Т5. Накопители на магнитных и оптических дисках

Тема 5.1 Накопители на гибких и жестких магнитных дисках

Накопитель информации — устройство записи, воспроизведе­ ния и хранения информации, а носитель информации — это пред­ мет, на который производится запись информации (диск, лента, твердотельный носитель).

Накопители на гибких дисках

Для записи и считывания информации с ГМД используются периферийные устройства ПК — дисководы (Floppy Dick Drive).

Конструктивно дисковод состоит из механических и электронных узлов: рабочего двигателя, рабочей головки , шагового двига теля и управляющей электроники.

Рабочий двигатель включается тогда, когда в дисковод вставлена дискета. Двигатель обеспечивает постоянную скорость вращения дискеты: для дисковода 3,5"— 300 об/мин. Время запуска двигателя — около 400 мс.

Рабочие головки служат для чтения и записи информа ции и располагаются над рабочей поверхностью дискеты. Поскольку обычно дискеты являются двухсторонними, т.е. имеют две рабо чие поверхности, одна головка предназначена для верхней, а другая — для нижней поверхности дискеты.

Шаговые двигатели обеспечивают позиционирование и движение рабочих головок. Именно они издают характерный звук уже при включении ПК, перемещая головки для проверки работоспособности привода.

Управляющие электронные элементы дисковода чаще всего размещаются с его нижней стороны. Они выполняют функции передачи сигналов к контроллеру, т. е. отвечают за пре образование информации, которую считывают или записывают головки.

В качестве посредника между дисководом и ПК служит кон­троллер. В современных ПК на материнских платах контроллер уже установлен. Он интегрирован в одну из микросхем Chipset , а на материнской плате имеется специальный разъем для подключе­ния кабелей. Современные котроллеры поддерживают два FDD ,обеспечивают скорость обмена данными до 62 Кбайт/с для стан­дартных накопителей на дисках 3,5".

Дискеты ( Floppe Disk Driver , сокращенно Floppy ) формата 3,5" являются современными носителями информации для приводов FDD.

Накопители на жестких магнитных дисках

Первый накопитель на жестких дисках (Hard Disk Drive — HDD) был создан в 1973 г. по технологии фирмы IBM.

Конструкция и принцип действия

Несмотря на большое разнообразие моделей винчестеров прин­ цип их действия и основные конструктивные элементы одинаковы. На рисунке 5 показаны основные элементы конструкции накопите­ ля на жестком диске:

· магнитные диски;

· головки чтения/записи;

· механизм привода головок;

· двигатель привода дисков;

· печатная плата с электронной схемой управления.

Типовой накопитель состоит из герметичного корпуса (гермо блока) и платы электронного блока. В гермоблоке размещены все механические части, на плате — вся управляющая электроника. Внутри гермоблока установлен шпиндель с одним или несколь­ кими магнитными дисками. Под ними расположен двигатель. Бли­ же к разъемам, с левой или правой стороны от шпинделя нахо­ дится поворотный позиционер магнитных головок. Позиционер соединен с печатной платой гибким ленточным кабелем (иногда одножильными проводами).

Гермоблок заполняется воздухом под давлением в одну атмос­ феру. В крышках гермоблоков некоторых винчестеров имеется спе­ циальное отверстие, заклеенное фильтрующей пленкой, которое служит для выравнивания давления внутри блока и снаружи, а также для поглощения пыли.

Рисунок 5 - Основные элементы конструкции накопителя на жестких дисках

Габаритные размеры винчестеров стандартизованы по парамет­ ру, называемому формфактор ( Form -Factor ). Например, все HDD с формфактором 3,5" имеют стандартные размеры корпуса 41,6x101x146 мм.

Подложки магнитных дисков первых винчестеров из­ готовлялись из алюминиевого сплава с добавлением магния. В со­временных моделях в качестве основного материала для дисковых пластин используется композиционный материал из стекла и ке­ рамики с малым температурным коэффициентом расширения, что делает их менее восприимчивыми к изменениям температу­ры, более прочными. Магнитные диски выпускаются следующих размеров: 3,5"; 5,25"; 2,5"; 1,8".

Диски покрываются магнитным веществом - рабочим слоем. Он может быть либо оксидный, либо на основе тонких пленок.

Головки чтения/записи предусмотрены для каждой сто­роны диска. Когда накопитель выключен, головки касаются диска. При раскручивании дисков возрастает аэродинамическое давле­ние воздуха на головки, что приводит к их отрыву от рабочих поверхностей дисков. Чем ближе располагается головка к повер­хности диска, тем выше амплитуда воспроизводимого сигнала.

Механизм привода головок обеспечивает перемеще­ние головок от центра дисков к краям и фактически определяет надежность накопителя, его температурную стабильность и виб­рационную устойчивость. Все существующие механизмы привода головок делятся на два основных типа: с шаговым двигателем и подвижной катушкой.

Двигатель привода дисков приводит пакет дисков во вращение, скорость которого в зависимости от модели находится в пределах 3600 — 7200 об/мин (т.е. головки движутся с относи­тельной скоростью 60 — 80 км/ч). Скорость вращения дисков не­которых винчестеров достигает 15 000 об/мин. Жесткий диск вра­щается непрерывно даже тогда, когда не происходит обращения к нему, поэтому винчестер должен быть установлен только верти­кально или горизонтально.

Печатная плата с электронной схемой управ­ления и прочие узлы накопителя (лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными. На пе­чатной плате монтируются электронные схемы управления двига­телем и приводом головок, схема для обмена данными с кон­троллером. Иногда контроллер устанавливается непосредственно на этой плате.

Вопросы для самоконтроля:

1. Накопители на гибких дисках. Конструкция, принцип действия, основные компоненты, технические характеристики FDD;

2. Логическая структура дискет;

3. Накопители на жестких магнитных дисках. Конструкция и принцип работы HDD, форм-факторы, типы;

4. Основные характеристики и режимы работы накопителей на жестких магнитных дисках. Контроллеры и подключение HDD;

5. Современные модели накопителей;

6. Логическая структура жесткого диска;

7. Форматирование жестких дисков;

8. Утилиты обслуживания жестких магнитных дисков.

Тема 5.2 Приводы CD - R ( RW ). DVD - R ( RW )

Приводы CD-ROM

CD-ROM — компакт-диск (CD), предназначенный для хране­ния в цифровом виде предварительно записанной на него инфор­мации и считывания ее с помощью специального устройства, называемого CD-ROM-driver, — дисковода для чтения компакт-дисков.

Процесс изготовления CD-дисков включает несколько этапов.

На первом этапе создается информационный файл для последу­ющей записи на носитель. На втором этапе с помощью лазерного луча производится запись информации на носитель, в качестве которого используется стеклопластиковый диск с покрытием из фоторезистивного материала. Информация записывается в виде последовательности расположенных по спирали углублений (штри­хов), как показано на рисунке 6. Глубина каждого штриха-пита (pit) равна 0,12 мкм, ширина (в направлении, перпендикулярном плос­кости рисунка) — 0,8 — 3,0 мкм. Они расположены вдоль спираль­ной дорожки, расстояние между соседними витками которой со­ставляет 1,6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков/дюйм (625 витков/мм). Длина штрихов вдоль дорожки записи колеблет­ ся от 0,83 до 3,1 мкм.

Рисунок 6 - Геометрические характеристики компакт-диска (а) и его поперечное сечение (б)

На следующем этапе производятся проявление фоторезистивного слоя и металлизация диска. Изготовленный по такой техно­логии диск называется мастер-диском. Для тиражирования ком­пакт-дисков с мастер-диска методом гальванопластики снимает­ся несколько рабочих копий. Рабочие копии покрываются более прочным металлическим слоем (например, никелем), чем мас­тер-диск, и могут использоваться в качестве матриц для тиражи­рования CD -дисков до 10 тыс. шт. с каждой матрицы. Тиражирова­ние осуществляется методом горячей штамповки, после которой информационную сторону основы диска, выполненную из поли­карбоната, подвергают вакуумной металлизации слоем алюминия и диск покрывают слоем лака. Диски, выполненные методом го­рячей штамповки, в соответствии с паспортными данными обес­печивают до 10 000 циклов безошибочного считывания данных. Толщина CD -диска 1,2 мм, диаметр — 120 мм.

Привод CD - ROM содержит следующие основные функциональ­ные узлы:

· загрузочное устройство;

· оптико-механический блок;

· системы управления приводом и автоматического регулиро­ вания;

· универсальный декодер и интерфейсный блок.

На рисунке 7 дана конструкция оптико-механического блока при­вода CD - ROM , который работает следующим образом. Электро­механический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Оптико-механический блок обеспечивает перемещение оптико-механической головки считывания порадиусу диска и считывание информации. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч (типовая длина волны 780 нм, мощность излучения 0,2 — 5,0 мВт), который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется линзой на поверхности диска. Серводвигатель по командам, по­ступающим от встроенного микропроцессора, перемещает под­вижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму, которая направляет луч на вторую фоку­сирующую линзу. Далее луч попадает на фотодатчик, преобразую­щий световую энергию в электрические импульсы. Сигналы с фо­тодатчика поступают на универсальный декодер.

Рисунок 9 - Конструкция оптико-механического блока привода CD - ROM

Системы автоматического слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считы­ вания информации. Сигнал с фотодатчика в виде последователь­ности импульсов поступает в усилитель системы автоматического регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы поступают в системы автоматического регулирования: фокуса, радиальной подачи, мощности излучения лазера, линей­ной скорости вращения диска.

Универсальный декодер представляет собой процессор для об­работки сигналов, считанных с CD . В его состав входят два декоде­ ра, оперативное запоминающее устройство и контроллер управле­ния декодером. Применение двойного декодирования дает возмож­ность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт. Оперативное запоминающее устройство выполняет функцию бу­ферной памяти, а контроллер управляет режимами исправления ошибок.

Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых дан­ных в аналоговые сигналы, фильтра нижних частот и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудиоинформа­ции ЦАП преобразует закодированную информацию в аналого­вый сигнал, который поступает на усилитель с активным фильт­ром низких частот и далее на звуковую карту, которая связана с наушниками или акустическими колонками.

Ниже приводятся эксплуатационные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе CD -ROM применительно к кон­ кретным задачам.

Скорость передачи данных ( Data Transfer Rate — DTK) — Максимальная скорость, с которой данные пересылаются от но­сителя информации в оперативную память компьютера. Высокая скорость передачи данных привода CD - ROM необхо­дима прежде всего для синхронизации изображения и звука. При недостаточной скорости передачи возможны пропуск кадров ви­деоизображения и искажение звука.

Качество считывания характеризуется коэффици­ ентом ошибок ( Eror Rate ) и представляет собой вероятность получения искаженного информационного бита при его считыва­нии.

Среднее время доступа ( Access Time — AT ) — это вре­ мя (в миллисекундах), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные.

Объем буферной памяти — это объем оперативного запоминающего устройства привода CD - ROM , используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (кэш-память) представляет собой устанавлива емые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения счи­танных данных.

Средняя наработка на отказ — среднее время в ча­ сах, характеризующее безотказность работы приводаCD - ROM .

В процессе развития накопителей на оптических дисках разра­ ботан целый ряд основных форматов записи информации на CD .

Формат CD - DA ( Digital Audio ) — цифровой аудио-компакт диск со временем звучания 74 мин.

Формат ISO 9660 — наиболее распространенный стандарт ло­гической организации данных.

Формат High Sierra ( HSG ) предложен в 1995,г. и обеспечивает чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660, с помо­щью приводов всех типов, что привело к широкому тиражирова­ нию программ на CDи способствовало созданию компакт-дис­ ков, ориентированных на различные операционные системы.

Формат Photo - CD разработан в 1990— 1992 гг. и предназначен для записи на CD , хранения и воспроизведения статической ви­деоинформации в виде высококачественных фотоизображений. Диск формата Photo - CD вмещает от 100 до 800 фотоизображений соответствующих разрешений — 2048 х 3072 и 256 х 384, а также сохраняет звуковую информацию.

Любой диск CD - ROM , содержащий текст и графические дан­ ные, аудио- или видеоинформацию, относится к категории муль­ тимедиа. Мультимедиа CD существуют в различных форматах для различных операционных систем: DOS , Windows , OS /2, UNIX , Macintosh .

Формат CD - I ( Jntractive ) разработан для широкого круга пользо­ вателей как стандарт мультимедийного диска, содержащего раз­ личную текстовую, графическую, аудио- и видеоинформацию. Диск формата CD - Iпозволяет хранить видеоизображение со звуковым сопровождением (стерео) и длительностью воспроизведения до 20 мин.

Формат CD - DV ( Digital Video ) обеспечивает запись и хранение высококачественного видеоизображения со стереозвуком в течение 74 мин. При хранении обеспечивается сжатие по методу MPEG -1 ( Motion PictureExpert Group).

Чтение диска возможно с использованием аппаратного или программного декодера стандарта MPEG .

Формат 3 DO разработан для игровых приставок.

Приводы CD - ROM могут работать как со стандартным интер­фейсом для подключения к разъему IDE ( E -IDE ), так и с высо­коскоростным интерфейсом SCSI .

Самые популярные дисководы CD - ROM в России — изделия с торговыми марками Panasonic , Craetive ,Samsung , Pioneer , Hitachi , Teac , LG .

Накопители DVD

Решение проблемы увеличения емкости оптических носителей информации на базе совершенствования технологии производ­ства CD и приводов, а также имеющихся научно-технических ре­шений в области высококачественного цифрового видео привело к созданию CD -дисков повышенной емкости.

Качество изображения, хранимого в формате DVD , соизмеримо с качеством профессиональных студийных видеозаписей, причем качество звука также не уступает студийному. Считывание звуко­ вой информации в формате DVD производится со скоростью 384 Кбайт/с, что позволяет организовать многоканальное звуко­вое сопровождение.

Такие возможности дисков формата DVD обусловлены улуч­шенными параметрами рабочей поверхности дисков. Так же как и CD , диск формата DVD имеет диаметр 120 мм. В приводе DVD используется полу­проводниковый лазер с длиной волны излучения в видимой об­ласти 0,63 — 0,65 мкм. Такое снижение длины волны (по сравне­нию с 0,78 мкм у обычного CD -привода) обеспечило возмож­ ность уменьшения размеров штрихов записи (пит) практически в два раза, а расстояние между дорожками записи — с 1,6 до 0,74 мкм.Питы располагаются по спирали, как на виниловых долгоигра­ ющих пластинках.

Приводы DVD - ROM поставляются как с аппаратным декоде­ ром MPEG -2 в виде карты расширения для шины PCI , так и с программным декодером. Записывающие DVD - R и перезаписы­ вающие дисководы DVD -RW способны работать с однослойными односторонними дисками емкостью до 4,7 — 5,2 Гбайт при скоро­сти записи информации около 1 Мбайт/с.

Вопросы для самоконтроля:

1. Приводы CD- R, ( RW), принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики;

2. DVD- R ( RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.

Тема 5.3 Магнитооптические накопители. Накопители на магнитных дисках. Внешние устройства хранения информации

Магнитооптический (МО) привод представляет собой нако­питель информации, в основу которого положен магнитный но­ ситель с оптическим (лазерным) управлением.

Технология изготовления магнитооптического диска состоит в следующем. На стеклопластиковую подложку наносится алюми­ниевое (либо золотое) покрытие, обеспечивающее отражение лазерного луча. Диэлектрические слои, окружающие с двух сто­рон магнитооптический слой, изготовлены из прозрачного поли­мера и защищают диск от перегрева, повышают чувствительность при записи и отражающую способность при считывании инфор­мации. Магнитооптический слой создается на основе порошка из сплава кобальта, железа и тербия. Свойства такого покрытия ме­няются как при температурном воздействии, так и при действии магнитного поля. Если нагреть диск свыше определенной темпе­ратуры, возможно изменение магнитной поляризации посредством небольшого магнитного поля. Верхний защитный слой из про­зрачного полимера, выполненный методом ультрафиолетового от­верждения, предохраняет рабочую поверхность от механических повреждений. Благодаря такой технологии и помещению в специ­альный пластиковый конверт — картридж, магнитооптические диски обладают повышенной надежностью и не боятся воздей­ствия неблагоприятных условий окружающей среды.

Запись данных на МО-диск производится с использованием лазерной технологии. Луч лазера, сфокусированный на поверх­ности магнитооптического слоя в пятно с диаметром около 1 мкм, направляется в магнитооптический слой и нагревает его в точке фокусировки до температуры точки Кюри (около 200 °С). При этой температуре резко падает магнитная проницаемость, и изменение магнитного состояния частиц выполняется относитель­но небольшим по величине магнитным полем магнитной головки. После охлаждения материала магнитная ориентация доменов в данной точке сохраняется. В зависимости от магнитной ориента­ции участка магнитного материала он интерпретируется как ло­гический нуль или логическая единица. Данные записываются бло­ками по 512 байт.

Для изменения части информации в блоке необходимо переза­писывать его полностью, поэтому при первом проходе инициали­зируется (разогревается) весь блок, а при подходе сектора под магнитную головку происходит запись новых данных.

Считывание данных с диска происходит поляризованным ла­ зерным лучом пониженной мощности, которой недостаточно для разогрева рабочего слоя: мощность лазера при считывании состав­ляет 25 % мощности лазера при записи. Попадание луча на упоря доченно ориентированные при записи данных магнитные части­ цы диска приводит к тому, что их магнитное поле незначительно изменяет поляризацию луча, т.е. наблюдается эффект Керра.

Стандартные емкости МО-дисков: односторонних дисков 3,5" — 128, 230 и 640 Мбайт, двухсторонних — 600 и 650 Мбайт. Диски размером 5,25" выпускаются емкостью от 1,7 до 4,6 Гбайт.

Быстродействие МО-накопителей ниже, чем накопителей со сменными магнитными носителями, хотя быстродействие новых моделей неуклонно возрастает. Одна из причин сравнительно низ­кого быстродействия МО-накопителей заключается в том, что скорость вращения диска всего 2000 об/мин. Кроме того, в МО-накопителях используется довольно массивная головка чтения/ записи, совмещающая в одном устройстве оптический и магнит­ный узлы.

Среднее время доступа к данным в МО-накопителях около 30 мс, а гарантийный срок работы (средняя наработка на отказ) — 75 000 ч.

Технология магнитооптической записи непрерывно совершен­ствуется. Несколько фирм выпускают МО-накопители с частотой вращения МО-диска 3600 об/мин, но их стоимость довольно вы­сока. Лидерами рынка накопителей на МО-дисках являются ком­пании Sony , Fujitsu и Hewlett - Packard .

Магнитооптические диски и накопители большинства фирм- изготовителей соответствуют требованиям международных стан­дартов, выпускаются как в виде встраиваемых устройств, так и вовнешнем автономном исполнении с интерфейсами IDE и SCSI .

Помимо обычных дисководов широкое распространение полу­ чили так называемые оптические библиотеки с автоматической сменой дисков, емкость которых достигает сотен гигабайт и даже нескольких терабайт. Время автоматической смены диска — не­сколько секунд, а время доступа и скорость обмена данными —такие же, как у обычных дисководов.

Накопители на магнитной ленте

Накопители на магнитной ленте применяются в системах ре­ зервного копирования. Резервное копирование данных необходи мо, если емкость используемого накопителя на жестких дисках невелика и при этом на нем хранится много программ; результа­ты работы представлены большими массивами данных; отсутствует свободное место на жестком диске.

В качестве устройств записи данных на магнитную ленту (стри­меров) сначала использовались катушечные накопители, анало­гичные бытовым катушечным магнитофонам. В 1972 г. фирма ЗМ разработала первую кассету размером 15x10x1,6 см, предназна­ченную для хранения данных. Внутри кассеты находились две ка­тушки, на которые лентопротяжным механизмом наматывалась лента в процессе чтения/записи. В 1983 г. был выпущен первый стандартный QIC ( Quarter - Inch - Catridge — накопитель на магнит­ной ленте), емкость которого составляла 60 Мбайт. Запись данных производилась на девяти дорожках, а магнитная лента имела дли­ну около 90 м. В дальнейшем был разработан стандарт на мини-кассеты (формат МС). Габариты мини-кассеты, согласно этому стандарту, 8,25 х 6,35 х 1,5 см. Основу магнитного слоя лентQIC составляет оксид железа.

Внешние устройства хранения информации

При современных объемах программного обеспечения и раз­ мерах файлов носитель информации на гибких дисках емкостью всего 1,44 Мбайт не в состоянии обеспечить обмен данными меж­ду PC и тем более не может использоваться для хранения резерв­ ных копий и архивов.

Решение этой проблемы связано с созданием таких накопите­лей, как LS -120, SyQuest , Zip , Jaz , МО, ORBи др. Важнейшим параметром оценки этих устройств является совместимость с FDD , т.е. способность устройства читать и записывать данные на гибкий диск 3,5" емкостью 1,44 Мбайт. Все перечисленные устройства не­совместимы с FDD , поскольку работают только со своими дис­ ками. Исключение составляет дисковод LS -120, который в состо­ янии читать кроме своих дискет емкостью 120 Мбайт стандартныедискеты емкостью 1,44 Мбайт.

Дисководы LS -120 выпускаются фирмами как внешние уст­ройства с интерфейсом LPT или внутренние с интерфейсом IDE . Несомненным преимуществом дисковода LS -120 является высо­кая емкость дискеты (120 Мбайт) при достаточно низкой цене накопителя с интерфейсом IDE . При этом скорость чтения/запи­ си в несколько раз выше, чем у FDD (80— 100 Кбайт/с в DOS и 200 — 300 Кбайт/с в Windows по сравнению с 60 Кбайт/с у FDD ). Дисководы LS -120 являются магнитными накопителями инфор­мации и имеют такие же недостатки, как и все магнитные носи­ тели информации: чувствительность к магнитным полям, пыли имеханическим деформациям.

Сменные жесткие диски используются при необходимости раз­мещения больших объемов данных на малогабаритных носителях. У сменного винчестера переносным является не только носитель информации, но и весь дисковод, который вынимается из своих направляющих в корпусе ПК. Чаще всего это IDE диски, которые устанавливаются в корпус компьютера. Для извлечения дисковода на передней панели имеется специальная ручка. С обратной его стороны находится адаптер, который обычно обеспечивает сило­вое питание и связь для приема/передачи данных. Использование сменного жесткого диска такого рода для частого обмена инфор­мацией между удаленными ПК не дает желаемых результатов в связи с недостаточной защищенностью от внешних воздействий, возникающих при их транспортировке. Рекомендуется использо­вать сменные жесткие диски главным образом для целей архиви­рования данных.

Вопросы для самоконтроля:

1. Накопители на компакт – дисках: форматы записи информации, процесс изготовления CD – дисков, накопители с однократной и многократной записью.

2. Магнитооптические накопители: принципы работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.

3. Логическая структура и формат магнитооптических дисков.

4. Накопители на магнитных лентах.

5. Принцип размещения информации на магнитных лентах. Конструкция лентопротяжных механизмов. Структура данных на магнитных лентах.

6. Устройства записи считывания информации с магнитных лент. Катриджы с магнитными лентами. Современные модели стримеров.

7. Внешние устройства хранения информации: флэш- накопители, ZIP-накопители. Принцип работы и основные технические характеристики.