Хранение данных на магнитных носителях

Хранение данных на магнитных носителях

Практически во всех персональных компьютерах информация хранится на носителях, использующих магнитные или оптические принципы. При использовании магнитных устройств хранения двоичные данные «превращаются» в небольшие металлические намагниченные частички, расположенные на плоском диске или ленте в виде «узора». Этот магнитный «узор» впоследствии может быть расшифрован в поток двоичных данных.

История развития устройств хранения данных на магнитных носителях

Долгое время основным устройством хранения данных в компьютерном мире были перфокарты. Перфокарта (сокр. от перфорированный и карта) — носитель информации, предназначенный для использования системами автоматической обработки данных. Сделанная из тонкого картона, перфокарта представляет информацию наличием или отсутствием отверстий в определённых позициях карты.

И только в 1949 году группа инженеров и исследователей компании IBM приступила к разработке нового устройства хранения данных. Именно это и стало точкой отсчета в истории развития устройств магнитного хранения данных, которые буквально взорвали компьютерный мир. 21 мая 1952 года IBM анонсировала модуль ленточного накопителя IBM-726 для вычислительной машины IBM-701. Четыре года спустя, 13 сентября 1956 года, небольшая команда разработчиков все той же IBM объявила о создании первой дисковой системы хранения данных — 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Эта система могла хранить 5 млн символов (5 Мбайт!) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см). В отличие от ленточных устройств хранения данных, в системе RAMAC запись осуществлялась с помощью головки в произвольное место поверхности диска. Такой способ заметно повысил производительность компьютера, поскольку данные записывались и извлекались намного быстрее, чем при использовании ленточных устройств.

Как магнитное поле используется для хранения данных

В основе работы магнитных носителей — накопителей на жестких и гибких дисках — лежит такое явление, как электромагнетизм. Оно было открыто датским физиком Хансом Эрстедом в 1820 году. Суть его состоит в том, что при пропускании через проводник электрического тока вокруг него образуется магнитное поле. Это поле воздействует на оказавшееся в нем ферромагнитное вещество. При изменении направления тока полярность магнитного поля также изменяется. Явление электромагнетизма используется в электродвигателях для генерации сил, воздействующих на магниты, которые установлены на вращающемся валу.

и

Однако существует и противоположный эффект: в проводнике, на который воздействует переменное магнитное поле, возникает электрический ток. При изменении полярности магнитного поля изменяется и направление электрического тока.

Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U-образного ферромагнитного сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) головки создается магнитное поле. При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой электромагниты, полярность которых можно очень быстро изменить, переключив на правление пропускаемого электрического тока.

Магнитное поле в сердечнике частично распространяется в окружающее пространство благодаря наличию зазора, “пропиленного” в основании буквы U. Если вблизи зазора располагается другой ферромагнетик (рабочий слой носителя), то магнитное поле в нем локализуется, поскольку подобные вещества обладают меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух. Магнитный поток, пересекающий зазор, замыкается через носитель, что приводит к поляризации его магнитных частиц (доменов) в направлении действия поля. Направление поля и, следовательно, остаточная намагниченность носителя зависят от полярности электрического поля в обмотке головки.

Итак, в результате протекания переменного тока импульсной формы в обмотке головки чтения/записи на вращающемся диске образуется последовательность участков с различной остаточной намагниченностью. Причем наиболее важными в аспекте последующего воспроизведения записанной информации оказываются те зоны, в которых происходит смена направления остаточного магнитного поля, или просто зоны смены знака. Магнитная головка записывает данные на диск, размещая на нем зоны смены знака. При записи каждого бита (или битов) данных в специальных областях на диске располагаются последовательности зон смены знака. Эти области называются битовыми ячейками. Таким образом, битовая ячейка — это специальная область на диске, в которой головка размещает зоны смены знака. Геометрические размеры такой ячейки зависят от тактовой частоты сигнала записи и скорости, с которой перемещаются относительно друг друга головка и поверхность диска. Ячейка перехода — это область на диске, в которую можно записать только одну зону смены знака. При записи отдельных битов данных или их групп в ячейках формируется характерный “узор” из зон смены знака, зависящий от способа кодирования информации. Это связано с тем, что в процессе переноса данных на магнитный носитель каждый бит (или группа битов) с помощью специального кодирующего устройства преобразуется в серию электрических сигналов, не являющихся точной копией исходной последовательности импульсов.

В сущности, во время считывания информации с диска головка ведет себя как детектор зон смены знака, выдавая импульсы напряжения при каждом пересечении такой зоны. На тех участках, где не происходит смены знака, импульсы не генерируются (выбросы отсутствуют). На рисунке в графическом виде представлена взаимосвязь между формами импульсов (сигналов) во время считывания и записи и зонами смены знака, записанными на диске.

Записываемые данные представляют собой импульсы прямоугольной формы, соответствующие положительным или отрицательным значениям напряжения, которые приводят к поляризации магнитного носителя в том или ином направлении. Когда меняется полярность напряжения, остаточная намагниченность диска также изменяет полярность. Во время считывания головка регистрирует зоны смены знака и выдает соответствующие импульсы. Другими словами, сигнал соответствует нулевому напряжению, если не обнаружены переходы от положительного знака к отрицательному или наоборот. Импульсы появляются только в тех случаях, когда головка пересекает зоны смены знака на магнитном носителе. Зная тактовую частоту, схема устройства или контроллера определяет, попадает ли импульс (и, следовательно, зона смены знака) в данную ячейку перехода.

Амплитуда сигнала, поступающего с головки при считывании, очень мала, поэтому проблема шумов и помех является достаточно острой. Для усиления сигнала используются высокочувствительные устройства. После усиления сигнал поступает на декодирующие схемы, которые предназначены для восстановления потока данных, идентичного (теоретически!) по току, поступавшему на накопитель при выполнении записи.

Итак, запись и считывание информации с диска основаны на принципах электромагнетизма. При записи данных на диск электрический ток пропускается через электромагнит (головку устройства), в результате чего создаются зоны намагниченности, которые и сохраняются на диске. Данные считываются с диска при перемещении головки над его поверхностью; при этом головка регистрирует изменения в зонах намагниченности и в результате генерирует слабые электрические сигналы, указывающие на наличие или отсутствие зон смены знака в записанных сигналах.

Конструкции головок чтения/записи

По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Первые головки представляли собой сердечники с обмоткой (электромагниты). По современным меркам их размеры были огромными, а плотность записи — чрезвычайно низкой. За прошедшие годы конструкции головок прошли долгий путь развития от первых головок с ферритовыми сердечниками до современных типов. В этом разделе описаны типы головок, применяемые в накопителях на жестких дисках. Чаще всего используются головки следующих четырех типов:

-- ферритовые;

-- с металлом в зазоре (MIG);

-- тонкопленочные (TF);

-- магниторезистивные (MR);

-- гигантские магниторезистивные (GMR).

Ферритовые головки

Классические ферритовые головки впервые были использованы в накопителе Winchester 30-30 компании IBM. Их сердечники делаются на основе прессованного феррита (на основе окиси железа). Магнитное поле в зазоре возникает при протекании через обмотку электрического тока. В свою очередь, при изменениях напряженности магнитного поля вблизи зазора в обмотке наводится электродвижущая сила. Таким образом, головка является универсальной, т. е. может использоваться как для записи, так и для считывания.

Размеры и масса ферритовых головок больше, чем у тонкопленочных; поэтому, чтобы предотвратить их нежелательные контакты с поверхностями дисков, приходится увеличивать зазор.

За время существования ферритовых головок их первоначальная (монолитная) конструкция была значительно усовершенствована. Были разработаны, в частности, так называемые стеклоферритовые (композитные) головки, небольшой ферритовый сердечник которых установлен в керамический корпус. Ширина сердечника и магнитного зазора таких головок меньше, что позволяет повысить плотность размещения дорожек записи.

Кроме того, снижается их чувствительность к внешним магнитным помехам.

В 1980-х годах стеклоферритовые головки широко использовались в дешевых накопителях, например ST-225 компании Seagate. По мере увеличения емкости накопителей ферритовые головки были полностью вытеснены другими разновидностями. Ферритовые головки не пригодны для записи на носители с большой коэрцитивной силой, их частотная характеристика ограничена, а чувствительность низка (плохое соотношение “сигнал–шум”). Главное достоинство ферритовых головок — их дешевизна.

Головки с металлом в зазоре

Головки с металлом в зазоре (Metal-In-Gap — MIG) появились в результате усовершенствования конструкции композитной ферритовой головки. В таких головках магнитный зазор, расположенный в задней части сердечника, заполнен металлом. Благодаря этому существенно уменьшается склонность материала сердечника к магнитному насыщению, что позволяет повысить магнитную индукцию в рабочем зазоре и, следовательно, выполнить запись на диск с большей плотностью. Кроме того, градиент магнитного поля, создаваемого головкой с металлом в зазоре, выше, а это означает, что на поверхности диска формируются намагниченные участки с более четко выраженными границами (уменьшается ширина зон смены знака).

Эти головки позволяют использовать носители с большой коэрцитивной силой и тонкопленочным рабочим слоем. За счет уменьшения общей массы и улучшения конструкции такие головки могут располагаться ближе к поверхности носителя.

Головки с металлом в зазоре бывают двух видов: односторонние и двусторонние (т. е. с одним и с двумя металлизированными зазорами). В односторонних головках прослойка из магнитного сплава расположена только в заднем (нерабочем) зазоре, а в двусторонних — в обоих. Слой металла наносится методом вакуумного напыления. Индукция насыщения магнитного сплава примерно вдвое больше, чем у феррита, что, как уже отмечалось, позволяет осуществлять запись на носители с большой коэрцитивной силой, которые используются в накопителях высокой емкости. Двусторонние головки в этом отношении лучше односторонних. Благодаря своим неоспоримым преимуществам некоторое время назад головки с металлом в зазоре полностью заменили традиционные ферритовые головки в высококачественных накопителях. Но постоянно возрастающие требования к емкости жестких дисков привели к тому, что их сейчас постепенно вытесняют тонкопленочные головки.

Тонкопленочные головки

Тонкопленочные (Thin Film — TF) головки производятся почти по той же технологии, что и интегральные схемы, т. е. путем фотолитографии. На одной подложке можно «напечатать» сразу несколько тысяч головок, которые получаются в результате маленькими и легкими. Рабочий зазор в тонкопленочных головках можно сделать очень узким, причем его ширина регулируется в процессе производства путем наращивания дополнительных слоев немагнитного алюминиевого сплава. Алюминий полностью заполняет рабочий зазор и хорошо защищает его от повреждений (сколов краев) при случайных контактах с диском. Собственно сердечник делается из сплава железа и никеля, индукция насыщения которого в 2–4 раза больше, чем у феррита.

Формируемые тонкопленочными головками участки остаточной намагниченности на поверхности диска имеют четко выраженные границы, что позволяет добиться очень высокой плотности записи. Благодаря небольшому весу и малым размерам головок можно значительно уменьшить просвет между ними и поверхностями дисков по сравнению с ферритовыми и MIG-головками: в некоторых накопителях его величина не превышает 0,05 мкм. В результате, во-первых, повышается остаточная намагниченность участков поверхности носителя и, во-вторых, увеличивается амплитуда сигнала и улучшается соотношение «сигнал–шум» в режиме считывания, что в итоге сказывается на достоверности записи и считывания данных. При тех плотностях расположения дорожек и размещения данных вдоль дорожки, которые характерны для современных накопителей, сигнал воспроизведения с обычной ферритовой головки просто «потерялся» бы в шумах и помехах. Наконец, благодаря небольшой высоте тонкопленочных головок при тех же размерах корпуса накопителя удается установить большее количество дисков.

Усовершенствование технологии производства и повышение требований к емкости накопителей привели, с одной стороны, к снижению стоимости тонкопленочных головок (она стала сопоставимой, а иногда и более низкой, чем цена ферритовых головок и головок с металлом в зазоре), а с другой — к их более широкому распространению.

Магниторезистивные головки

Магниторезистивные (Magneto-Resistive — MR) головки разработаны компанией IBM и позволяют добиться самых высоких значений плотности записи и быстродействия накопителей. Впервые магниторезистивные головки были установлены в накопителе на жестких дисках емкостью 1 Гбайт (3,5") компании IBM в 1991 году. Все головки являются детекторами, т. е. регистрируют изменения в зонах намагниченности и преобразуют их в электрические сигналы, которые могут быть интерпретированы как данные. Однако при магнитной записи существует одна проблема: при уменьшении магнитных доменов носителя уменьшается уровень сигнала головки и существует вероятность принять шум за “настоящий” сигнал. Для решения этой проблемы необходимо иметь эффективную головку чтения, которая более достоверно сможет определить наличие сигнала. Довольно давно был открыт еще один эффект магнетизма: при воздействии на проводник внешнего магнитного поля его сопротивление изменяется. При прохождении обычной головки над зоной смены знака на выходах обмотки формируется импульс напряжения. Иначе обстоит дело при считывании данных с помощью магниторезистивной головки. Ее сопротивление оказывается различным при прохождении над участками с разным значением остаточной (постоянной) намагниченности. Это явление и послужило основой для создания компанией IBM нового типа считывающих головок. Через головку протекает небольшой постоянный измерительный ток, и при изменении сопротивления изменяется и падение напряжения на ней. Поскольку на основе магниторезистивного эффекта можно построить только считывающее устройство, магниторезистивная головка — это на самом деле две головки, объединенные в одну конструкцию. При этом записывающая часть представляет собой обычную индуктивную головку, а считывающая — магниторезистивную. Так как функции считывания и записи разделены между двумя отдельными узлами, каждый из них может быть спроектирован так, чтобы наилучшим образом выполнять предусмотренную операцию. Амплитуда выходного сигнала у такой головки оказывается примерно в четыре раза больше, чем у индуктивной. Магниторезистивные головки дороже и сложнее головок других типов, поскольку в их конструкции есть добавочные элементы, а технологический процесс включает несколько дополнительных этапов. Ниже перечислены основные отличия магниторезистивных головок от обычных:

-- к ним должны быть подведены дополнительные провода для подачи измерительного тока на резистивный датчик;

-- в процессе производства используется 4–6 дополнительных масок (фотошаблонов);

-- благодаря высокой чувствительности магниторезистивные головки более восприимчивы к внешним магнитным полям, поэтому их приходится тщательно экранировать.

Во всех рассмотренных ранее головках в процессе записи и считывания «работал» один и тот же зазор, а в магниторезистивной головке их два — каждый для своей операции. При разработке головок с одним рабочим зазором приходится идти на компромисс при выборе его ширины. Дело в том, что для улучшения параметров головки в режиме считывания нужно уменьшать ширину зазора (для увеличения разрешающей способности), а при записи зазор должен быть шире, поскольку при этом магнитный поток проникает в рабочий слой на большую глубину (“намагничивая” его по всей толщине). В магниторезистивных головках с двумя зазорами каждый из них может иметь оптимальную ширину. Еще одна особенность рассматриваемых головок заключается в том, что их записывающая (тонкопленочная) часть формирует на диске более широкие дорожки, чем это необходимо для работы считывающего узла (магниторезистивного). В данном случае считывающая головка “собирает” с соседних дорожек меньше магнитных помех.

Схема типичной магниторезистивной головки IBM показана на рис. 9.5. Здесь представлен весь узел головки вместе с ползунком. Считывающий элемент головки (магниторезистивный сенсор) состоит из железоникелевой пленки, отделенной небольшим промежутком от магнитного слоя. Эта пленка изменяет свое сопротивление в зависимости от магнитного поля. Защитные слои предохраняют сенсор считывающего элемента от “случайных” магнитных полей. В большинстве конструкций вторая защита выполняет функции записывающего элемента. Такой тип головок называют объединенными магниторезистивными головками. Записывающий элемент представляет собой обычную тонкопленочную индуктивную головку.

Гигантские магниторезистивные головки

В 1997 году IBM анонсировала новый тип магниторезистивных головок, обладающих намного большей чувствительностью. Они были названы гигантскими магниторезистивными головками (Giant Magnetoresistive — GMR). Такое название они получили на основе используемого эффекта, хотя по размеру были меньше стандартных магниторезистивных головок. Эффект GMR был от крыт в 1988 году в кристаллах, помещенных в очень сильное магнитное поле, приблизительно в 1000 раз превышающее магнитное поле, используемое в накопителях на жестких дисках.

Считывающий элемент гигантской магниторезистивной головки показан на рис. 9.6. В декабре 1997 года все та же IBM анонсировала накопитель емкостью 16,8 Гбайт (3,5"), в котором используются головки GMR.

Способы кодирования данных

Данные на магнитном носителе хранятся в аналоговой форме. В то же время сами данные представлены в цифровом виде, так как являются последовательностью нулей и единиц. При выполнении записи цифровая информация, поступая на магнитную головку, создает на диске магнитные домены соответствующей полярности. Если во время записи на головку поступает положительный сигнал, магнитные домены поляризуются в одном направлении, а если отрицательный — в противоположном. Когда меняется полярность записываемого сигнала, происходит также изменение полярности магнитных доменов.

Если во время воспроизведения головка регистрирует группу магнитных доменов одинаковой полярности, она не генерирует никаких сигналов; генерация происходит только тогда, когда головка обнаруживает изменение полярности. Эти моменты изменения полярности называются сменой знака. Каждая смена знака приводит к тому, что считывающая головка выдает импульс напряжения; именно эти импульсы устройство регистрирует во время чтения данных. Но при этом считывающая головка генерирует не совсем тот сигнал, который был записан; на самом деле она создает ряд импульсов, каждый из которых соответствует моменту смены знака.

Чтобы оптимальным образом расположить импульсы в сигнале записи, необработанные исходные данные пропускаются через специальное устройство, которое называется кодером/декодером. Это устройство преобразует двоичные данные в электрические сигналы, оптимизированные в аспекте размещения зон смены знака на дорожке записи. Во время считывания кодер/декодер выполняет обратное преобразование: восстанавливает из сигнала последовательность двоичных данных.

Хотя разработано великое множество самых разнообразных методов, на сегодняшний день реально используются только три из них:

Наиболее распространенные методы кодирования данных:

-- частотная модуляция (FM);

-- модифицированная частотная модуляция (MFM);

-- кодирование с ограничением длины поля записи (RLL).

Частотная модуляция (FM)

Метод кодирования FM (Frequency Modulation — частотная модуляция) был разработан прежде других и использовался при записи на гибкие диски так называемой одинарной плотности (single density) в первых ПК. Емкость таких односторонних дискет составляла всего 80 Кбайт. В 1970-х годах запись по методу частотной модуляции использовалась во многих устройствах, но сейчас от него полностью отказались.

Модифицированная частотная модуляция (MFM)

Основной целью разработчиков метода MFM (Modified Frequency Modulation — модифицированная частотная модуляция) было сокращение количества зон смены знака для записи того же объема данных по сравнению с FM-кодированием и соответственно увеличение потенциальной емкости носителя.

Диски, записанные по методу MFM, часто называют дисками двойной плотности (double density). Поскольку при рассматриваемом способе записи на одно и то же количество зон смены знака приходится вдвое больше «полезных» данных, чем при FM-кодировании, скорость считывания и записи информации на носитель также удваивается. При записи и воспроизведении данных по методу MFM требования, предъявляемые к точности синхронизации, более жесткие, чем при FM-кодировании.

Кодирование с ограничением длины поля записи (RLL)

Наиболее популярен метод кодирования с ограничением длины поля записи (Run Length Limited — RLL). Он позволяет разместить на диске в полтора раза больше информации, чем при записи по методу MFM, и в три раза больше, чем при FM-кодировании. При использовании этого метода происходит кодирование не отдельных битов, а целых групп, в результате чего создаются определенные последовательности зон смены знака. Метод RLL был разработан IBM и сначала использовался в дисковых накопителях больших машин. В конце 1980-х годов его стали использовать в накопителях на жестких дисках ПК, а сегодня он применяется почти во всех ПК.

Как уже отмечалось, при записи по методу RLL одновременно кодируются целые группы битов. Термин Run Length Limited (с ограничением длины пробега) составлен из названий двух основных параметров, которыми являются минимальное (длина пробега) и максимальное (предел пробега) число ячеек перехода, которые можно расположить между двумя зона ми смены знака. Методы FM и MFM, в сущности, являются частными вариантами RLL.

Накопители на гибких дисках

История создания

Работая в IBM, Алан Шугарт (Alan Shugart) в конце 1960-х годов изобрел накопитель на гибких дисках. В 1967 году он возглавлял команду, которая разрабатывала дисководы в лаборатории IBM. Именно здесь были созданы накопители на гибких дисках. Дэвид Нобль (David Noble), один из старших инженеров, работавших под руководством Шугарта, предложил гибкий диск (прообраз дискеты диаметром 8 дюймов) и защитный кожух с тканевой прокладкой.

В 1969 году Шугарт и вместе с ним более ста инженеров покинули IBM, и в 1976 году его компания Shugart Associates представила дисковод для миниатюрных (mini-floppy) гибких дисков на 5,25 дюйма, который стал стандартом, используемым в персональных компьютерах, быстро вытеснив дисководы для дисков диаметром 8 дюймов.

В 1983 году компания Sony впервые представила компьютерному сообществу накопитель и дискету диаметром 3,5 дюйма. В 1984 году Hewlett-Packard впервые использовала в своем компьютере HP-150 этот накопитель. В этом же году компания Apple стала использовать накопители 3,5 дюйма в компьютерах Macintosh, а в 1986 году этот накопитель появился в компьютерных системах IBM.

Гибкие диски (Floppy Disk – FD)

Гибкие дисковые устройства состоят из устройства чтения/записи – дисковода и непосредственного носителя – дискеты.

Дискета представляет собой слой магнито-мягкого материала, нанесенный на специальную подложку, выполненную из полимерного немагнитного пластического материала, степень жесткости которого может быть различна в зависимости от реализации. Носитель помещается в бумажный, пластмассовый или другой кожух-корпус.

В настоящее время, используются только двусторонние носители, следовательно покрытие нанесено с обеих сторон дискеты и чтение/запись производится с обеих сторон. Дискеты различного диаметра, как правило, имеют разные оформления корпуса. Так гибкие диски диаметром 5.25 дюйма помещаются в бумажный кожух, а 3.14 – в пластмассовый. Дискета в кожухе свободно вращается приводом устройства – дисковода через окно центрального захвата, что обеспечивает прохождение площади дорожки под устройством чтения/записи называемом головкой чтения/записи.

На кожухе дискеты имеются, соответственно, отверстия:

центрального захвата (3)

отверстие позиционирован головки (1)

отверстие физической защиты от записи (5, 8)

направляющие отверстия и пазы (2)

отверстия автоопределения типа магнитного покрытия (9)

отверстие определения полного оборота носи

Отверстие для позиционирования магнитных головок чтения/записи у 3,14-дюймовых носителей закрыто металлической задвижкой (7), а отверстие для центрального захвата и вращения на шпинделе привода вращения диска, в отличие от носителя диаметром 5.25 дюймов, находится только с нижней стороны дискеты.

и

Для обычных гибких дисковых носителей и устройств, как правило, применяется метод кодирования информации – модифицированная частотная модуляция (MFM).

Дисковод представляет собой устройство чтения/записи с/на носитель – дискету. Каждый тип носителя (дискет), как правило, требует собственного устройства – для чтения 5.25 и 3.14 дюймовых дискет, хотя выпускаются и смешанные дисководы, соединяющие в себе устройства для чтения 3.14 и 5.25 дюймовых дискет. Дисководы, как правило, располагаются внутри системного блока, однако, выпускаются и внешние варианты.

Снаружи системного блока находится передняя панель дисковода на которой располагаются управляющие элементы – ручка или кнопка фиксации/извлечения дискеты внутри дисковода, отверстие для помещения/извлечения дискеты, индикатор обращения к устройству, светящийся во время операций обращения к дисководу.

Внутри дисковод состоит из двигателя, системы управления вращением носителя, двигателя, системы управления позиционированием головок чтения/записи, схем формирования и преобразования сигналов и др. электронных устройств. Дисководы подключаются к другим схемам компьютера посредством интерфейсного кабеля – шлейфа. На концах и/или по длине шлейфа находятся разъемы, один из которых служит для соединения шлейфа с дисководом или дисководами, другой с интерфейсом дискового устройства, находящемся на плате контроллера (интерфейсной карте, плате адаптера) дисковых устройств или на материнской плате. Дисковод также нуждается в подключении питающего напряжения при помощи кабеля питания.

Технологии хранения и чтения/записи информации на обычную дискету дают невысокие скорости обмена и позволяют добиться плотности записи для объема информации до 2 мегабайт. Такой объем и быстродействие считаются малыми и поэтому дискеты используют лишь как средство транспортировки и архивного хранения небольших объемов информации. Надежность дискет, также, оставляет желать лучшего. Они подвержены вредным воздействиям температурных, гидрометрических, магнитных, механических и др. факторов. Поэтому, с дискетами следует обращаться аккуратно.

Во избежание потери данных или повреждения носителя недопустимо: хранение дискет в местах подверженных воздействию магнитных полей, влаги, сильных механических воздействий, обильного количества пыли, резких температурных перепадов. Необходимо осторожно вставлять и извлекать дискету из дисковода только после того, как индикатор обращения к диску погаснет. В зависимости от интенсивности использования дискеты, ее необходимо проверять на предмет целостности и правильности логической и физической структуры при помощи специального программного обеспечения с различной частотой, но не реже одного раза в два месяца. Также, необходимо производить чистку головок чтения/записи дисковода при помощи специальной чистящей дискеты и очистителя. Срок службы носителя зависит не только от способа его эксплуатации, но и от его исходного качества. Дискеты высокого качества известных крупных производителей способны форматироваться на максимальные объемы и выдерживают при эксплуатации до 70 млн. проходов головки чтения/записи по дорожке, что, практически, означает срок интенсивной эксплуатации до 20 лет. Дискеты безымянных производителей и просто плохого качества, как правило, подвержены таким вредным процессам как высыпанию частичек магнитного покрытия и размагничиваемости. Не следует экономить на носителях информации, если она вам дорога. На практике, нужно стараться использовать только высококачественные дискеты известных производителей.

Что такое жесткий диск

Самым необходимым компонентом компьютера является накопитель на жестком диске. Как известно, он предназначен для хранения данных.

Основными элементами накопителя являются несколько круглых алюминиевых или не кристаллических стекловидных пластин. В отличие от гибких дисков (дискет), их нельзя со гнуть; отсюда и появилось название жесткий диск. В большинстве устройств они несъемные, поэтому иногда такие накопители называются фиксированными (fixed disk).

и

Принцип работы жесткого диска (HDD)

Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его создания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрыватель грампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженных на общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторон каждой пластины.

Скорость вращения пластин постоянна и является одной из основных характеристик. Головка перемещается вдоль пластины на некотором фиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания информации, и тем больше может быть плотность записи информации. Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех.

Внутри корпуса жесткого диска находятся все механизмы и некоторые электронные узлы. Механизмы - это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение.

Диск представляет собой круглую пластину с очень ровной поверхностью чаще из алюминия, реже - из керамики или стекла, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Во многих накопителях используется слой оксида железа (которым покрывается обычная магнитная лента), но новейшие модели жестких дисков работают со слоем кобальта толщиной порядка десяти микрон. Такое покрытие более прочно и, кроме того, позволяет значительно увеличить плотность записи. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Количество дисков может быть различным - от одного до пяти, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Устройство диска

Типовой винчестер состоит из гермоблока и платы электроники. В гермоблоке размещены все механические части, на плате - вся управляющая электроника, за исключением предусилителя, размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от головок.

Плата управления - электроника жёсткого диска

Плата управления жёсткого диска - узкоспециализированный компьютер, назначением которого является обмен информацией с материнской платой компьютера и управлением внутренних процессор, происходящих в жёстком диске.

Рассмотрим назначение наиболее важных элементов платы управления. Самая крупная микросхема на плате - центральный процессор. Не заблуждайтесь, это далеко не такой же процессор, как скажем в наших домашних компьютерах или ноутбуках. Это специализированный, цифро-аналоговый процессор, который занимается обработкой как цифровой информации, поступающей с компьютера, так и аналоговой информации, поступающей с блока магнитных голов. По некоторым характеристикам такие специализированные процессоры могут превосходить Intel Core I7, даже не смотря на меньшую тактовую частоту.

Вторым важным компонентом (правее процессора) является микросхема DRAM - это ничто иное как кэш память жёсткого диска. Почему она нужна, я объяснять не буду, так как не расскажу ничего нового, скажу лишь, что её назначение мало чем отличается от кэша центральных процессоров наших компьютеров.

Третьим важным компонентом является драйвер двигателя (на фотографии третья по размеру микросхема, чуть правее микросхемы памяти). Назначение данной микросхемы определяет её название - запуск и остановка шпиндельного двигателя, контроль его оборотов, управление сервоприводом и у некоторых дисков, формирование напряжения питания некоторых компонентов и узлов.

Есть ещё один очень важный компонент на плате управления - ПЗУ в данном случае она расположена чуть ниже микросхемы DRAM (чёрная, по 4 ножки с каждой из двух сторон). В этой микросхеме находится базовая программа и стартовая адаптивная информация, необходимая для успешного запуска и инициализации жёсткого диска. Основной же программный код находится на магнитных пластинах носителя в так называемой служебной зоне. В последнее время, на самых современных жёстких дисках такая микросхема отсутствует, её содержимое теперь находится в процессоре жёсткого диска и жёстко связано с содержимым служебной информации, иными словами это делает невозможным ремонт жёсткого диска методом замены платы управления.

Гермозона - гермоблок жёсткого диска

Гермоблок жёсткого диска - высокоточное устройство, в котором взаимодействую несколько очень важных компонентов. Данное устройство состоит из следующих компонентов - шпиндельного двигателя, пакета магнитных пластин, блока магнитных голов, находящихся на гибких подвесах, сервопривода, постоянного магнита и коммутатора - предусилителя.

Рассмотрим назначение каждого компонента по отдельности:

1. Шпиндельный двигатель - это устройство, состоящее из двух компонентов - двигателя, сделанного на жидкостных подшипниках и шпинделя, к которому крепятся магнитные пластины. Скорость вращения шпинделя у современных жёстких дисков составляет 5400, 5900, 7200, 10000 и 15000 тысяч оборотов в минуту. Скорость вращения напрямую влияет на некоторые аспекты производительности накопителя.

2. Пакет магнитных пластин - это то самое место, на котором хранится наша ценная информация. Магнитные пластины современных жёстких дисков изготавливают из специальных биметаллических сплавов, обладающих очень маленьким коэффициентом температурного расширения с нанесением специализированного магнитного покрытия. Некоторые производители жёстких дисков в качестве основы используют стекло с напылением магнитного слоя. К основным характеристикам магнитных пластин можно отнести плотность хранения данных и чем выше она, тем более производительным будет жёсткий диск. У некоторых моделей жёстких дисков производители специально занижают плотность, тем самым уменьшая объём жёсткого диска. Делается это для уменьшения количества брака, неизбежно возникающего в результате производства. Поэтому, например, жёсткие диски Seagate 7200.12 ёмкостью 500Gb и 160Gb будут иметь разную производительность, естественно не в пользу младшего собрата.

3. Поворотная рамка сервопривода (позиционера) и постоянный магнит образую так называемый сервопривод. Это устройство занимается тем, что перемещает магнитные головки по поверхности магнитных пластин.

4. Блок магнитных голов. Прямым назначением данного устройства является чтение и запись информации. На устройство блока магнитных голов необходимо обратить особое внимание. Размер каждой головки меньше спичечной и это при том, что каждая из головок состоит из «канала чтения» и «канала записи». Переключением режимов чтения, записи, а так же выбором активной головки занимается специализированная микросхема, именуемая «коммутатор-предусилитель». Ещё одним немаловажным моментов является то, что у современных жёстких дисков головки "плавают" над поверхностью пластин на расстоянии несколько нанометров, а у самых современных, сделанных по технологии перпендикулярной записи ещё и могут изменять расстояние до магнитной пластины. Такие маленькие расстояния к сожалению очень пагубно сказываются на удароустойчивости современных жёстких дисков. В результате падения, либо сильной тряски магнитные головки могут задеть поверхность магнитных пластин и тогда происходит либо прилипание голов к пластине, либо обрыв магнитных голов, либо просто их повреждение. В некоторых случаях повреждаются и пластины - остаются царапины, которые нельзя отполировать, отшлифовать, программно обойти и т. д. К сидению !!! Подвесы, на которых находятся магнитные головки гибкие и во время работы головки "плавают" только за счёт воздушного потока, создаваемого вращением пластин!!! По этому будьте осторожны при работе с ноутбуком либо портативным жёстким дисков!!!

Характеристика 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.

Форм-фактор — величина, определяющая внешний размер винчестера в целом. Измеряется в обычно в дюймах. До некоторого времени hdd выпускались форм-факторе 5,25 дюймов. Сейчас преобладают размеры 3,5 и 2,5.Форм-фактор 2,5 используется производителями ноутбуков.

Объем данных/емкость - количество данных, которые могут храниться накопителем. Если сравнить заявленный производителем объем и объем, отображаемый компьютером, то можно заметить, что значительное количество памяти куда-то исчезло. Это объясняется тем, что производитель указывает величину неформатированного пространства. После форматирования довольно приличный объем памяти отходит под служебные нужды (таблица хранения файлов). Стоит отметить и тот факт, что тут используется десятичная система счисления (1000Мб=1Гб). Делается это скорее всего по соображениям PR и рекламы.

Интерфейс - совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Реализуется кабелями и портами. В основном это IDE и SATA, для портативных: USB или FireWare интерфейс.

Время доступа - Время от начала операции чтения до момента, когда начинается чтение данных.

Время поиска - Время, необходимое для установки головок на нужную позицию.

Время поиска при переходе на соседнюю дорожку - время перехода головки с первой дорожки на вторую и так далее.

Объем буфера. Для ускорения процессов чтения и записи используется буферизация данных, при которой контроллер диска читает не один сектор, а целую дорожку. Прочитанные данные сохраняются в отдельно выделенном буфере. Объем буфера достигает 2-16 Мб.

Надежность хранения данных - основная характеристика жесткого диска. Определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF), т. е. как средняя продолжительность работы устройства между ремонтами. Винчестер обладает фактором отказа 1 раз за 100 лет. Из этого следует, что hdd есть наиболее надежный источник хранения данных. Стоит сделать примечание. Надежность конкретного диска всегда зависит от условий эксплуатации и конкретного изделия. Нередко производители в спешке выпускают на рынок свосем еще «сырую» продукцию с определенными недочетами. Поэтому, увы, полагаться на жесткий диск не стоит. Без резервных копий.

Скорость вращения - параметр, определяющий число оборотов шпинделя за одну минуту. От этого прямиком зависит время обращения к данным. Обычно для настольных систем годятся параметры 5400/7200/10000. Серверные решения требуют скорости от 15000 об/мин.

Сравнение

Покупатели чаще всего ищут на рынке жёсткие диски с достаточным объёмом, приемлемой производительностью и ценой. Что касается жёстких дисков с популярной ёмкостью 1 Тбайт, сегодня их можно найти в Европе от 70 евро за самые дешёвые модели до 110 евро за накопители корпоративного класса для бизнес-окружений. В России цены начинаются от 2,4 тыс. рублей. Кроме всего прочего, в ассортименте до сих пор можно найти «динозавров» с интерфейсом SATA 3 Гбит/с или кэшем 16 Мбайт, но в работе они часто показывают себя ничуть не хуже современных моделей.

Производитель Hitachi Samsung Seagate

Модель Deskstar 7K1000.C Spinpoint F3 HD103SJ Barracuda

Розничная цена в Европе около 75 евро около 74 евро около 74 евро

Розничная цена в России около 2,6 тыс. рублей

около 3,0 тыс. рублей около 2,5 тыс. рублей

Технические спецификации

Форм-фактор 3,5" 3,5" 3,5"

Ёмкость (информация производителя) 1000 Гбайт (2 пластины) 1000 Гбайт (2 пластины) 1000 Гбайт (1 пластина)

Ёмкость (после форматирования) 931 GiB 931 GiB 931 GiB

Интерфейс SATA 3 Гбит/с SATA 3 Гбит/с SATA 6 Гбит/с

Размер сектора 512 байт 512 байт 4096 байт (4k)

Кэш-память 32 Мбайт 32 Мбайт 64 Мбайт

Скорость вращения шпинделя 7200 об/мин 7200 об/мин 7200 об/мин

Гарантия производителя 3 года 2 года 3 года

Производитель Toshiba

Модель SV-35

Цена в Европе около 97 евро

Цена в России около 3,1 тыс. рублей

Технические спецификации

Форм-фактор 3,5"

Ёмкость (информация производителя) 1000 Гбайт (2 пластины)

Ёмкость (после форматирования) 931 GiB

Интерфейс SATA 3 Гбит/с

Размер сектора 512 байт

Кэш-память 64 Мбайт

Скорость вращения шпинделя 7200 об/мин

Гарантия производителя 5 лет

Производитель Western Digital

Модель Blue

Розничная цена в Европе около 75 евро

Розничная цена в России около 2,8 тыс. рублей

Технические спецификации

Форм-фактор 3,5"

Ёмкость (информация производителя) 1000 Гбайт (1 пластина)

Ёмкость (после форматирования) 931 GiB

Интерфейс SATA 6 Гбит/с

Размер сектора 4096 байт (4k)

Cache 32 Мбайт

Скорость вращения шпинделя 7200 об/мин

Гарантия производителя 2 года

Hitachi 7K1000.C

Накопитель оснащён двумя магнитными пластинами со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин. Ёмкость кэш-памяти 32 Мбайт можно назвать средней. Размер сектора по-прежнему составляет 512 байт, интерфейс используется тоже не самый современный - 3 Гбит/с (SATA 3G). Зато накопители в данном семействе заявлены на работу в режиме 24x7, хотя только "не в критически важных окружениях", то есть не в корпоративной сфере.

Samsung HD103SJ

HD103SJ от Samsung тоже относится к относительно старым моделям: интерфейс работает на скорости 3 Гбит/с, кэш-память составляет 32 Мбайт, скорость вращения шпинделя - 7200 об/мин. Размер сектора тоже старый - 512 байт. Новые жёсткие диски в линейке SpinPoint F3 уже получают модельные номера от Seagate (ST1000DM005), но в продаже ещё можно найти старые модели с модельными номерами Samsung.

Seagate Barracuda

«Морские хищники» Seagate из семейства «Barracuda» после своего выхода на рынок всегда занимали лидирующие места по производительности на настольном сегменте, чему они в немалой степени обязаны спецификациям: мы тестировали модель ST1000DM003 только с одной магнитной пластиной (и с уменьшенным профилем по высоте), что обеспечивает более высокую производительность и меньший уровень энергопотребления и шума. Интерфейс SATA работает на скорости 6 Гбит/с (SATA 6G), что можно назвать вполне современным, как и кэш-память 64 Мбайт. Скорость вращения шпинделя составляет 7200 об/мин, размер сектора увеличен до 4096 байт.

Toshiba MK

Toshiba MK1002TSKB нацелен на корпоративный сегмент, жёсткий диск сертифицирован для работы 24x7. Скорость вращения шпинделя составляет 7200 об/мин, кэш память - 64 Мбайт. Мы протестировали 1-Тбайт версию на двух 500-Гбайт магнитных пластинах, но на рынке также есть 2-Тбайт модель с четырьмя пластинами. Физическая скорость интерфейса ограничена SATA 3G. Toshiba указывает технологии расширенной коррекции ошибок Error Correction (ECC) и Rotational Vibration (RV) для снижения эффекта вибрации.

Western Digital AV-GP

Western Digital AV-GP, как можно догадаться по названию, нацелен на медиа-плееры и системы наблюдения. Производитель указывает сценарии использования жёсткого диска для сферы аудио/видео, включая IPTV, цифровые записывающие устройства видео (DVR) или системы наблюдения. Накопитель сертифицирован под работу в режиме 24x7, как и в случае соответствующей линейки Seagate, у семейства WD AV-GP время наработки на отказ (MTBF) составляет один миллион часов. Интерфейс подключения к системе используется современный SATA 6G, кэш-память - 64 Мбайт, но скорость вращения шпинделя составляет об/мин (технология IntelliPower). Для улучшения производительности и предотвращения износа с одной стороны пластины WD разработала технологии "SilkStream" и " "Preemptive Ware Leveling". Western Digital даёт на жёсткие диски семейства AV-GP гарантию три года.