваемый между диском и ЭВМ в единицу времени. В него входит и время поиска дорожки.

Используют два основных метода записи: метод частотной модуляции (ЧМ) и метод модифицированной ЧМ. В контроллере (адаптере) НГМД данные обрабатываются в двоичном коде и передаются в НГМД в последовательном коде.

Способ частотной модуляции является двухчастотным. При записи в начале тактового интервала производится переключение тока в МГ и направление намагниченности поверхности изменяется. Переключение тока записи отмечает начало тактов записи и используется при считывании для формирования сигналов синхронизации.

Способ обладает свойством самосинхонизации . При записи "1" в середине тактового интервала производится инвертирование тока, а при записи "0" - нет. При считывании в моменты середины тактового интервала определяют наличие сигнала произвольной полярности.

Наличие сигнала в этот момент соответствует "1", а отсутствие - "0".

Формат записи информации на гибком магнитном диске

Каждая дорожка на дискете разделена на секторы. Размер сектора является основной характеристикой формата и определяет наименьший объем данных, который может быть записан одной операцией ввода-вывода. Применяемые в НГМД форматы различаются числом секторов на дорожке и объемом одного сектора. Максимальное количество секторов на дорожке определяется операционной системой. Секторы отделяются друг от друга интервалами, в которых информация не записывается. Произведение числа дорожек на количество секторов и количество сторон дискеты определяет ее информационную емкость.

Каждый сектор включает поле служебной информации и поле данных. Адресный маркер - это специальный код, отличающийся от данных и указывающий на начало сектора или поля данных. Номер головки указывает одну из двух МГ, расположенных на соответствующих сторонах дискеты. Номер сектора - это логический код сектора, который может не совпасть с его физическим номером. Длина сектора указывает размер поля данных. Контрольные байты предназначены

Среднее время доступа к диску в миллисекундах оценивается по следующему выражению: где - число дорожек на рабочей поверхности ГМД; - время перемещения МГ с дорожки на дорожку; - время успокоения системы позиционирования.

Конструкция дискет

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД)

Жесткий магнитный диск -это круглая металлическая пластина толщиной 1,5..2мм, покрытая ферромагнитным слоем и специальным защитным слоем. Для записи и чтения используется обе поверхности диска.

Принцип работы

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый).

В большинстве накопителей есть два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр. Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.

Частота вращения НЖМД в первых моделей составляла 3 600 об/мин (т.е. в 10раз больше, чем в накопителе на гибких дисках), в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла до 5 400, 5 600, 6 400, 7 200, 10 000 и даже 15 000 об/мин.

При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка "столкнется" с диском. Последствия этого могут быть разными - от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные "взлеты" и "приземления" головок, а также более серьезные потрясения.

В некоторых наиболее современных накопителях вместо конструкции CSS (Contact Start Stop) используется механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам входить в контакт с жесткими дисками даже при отключении питания накопителя. В механизме загрузки/разгрузки используется наклонная панель, расположенная прямо над внешней поверхностью жесткого диска. Когда накопитель выключен или находится в режиме экономии потребляемой мощности, головки съезжают на эту панель. При подаче электроэнергии разблокировка головок происходит только тогда, когда скорость вращения жестких дисков достигнет нужной величины. Поток воздуха, создаваемый при вращении дисков (аэростатический подшипник), позволяет избежать возможного контакта между головкой и поверхностью жесткого диска.

Поскольку пакеты магнитных дисков содержатся в плотно закрытых корпусах и их ремонт не предусмотрен, плотность дорожек на них очень высока - до 96 000 и более на дюйм (Hitachi Travelstar 80GH). Блоки HDA (Head Disk Assembly - блок головок и дисков) собирают в специальных цехах, в условиях практически полной стерильности. Обслуживанием HDA занимаются считанные фирмы, поэтому ремонт или замена каких-либо деталей внутри герметичного блока HDA обходится очень дорого.

Метод записи данных на жесткий магнитный диск

Для записи на ЖМД используются методы ЧМ, модифицированной частотной модуляции (МЧМ) и RLL -метод, при котором каждый байт данных преобразуется в 16-битовый код.

При методе МЧМ плотность записи данных возрастает вдвое по сравнению с методом ЧМ. Если записываемый бит данных является единицей, то стоящий перед ним бит тактового импульса не записывается. Если записывается "0", а предыдущий бит был "1", то синхросигнал также не записывается, как и бит данных. Если перед "0" стоит бит "0", то синхросигнал записывается.

Дорожки и секторы

Дорожка - это одно "кольцо" данных на одной стороне диска. Дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.

Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка жесткого диска - от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт.

Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля.

При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочая служебная информация, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается.

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс - prefix portion ), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце - заключение (или суффикс - suffix portion ), в котором находится контрольная сумма ( checksum ), необходимая для проверки целостности данных.

Форматирование низкого уровня современных жестких дисков выполняется на заводе, изготовитель указывает только форматную емкость диска. В каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область данных - это только часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из которых под данные отводится только 512 байт.

Чтобы очистить секторы, в них зачастую записываются специальные последовательности байтов. Префиксы, суффиксы и промежутки - пространство, которое представляет собой разницу между неформатированной и форматированной емкостями диска и "теряется" после его форматирования.

Процесс форматирования низкого уровня приводит к смещению нумерации секторов, в результате чего секторы на соседних дорожках, имеющие одинаковые номера, смещаются друг относительно друга. Например, сектор 9 одной дорожки находится рядом с сектором 8 следующей дорожки, который, в свою очередь, располагается бок о бок с сектором 7 следующей дорожки и т.д. Оптимальная величина смещения определяется соотношением частоты вращения диска и радиальной скорости головки.

Идентификатор (ID) сектора состоит из полей записи номеров цилиндра, головки и сектора, а также контрольного поля CRC для проверки точности считывания информации ID. В большинстве контроллеров седьмой бит поля номера головки используется для маркировки дефектных секторов в процессе форматирования низкого уровня или анализа поверхности.

Интервал включения записи следует сразу за байтами CRC ; он гарантирует, что информация в следующей области данных будет записана правильно. Кроме того, он служит для завершения анализа CRC (контрольной суммы) идентификатора сектора.

В поле данных можно записать 512 байт информации. За ним располагается еще одно поле CRC для проверки правильности записи данных. В большинстве накопителей размер этого поля составляет два байта, но некоторые контроллеры могут работать и с более длинными полями кодов коррекции ошибок ( Error Correction Code - ЕСС ). Записанные в этом поле байты кодов коррекции ошибок позволяют при считывании обнаруживать и исправлять некоторые ошибки. Эффективность этой операции зависит от выбранного метода коррекции и особенностей контроллера. Наличие интервала отключения записи позволяет полностью завершить анализ байтов ECC (CRC) .

Интервал между записями необходим для того, чтобы застраховать данные из следующего сектора от случайного стирания при записи в предыдущий сектор. Это может произойти, если при форматировании диск вращался с частотой, несколько меньшей, чем при последующих операциях записи.

Формат записи информации на жестком магнитном диске

В НЖМД обычно используются форматы данных с фиксированным числом секторов на дорожке (17, 34 или 52) и с объемом данных в одном секторе 512 или 1024 байта. Секторы маркируются магнитным маркером.

Начало каждого сектора обозначается адресным маркером. В начале идентификатора и поля данных записываются байты синхронизации, служащие для синхронизации схемы выделения данных адаптера НЖМД. Идентификатор сектора содержит адрес диска в пакете, представленный кодами номеров цилиндра, головки и сектора. В идентификатор дополнительно вводят байты сравнения и флага. Байт сравнения представляет одинаковое для каждого сектора число (осуществляется правильность считывания идентификатора). Байт флага содержит флаг - указатель состояния дорожки.

Контрольные байты записываются в поле идентификатора один раз при записи идентификатора сектора, а в поле данных - каждый раз при каждой новой записи данных. Контрольные байты предназначены для определения и коррекции ошибок считывания. Наиболее часто используются полиномные корректирующие коды (зависит от схемной реализации адаптера).

Среднее время доступа к информации на НЖМД составляет

где tn - среднее время позиционирования;

F - скорость вращения диска;

tобм - время обмена.

Время обмена зависит от технических средств контроллера и типа его интерфейса, наличия встроенное буферной кэш-памяти, алгоритма кодирования дисковых данных и коэффициента чередования.

Форматирование дисков

Различают два вида форматирования диска :

• физическое, или форматирование низкого уровня;
• логическое, или форматирование высокого уровня.

При форматировании гибких дисков с помощью программы Проводник (Windows Explorer ) или команды DOS FORMAT выполняются обе операции.

Однако для жестких дисков эти операции следует выполнять отдельно. Более того, для жесткого диска существует и третий этап, выполняемый между двумя указанными операциями форматирования, - разбивка диска на разделы. Создание разделов абсолютно необходимо в том случае, если вы предполагаете использовать на одном компьютере несколько операционных систем. Физическое форматирование всегда выполняется одинаково, независимо от свойств операционной системы и параметров форматирования высокого уровня Тому, или логическому диску, система присваивает буквенное обозначение.

Таким образом, форматирование жесткого диска выполняется в три этапа .

• Форматирование низкого уровня.
• Организация разделов на диске.
• Форматирование высокого уровня.

Форматирование низкого уровня

В процессе форматирования низкого уровня дорожки диска разбиваются на секторы. При этом записываются заголовки и заключения секторов (префиксы и суффиксы), а также формируются интервалы между секторами и дорожками. Область данных каждого сектора заполняется фиктивными значениями или специальными тестовыми наборами данных.

В первых контроллерах ST-506 /412 при записи по методу MFM дорожки разбивались на 17 секторов, а в контроллерах этого же типа, но с RLL -кодированием количество секторов увеличилось до 26. В накопителях ESDI на дорожке содержится 32 и более секторов. В накопителях IDE контроллеры встроенные, и, в зависимости от их типа, количество секторов колеблется в пределах 17-700 и более. Накопители SCSI - это накопители IDE со встроенным адаптером шины SCSI (контроллер тоже встроенный), поэтому количество секторов на дорожке может быть совершенно произвольным и зависит только от типа установленного контроллера.

Практически во всех накопителях IDE и SCSI используется так называемая зонная запись с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные содержат большее число секторов, чем близкие к центру. Один из способов повышения емкости жесткого диска - разделение внешних цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами. Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую длину окружности.

В накопителях, не использующих метод зонной записи, в каждом цилиндре содержится одинаковое количество данных, несмотря на то что длина дорожки внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. Это приводит к нерациональному использованию емкости запоминающего устройства, так как носитель должен обеспечивать надежное хранение данных, записанных с той же плотностью, что и во внутренних цилиндрах. В том случае, если количество секторов, приходящихся на каждую дорожку, фиксировано, как это бывает при использовании контроллеров ранних версий, емкость накопителя определяется плотностью записи внутренней (наиболее короткой) дорожки.

При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, причем по мере продвижения к внешнему краю диска дорожки разбиваются на все большее число секторов. Во всех цилиндрах, относящихся к одной зоне, количество секторов на дорожках одинаковое. Возможное количество зон зависит от типа накопителя; в большинстве устройств их бывает 10 и более. Скорость обмена данными с накопителем может изменяться и зависит от зоны, в которой в конкретный момент располагаются головки. Происходит это потому, что секторов во внешних зонах больше, а угловая скорость вращения диска постоянна (т.е. линейная скорость перемещения секторов относительно головки при считывании и записи данных на внешних дорожках оказывается выше, чем на внутренних).

При использовании метода зонной записи каждая поверхность диска уже содержит 545,63 сектора на дорожку. Если не использовать метод зонной записи, то каждая дорожка будет ограничена 360 секторами. Выигрыш при использовании метода зонной записи составляет около 52%.

Обратите внимание на различия в скорости передачи данных для каждой зоны. Поскольку частота вращения шпинделя 7 200 об/мин, один оборот совершается за 1/120 секунды или же 8,33 миллисекунды. Дорожки во внешней зоне (нулевой) имеют скорость передачи данных 44,24 Мбайт/с, а во внутренней зоне (15) - всего 22,12 Мбайт/с. Средняя скорость передачи данных составляет 33,52 Мбайт/с.

Организация разделов на диске

Разделы, создаваемые на жестком диске, обеспечивают поддержку различных файловых систем, каждая из которых располагается на определенном разделе диска.

В каждой файловой системе используется определенный метод, позволяющий распределить пространство, занимаемое файлом, по логическим элементам, которые называются кластерами или единичными блоками памяти. На жестком диске может быть от одного до четырех разделов, каждый из которых поддерживает файловую систему какого-нибудь одного или нескольких типов. В настоящее время PC-совместимые операционные системы используют файловые системы трех типов.

FAT (File Allocation Table - таблица размещения файлов). Это стандартная файловая система для DOS, Windows 9х и Windows NT. В разделах FAT под DOS допустимая длина имен файлов - 11 символов (8 символов собственно имени и 3 символа расширения), а объем тома (логического диска) - до 2 Гбайт. Под Windows 9х/Windows NT 4.0 и выше допустимая длина имен файлов - 255 символов.

С помощью программы FDISK можно создать только два физических раздела FAT на жестком диске - основной и дополнительный, а в дополнительном разделе можно создать до 25 логических томов. Программа Partition Magic может создавать четыре основных раздела или три основных и один дополнительный.

FAT32 (File Allocation Table, 32-bit - 32-разрядная таблица размещения файлов) . Используется с Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 и Windows 2000. В таблицах FAT 32 ячейкам размещения соответствуют 32-разрядные числа. При такой файловой структуре объем тома (логического диска) может достигать 2 Тбайт (2 048 Гбайт).

NTFS (Windows NT File System - файловая система Windows NT) . Доступна тольков Windows NT/2000/XP/2003. Длина имен файлов может достигать 256 символов, размер раздела (теоретически) - 16 Эбайт (16^1018 байт). NTFS обеспечивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми системами, например средства безопасности.

После создания разделов необходимо выполнить форматирование высокого уровня с помощью средств операционной системы.

Форматирование высокого уровня

При форматировании высокого уровня операционная система создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносится загрузочный сектор тома (Volume Boot Sector - VBS ), две копии таблицы размещения файлов (FAT ) и корневой каталог ( Root Directory ). С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и даже "обходит", во избежание проблем, дефектные участки на диске. В сущности, форматирование высокого уровня - это не столько форматирование, сколько создание оглавления диска и таблицы размещения файлов.

Внешняя память - предназначена для долговременного хранения большого объема информации. Это энергонезависимая память, так как в ней хранится информация независимо от того подключен компьютер или нет к источнику электрического питания. В качестве внешней памяти компьютера используются различные диски, на которых хранится информация. Их и называют носителями информации.

В настоящее время используется три вида носителей информации:

- магнитные диски ,

- оптические диски,

- магнитооптические диски.

Магнитные диски - это диски, покрытые с двух сторон тонкой пленкой из магниточуствительного материала. Поверхности диска, на которые наносится информация, называются рабочими поверхностями.

Конструктивно магнитные диски выполняются двух видов:

- жесткие,

- гибкие.

Жесткие магнитные диски

Жесткие диски выполнены из твердого, но легкого металлического сплава. На жестких дисках выполнена внешняя память компьютера.

Она представлена устройством, называемым винчестер . Винчестер размещается в системном блоке компьютера и представляет собой несколько жестких магнитных дисков, закрепленных на общей оси. Вся эта конструкция помещается в корпус, называемый гермоблоком. Вопреки распространенному мнению этот корпус не является герметичным и сообщается с окружающим воздухом через специальный фильтр.

Это очень важный момент, так как при полной его герметичности любой перепад давления, например перевозка винчестера в грузовом отсеке самолета, привела бы к деформации корпуса винчестера и порче прецизионного механизма. Задача этого фильтра состоит в задерживании твердых частиц, находящихся в воздухе и недопущении их попадания вовнутрь гермоблока. Другой фильтр, располагаемый внутри корпуса, улавливает частицы, отлетающие от поверхности диска.

Информация на магнитных дисках размещается вдоль концентрических окружностей, называемых дорожками. Каждая дорожка делится на определенное количество участков, называемых секторами. Сектор хранит минимально доступное количество информации. Объем информации, размещаемой в секторе, составляет 512 байт. Один или несколько секторов, расположенных подряд, образуют кластер . Кластер - это минимальная единица информации, которая может быть записана или считана с диска.

В заголовках дорожек и секторов записаны их характеристики (номера, размер и др.), а после каждого сектора помещена контрольная сумма всех его данных. Сектора на дорожках не обязательно номеруются по порядку. Широко известен способ, когда сектора чередуются на дорожках не последовательно, а в порядке 1-4-7-2-5-8-3-6-9. Делается это для того, чтобы компьютер успевал получить все данные до подхода следующего по порядковому номеру сектора.

Доступ к информации на магнитном диске определяется четырьмя координатами:

- номер стороны диска,

- номер дорожки,

- номер сектора,

- номер байта.

Такой доступ называют доступом на физическом уровне. На диске информация хранится в виде файлов . Файл - это любая информация, имеющая имя и размещенная на носителе информации. При поиске нужной информации пользователь не указывает ее координаты, а дает ее имя. По имени файла операционная система компьютера ищет его физическое место на диске, которое указывается в специальных служебных таблицах. Следует иметь в виду, что сектора с содержанием какого - либо файла совсем не обязательно располагаются рядом в одном месте диска. При записи система активно использует свободные места. В результате отдельные части файла могут располагаться в различных частях диска. Операцией перемещения головок управляет контроллер накопителя.

В винчестере используются диски одного диаметра и располагаются друг под другом. Дорожки одного диаметра на различных дисках образуют цилиндр. Количество цилиндров, число дорожек на нем, а также количество секторов на дорожке определяет формат диска. Формат винчестера задается при его конструировании и никакому изменению не подлежит. Форматирование (разметка) винчестера всегда выполняется на заводе-изготовителе с использованием высокоточного стенда. Устройство диска и размещение дорожек на нем приведено на рис. 2.1

Магнитные

Рабочие поверхности

Рис.2.1 Схема разметки диска

Перед записью информации на вновь изготовленный магнитный диск его следует отформатировать , то есть разметить на дорожки и секторы. Это делается для того, чтобы сделать дисковую поверхность адресуемой.

При форматировании вся дисковая поверхность разделяется на две области:

- системная область,

- область данных.

В системной области находятся:

- загрузочная запись, в которой размещается системный загрузчик и блок параметров диска, определяющий формат диска;

- таблица размещения файлов (File Allocation Table - FAT), которая представляет собой карту области данных. В этой карте записывается состояние каждого кластера и устанавливается цепочка кластеров, занимаемых одним файлом. Файл занимает целое число кластеров, при этом последний кластер может быть задействован не полностью. Каждый элемент FAT содержит либо номер следующего кластера, принадлежащего одному файлу, либо специальный код:

- 0 - кластер свободен,

65521 - кластер дефектный,

65522 - кластер последний в файле.

В связи с особой важностью FAT хранится на диске в двух экземплярах:

- корневой каталог, в котором хранится информация о каждом файле (время создания, дата создания, размер) и номер кластера, указывающий физическое расположение файла или каталога в области данных. При удалении файла происходит не физическое стирание информации, а удаление только первого символа имени файла, после этого такой файл становится недоступным для стандартных команд операционной системы, и кластеры, которые файл ранее занимал, объявляются свободными. Информация на этих участках диска хранится до тех пор, пока в них не будет помещена новая информация.

В области данных размещается вся информация, из которой состоят файлы.

магнитная

магнитный диск

направление перемещения

Рис. 2.2. Схема записи и чтения информации с магнитных дисков.

На рис.2.2 приведена схема, позволяющая понять принцип записи и чтения информации на магнитные диски. При записи информации над дорожкой устанавливается магнитная головка, на расстоянии над поверхностью диска исчисляемом микронами. Головка представляет собой магнитопровод, на который намотана обмотка. В определенный момент времени в обмотку подается импульс напряжения одной полярности. Этот импульс порождает в обмотке импульс тока, а тот, в свою очередь, импульс магнитного потока.

Магнитный поток замыкается по магнитопроводу головки, проходит через воздушный зазор и через участок магнитной поверхности диска, находящегося в этот момент под магнитной головкой. Этот участок дорожки на магнитном диске намагничивается соответствующей полярностью. При подаче на головку импульса другой полярности, другой участок диска намагничивается противоположной полярностью. Участок, намагниченный одной полярностью, воспринимается как логическая единица , а участок, намагниченный противоположной полярностью, воспринимается как логический нуль . Таким методом записывается информация в закодированном виде.

При чтении информации все действия происходят в обратном порядке. Намагниченный участок диска, перемещаясь под магнитной головкой, наводит в ее обмотке импульс э.д.с. одной или другой полярности, что воспринимается как логическая единица или логический нуль.

Объем современных винчестеров исчисляется десятками Гбайт.

Гибкие магнитные диски

В качестве переносных носителей информации используются гибкие магнитные диски, называемые дискетами . Они выполняются на пластиковой основе и имеют диаметр 89 мм или 3.5 дюйма. Для предохранения рабочих поверхностей магнитного диска от случайных разрушений диск помещают в жесткий пластиковый конверт, который практически полностью закрывает рабочие поверхности диска. В нижнем углу конверта имеется переключатель защиты диска от записи. При положении переключателя в нижнем положении запись новой информации на дискету, а также удаление имеющейся информации становится невозможной.

Предельный объем хранимой информации этих дискет составляет 1.44 Мбайт. Перед нанесением информации на дискету в первый раз ее следует разметить, то есть отформатировать . Форматирование дискет осуществляется с помощью специальных программ. Операционная система Windows , устанавливаемая при продаже компьютера, содержит такую программу. Принцип разметки и нанесения информации на дискеты такой же, как и на жестких дисках, описанный выше.

Для работы с дискетами в компьютере предусмотрено устройство, называемое дисководом . Дисковод размещается в системном блоке, на передней его панели имеется щель, в которую вставляется дискета. При полностью вставленной дискете ее подвижная металлическая шторка отодвигается, открывая щель доступа магнитных головок к рабочим поверхностям для выполнения чтения или записи информации. При выполнении операций чтения или записи информации магнитные головки с помощью специального микродвигателя перемещаются в радиальном направлении от внешней границы дискеты к ее центру и наоборот. При этом сам магнитный диск вращается со скоростью порядка 300 об/мин. Для ориентации правильного расположения диска на его конверте располагается стрелка. Правильное положение вставленной в дисковод дискеты соответствует состоянию, когда эта стрелка находится на верхней поверхности, в левом углу впереди.

Недостатком магнитных дисков следует считать потерю или искажение информации при попадании этих дисков в магнитные поля , что приводит к размагничиванию диска. Такие случаи возможны, если дискета находится рядом с включенным электродвигателем или трансформатором, которые создают магнитные поля рассеивания.

В общем случае под накопителем на магнитных дисках понимают устройство, обеспечивающее запись и считывание данных с вращающихся дисков.

Магнитный диск – носитель информации в форме круглой пластины (диска), поверхность которой покрыта магнитным материалом.

Подложка магнитного диска может быть жесткой (жесткий магнитный диск), изготовленный из алюминиевого сплава, или гибкой (гибкий магнитный диск), изготовленный из полиэфира. В зависимости от вида исползуемого диска накопители на магнитных дисках подразделяются на накопители на гибких дисках (НГМД FloppyDiskDrive - FDD) и накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД HardDiskDrivt – HDD).

Принцип записи цифровой информации на магнитный диск заключается в следующем (рис. 5.26).Дисковод вращает диск под магнитной головкой, которая может двигаться по радиусу диска равномерными шагами. При этом каждое ее положение создает на диске кольцевой путь – дорожку, количество дорожек определяется числом различных положений головки. Информация записывается на диске вдоль дорожки путем подачи на головку тока записи, который создает магнитный поток, проходящий через зазор головки и магнитный слой диска. Измнением направления сигнала в обмотке головки изменяют полярность намагничивания. Считывание информации происходит за счет индуцирования тока в обмотке головки при перемещении под головкой намагниченных участков дорожки.

Гибкий магнитный диск, состоящий из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон тонким слоем магнитного материала и помещенной в специальную пластиковую упаковку, называется дискетой. Дискеты широко использовались для хранения данных и переноса их между компьютерами, оснащенными НГМД.

Рис. 5.26. Магнитная запись цифровой информации а), НГМД б) и НЖМД в)

Конструктивно современный НГМД состоит из четырех основных элементов:

Рабочий двигатель, обеспечивающий постоянную скорость вращения дискеты (в современных дисководах – 300 об./мин);

Рабочие головки, предназначенные для записи и чтения данных. Дисковод оснащается двумя комбинированными головками (для чтения и записи каждая), которые располагаются над рабочими поверхностями дискеты – одна головка предназначена для верхней, а другая – для нижней поверхности дискеты;

Шаговые двигатели, предназначенные для движения и позиционирования головок;

Управляющая электроника, отвечающая за передачу и преобразование информации, которую считывают или записывают головки.

Дискета устанавливается в дисковод, автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до номинальной частоы вращения. В накопителе вращается дискета, магнитные головки остаются неподвижными. При этом дискета вращается только при обращении к ней. Чтобы не нарушалась постоянная скорость вращения привода,дисковод всегда должен работать только в горизонтальном или вертикальном положении. Процессор взаимодействует сНГМД через специальный контроллер гибких дисков.

Необходимое условие использование дискеты для записи и чтения информации – ее форматирование, т.е. разбиение (разметка)на определенные участки, по номерам которых можно определить любую запись на диске.

Для форматирования дисков операционные системы используют специальные команды: для DOS – это командаFormat. Дискета разбивается на дорожки (треки), а дорожки на сектора (рис. 5.26). сектор представляет собой минимальную физическую единицу хранения информации на диске. Его размер для DOS, как правило, равен 512 байт. Дорожки нумеруются начиная от края к центру диска, при этом каждая дорожка имеет одно и то же количествосекторов. Таким образом, на дорожках, расположенных ближе к центру дискаинформация записывается более плотно.

Наибольшее распространение получили 3,5 – дюймовые (89 мм) дискеты высокой плотности DS/HD (double-side/high-density – две стороны, высокая плотность). Для них число дорожек на одной стороне равно 80, количество секторов на дорожках – 18, соответственно, емкость диска 80х18х2х512=1474560 байт или 1474560/1048576=1,4 Мбайт.

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 RAMAS 305 (Random Access Methodof Accounting and Control). Данное запоминающее устройство состояло из 50 алюминиевых дисков (покрытых магнитным слоем) диаметром около 60 см и толщиной2,5 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 в исполнявшемся тогда семибитном коде. RAMAC 305 состоял из двух огромных блоков, занимающих площадь 3х3,5 м, и 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 IBM3340) на предприятии IBM в английском городе Винчестер в 1973 г. В винчестерах головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметический 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 единиц микрометров. При этом масса головки и прижимающее усилие к поверхности диска настолько малы, что, даже если в процессе работы устойства головка опускается на зону данных, вероятностьь их повреждения очень низкая. Существует также версия происхождения названия «винчестер», основанная на том, что первые массовые модели НЖМД содержали два магнитных диска по 30 Мбайт каждый и маркировались цифрами «30/30», подобно калибру старинного охотничьего ружья винчестер.

Винчестер (рис. 5.27) состоит из нескольких одинаковых дисков, расположенных друг над 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. 5.27. Винчестер

На 2006 год оптимальное соотношение цены и ёмкости обеспечивают винчестеры примерно на 300 ГБ, а максимальная доступная ёмкость - около 750ГБ, в настоящее время несколько Терабайт.

Магнитные диски состоят из основы, сделанной обычно из алюминия, реже из стекла или керамики и магнитного покрытия, в виде тонкой плёнки магнитотвёрдого материала (ферромагнетика), который служит собственно носителем информации. Магнитные диски собраны в пакет, находящийся на оси шпиндельного электродвигателя со стабильной скоростью вращения. Стабилизация вращения производится контроллером по сервометкам. (Ранее использовался отдельный датчик положения дисков). Обычно дисков в пакете не более трёх, запись может производиться как на одну, так и на обе стороны каждого диска, таким образом диск обычно содержит от 1 до 6 головок.

Блок магнитных головок перемещается вдоль поверхности диска от края к центру посредством сервопривода. На первых винчестерах сервопривод производился шаговым двигателем. Впоследствии стала применяться электромагнитная катушка (англ. сoil), подобная катушке магнито-электрического стрелочного прибора. Для управления головками в винчестере хранятся так называемые адаптивы - индивидуальные для каждого винчестера данные о физических характеристиках сервопривода головок - необходимые амплитуды и времена сигналов управления электромагнитом. Адаптивы обеспечивают быстрое и почти безошибочное позиционирование головки и уверенное удержание её на треке.

Сама головка - миниатюрная электромагнитная система, обеспечивающая локальное намагничивание поверхности диска и локальное измерение его намагниченности. Первые электромагнитные головки считывали информацию через наведённую ЭДС на катушке. Позднее появились магниторезистивные головки, использующие для считывания специальный магниточувствительный материал.

В выключенном положении головки лежат на дисках в специальной зоне парковки. Во избежание повреждений при транспортировке, головки в этом положении заблокированы, и не могут перемещаться до тех пор, пока диски не крутятся. При работе головки парят над поверхностью вращающихся дисков на расстоянии порядка от десятых долей до единиц микрометров. Таким образом, поверхность дисков не изнашивается (как это происходит у дискет).

Внутри гермоблока вместе на блоке магнитных головок или рядом с ним расположен коммутатор, обеспечивающий переключение активных головок и предварительное усиление сигнала магнитного датчика. Если у жёсткого диска одна рабочая поверхность, то коммутатор выполняет только функции усилителя.

Немаловажное значение имеют скоростные характеристики жёстких дисков:

• Скорость вращения шпинделя (англ. rotational speed , spindle speed ) обычно измеряется в оборотах в минуту (об/мин, rpm). Она не даёт прямой информации о реальной скорости обмена, но позволяет различать более скоростные от менее. Стандартные скорости вращения: 4800, 5600, 7200, 9600, 10 000, 15 000 об/мин. Медленные обычно используются на ноутбуках и других мобильных устройствах, самые скоростные - в серверах.
• Время доступа - количество времени, необходимое винчестеру от момента приёма команды до начала выдачи данных по интерфейсу. Обычно указывается среднее и максимальное время доступа.
• Время позиционирования головок (англ. seek time ) - время за которое головки перемещаются и устанавливаются на трек с другого трека. Различают время позиционирования на соседний трек (track-to-track), среднее (average), максимальное (maximum).
• Скорость передачи данных или пропускная способность - определяет производительность диска при передаче последовательно больших объёмов данных. Эта величина показывает установившуюся скорость передачи, когда головки диска уже на нужном треке и секторе.
• Внутренняя скорость передачи данных - скорость передачи данных между контроллером и магнитными головками.
• Внешняя скорость передачи данных - скорость передачи данных по внешнему интерфейсу.

Общая емкость пакета дисков определяется произведением количества цилиндров, количества магнитных головок, количества секторов на дорожке и размера сектора в байтах (как правило, 512 байт). Например, винчестер емкостью 1,2 Гбайт содержит 2631 цилиндра с 16 магнитными дорожками на каждом цилиндре и с 63 секторами на дорожке.

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 под ними, 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).

Информация на магнитных дисках обычно хранится в виде файлов.

Файл (англ.file – папка) – именованная совокупность любых данных, размещенная на внешнем запоминающем устройстве и хранимая, пересылаемая и обрабатываемая как единое целое. Файл может содержать программу, числовые данные, текст, закодированное изображение идр.

Данные на магнитном диске, как указано выше, хранятся на дорожках, разделенных на секторы. При этом операционные системы для сохранения файла выделяют дисковое пространство кластерами, представляющими собой один или несколько смежных секторов.

Минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или несколько секторов дорожки, называется кластером .

Если для записи файла требуется несколько кластеров и при этом требуемого количества смежных кластеров (расположенных один за другим) на диске кластеры, и файл будет фрагментированным. Фрагментация снижает скорость считывания файлов, так как в этом случае увеличивается количество перемещений головкой при поиске и считывании требуемых кластеров. Потенциальную возможность фрагментации можно снизить, увеличив размер кластера, однако при этом повышается вероятность нерациональных потерь дисковой памяти, обусловленных тем, что кластеры будут содержать неиспользованное дисковое пространство.

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.п.), а 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 секторов на дорожку, на диск также записывается информация о коррекции ошибок и идентификации секторов (для каждого сектора).

Жесткий диск IBMсовместимых 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 называемы расширенный (extended) раздел, который в свою очередь может разбиваться на несколько логических дисков, также используемых конкретной файловой системой. Таким образом, на диске может быть до трех главных разделов и один расширенный раздел, содержащий один или несколько логическихдисков. 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 однойиз букв английского алфавита и двоеточием. Буквой С: обозначается первый главный раздел. Следующий раздел получает букву D:, потом Е: и т.д. (Буквой А: принято обозначать дисковод для гибких дисков, буква В: зарезервирована на тот случай, если в компьютере не один, а два дисковода гибких дисков). При создании первого раздела на диске (основного или расширенного) в первом физическом секторе жесткого диска создается главная загрузочная запись (masterbootrecord – MBR) и таблица разделов (partitiontable), содержащая информацию о каждом из имеющихся на диске разделов. Главная загрузочная запись используется программой начальной загрузки BIOS (RomBootstraproutine), которая при загрузке с жесткого диска считывает и загружает в память первый физический сектор на активном разделе диска, называемый загрузочным сектором (BootSector)

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(PartitionBootSector).

Современные операционные системы могут работать одновременно с несколькими файловыми системами. Рассмотрим в качестве примера основные особенности наиболее распространенных файловых систем, используемых операционными системами семейства Windows (Windows 98, NT, XP и т.д.)

На рис 5.28. представлена схема раздела файловой системы FAT. (Свое название FAT получила от одноименной таблицы размещения файлов – FileAllocationTable).

Рис. 5.28. 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. В каталоге содержится также начальная позиция файла, т.е. 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 рамещения и затем просматривает FAT в поисках элемента списка, соответствующего начальному кластеру. Если весь файл помещен в одном 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 фиксированом 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. 12 разрядная FAT и сейчас используется для форматирования дисков, размер которых не превышает 16 Мбайт. Для поддержки дисков размером больше 32 Мбайт разрядность FAT была повышена до 16 бит – FAT 16. С помощью 16 битов можно выразить 2 16 (65536) разных значений. Это значит, что файлам на жестком диске не может быть предоставлено более чем 65 536 кластеров.

Современные жесткие диски имеют очень большие объемы, и при таком количестве адресов размеры кластера будут значительными. Так, если размер диска составляет 2 Гбайт (максимальный размер, поддерживаемый FAT 16), то при использовании FAT 16 на каждый кластер будет приходиться 32 кбайт (2 Гбайт разделить на 65536 получим 32 кбайт). При этом для записи на диск файла размером 35 кбайт будет отведено два кластера – 64 кбайт, т.е. 29 кбайт памяти диска будут просто потеряны. Связь между размером жесткого диска и размером кластера для FAT 16 представлена в таблице 5.2.

Таким образом, чем больше жесткий диск, тем больше места на нем тратится впустую из-за несовершества системы адресации файлов. Один из способов борьбы с нерациональными потерями это разбиение жесткого диска на несколько разделов, или логических дисков, каждый из которых имеетсобственную таблицу размещения файлов. В итоге потери, обусловленные большими размерами кластеров, становятся меньше.

Таблица 5.2

Связь между размером жесткого диска и размером кластера для FAT 16

Начиная с файловой системы Windows 95 OSR2 при записи адреса файла на жестком диске используется не два, а четыре байта, или 32 бита (FAT32). С помощью 32 бит можно выразить 2 32 (4 294 967 296) разных значений, т.е. 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. 5.3.).

Таблица 5.3

Размеры кластеров для FAT 32

Файловая система NTFS (New Technology File System), специально разработана для Windows NT, как и FAT, 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, т.е. 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. 5.29.

Рис. 5.29. Структура разделов NTFS

Форматирование раздела для использования файловой системы NTFS приводит к созданию нескольких системных файлов и главной таблицы файлов – файла MFT (MasterFileTable), содержащего информацию о 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 отвечаетза какой-либо аспект работы системы. Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются собственно файлами и каталогами на томе.

Отличительной особенностью файловой системы NTFS является значительное расширение возможностей по управлению доступом к отдельным файлам и 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 каталогам и файлам отсутствует. Единственной мерой защиты служат права доступа к разделяемым ресурсам, которые устанавливаются на весь разделяемый ресурс, действуют по отношению ко всем имеющимся на нем файлам и папкам и имеют силу только при доступе через сеть.

Развитие технологии записи на магнитный диск

Владимир Леонов

Несомненно, одним из наиболее успешных технологических проектов последних десятилетий является жесткий диск. Появившись в середине 50-х годов прошлого века, жесткий диск с середины 80-х стал неотъемлемой частью персонального компьютера. За годы применения жестких дисков установлены впечатляющие рекорды увеличения емкости и производительности, уменьшения физических размеров и стоимости. В настоящее время жесткий диск является основным устройством хранения информации в компьютере и активно внедряется в бытовую электронику.

ервое устройство хранения данных с произвольным доступом, позднее названное жестким диском, или винчестером, было выпущено компанией IBM в 1956 году. Устройство имело емкость 5 Мбайт, а данные записывались на 50 дисков диаметром 24 дюйма, вращавшихся со скоростью 1200 об./мин. Среднее время доступа равнялось одной секунде, а плотность записи - 2 Кбит/кв.дюйм. Размеры устройства были сравнимы с размером двух домашних холодильников, а его стоимость составляла 50 тыс. долл. С этих исходных характеристик и началось бурное развитие жестких дисков.

В 1980 году компания Seagate выпустила первый жесткий диск, с пластинами диаметром 5,25 дюйма, предназначенный для установки в персональные компьютеры и имевший емкость 5 Мбайт.

Среди параметров жесткого диска существует один, изменение которого влияет на все остальные параметры, - это плотность записи информации на диск. Увеличение плотности записи ведет к росту количества данных на пластине, что равносильно увеличению емкости жесткого диска при заданных размерах и количестве пластин либо уменьшению количества пластин и габаритов привода при заданной емкости.

Влияние плотности записи на работу жесткого диска проявляется различными способами. Во-первых, более плотное расположение данных позволяет считать больше информации за один оборот диска, а во-вторых, с уменьшением размеров пластин головка проходит меньшее расстояние при поиске нужной дорожки, что приводит к сокращению времени доступа к данным. Начав свой рост с 2 Кбит/кв.дюйм у первого жесткого диска (рис. 1), к настоящему времени плотность записи достигла 70 Гбит/кв.дюйм у коммерческих продуктов и превысила 100 Гбит/кв.дюйм у лабораторных образцов жестких дисков.

Плотность записи зависит от размеров отдельных битов и определяется двумя параметрами: плотностью расположения дорожек записи и размером бита вдоль дорожки (см. таблицу).

Для дальнейшего повышения плотности записи и общей емкости дисковых накопителей необходимо и далее уменьшать размеры отдельных битов и размещать их как можно ближе друг к другу. Однако здесь начинают действовать ограничения. Если сделать единичный участок хранения слишком маленьким, его магнитная энергия станет настолько ничтожной, что со временем может совсем исчезнуть из-за теплового движения частиц, и тогда информация потеряется. Данное явление носит название «суперпарамагнетизм». Во избежание последствий этого явления необходимо повысить коэрцитивную силу материала магнитного слоя диска. Это, в свою очередь, потребует повышения напряженности записывающего магнитного поля, которое обеспечивается улучшением конструкции головки и уменьшением зазора между головкой и магнитным слоем.

На протяжении всего периода развития жесткого диска появлялись работы, в которых предсказывался предел увеличения плотности записи на магнитный диск. Так, в начале 70-х годов прошлого века исследователи называли предел около 10 Мбит на 1 кв.дюйм. В настоящее время считается, что для применяемой сегодня технологии продольной записи (рис. 2) такой предел составляет 100-200 Гбит на 1 кв.дюйм.

Продольная магнитная запись характеризуется тем, что северный и южный полюса намагниченного участка располагаются вдоль поверхности магнитного диска, то есть рабочий слой перемагничивается вдоль движения.

Плотность записи в лабораторных образцах жестких дисков, использующих продольную магнитную запись, практически достигла теоретического предела, и, хотя этот предел отодвигался неоднократно, большинство исследователей считают, что в ближайшие несколько лет произойдет переход на другую технологию записи. В качестве наиболее вероятной называется перпендикулярная технология магнитной записи (рис. 3), характеризующаяся тем, что северный и южный полюса намагниченного участка располагаются перпендикулярно поверхности магнитного диска. Такое направление поля обеспечивается конструкцией записывающей головки.

Технология перпендикулярной магнитной записи известна довольно давно и активно исследовалась в 70-80-х годах; была даже сделана попытка ее коммерческого применения. Технология перпендикулярной магнитной записи применялась во флоппи-дисководах емкостью 2,88 Мбайт, но они не получили широкого распространения из-за высокой стоимости дискет.

Перпендикулярная запись часто рассматривалась как альтернатива продольной записи, но в промышленных масштабах переход на нее был нецелесообразен, так как при плотностях записи, с которыми может работать продольная запись, возможности этих технологий примерно равны, а стоимость перпендикулярной технологии немного выше. Сегодня переход на технологию перпендикулярной записи обусловливается тем, что ее технологические особенности позволяют достичь более высоких плотностей записи. При магнитной записи каждый бит образует магнитный домен, состоящий из определенного количества (сейчас около 100) магнитных зерен. Поскольку из-за особенностей взаимодействия двух соседних битов при перпендикулярной записи оптимальная толщина рабочего слоя немного больше, чем при продольной записи, необходимое количество магнитных зерен займет меньшую площадь.

Более эффективная геометрия магнитного поля, создаваемого головкой, позволяет увеличить плотность энергии магнитного поля в рабочем слое примерно в четыре раза.

Кроме того, разноименные полюса намагниченных и ненамагниченных участков расположены на противоположных сторонах рабочего слоя носителя. Поэтому магнитные поля от соседних ненамагниченных участков будут стабилизировать состояние намагниченного участка. Это позволяет заметно уменьшить минимальные размеры стабильных доменов.

По расчетам специалистов компании Seagate, перпендикулярная запись позволит достичь плотности записи 1 Тбит на 1 кв.дюйм, что эквивалентно возможности записать более 1 Тбайт информации на стандартный трехдюймовый диск. Для наглядности приведем несколько цифр. Так, если распечатать 1 Гбайт текстовой информации с плотностью 2500 символов на страницу, то высота получившейся стопки бумаги составит около 40 м. Для обеспечения плотности записи 1 Тбит на 1 кв.дюйм необходимо достичь плотности расположения дорожек 500 тыс. на 1 дюйм и линейной плотности 2 млн. бит данных на 1 дюйм дорожки. При такой плотности на срезе бумажного листа помещаются 2 тыс. дорожек или 8 тыс. бит данных.

Приведенные цифры намного превышают те, что могут предложить сегодняшние дисковые накопители, однако и этих показателей плотности, принимая во внимание прогнозируемые потребности в хранении данных в будущем, очень скоро может оказаться недостаточно. Так, согласно докладу Калифорнийского университета в Беркли, ежегодно в мире производится от 1 до 2 экзабайт (1 экзабайт эквивалентен миллиарду гигабайт) информации на самых разных носителях, включая магнитные, бумажные, пленочные и оптические. Не следует забывать и о том, что на магнитные носители постепенно переводятся документы традиционного вида - бумажные и пленочные, а кроме того, возрастают потребности бытовой электроники. Поэтому инженерам уже сейчас приходится искать новые, еще более перспективные технологии записи и хранения информации.

В качестве наиболее вероятных кандидатов здесь рассматриваются термомагнитная запись HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) и так называемые самоорганизующиеся магнитные решетки - SOMA (Self-Ordered Magnetic Arrays), однако на разработку этих технологий могут уйти еще годы.

Технология термомагнитной записи (рис. 4) похожа на технологию, используемую в магнитооптических приводах. При записи в обоих случаях используется зависимость магнитных свойств рабочего слоя от температуры. Разница между технологиями проявляется в способе чтения информации с диска. В магнитооптических приводах информация считывается лучом лазера, работающего на меньшей, чем при записи, мощности, а в термомагнитной записи информация считывается магнитной головкой так же, как в обычном жестком диске.

Запись информации осуществляется путем нагрева участка рабочего слоя, находящегося в магнитном поле записывающей головки. Нагревание производится кратковременным воздействием лазерного луча - длительность импульса лазера меньше длительности магнитного импульса. Магнитное поле подбирается с таким расчетом, чтобы при отсутствии нагрева его величина была недостаточной для перемагничивания рабочего слоя. При повышении температуры участка рабочего слоя происходит существенное изменение его магнитных свойств: например, может в 3-4 раза уменьшаться коэрцитивная сила. Это приводит к тому, что нагретые участки перемагничиваются. Подобные области и представляют собой записанную информацию.

Для термомагнитной записи используются материалы с высокой коэрцитивной силой, что обеспечивает высокую стабильность записанных участков. Минимальные размеры области, соответствующей одному биту информации, определяются диаметром сфокусированного светового луча.

По оценкам специалистов компании Seagate, термомагнитная запись позволит достичь плотности записи 10 Тбит на 1 кв.дюйм.