Накопители информации на гибких и жестких магнитных дисках, принцип действия, классификация и технические характеристики

 

Самкин А.С. «Накопители информации»

 

 

 

Самкин А.С. «Накопители информации на жестких  и гибких магнитных дисках, принцип  действия, классификация и технические  характеристики»

 

 

Самкин А.С. «Накопители информации на жестких  и гибких магнитных дисках, принцип  действия, классификация и технические  характеристики»

 

 

 

 

Министерство образования 
Российской Федерации 
Санкт-Петербургский Государственный 
Инженерно-экономический университет

 
 
 
РЕФЕРАТ

 
 
«Накопители информации на гибких и жестких магнитных дисках, принцип действия, классификация и технические характеристики» 
по дисциплине «Информатика»

 
 
 
Руководитель С.А.Михальчук  
Исполнитель А.С.Самкин 

Группа 1401

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург 
2010 

Накопители информации.

Для хранения программ и данных в  персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая  емкость которых, как правило, в  сотни раз превосходит емкость  оперативной памяти. По отношению  к компьютеру накопители могут быть внешними и встраиваемыми (внутренними). Внешние накопители имеют собственный  корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Встраиваемые накопители крепятся в специальных монтажных отсеках (drive bays), что позволяет создавать  компактные системы, которые совмещают  в системном блоке все необходимые  устройства. Сам накопитель можно  рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. Различают накопители со сменными и  несменными носителями.

Накопители информации представляют собой гамму запоминающих устройств  с различным принципом действия физическими и технически эксплуатационными  характеристиками. Основным свойством  и назначением накопителей информации является хранение и воспроизведение  информации. Запоминающие устройства принято делить на виды и категории  в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и  смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован  на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. В связи с видом  и техническим исполнением носителя информации различают: электронные, дисковые (магнитные, оптические, магнитооптические), ленточные, перфорационные и другие устройства.

 

Накопители  на жестких дисках.

Накопи́тель на жёстких  магни́тных ди́сках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге винче́стер, «винт», хард, харддиск — устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного  материала, чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется одна или несколько  пластин на одной оси. Считывающие  головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря  прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при  быстром вращении. Расстояние между  головкой и диском составляет несколько  нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического  контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный  контакт с поверхностью дисков.

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации совмещён с накопителем, приводом и блоком электроники и (в персональных компьютерах в  подавляющем количестве случаев) обычно установлен внутри системного блока  компьютера.

 

Устройство.

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока  электроники.

Гермозона

Разобранный жёсткий диск Samsung HD753LJ (модель ёмкостью 750 ГБ, произведенный в марте 2008 года)

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.

Блок головок — пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие  пластины оказались хрупкими и недолговечными.

Обе плоскости  пластин, подобно магнитофонной  ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с бо́льшим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью  несколько тысяч оборотов в минуту (3600, 4200, 5000, 5400, 5900, 7200, 9600, 10 000, 12 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Шпиндельный двигатель жёсткого диска трехфазный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включенные звездой с отводом посередине, а ротор — постоянный секционный магнит. Для обеспечения малого биения на высоких оборотах в двигателе используются гидродинамические подшипники.

Устройство  позиционирования головок состоит  из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов, а также катушки на подвижном блоке головок. Вопреки расхожему мнению, в подавляющем большинстве устройств внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления (например, в самолёте) и температуры, а также при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся  при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр — пылеуловитель.

Блок электроники

В ранних жёстких  дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управления шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок.

Увеличение  скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела  длину аналогового тракта, и в  современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий  блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный  блок обеспечивает сопряжение электроники  жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы  позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр, используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

Блок ПЗУ  хранит управляющие программы для  блоков управления и цифровой обработки  сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового  сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации).

Для цифровой обработки применяются различные  методы, например, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood — максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

Низкоуровневое форматирование

На заключительном этапе сборки устройства поверхности  пластин форматируются — на них формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, как минимум, на каждую дорожку наносится магнитная метка, обозначающая её начало.

Существуют  утилиты, способные тестировать  физические секторы диска, и ограниченно  просматривать и править его  служебные данные. Конкретные возможности  подобных утилит сильно зависят от модели диска и технических сведений, известных автору по соответствующему семейству моделей.

 

Основные физические и логические параметры жестких дисков.

Все накопители так или иначе соответствуют  стандартам, определяемым либо независимыми комитетами и группами стандартизации, либо самими производителями. Среди  множества технических характеристик  отличающих одну модель от другой можно  выделить некоторые, наиболее важные с  точки зрения пользователей и  производителей, которые так или  иначе используются при сравнении  накопителей различных производителей и выборе устройства.

Диаметр дисков (disk diameter)- параметр довольно свободный от каких-либо стандартов, ограничиваемый лишь форм-факторами корпусов системных блоков. Наиболее распространены накопители с диаметром дисков 2.2, 2.3, 3.14 и 5.25 дюймов. Диаметр дисков определяет плотность записи на дюйм магнитного покрытия. Накопители большего диаметра содержат большее число дорожек, и в них, как правило используются более простые технологии изготовления носителей, предназначенных для меньшей плотности записи. Они, как правило, медленнее своих меньших собратьев и имеют меньшее число дисков, но более надежны. Накопители с меньшим диаметром больших объемов имеют более высокотехнологичные поверхности и высокие плотности записи информации, а также, как правило, и большее число дисков.

Число поверхностей (sides number) - определяет количество физических дисков нанизанных на шпиндель. Выпускаются накопители с числом поверхностей от 1 до 8 и более. Однако, наиболее распространены устройства с числом поверхностей от 2 до 5. Принципиально, число поверхностей прямо определяет физический объем накопителя и скорость обработки операций на одном цилиндре. Так как операции на поверхностях цилиндра выполняются всеми головками синхронно, то теоретически, при равных всех остальных условиях, более быстрыми окажутся накопители с большим числом поверхностей.

Число цилиндров (cylinders number) - определяет сколько дорожек (треков) будет располагаться на одной поверхности. В настоящее время все накопители емкостью более 1 Гигабайта имеют число цилиндров более 1024, вследствие чего, для распространенных ОС применяются унифицированные режимы доступа с пересчетом и эмуляцией и виртуализацией числа головок, цилиндров и секторов (LBA и Large).

Число секторов (sectors count) - общее число секторов на всех дорожках всех поверхностей накопителя. Определяет физический неформатированный объем устройства.

Число секторов на дорожке (sectors per track) - общее число секторов на одной дорожке. Часто, для современных накопителей показатель условный, т.к. они имеют неравное число секторов на внешних и внутренних дорожках, скрытое от системы и пользователя интерфейсом устройства.

Частота вращения шпинделя (rotational speed или spindle speed) - определяет, сколько времени будет затрачено на последовательное считывание одной дорожки или цилиндра. Частота вращения измеряется в оборотах в минуту (rpm). Для дисков емкостью до 1 гигабайта она обычно равна 5,400 оборотов в минуту, а у более вместительных достигает 7,200 и 10000 rpm.

Время перехода от одной дорожки  к другой (track-to-track seek time) обычно составляет от 3.5 до 5 миллисекунд, а у самых быстрых моделей может быть от 0.6 до 1 миллисекунды. Этот показатель является одним из определяющих быстродействие накопителя, т.к. именно переход с дорожки на дорожку является самым длительным процессом в серии процессов произвольного чтения/записи на дисковом устройстве. Показатель используется для условной оценки производительности при сравнении накопителей разных моделей и производителей.

Время успокоения головок (head latency time) - время, проходящее с момента окончания позиционирования головок на требуемую дорожку до момента начала операции чтения/записи. Является внутренним техническим показателем, входящим в показатель - время перехода с дорожки на дорожку.

Время установки или время поиска (seek time)- время, затрачиваемое устройством на перемещение головок чтения/записи к нужному цилиндру из произвольного положения.