Автор работы: Пользователь скрыл имя, 27 Апреля 2015 в 22:38, реферат
Винчестер представляет собой центр данных компьютера. Именно в нем хранятся программы и данные. Винчестер самый важный из разных носителей, используемых в персональном компьютере (остальные включают в себя флоппи-диски, компакт-диски, флэш-карты и т.д.). Жесткие диски почти так же сложны, как и микропроцессоры. Кроме того, за последние двадцать лет они достигли потрясающего прогресса в емкости, скорости и цене. Одни из первых винчестеров для персональных компьютеров имели объем порядка 5-10 Мб и цену порядка $100 за Мб.
Оглавление
Винчестер представляет собой центр данных компьютера. Именно в нем хранятся программы и данные. Винчестер самый важный из разных носителей, используемых в персональном компьютере (остальные включают в себя флоппи-диски, компакт-диски, флэш-карты и т.д.). Жесткие диски почти так же сложны, как и микропроцессоры. Кроме того, за последние двадцать лет они достигли потрясающего прогресса в емкости, скорости и цене. Одни из первых винчестеров для персональных компьютеров имели объем порядка 5-10 Мб и цену порядка $100 за Мб. Современные накопители на жестких дисках имеют емкости, превышающие сотни гигабайт. А стоимость мегабайта информации уменьшилась до уровня менее одного цента за мегабайт! Это показывает улучшение данного показателя более чем на миллион процентов за последние 20 лет. Винчестер играет важную роль в следующих важных аспектах компьютера:
1. Скорость. Жесткий диск очень сильно влияет на общую производительность системы. Причем его влияние намного больше, чем полагают многие пользователи ПК. Время загрузки операционной системы и запуска программ напрямую зависит от производительности винчестера. Также скорость жесткого диска критична для многозадачных ОС, обработки больших размеров данных, например, при работе с графикой и базами данных, обработке видео и звука.
2. Емкость памяти для хранения данных. Это звучит тривиально, но диск большего объема позволит хранить больше программ и различной информации.
3. Надежность. Один из путей понимания ценности устройства - это оценка ущерба в случае поломки. В таком понимании винчестер играет самую ценную роль в компьютере: в случае выхода из строя жесткого диска его можно заменить по гарантии, а вот данные - нет.
Краткая история жестких дисков
Большинство из нас каждый день имеют гигабайты и гигабайты информации, ждущих нас у кончиков пальцев. Для современных пользователей компьютеров очень сложно представить, какой бы была "компьютерная жизнь" без винчестеров. Каким было использование компьютера без жестких дисков... можно ответить одним словом: неудобным. Самые первые компьютеры вообще не имели постоянного накопителя для хранения данных. Каждый раз, когда вы хотели поработать с программой, ее надо было вводить вручную. Довольно быстро стало понятно, что компьютерам нужно какая-то память для постоянного хранения данных. Первым носителем данных, используемым в компьютерах, была бумага! (Многие помнят перфокарты?) Программы и данные были записаны, используя отверстия в бумажных карточках. В считывающем устройстве использовался луч света, который сканировал перфокарту. Отверстие воспринималось как "единица", а не выбитая перфоратором поверхность как "ноль". По сравнению с ручным вводом программы каждый раз при включении компьютера это был большой шаг вперед. Но между тем это был очень неудобный метод ввода данных в компьютер. Кроме того, перфокарты в считывателях часто застревали (у этих устройств были даже прозвища, например, "IBM 1443 - картожеватель"). А уж если вы роняли пачку карт на пол, то для восстановления нужной последовательности нужно было затратить массу времени. Тем не менее, перфокарты использовались довольно продолжительное время.
Следующим важным улучшением накопителей для хранения программ было изобретение магнитной ленты. Хотя бы на картинках все видели большие "компьютерные магнитофоны". Информация записывалась методом, похожим на запись аудиокассет. Магнитные ленты были более гибким, надежным и более быстрым накопителем данных по сравнению с перфокартами. Конечно, данная технология и сейчас используются в компьютерах, но свой приоритет она уже давно потеряла. Сейчас магнитная лента применяется в устройствах для хранения резервных копий. Главный минус таких накопителей заключается в том, что данные в них располагаются линейно. Таким образом, требуются минуты, чтобы перемотать ленту из одного конца в другой, делая медленным случайный доступ к данным.
Первые персональные компьютеры использовали в качестве накопителя обычный кассетный аудиомагнитофон. Дисковод для них был непозволительной роскошью. Ведь он стоил очень больших денег. Те пользователи, у которых вместе с ПК поставлялся дисковод, чувствовали поистине свободу действий. Первые ПК фирмы IBM поставлялись с одним или двумя "флоппиками". Они были медленными, малыми в размере и очень ненадежными устройствами хранения данных даже по сравнению с первыми жесткими дисками.
На раннем этапе развития жесткие диски были экспериментальными. Разработчики работали с рядом технологий и идей для их изобретения, пригодных для коммерческого использования. На самом деле, первые винчестеры были не совсем жесткими дисками, то есть они использовали вращающиеся барабаны (цилиндры), на которых хранились последовательности данных.
Самые настоящие жесткие диски имели головки, находящиеся в постоянном контакте с поверхностью диска. Это было сделано для улучшения по причине плохой чувствительности электроники тех дней. К несчастью, было не возможно создать идеально ровную скользящую поверхность, и в результате через некоторое время работы запиливалась и рабочая поверхность и сами магнитные головки.
Ключевой технологический прорыв, который позволил разработать современные винчестеры, произошел в 50-х годах 20-го века. Инженеры фирмы IBM поняли, что с соответственным дизайном головок, которые будут находиться на небольшом интервале от диска, будет возможно считывать биты информации, пролетающие под ними. Итак, основу современных жестких дисков составляет тот факт, что для считывания информации контакт головок с магнитной поверхностью не нужен. Первый произведенный жесткий диск был IBM 305 RAMAC, представленный 13 сентября 1956 года. Он был способен вмещать в себя 5 миллионов знаков (почти 5 мегабайт, но в то время за единицу информации было принято использование семи бит, а не восьми) и состоял из 50 дисков. Каждый из них имел диаметр 24”. Плотность записи на единицу поверхности составляла 2000 бит на квадратный дюйм, для сравнения, сегодняшние диски имеют плотности в миллиарды бит на квадратный дюйм. Скорость чтения данных с поверхности была впечатляющая для того времени (8800 байт в секунду).
В течение последующих лет, уровень технологий улучшался быстрыми темпами. В 1962 году IBM представила винчестер IBM model 1301 Advanced Disk File. Ключевым улучшением в этой модели было изобретение головок, которые летели над поверхностью диска на воздушном подшипнике. В 1973 году IBM представила IBM model 3340 disk drive, который считается “отцом” современных жестких дисков. Эта модель имела два разделенных шпинделя, каждый с емкостью в 30 мегабайт. По этой причине этот диск очень часто назывался как “30-30”. Данное наименование породило кличку “винчестер”, в силу похожего названия ружья “винчестер 30-30”. Впервые используя закрытый внутренний объем и технологию улучшенного воздушного подшипника, удалось добиться расстояния в 17 микродюймов между головкой и диском. Все современные диски до сих пор используют многие из примененных в этой модели приемов. Именно поэтому современные жесткие диски очень часто называются винчестерами. Первый жесткий диск, разработанный 5,25” форм-факторе, который использовался в первых персональных компьютерах был Seagate ST-506. Он имел 4 головки и емкость в 5 мегабайт. Компания IBM обошла ST-506 и выбрала ST-412 — 10-ти мегабайтный жесткий диск в том же форм-факторе – для использования в IBM PC/XT, делая его первым жестким диском, широко используемом в мире IBM-совместимых компьютеров.
Винчестеры - это одни из самых важных, а также самых интересных компонентов в компьютере. Они имеют долгую и интересную историю, берущую начало в начале 50-х годов прошлого столетия. Возможно, самое обворожительное, что можно увидеть в истории винчестеров, это то, как в последние два десятилетия инженеры их улучшали в сторону удобности использования, емкости, скорости, потребления энергии и т.д. Основываясь на предыдущей истории, есть неплохой шанс, что именно так и будет.
На рис. 1 показан внешний вид двух моделей современных винчестеров. Внутри металлического корпуса на оси электродвигателя расположено несколько дисков (рис. 2), изготовленных из алюминия (или стекла), на поверхность которых напылен ферромагнитный слой. Корпус винчестера может быть либо герметичен, либо имеет защищенное фильтром отверстие для наружного воздуха.
Рис. 1. Внешний вид винчестера: а — Quantum; б— Samsung
Рис. 2. Внутреннее устройство винчестера
Рис. 3. Контроллер винчестера
Большинство электронных компонентов управления винчестером размещается на печатной плате (рис. 3), которая крепится под корпусом. Обычно блок электроники не закрыт защитной крышкой, т. к. считается, что винчестер будет располагаться в корпусе компьютера. У ряда моделей винчестеров блок электроники закрыт стальной крышкой, которая дополнительно играет роль радиатора.
Для классификации винчестеров в ряде случаев также применяют термин форм-фактор, имея в виду габаритные размеры. Правда, под этим термином разработчики могут подразумевать совершенно разные измерения, например, возможность установки в 3 1/2-дюймовый отсек компьютера, т. к. ранее был популярен 5 1/4-дюймовый форм-фактор; толщину винчестера, но чаще этот термин говорит о диаметре вращающихся пластин.
Если посчитать объем установленного в компьютере винчестера и сравнить его с паспортными данными на винчестер, то можно заметить, что куда-то пропадает довольно значительное дисковое пространство. Дело тут в том, что в паспортах на винчестер указываются два варианта объема винчестера: первый относится к неформатированному дисковому пространству (т. е. на диске не создана определенная структура для хранения данных), а второй —к форматированному. Например, на винчестер IBM объемом 80 Гбайт можно записать только 76,69 Гбайт пользовательских данных (файловая система FAT), а все остальное остается для служебных нужд. Кроме того, в рекламных целях для единиц измерения объема дискового пространства используется несколько иное соотношение величин. Производители и продавцы винчестеров указывают объем своих изделий в десятичной системе счисления, когда 1000 Мегабайт считается равной 1 Гигабайту, хотя корректной является двоичная система, в которой 1 килобайт — это 1024 байта, 1 Гигабайт — это соответственно 1024 Мегабайта и т. д.
Быстродействие винчестера запись и чтение информации — зависит от множества факторов, определяемых как конструкцией винчестера и контроллера, так и работой интерфейса передачи данных. На пример, скорость доступа к информации зависит от геометрии дисковод пространства — распределения секторов по дорожкам и сторонам диска т. к. винчестер — это механическое устройство, у которого движущиеся части обладают значительной инерцией. А поскольку пользовательские данные обычно разбиты на множество небольших кластеров, которые могут размещаться на диске произвольно, то чтение файла, части которого расположены на разных дорожках, занимает больше времени, чем файла, все част которого находятся на одной дорожке или на одном и том же номере дорожки, но на разных сторонах диска. Это происходит потому, что для перемещения головки с одной дорожки на другую требуется значительное время, порядка единиц и десятков миллисекунд, а это весьма большое врем Для современного компьютера. Например, у средних винчестеров время перехода на соседнюю дорожку составляет около 1 мс, а в среднем (для ел) чайного перехода на другую дорожку) — 8,5 мс. При знакомстве с винчестерами полезно знать и понимать следующие термины:
На быстродействие винчестера оказывает сильное влияние и то, как размешены секторы на дорожках и соседних сторонах дисков. Если все секторы будут идти друг за другом и параллельно на каждой стороне диска, то скорость доступа к информации будет не слишком велика, т. к. электроника, которая считывает данные с диска, имеет ограниченное быстродействие. При этом, в отличие от обычного магнитофона, данные на ферромагнитный диск записываются в закодированном виде, что позволяет повысить надежность хранения и уменьшить объем дискового пространства для хранения единиц информации. Соответственно, прочитав первый сектор, контроллер должен проверить достоверность считанной информации и лишь потом начать читать следующий сектор, но за это время под головкой будет не второй сектор, а какой-либо следующий. В этом случае приходится ждать, пока диск не сделает целый оборот, чтобы прочитать второй сектор. То же самое относится и к секторам на соседних плоскостях.