Принцип работы накопителей на жестких дисках (НЖМД)

Самым необходимым компонентом компьютера является накопитель на жестком магнитном диске. Он предназначен для хранения данных, и последствия его выхода из строя зачастую оказываются катастрофическими.

Основными элементами накопителя являются несколько круглых алюминиевых или некристаллических стекловидных пластин. Внешний вид НЖМД показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – Внешний вид НЖМД со снятой крышкой

 

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), как показано на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Дорожки и сектора на жестких дисках

В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные записываются на обеих сторонах каждого из них. Во многих накопителях есть два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах). Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рисунок 3). 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.

 

Рисунок 3 – Цилиндры накопителя на жестких дисках

 

Частота вращения дисков составляет от 7200 об/мин и может быть 10000 и 15000 об/мин. Накопители со скоростью вращения 10000 или 15000 об/мин используются обычно в высокоэффективных рабочих станциях или серверах, для которых высокая стоимость жестких дисков, повышенное тепловыделение и шум не играют существенной роли. Высокие скорости вращения жесткого диска в сочетании с механизмами быстрого позиционирования головок и увеличенным количеством секторов, содержащихся на каждой дорожке, являются теми факторами, которые определяют общую производительность жесткого диска.

При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются 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, вращающимся “на полном ходу”. Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. 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. Этот механизм был впервые использован в 2,5 – дюймовых накопителях портативных компьютеров, для которых устойчивость к механическим воздействиям играет весьма важную роль. 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.

 

Конструкция НЖМД

Основные узлы НЖМД

Существует много различных типов накопителей на жестких дисках, но практически все они состоят из одних и тех же основных узлов. Конструкции этих узлов, а также качество используемых материалов могут быть различными, но основные их рабочие характеристики и принципы функционирования одинаковы. К основным элементам конструкции типичного накопителя на жестком диске относятся следующие (рисунок 4):

1 диски;

2 головки чтения/записи;

3 механизм привода головок;

3 двигатель привода дисков;

4 печатная плата со схемами управления;

5 кабели и разъемы;

6 элементы конфигурации (перемычки и переключатели).

Рисунок 4 – Основные узлы НЖМД

 

Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA (печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали), являются съемными.

Диски

Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. За прошедшие годы установлен ряд стандартных размеров накопителей, которые определяются в основном размерами дисков:

1. 5,25 дюйма (на самом деле — 130 мм, или 5,12 дюйма);

2. 3,5 дюйма (на самом деле — 95 мм, или 3,74 дюйма);

3. 2,5 дюйма (на самом деле — 65 мм, или 2,56 дюйма);

4. 1,8 дюйма (на самом деле — 48 или 1,89 дюйма);

5. 1 дюйм (на самом деле — 34 мм, или 1,33 дюйма).

В большинстве накопителей устанавливается минимум два диска, хотя в некоторых моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается физическими размерами накопителя, а именно высотой его корпуса. Самое большое количество дисков в накопителях формата 3,5 дюйма равно 11.

Раньше почти все диски производились из алюминиевого сплава, довольно прочного и легкого. Но со временем возникла потребность в накопителях, сочетающих малые размеры и большую емкость. Поэтому в качестве основного материала для дисков стало использоваться стекло, а точнее, композитный материал на основе стекла и керамики. Один из таких материалов называется MemCor и производится компанией Dow Corning. Он значительно прочнее, чем каждый из его компонентов в отдельности. Стеклянные диски отличаются большей прочностью и жесткостью, поэтому их можно сделать в два раза тоньше алюминиевых. Кроме того, они менее восприимчивы к перепадам температур, т.е. их размеры при нагреве и охлаждении изменяются весьма незначительно.

Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются следующие типы рабочего слоя: оксидный, тонкопленочный, двойной антиферромагнитный (antiferromagnetically coupled — AFC).

8.2.3 Головки чтения/записи

В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно.

Конструкция каркаса с головками довольно проста. Каждая головка установлена на конце рычага, закрепленного на пружине и слегка прижимающего ее к диску.

Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается, и они отрываются от рабочих поверхностей (“взлетают”). Когда диск вращается на полной скорости, зазор между ним и головками может составлять 0,5–5 микродюймов и даже больше.

В начале 1960 – х годов величина зазора между диском и головками составляла 200–300 микродюймов; в современных накопителях она достигает 10 нм или 0,4 микродюйма.

Именно поэтому сборка блоков HDA выполняется только в чистых помещениях, соответствующих требованиям класса 100 (или даже более высоким). Это означает, что в одном кубическом футе воздуха может присутствовать не более 100 пылинок размером до 0,5 мкм. Для сравнения: стоящий неподвижно человек каждую минуту выдыхает порядка 500 таких частиц! Поэтому помещения оснащаются специальными системами фильтрации и очистки воздуха. Блоки HDA можно вскрывать только в таких условиях.

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 гигантских магниторезистивных моделей.

Механизм привода головок

Еще одной важной деталью накопителя является механизм, который устанавливает их в нужное положение и называется приводом головок. Именно с его помощью головки перемещаются от центра к краям диска и устанавливаются на заданный цилиндр. Существует много конструкций механизмов привода головок, но их можно разделить на два основных типа:

1. с шаговым двигателем;

2. с подвижной катушкой.

Тип привода во многом определяет быстродействие и надежность накопителя, достоверность считывания данных, его температурную стабильность, чувствительность к выбору рабочего положения и вибрациям.

Приводы с шаговым двигателем обычно использовались на жестких дисках емкостью до 100 Мбайт и менее, которые создавались в 1980 – х и в начале 1990 – х годов. Во всех накопителях, имеющих более высокую емкость, используются приводы с подвижной катушкой. Накопители с приводами на основе шаговых двигателей гораздо менее надежны, чем устройства с приводами от подвижных катушек. Одна из самых серьезных проблем для механизмов с шаговыми двигателями — нестабильность их температур. При нагреве и охлаждении диски расширяются и сжимаются, в результате чего дорожки смещаются относительно своих прежних положений. Поскольку механизм привода головок не позволяет сдвинуть их на расстояние, меньшее одного шага (переход на одну дорожку), компенсировать эти погрешности температур невозможно. Головки перемещаются в соответствии с поданным на шаговый двигатель количеством импульсов.

В отличие от систем с шаговыми двигателями, в которых перемещение головок осуществляется вслепую, привод с подвижной катушкой использует сигнал обратной связи, чтобы можно было точно определить положения головок относительно дорожек и скорректировать их в случае необходимости. Такая система обеспечивает более высокое быстродействие, точность и надежность, чем традиционный привод с шаговым двигателем.

На рисунке 5 показана стандартная конструкция механизма привода головок с подвижной катушкой.

 

Рисунок 5 – Головки чтения/записи и поворотный привод с подвижной катушкой

 

В типичной конструкции привода подвижная катушка жестко соединяется с блоком головок и размещается в поле постоянного магнита. Катушка и магнит никак не связаны между собой; перемещение катушки осуществляется только под воздействием электромагнитных сил. При появлении в катушке электрического тока она так же, как и в громкоговорителе, смещается относительно жестко закрепленного постоянного магнита, передвигая при этом блок головки. Подобный механизм оказывается весьма быстродействующим и не столь шумным, как привод с шаговым двигателем.

В отличие от привода с шаговым двигателем, в устройствах с подвижной катушкой нет заранее зафиксированных положений. Вместо этого в них используется специальная система наведения (позиционирования), которая точно подводит головки к нужному цилиндру (поэтому привод с подвижной катушкой может плавно перемещать головки в любые положения). Эта система называется сервоприводом и отличается от ранее рассмотренной тем, что для точного наведения (позиционирования) головок используется сигнал обратной связи, несущий информацию о реальном взаимном расположении дорожек и головок. Эту систему часто называют системой с обратной связью (или с автоматической регулировкой).

Колебания температур не сказываются на точности работы привода с подвижной катушкой и обратной связью. При сжатии и расширении дисков все изменения их размеров отслеживаются сервоприводом, и положения головок (не будучи предопределенными) корректируются должным образом. Для поиска конкретной дорожки используется заранее записанная на диске вспомогательная информация (сервокод), и в процессе работы всегда определяется реальное положение цилиндра на диске с учетом всех отклонений температур. Поскольку сервокод считывается непрерывно, в процессе нагрева накопителя и расширения дисков, например, головки отслеживают дорожку и проблем со считыванием данных не возникает. Поэтому привод с подвижной катушкой и обратной связью часто называют системой слежения за дорожками.

Механизмы привода головок с подвижной катушкой бывают двух типов: линейный и поворотный.

Линейный привод (рисунок 6) перемещает головки по прямой, строго вдоль линии радиуса диска. Катушки располагаются в зазорах постоянных магнитов. Главное достоинство линейного привода состоит в том, что при его использовании не возникают азимутальные погрешности, характерные для поворотного привода. (Под азимутом понимается угол между плоскостью рабочего зазора головки и направлением дорожки записи.) При перемещении с одного цилиндра на другой головки не поворачиваются, и их азимут не изменяется.

 

Рисунок 6 – Линейный привод с подвижной катушкой

 

Однако линейный привод имеет существенный недостаток: его конструкция слишком массивна. Чтобы повысить производительность накопителя, нужно снизить массу приводного механизма и самих головок. Чем легче механизм, тем с б о льшими ускорениями он может перемещаться с одного цилиндра на другой. Линейные приводы намного тяжелее поворотных, поэтому в современных накопителях они не используются.

Поворотный привод(рисунок 5) работает по тому же принципу, что и линейный, но в нем к подвижной катушке крепятся концы рычагов головок. При движении катушки относительно постоянного магнита рычаги перемещения головок поворачиваются, передвигая головки к оси или к краям дисков. Благодаря небольшой массе такая конструкция может двигаться с большими ускорениями, что позволяет существенно сократить время доступа к данным. Быстрому перемещению головок способствует и тот факт, что плечи рычагов делаются разными: то, на котором смонтированы головки, имеет б о льшую длину.

К недостаткам этого привода следует отнести то, что головки при перемещении от внешних цилиндров к внутренним поворачиваются и угол между плоскостью магнитного зазора головки и направлением дорожки изменяется. Именно поэтому ширина рабочей зоны диска (зоны, в которой располагаются дорожки) оказывается зачастую ограниченной (для того чтобы неизбежно возникающие азимутальные погрешности оставались в допустимых пределах). В настоящее время поворотный привод используется почти во всех накопителях с подвижной катушкой.

При выключении питания с помощью контактной парковочной системы (Contact Start Stop — CSS) рычаги с головками опускаются на поверхности дисков. Накопители способны выдержать тысячи “взлетов” и “посадок” головок, но желательно, чтобы они происходили на специально предназначенных для этого участках поверхности дисков, на которых не записываются данные.

При этих взлетах и посадках происходит износ (абразия) рабочего слоя, так как из-под головок вылетают “клубы пыли”, состоящие из частиц рабочего слоя носителя; если же во время взлета или посадки произойдет сотрясение накопителя, то вероятность повреждения головок и дисков существенно возрастет. Более современные накопители, использующие механизм загрузки/разгрузки, включают в себя наклонную пластину, установленную непосредственно над внешней поверхностью жестких дисков, что позволяет избежать контакта между головками и жесткими дисками даже при отключении накопителя. После прекращения подачи напряжения накопитель с механизмом загрузки/разгрузки автоматически “паркует” головки на наклонной пластине.

Одним из преимуществ привода с подвижной катушкой является автоматическая парковка головок. Когда питание включено, головки позиционируются и удерживаются в рабочем положении за счет взаимодействия магнитных полей подвижной катушки и постоянного магнита. При выключении питания поле, удерживающее головки над конкретным цилиндром, исчезает, и они начинают бесконтрольно скользить по поверхностям еще не остановившихся дисков, что может стать причиной повреждений. Для того чтобы предотвратить возможные повреждения накопителя, поворотный блок головок подсоединяется к возвратной пружине. Когда компьютер включен, магнитное взаимодействие обычно превосходит упругость пружины. Но при отключении питания головки под воздействием пружины перемещаются в зону парковки до того, как диски остановятся. По мере уменьшения частоты вращения дисков, головки с характерным потрескиванием “приземляются” именно в этой зоне.

Таким образом, чтобы в накопителях с приводом от подвижной катушки привести в действие механизм парковки головок, достаточно просто выключить компьютер; никакие специальные программы для этого не нужны. В случае внезапного отключения питания головки паркуются автоматически.

Воздушные фильтры

Почти во всех накопителях на жестких дисках используется два воздушных фильтра: фильтр рециркуляции и барометрический фильтр. В отличие от сменных фильтров, которые устанавливались в старых накопителях больших машин, они располагаются внутри корпуса и не подлежат замене в течение всего срока службы накопителя.

Фильтр рециркуляции в блоке HDA предназначен только для очистки внутренней “атмосферы” от небольших частиц рабочего слоя носителя, которые, несмотря на все предпринимаемые меры, все же осыпаются с дисков при взлетах и посадках головок (а также от любых других мелких частиц, которые могут проникнуть внутрь HDA). Поскольку накопители персональных компьютеров герметизированы и в них не происходит перекачки воздуха снаружи, они могут работать даже в условиях сильного загрязнения окружающего воздуха (рисунок 7).

Рисунок 7 – Циркуляция воздуха в накопителе на жестком диске

 

Выше отмечалось, что блок HDA герметичен, однако это не совсем так. Внешний воздух проникает внутрь HDA сквозь барометрический фильтр, так как это необходимо для выравнивания давления изнутри и снаружи блока.

По мере изменения атмосферного давления воздух выходит из накопителя или наоборот — проникает в него сквозь вентиляционное отверстие, чтобы выровнять давление снаружи и внутри устройства. Тем не менее, это не приводит к загрязнению “атмосферы” внутри накопителя. Дело в том, что барометрический фильтр, установленный на этом отверстии, способен задерживать частицы размером более 0,3 мкм, что соответствует стандартам чистоты атмосферы внутри блока HDA. В некоторых устройствах используются более плотные (тонкие) фильтры, позволяющие задерживать еще более мелкие частицы.

Шпиндельный двигатель

Двигатель, приводящий во вращение диски, часто называют шпиндельным (spindle). Шпиндельный двигатель постоянного тока всегда связан с осью вращения дисков, никакие приводные ремни или шестерни для этого не используются. Двигатель должен быть бесшумным: любые вибрации передаются дискам и могут привести к ошибкам при считывании и записи.

Частота вращения двигателя должна быть строго определенной. Обычно она колеблется от 7200 до 15000 об/мин или больше, а для ее стабилизации используется схема управления двигателем с обратной связью (автоподстройкой), позволяющая добиться необходимой точности. Таким образом, контроль за частотой вращения двигателя осуществляется автоматически, и никакие устройства, позволяющие сделать это вручную, в накопителях не предусмотрены.

В большинстве накопителей шпиндельный двигатель располагается в нижней части, под блоком HDA. Однако во многих современных устройствах он встраивается внутрь блока HDA и представляет собой центральную часть блока дисков – носителей. Такая конструкция позволяет, не изменяя размера накопителя по вертикали, увеличить количество дисков в блоке (в “стопке”).

Плата управления

В каждом накопителе, в том числе и на жестких дисках, есть хотя бы одна плата. На ней монтируются электронные схемы для управления шпиндельным двигателем и приводом головок, а также для обмена данными с контроллером (представленными в заранее оговоренной форме). В накопителях IDE и SATA контроллер устанавливается непосредственно в накопителе, а для накопителей SCSI необходимо использовать дополнительную плату расширения.

Довольно часто неисправности возникают не в механических узлах накопителей, а в платах управления. Поэтому многие неисправные накопители можно отремонтировать, заменив лишь плату управления, а не все устройство. Однако, ни один производитель накопителей не реализует платы управления отдельно. Поэтому единственная возможность получить плату управления — приобрести идентичный функционирующий накопитель и заменить поврежденные элементы деталями, снятыми с накопителя.

Кабели и разъемы

В большинстве накопителей на жестких дисках предусмотрено несколько интерфейсных разъемов для подключения к системе, подачи питания, а иногда и для заземления корпуса. Как правило, накопители имеют, по меньшей мере, три типа разъемов:

1 интерфейсный разъем (или разъемы);

2 разъем питания;

3 разъем (или зажим) для заземления (необязательно).

Наибольшее значение имеют интерфейсные разъемы, потому что через них передаются данные и команды в накопитель и обратно. Многие стандарты интерфейсов предусматривают подключение нескольких накопителей к одному кабелю (шине). Естественно, в этом случае их должно быть не меньше двух; в интерфейсе SCSI допускается подключение до семи накопителей к одному кабелю (Wide SCSI – 2 поддерживает до 15 устройств). В некоторых стандартах (например, в ST – 506/412 или ESDI) для данных и управляющих сигналов предусмотрены отдельные разъемы, поэтому накопитель и контроллер соединяются двумя кабелями, однако большинство современных устройств SCSI ATA и Serial ATA подключаются с помощью одного кабеля.

В большинстве накопителей используются два напряжения питания (5В и 12В), но малогабаритным моделям, разработанным для портативных компьютеров, достаточно напряжения 5В. Как правило, от источника в 12В питается схема управления шпиндельным двигателем и привод головок, а напряжение 5В поступает на прочие схемы.

Зажим для заземлениянеобходим для того, чтобы обеспечить надежный контакт между общим проводом накопителя и корпусом системы. В компьютерах, где накопители крепятся непосредственно к корпусу с помощью металлических винтов, специальный провод заземления не нужен. В некоторых компьютерах накопители монтируются на пластмассовых или стеклотекстолитовых направляющих, которые, естественно, электрически изолируют корпус накопителя от корпуса системы. В этом случае их обязательно нужно соединить дополнительным проводом, подключаемым к упомянутому зажиму. При плохом заземлении накопителя возникают сбои в его работе, ошибки при считывании и записи и т.п.

 

Характеристики НЖМД

НЖМД имеют три основные характеристики: емкость, быстродействие, надежность.

Емкость определяет максимальное количество бит, которое может быть записано на диск.

В современных системах нехватка свободного места приводит к возникновению самых разных проблем, связанных главным образом с тем, что операционная система Windows и прикладные программы используют большой объем дискового пространства для виртуальной памяти и хранения временных файлов. Выход Windows за пределы емкости жесткого диска практически всегда приводит к неустойчивой работе системы, сбоям и потере данных.

Величина емкости используемого жесткого диска зависит в первую очередь от выбранного интерфейса. Каждому стандарту присущи определенные ограничения, но в целом емкость накопителей ATA всегда была ниже, чем емкость накопителей с интерфейсом SCSI.

Первый накопитель АТА, созданный в 1986 году, имел ограничение максимальной емкости в 137Гбайт (65536 х l6 х 255 секторов). Различные версии BIOS еще больше ограничивали максимальную емкость жестких дисков, которая в системах, скомпонованных до 1998 года, достигала 8,4Гбайт, а в системах, созданных до 1994 года, — 528Мбайт. Ограничение емкости накопителей АТА в 137Гбайт осталось даже после того, как был найден способ, позволивший решить проблемы, связанные с BIOS. Это ограничение удалось успешно преодолеть с помощью спецификации ATA – 6, опубликованной в 2001 году. Стандарт ATA – 6 расширил схему адресации, используемую накопителем ATA, что позволило увеличить емкость накопителей до 144Пбайт (петабайт, или квадрильон байт), которые составляют в общей сложности 248 секторов. Подобное решение позволяет создавать накопители, емкость которых превышает указанное ограничение в 137Гбайт. Разумеется, любой накопитель с емкостью более 137Гбайт по своей природе должен соответствовать стандарту ATA – 6.

Важным параметром накопителя на жестком диске является его быстродействие. Этот параметр для разных моделей может варьироваться в широких пределах. Быстродействие накопителя можно оценить по двум параметрам: скорости передачи данных (data transfer rate), среднестатистическому времени поиска (average seek time).

В настоящее время для каждого дисковода могут быть определены сразу несколько скоростей передачи данных. Основная проблема состоит в том, что производители накопителей часто указывают в документации до семи различных скоростей передачи, относящихся к тому или иному дисководу. Наименее важной, вероятно, является максимальная скорость передачи интерфейса, которая в современных накопителях АТА равна 100/133 Мбайт/с или 150 Мбайт/с для накопителей Serial ATA.

Наличие минимального и максимального значений скорости передачи носителя связано с использованием в современных накопителях так называемой зонной записи данных. В этом случае количество секторов, приходящихся на каждую дорожку внутренних цилиндров, будет меньше, чем в наружных. Как правило, жесткий диск разделен на 16 или более зон, причем количество секторов на каждой дорожке (а следовательно, скорость передачи данных) во внутренних зонах примерно вдвое меньше, чем во внешних. Скорость вращения жесткого диска практически постоянна, поэтому скорость считывания данных из внешних цилиндров примерно вдвое выше, чем из внутренних.

Существует определенное различие между формальной и фактической скоростями передачи данных. Формальная скорость определяет, насколько быстро биты (единицы емкости памяти) могут быть считаны с поверхности жесткого диска. Далеко не все биты являются битами данных (это может быть промежуток между секторами или идентификаторы битов). Кроме того, следует учитывать время, затрачиваемое при поиске данных на перемещение головок с дорожки на дорожку. Таким образом, фактическая скорость передачи данных представляет собой реальную скорость считывания данных с диска или их записи на диск.

Обратим внимание, что большинство производителей указывают только фактическую скорость передачи, которая, как показывают несложные вычисления, составляет примерно три четвертых от полной скорости передачи данных. Это связано с тем, что пользовательские данные на каждой дорожке составляют примерно три четверти всех имеющихся данных, определенная часть которых используется управляющими модулями или представляет собой код коррекции ошибок (ЕСС), идентификатор (ID) и другие служебные данные.

Существует два основных фактора, непосредственно влияющих на скорость передачи данных: скорость вращения диска и плотность линейной записи, или количество секторов на дорожке. Например, при равном количестве секторов на дорожке скорость передачи данных будет выше у дисковода, имеющего б о льшую скорость вращения. По аналогии с этим, при равной скорости вращения накопитель с большей плотностью записи будет иметь б о льшую скорость передачи.

Как следует из этого примера, скорость передачи интерфейса никакого значения не имеет. В сущности, ни один из накопителей не позволяет передавать данные быстрее, чем со скоростью 66 Мбайт/с (даже из внешних цилиндров), причем увеличение скорости передачи интерфейса на производительность накопителя практически не влияет. При прочих равных условиях жесткий диск, вращающийся с более высокой частотой, имеет более высокую скорость передачи данных, которая не зависит от скорости передачи интерфейса.

Фактическую скорость передачи НЖМД можно определить по формуле (4.1):

 

MTR = SPT x 512 x RPM/60/1000000                        (4.1)

 

где: SPT (Sector Per Track) – количество секторов на дорожку;

    512 – количество байтов данных в каждом секторе;

    RPM (Rotations Per Minute) – частота вращения дисков (оборотов в минуту);

    60 – количество секунд в минуте.

Например, накопитель IBM Deskstar 120GXP, скорость вращения которого равна 7200 об/мин, содержит в среднем 688 секторов на дорожке. Средняя скорость передачи носителя для данного накопителя определяется следующим образом:

 

688 х 512 х (7200/60)/1000000 = 42,27 Мбайт/с.

 

Используя эту формулу, можно вычислить реальную скорость передачи данных любого жесткого диска. Для этого достаточно знать скорость вращения и среднее количество секторов на дорожке.

Быстродействие накопителя зависит от среднего времени позиционирования и времени ожидания.

Среднее время позиционирования - это время, обычно измеряемое в миллисекундах (мс), которое необходимо для перемещения головки от одного цилиндра к другому, на какое – либо произвольное расстояние. Один из способов, позволяющий определить эту величину, состоит в многократном выполнении операций поиска той или иной дорожки и последующем делении затраченного времени на количество выполненных операций. Этот метод позволяет вычислить среднее время, необходимое для выполнения одной операции поиска дорожки.

Стандартный метод, используемый различными изготовителями для определения среднего времени позиционирования, состоит в измерении времени, затрачиваемого головками для перемещения на расстояние, равное одной трети радиуса всех цилиндров. Среднее время позиционирования зависит непосредственно от конструкции жесткого диска; тип интерфейса или контроллера практически никак не влияет на этот параметр. Величина среднего времени позиционирования говорит в первую очередь о возможностях механизма привода головки.

Временем ожидания называется среднее время (в миллисекундах), необходимое для перемещения головки к указанному сектору после достижения определенной дорожки. В среднем эта величина равна половине времени, которое требуется для одного оборота жесткого диска. При увеличении частоты вращения диска вдвое время ожидания уменьшится наполовину.

Время ожидания является одним из факторов, определяющих скорость чтения и записи накопителя. Уменьшение времени ожидания (чего можно достичь только при повышении частоты вращения) сокращает время доступа к данным или файлам. В таблице 1 приведены наиболее распространенные частоты вращения жестких дисков и соответствующие величины времени ожидания.

 

Таблица 3 - Зависимость времени ожидания от скорости вращения                         жестокого диска

Оборотов в минуту	Оборотов в секунду	Время ожидания
3600 4200 5400 7200 10000 15000	60 70 90 120 167 250	8,33 7,14 5,56 4,17 3,00 2,00

 

В настоящее время скорость вращения многих накопителей достигает 7200 об/мин, чему соответствует время ожидания, равное всего лишь 4,17мс. При увеличении частоты вращения до 10000 или даже 15000 об/мин время ожидания уменьшается и становится равным, соответственно, 3 и 2мс. Увеличение частоты вращения накопителя приводит не только к повышению его эффективности, что выражается в уменьшении времени доступа к данным, но и к увеличению скорости передачи данных, считанных головкой из указанных секторов.

 

Сумма среднего времени позиционирования и времени ожидания дает среднее время доступа к данным, которое обычно выражается в миллисекундах.

Величина среднего времени доступа (среднее время позиционирования плюс время ожидания) представляет собой среднее количество времени, необходимое накопителю для обращения к произвольно расположенному сектору.

Большинство современных контроллеров включают встроенный кэш той или иной разновидности, которому не нужно перехватывать и использовать прерывания BIOS. Кэширование осуществляется на аппаратном уровне.

Во многих накопителях ATA и SCSI кэш – память расположена непосредственно во встроенном контроллере. Большинство современных накопителей АТА имеют встроенную кэш – память объемом 2Мбайт; во многих высокоэффективных накопителях АТА объем кэш – памяти достигает 8 Мбайт. Как правило, накопители SCSI имеют кэш – память объемом 8Мбайт, а в некоторых из них установлен кэш объемом 16Мбайт. В былые времена 1 или 2Мбайт оперативной памяти хватало для всей системы. Сейчас же некоторые 3,5 – дюймовые накопители имеют до 16Мбайт кэш – памяти, которая встраивается прямо в накопитель.

Несмотря на то, что программное и аппаратное кэширование данных позволяет существенно повысить производительность накопителей при обычных операциях считывания и записи, реальная (физическая) скорость передачи данных определяется только конструкцией самого устройства.

Лабораторная работа 10

Исследование конструкции и принципа работы НОД

1 Цель работы:

1.1 Исследовать конструкцию и принцип работы НОД

 

2 Литература:

2.1 Гуров В.В. Архитектура и организация ЭВМ [Электронный ресурс] / В.В. Гуров, В.О. Чуканов. — 2-е изд. — Электрон. текстовые данные. — М.: Интернет-Университет Информационных Технологий (ИНТУИТ), 2016. — 183 c. — 5-9556-0040-X. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/73706.html.

2.2 Гуров В.В. Основы теории и организации ЭВМ [Электронный ресурс] / В.В. Гуров, В.О. Чуканов. — Электрон. текстовые данные. — М.: Интернет-Университет Информационных Технологий (ИНТУИТ), 2016. — 173 c. — 5-9556-0040-X. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/62819.html.

2.3 Лошаков С. Периферийные устройства вычислительной техники [Электронный ресурс] / С. Лошаков. — Электрон. текстовые данные. — М.: Интернет-Университет Информационных Технологий (ИНТУИТ), 2016. — 419 c. — 2227-8397. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/62822.html

2.4 Сычев А.Н. ЭВМ и периферийные устройства [Электронный ресурс]: учебное пособие / А.Н. Сычев. — Электрон. текстовые данные. — Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2016. — 113 c. — 2227-8397. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/72218.html

2.5 Приложение к данной лабораторной работе.

 

3 Используемое оборудование:

3.1 ПЭВМ.

3.2 НОД.

4 Задание:

4.1 Изучить основные конструктивные узлы и принцип работы НОД.

4.2 Исследовать работу НОД.

4.3 Ответить на контрольные вопросы.

 

5 Порядок выполнения работы:

5.1 Открыть НОД и изучить его основные конструктивные узлы.

5.2 Подключить лабораторный НОД к лабораторной ПЭВМ и посмотреть принцип работы накопителя в процессе работы.

5.3 По завершению работы собрать НОД и сдать его преподавателю.

 

6 Содержание отчета:

6.1 Название и цель лабораторной работы.

6.2 Характеристики НОД.

6.3 Структурная схема НОД, назначение узлов и принцип работы.

6.4 Ответы на контрольные вопросы.

 

7 Контрольные вопросы:

7.1 Дайте сравнительную характеристику технологиям CD и DVD.

7.2 В виде чего записывается информация на оптический диск?

7.3 Поясните структуру записи данных на диск CD и DVD.

7.4 Поясните принцип коррекции ошибок в DVD технологии.

7.5 За счет чего существует возможность перезаписи информации на оптический диск?

7.6 Какие виды DVD дисков бывают? В чем их конструктивная особенность? Их характеристики.

 

Приложение