Сравнительный анализ и оценка возможностей НГМД и НЖМД
Форма 09-д
СовременнАЯ гуманитарнАЯ АКАДЕМИЯ
Направление подготовки / специальность ДОПУСК К ЗАЩИТЕ:
информатика и ВТ Приказ СГА №
от «»200__г.
Бакалаврская работа
Тема: Сравнительный анализ и оценка возможностей НГМД и НЖМД
Студент: _Худенко Юрий Владимирович / /
Ф. И. О. подпись
№ контракта 20610601017 Группа Ин-009-101
Руководитель: _Лещенко Ирина Николаевна / /
Ф. И. О. подпись
Дата представления работы «_1 » __июня__ 2005г.
Москва 2005 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1.Теоретическая глава. Характеристика накопителей на гибких и жестких магнитных дисках 6
1.1. Накопитель на ГМД 6
1.2. Накопители на жестких дисках 11
1.3. Хранение информации на магнитных дисках 14
1.4. Интерфейс гибких и жестких магнитных дисков 19
1.5. Контроллеры гибких и жестких магнитных дисков 27
2. Практическая глава. Общие свойства магнитных носителей 37
2.1. Принцип функционирования накопителя на гибких и жестких магнитных дисках 37
2.2. Работа накопителя 40
2.3. Типы и параметры дискет и дисководов 44
2.4. Описание жестких магнитных дисков 46
Заключение 57
Список сокращений 60
Библиографический список литературы 61
Приложение 64
ВВЕДЕНИЕ
Помимо оперативной памяти, компьютеру необходимо стройство, для долговременного размещения и хранения программ, данных. В персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни, раз превосходит емкость оперативной памяти, и последствия его выхода из строя зачастую оказывается катастрофическими. Для правильной эксплуатации или модернизации компьютера необходимо хорошо представлять себе, что же это такое – накопитель. Накопитель стройства хранения данных, они позволяют сохранять информацию для последующего ее использования независимо от состояния (включен или выключен) компьютера.
Накопители на жестких дисках (Hard Disk Drive) так называемые – винчестеры, по сравнению с дискетами имеют несколько преимуществ: объем записываемой информации многократно превосходит возможности гибких дисков. Скорость чтения/записи также намного больше, высокая надежность. HDD существуют в виде внутренних и внешних (переносных) стройств. Физические размеры винчестеров стандартизированы параметром, называемым форм-фактор. HDD с форм-фактором 3,5” имеют стандартные размеры корпуса 41.6х101х146 мм. Также они имеют несколько стандартных значений высоты 2,6”, 1”,3/4”, 0,5”.
Емкость винчестера, объем данных, которые можно записать должен быть не менее 4-5 Гб, но требования программного обеспечения постоянно растут, поэтому жесткий диск придется менять раз в 1-2 года в зависимости от того насколько интенсивно и с какими целями используется компьютер. Производители дают гарантию надежности стройства, которая обычно составляет 2-5 часов. Наработка винчестера за год составит 8760 часов, что делает этот параметр не важным, так как винчестер морально стареет раньше, чем физически.
Съемные/внешние/переносные жесткие диски по характеристикам не отличаются от обычных. Альтернативой им служат накопители со сменными дисками, в отличии от съемных винчестеров подвижным является лишь непосредственно носитель информации, функционально напоминают накопители на жестких дисках, но существенно превосходят их по характеристикам. Объем записываемой информации помещается от 100 Мб, до 1 Гб, среднее время доступа 10-30 мс, средняя скорость обмена 4-6 Мб/сек.
Накопители на гибких дисках, являются старейшими периферийными
устройствами РС и позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, не используемую постоянно
на компьютере, делать архивные копии программных продуктов, содержащихся на жестком диске. НГМД применялись с первых моделей РС, у которых они были единственным средством хранения и переноса информации. С тех пор эти стройства претерпели изменения, размер дискеты уменьшился почти в два раза, емкость возросла.
Гибкие магнитные диски являются наиболее распространенными носителями информации. Наиболее популярны гибкие диски размером 3,5" (дюйма), (3-дюймовые). Диски называются гибкими потому, что пластиковый диск, расположенный внутри защитного конверта, действительно гнется. Именно поэтому защитный конверт изготовлен из твердого пластика.
Цель данной работы – ответить на ряд вопросов, и сделать сравнительный анализ и оценку применительно к накопителям на жестких и гибких дисках.
Сравнив эти накопители можно сказать, что основным свойством и назначением накопителей информации является хранение и воспроизведение информации, задача жестких накопителей быстро передавать, информацию Ниже приведены критерии, по которым обычно оценивают качество жестких дисков.
· Надежность.
· Быстродействие.
· Противоударная подвеска.
· Стоимость.
Задача накопителей :
· хранение информации в виде файлов.
· непрерывность участка дисковой памяти
· высокая скорость доступа.
Высокая надежность, компактность, небольшие габариты, добство в эксплуатации и низкая стоимость хранения единицы информации являются отличительными особенностями наиболее широко используемых в ПК трех основных типов накопителей : накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) типа «винчестер» и накопители на компакт-дисках CD-ROM.
При написании выпускной квалификационной работы основными источниками литературы были:
Гук М. Аппаратные средства IBM PC., Скотт Мюллер Модернизация и ремонт ПК, Леонтьев В. П. «Новейшая энциклопедия персонального компьютера».
1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ГЛАВА
ХАРАКТЕРИСТИКА НАКОПИТЕЛЕЙ НА ГИБКИХ И ЖЕСТКИХ МАГНИТНЫХ ДИСКАХ
1.1. Накопитель на ГМД
Устройство НГМД включает гибкий магнитный диск, пять основных систем (приводной механизм, механизм позиционирования, механизм центрирования и крепления, систему управления и контроля, систему записи и считывания) и три специальных датчика. Существуют различные виды НГМД. Наиболее широко распространены стройства с диаметром носителя 203мм (8") 133мм (5,25") и 89мм (3,5"). В профессиональных ПЭВМ наиболее часто используют НГМД с диаметром диска 133 и 89мм. Применяются НГМД с односторонней и двусторонней записью. ГДМ представляют собой гибкую пластиковую пластину, на поверхность которой нанесен ферромагнитный материал. Для защиты от механических повреждений и пыли гибкий диск диаметром 89мм помещается в пластиковую кассету, диаметром 133мм - в картонную или из жесткого синтетического материала. Центральным отверстием дискета одевается на усеченный конусообразный вал шпиндель (ступицу), который вращается с постоянной скоростью. В кассете имеется окно овальной формы - отверстие головки вытянутое в радиальном направлении. Через это отверстие магнитная головка прижимается к диску, производя в необходимых местах его поверхности запись - считывание данных контактным способом. Магнитная головка перемещаясь в прорези кассеты позволяет записывать электромагнитным способом данные в виде последовательности бит на концентрические окружности - дорожки. Два небольших выреза на кромке кассеты расположенные симметрично относительно окна головки обеспечивают ее позиционирование и фиксацию в НГМД. Справа от них на кассете имеется прямоугольный вырез, заклеенный специальной светонепроницаемое полоской, который запрещает запись и непреднамеренное стирание. В НГМД имеется специальный датчик обнаруживающий наличие данного выреза.
Гибкий носитель 89мм дискеты помещен в жесткую оболочку из пластмассы. Доступ магнитных головок записи/считывания к носителю осуществляется через скользящую металлическую заслонку на корпусе дискеты. Когда дискета вставляется в дисковод заслонка автоматически смещается. Конструкция данной дискеты имеет ключ (срезанный гол корпуса), предотвращающий ее некорректную становку в дисковод. Приспособление для защиты от записи размещено нижней части дискеты. Для идентификации параметров плотности записи на дискете с левой стороны располагается квадратное отверстие.
Полезная поверхность диска, предназначенная для записи/считывания информации, представляет собой набор дорожек расположенных с определенным шагом. На 133мм дискетах располагаются 40 или 80 дорожек. Нумерация дорожек начинается с внешней стороны (нулевой дорожки) и заканчивается последней внутренней. Позиция дорожки 00 определяется в накопителе с помощью специального фотоэлектрического датчика. Сама дорожка разбивается на отдельные секторы. У 133мм дискеты обычно 8, 9 или 16 секторов на дорожке. Информационная емкость сектора 128, 256, 512 или 1024 байт [7]. Начало частков записи определяется имеющемся на диске и в кассете специальным круглым индексным. отверстием. Когда индексное отверстие при вращении проходит под соответствующим отверстием кассеты еще один специальный фотоэлектрический датчик вырабатывает короткий электрический сигнал, по которому обнаруживается позиция начала дорожки. Дисководы 3,5" работают с двухсторонними дискетами емкостью 512 байт по 9 или 18 секторов на дорожку. Обычно на диске используется 80 дорожек.
Типичный приводной механизм гибкого магнитного диска содержит микродвигатель постоянного тока вращения диска и шпиндель. Обычно скорость вращения 300 или 360 оборотов в минуту (об/мин) [16]. Вращение диска с нужной скоростью обеспечивается сервосистемой.
Позиционирующая система служит для становки магнитной головки точно над определенной дорожкой на поверхности носителя. Перемещение каретки с магнитной головкой в радиальном направлении осуществляется с помощью первичной передачи шагового двигателя при подаче на последний импульсного напряжения.
Механизм центрирования и крепления обеспечивает крепление и прецизионное центрирование дискета с помощью корпусного замка.
Механическая часть системы записи/считывания состоит из магнитных головок с стройствами прижима головок, расположенных на подвижной каретке [18]. стройства прижима механически осуществляют прижим дискеты к головке. Возможен вариант, когда головка прижимается к дискета с помощью соленоида.
Системой правления и контроля правляются и контролируются отдельные механические злы накопителя, процесс записи/считывания и связи с адаптером НГМД. Обычно в профессиональной ЭВМ к одному адаптеру можно подключить несколько НГМД [8].
Для подключения определенных НГМД применяются микропереключатели. Контрольные и управляющие логические схемы служат для сбора информации о характеристиках рабочих состояний НГМД и выдачи соответствующих сообщений.
Электронные схемы системы позиционирования обеспечивают оптимальное по времени позиционирование подвижной каретки с магнитной головкой относительно необходимой дорожки.
Для управления двигателями служат электронные схемы регулирования и силения сигналов, подаваемых на двигатели: шаговый (для привода каретки) и постоянный ток (для привода дискеты). силители записи предназначены для силения сигналов записи, подаваемых на магнитные головки, силители считывания используются для силения считываемых магнитной головкой сигналов и для подготовки их к дальнейшей обработке.
Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов. Как правило, магнитные запоминающие стройства состоят из собственно стройств чтения/записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие стройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д.. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные стройства. Общая технология магнитных запоминающих стройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем частков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек, расположенных по всей плоскости диско идеального вращающегося носителя. Запись производится в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных правляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение полярности напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1[23].
Дисковые стройства делят на гибкие (Floppy Disk) и жесткие (Hard Disk) накопители и носители. Основным свойством дисковых магнитных стройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую. Дисковые стройства, как правило, используют метод записи называемый методом без возвращения к нулю с инверсией (Not Return Zero – NRZ). Запись по методу NRZ осуществляется путем изменения направления тока подмагничивания в обмотках головок чтения/записи, вызывающее обратное изменение полярности намагниченности сердечников магнитных головок и соответственно попеременное намагничивание частков носителя вдоль концентрических дорожек с течением времени и продвижением по окружности носителя [3]. При этом, совершенно неважно, происходит ли перемена магнитного потока/ от положительного направления к отрицательному или обратно, важен только сам факт перемены полярности.
Для записи информации, как правило, используют различные методы кодирования информации, но все они предполагают использование в качестве информационного источника не само направление линий магнитной индукции элементарной намагниченной точки носителя, изменение направления индукции в процессе продвижения по носителю вдоль концентрической дорожки с течением времени. Такой принцип требует жесткой синхронизации потока бит, что и достигается методами кодирования. Методы кодирования данных не влияют на перемены направления потока, лишь задают последовательность их распределения во времени (способ синхронизации потока данных), так, чтобы, при считывании, эта последовательность могла быть преобразована к исходным данным.
1.2. Накопители на жестких дисках
Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель (носители) и стройство чтения/записи, а также, нередко, и интерфейсную часть, называемую собственно контроллером жесткого диска. Типичной конструкцией жесткого диска является исполнение в виде одного стройства - камеры, внутри которой находится один или более дисковых носителей насажанных на один шпиндель и блок головок чтения/записи с их общим приводящим механизмом. Обычно, рядом с камерой носителей и головок располагаются схемы правления головками, дисками и, часто, интерфейсная часть или контроллер. На интерфейсной карте стройства располагается собственно интерфейс дискового стройства, контроллер с его интерфейсом располагается на самом устройстве. С интерфейсным адаптером схемы накопителя соединяются при помощи комплекта шлейфов.
Информация заносится на концентрические дорожки, равномерно распределенные по всему носителю. В случае большего, чем один диск, числа носителей все дорожки, находящиеся одна под другой, называются цилиндром. Операции чтения/записи производятся подряд над всеми дорожками цилиндра, после чего головки перемещаются на новую позицию.
Герметичная камера предохраняет носители не только от проникновения механических частиц пыли, но и от воздействия электромагнитных полей. Необходимо заметить, что камера не является абсолютно герметичной т.к. соединяется с окружающей атмосферой при помощи специального фильтра, равнивающего давление внутри и снаружи камеры. Однако, воздух внутри камеры максимально очищен от пыли, т.к. малейшие частички могут привести к порче магнитного покрытия дисков и потере данных и работоспособности устройства [9].
Диски вращаются постоянно, скорость вращения носителей довольно высокая (от 4500 до 1 об/мин), что обеспечивает высокую скорость чтения/записи. По величине диаметра носителя чаще других производятся 5.25,3.14,2.3 дюймовые диски. На диаметр носителей несменных жестких дисков не накладывается никакого ограничения со стороны совместимости и переносимости носителя, за исключением форм-факторов корпуса ПК, поэтому, производители выбирают его согласно собственным соображениям.
В настоящее время, для позиционирования головок чтения/записи, наиболее часто, применяются шаговые и линейные двигатели механизмов позиционирования и механизмы перемещения головок в целом.
В системах с шаговым механизмом и двигателем головки перемещаются на определенную величину, соответствующую расстоянию между дорожками. Дискретность шагов зависит либо от характеристик шагового двигателя, либо задается серво- метками на диске, которые могут иметь магнитную или оптическую природу [4]. Для считывания магнитных меток используется дополнительная серво головка, для считывания оптических - специальные оптические датчики.
В системах с линейным приводом головки перемещаются электромагнитом, для определения необходимого положения служат специальные сервисные сигналы, записанные на носитель при его производстве и считываемые при позиционировании головок. Во многих стройствах для серво- сигналов используется целая поверхность и специальная головка или оптический датчик. Такой способ организации серво-данных носит название выделенная запись серво- сигналов. Если серво- сигналы записываются на те же дорожки, что и данные и для них выделяется специальный серво- сектор, чтение производится теми же головками, что и чтение данных, то такой механизм называется встроенная запись серво- сигналов. Выделенная запись обеспечивает более высокое быстродействие, встроенная - повышает емкость стройства.
Линейные приводы перемещают головки значительно быстрее, чем шаговые, кроме того они позволяют производить небольшие радиальные перемещения "внутри" дорожки, давая возможность отследить центр окружности серво- дорожки [1]. Этим достигается положение головки, наилучшее для считывания с каждой дорожки, что значительно повышает достоверность считываемых данных и исключает необходимость временных затрат на процедуры коррекции. Как правило, все стройства с линейным приводом имеют автоматический механизм парковки головок чтения/записи при отключении питания устройства.
Парковкой головок называют процесс их перемещения в безопасное положение. Это - так называемое "парковочное" положение головок в той области дисков где ложатся головки. Там, обычно, не записано никакой информации, кроме серво - это специальная "посадочная зона" (Landing Zone). Для фиксации привода головок в этом положении в большинстве ЖД используется маленький постоянный магнит, когда головки принимают парковочное положение - этот магнит соприкасается с основанием корпуса и держивает позиционен головок от ненужных колебаний. При запуске накопителя схема правления линейным двигателем "отрывает" фиксатор, подавая на двигатель, позиционирующий головки, усиленный импульс тока. В ряде накопителей используются и другие способы фиксации - основанные, например, на воздушном потоке, создаваемом вращением дисков. В запаркованном состоянии накопитель можно транспортировать при достаточно плохих физических словиях (вибрация, дары, сотрясения), т.к. нет опасности повреждения поверхности носителя головками. В настоящее время на всех современных стройствах парковка головок накопителей производится автоматически внутренними схемами контроллера при отключении питания и не требует для этого никаких дополнительных программных операций, как это было с первыми моделями.
Во время работы все механические части накопителя подвергаются тепловому расширению, и расстояния между дорожками, осями шпинделя и позиционером головок чтения/записи меняется. В общем случае это никак не влияет на работу накопителя, поскольку для стабилизации используются обратные связи, однако некоторые модели время от времени выполняют рекалибровку привода головок, сопровождаемую характерным звуком, напоминающим звук при первичном старте, подстраивая систему к изменившимся расстояниям.
Плата электроники современного накопителя на жестких магнитных дисках представляет собой самостоятельный микрокомпьютер с собственным процессором, памятью, стройствами ввода/вывода и прочими традиционными атрибутами присущими компьютеру. На плате могут располагаться множество переключателей и перемычек, однако не все из них предназначены для использования пользователем. Как правило, руководства пользователя описывают назначение только перемычек, связанных с выбором логического адреса стройства и режима его работы, для накопителей с интерфейсом SCSI - и перемычки, отвечающие за правление резисторной сборкой (стабилизирующей нагрузкой в цепи).
1.3. Хранение информации на магнитных дисках
Дисковые накопители имеют своей основной механизм, схематически представлены в приложении 1.
Носителем информации является диск (один или несколько), на который нанесен слой вещества, способного намагничиваться (чаще всего ферромагнитный). Хранимую информацию представляет состояние намагниченности отдельных частков рабочей поверхности. Диски вращаются с помощью двигателя шпинделя (spindel motor), обеспечивающего требуемую частоту вращения в рабочем режиме. На диске имеется индексный маркер, который, проходя мимо специального датчика, отмечает начало каждого оборота диска. Информация на диске располагается на концентрических треках (дорожках), нумерация которых начинается с внешнего трека (track 00). Каждый трек разбит на секторы (sector) фиксированного размера. Сектор и является минимальным блоком информации, который может быть записан на диск или считан с него. Нумерация секторов начинается с единицы и привязывается к индексному маркеру. Каждый сектор имеет служебную область, содержащую адресную информацию, контрольные коды и некоторую другую информацию, и область данных, размер которой традиционно составляет 512 байт [6]. Если накопитель имеет несколько рабочих поверхностей (на шпинделе может быть размещен/ пакет дисков, у каждого диска могут использоваться обе поверхности), то совокупность всех треков с одинаковыми номерами составляет цилиндр (cylinder). Для каждой рабочей поверхности в накопителе имеется своя головка (head), обеспечивающая запись и считывание информации. Головки нумеруются, начиная с нуля. Для того чтобы произвести элементарную операцию обмена — запись или чтение сектора, шпиндель должен вращаться с заданной скоростью, блок головок должен быть подведен к требуемому цилиндру, и только когда нужный сектор подойдет к выбранной головке, начнется физическая операция обмена «полезными» данными между головкой и блоком электроники накопителя. Кроме того, головки считывают служебную информацию (адресную и сервисную), позволяющую определить и становить их текущее местоположение. Для записи информации на носитель используются различные методы частотной модуляции, позволяющие кодировать двоичную информацию, намагничивая зоны магнитного слоя, проходящие под головкой. Перемагничивание зоны происходит лишь в том случае, если магнитное поле в ней преодолеет некоторый порог (коэрцитивную силу), свойственный данному носителю. При считывании намагниченные зоны наводят в головке электрический сигнал, из которого декодируется ранее записанная информация. Контроллер накопителя выполняет сборку и разборку блоков информации (секторов или целых треков), включая формирование и проверку контрольных кодов, осуществляет модуляцию и демодуляцию сигналов головок и управляет всеми механизмами накопителя.
Несмотря на кажущуюся простоту конструкции записать и потом достоверно считать информацию с диска не так-то просто. Для записи данных необходимо сформировать последовательный код, который должен быть самосинхронизирующимся: при последующем считывании из него должны извлекаться и данные, и синхросигнал, что позволяет восстановить записанную цепочку битов (этим занимается сепаратор данных — зел дискового контроллера). Кроме того, напомним, что индуктивные считывающие головки воспринимают только факты изменения намагниченности частков трека. Также чтем, что физическое исполнение — магнитные свойства носителя, конструкция головок, скорость движения, «высота полета» головок и т. п. — задает предельно достижимую плотность изменения состояния намагниченности (flux density), которую хотелось бы использовать максимально эффективно. Эта плотность измеряется в количестве зон с различным состоянием намагниченности на дюйм длины трека — FCI (Flux Changes per Inch — изменений потока на дюйм) и в современных накопителях достигает десятков тысяч [20]. Для записи на диск применяют различные схемы кодирования (data encoding scheme), отличающиеся по сложности реализации и эффективности работы. В первых моделях накопителей использовалась частотная модуляция (Frequency Modulation, FM). Здесь для каждого бита данных на треке отводится ячейка с окнами для представления бита и синхросигнала, что весьма неэффективно расходует предел FCI. Более эффективна модифицированная частотная модуляция (Modified Frequency Modulation, MFM), при которой синхросигнал вводится только в процессе кодирования следующих подряд нулевых битов, что позволяет двоить плотность записи при той же плотности изменения потока. Обе схемы (FM и MFM) являются схемами с побитным кодированием. Более эффективны схемы группового кодирования, при которых цепочка байтов данных (сектор) предварительно разбивается на. группы по несколько битов, кодирующихся по определенным правилам. Схема кодирования RLL (Run Length Limited), как это следует из названия (length limited — ограниченная длина), построена на ограничении длины не перемагничиваемых участков трека. Наиболее популярна схема RLL 2.7 — в ней число не перемагничиваемых ячеек лежит в диапазоне от 2 до 7. Для накопителей с высокой плотностью используется схема RLL 1.7, обеспечивающая большую надежность считывания. Существует и схема ARLL (Advanced RLL) — малораспространенный вариант схемы RLL 3.9. Схемы RLL стали работоспособными только при определенном ровне качества (стабильности характеристик), достигнутом в области технологии создания магнитных накопителей. По этим схемам происходит паковка данных и исключение избыточных синхросигналов. Кстати сказать, FM и MFM являются разновидностями RLL: FM эквивалентна RLL O.I; MFM — RLL 1.3. Соотношение полезной плотности записи BPI (Bit Per Inch — битов на дюйм) при одинаковой плотности FCI в популярных схемах кодирования следующее: FM: MFM : RLL 1.7 : RLL 2.7=1:2:2,54:3 [10].
Из-за того что линейная скорость носителя относительно головки на внутренних цилиндрах меньше, чем на внешних, для обеспечения нормальной записи при меньшей скорости приходится применять предварительную компенсацию записи. Для жестких дисков в CMOS Setup имеется параметр WPcom (Write Precompensation) — номер цилиндра, начиная с которого контроллер должен вырабатывать сигнал предварительной компенсации. Для накопителей со встроенным контроллером этот параметр игнорируется, поскольку они сами «знают», как работать со своими дисками.
Как же говорилось, информация на дисках записывается и считывается по секторам, и каждый сектор имеет определенную структуру (формат). В начале каждого сектора имеется заголовок, за которым следует поле данных и поле контрольного кода. В заголовке имеется поле идентификатора, включающее номер цилиндра, головки и собственно сектора. В этом же идентификаторе может содержаться и пометка о дефектности сектора, служащая казанием на невозможность его использования для хранения данных. Достоверность поля идентификатора проверяется с помощью контрольного кода заголовка. Заголовки секторов записываются только во время операции низкоуровневого форматирования, причем для всего трека сразу. При обращении к сектору по чтению или записи заголовок только считывается. Поле данных сектора отделено от заголовка небольшим зазором (gap), необходимым для того, чтобы при операции записи головка (точнее, обслуживающая ее схема) могла спеть переключиться из режима чтения (заголовка) в режим записи (данных). Сектор завершается контрольным кодом поля данных — CRC (Cyclic Redundancy Check — контроль с помощью циклического, избыточного кода) или ЕСС (Error Checking and Correcting — обнаружение и коррекция ошибок). CRC-код позволяет только обнаруживать ошибки,, а ЕСС- код — еще и исправлять ошибки небольшой кратности [24]. В межсекторных промежутках может размещаться серво- информация, служащая для точного наведения головки на трек.
Современные жесткие диски внутренне могут быть организованы несколько иначе, чем в вышеописанной схеме. Индексные датчики теперь не используются — начало трека определяется из считываемого сигнала. Физическая разбивка на секторы (по 512 байт данных, которым предшествует идентификатор) может отсутствовать — группа секторов трека представляет собой единый битовый поток, защищенный избыточным кодированием, из которого вычисляется блок данных, находящийся в требуемой позиции (так называемый ID-less format). Для коррекции данных применяются избыточные коды, позволяющие большинство ошибок исправлять «на лету», не требуя повторного считывания блока данных (и дополнительного оборота диска).
Для того чтобы диск можно было использовать для записи и считывания информации, он должен быть отформатирован. Форматирование может разделяться на два ровня.
§ Низкоуровневое форматирование (LLF — Low Level Formatting) — формирование заголовков и пустых (расписанных заполнителем) полей данных всех секторов всех треков. При форматировании выполняется и верификация (проверка читаемости) каждого сектора, и в случае обнаружения неисправимых ошибок считывания в заголовке сектора делается пометка о его дефектности.
§ Форматирование верхнего ровня заключается в формировании логической структуры диска, соответствующее файловой подсистеме применяемой ОС. Эта процедура выполнима только после низкоуровневого форматирования [22].
Итак, структура трека — последовательность секторов — задается при его форматировании, а начало трека определяется контроллером по сигналу от индексного датчика или иным способом. Нумерация секторов, которая задается контроллеру при форматировании, может быть достаточно произвольной — важно лишь, чтобы все секторы трека имели никальные номера в пределах допустимого диапазона. При обращении к сектору он ищется по идентификатору, если за оборот диска сектор с казанным номером не будет найден, контроллер зафиксирует ошибку Sector Not Found (сектор не найден). Забота о поиске сектора по его заголовку, помещение в его поле данных записываемой информации, снабженной контрольным кодом, также считывание этой информации и ее проверка с помощью CRC- или ЕСС-кода лежит на контроллере накопителя. И конечно же, контроллер правляет поиском затребованного цилиндра и коммутацией головок, выбирая нужный трек.
1.4. Интерфейс гибких и жестких магнитных дисков
На плате электроники, установленной на корпусе НГМД, расположены только схемы правления двигателями, силители-формирователи сигналов записи и считывания и формирователи сигналов от датчиков. Контроллер гибких дисков обычно размещается на системной плате компьютера или же вынесен на специальную карту расширения. НГМД подключается к контроллеру через специальный стандартный интерфейс. Все сигналы являются логическими с ровнями ТТЛ, активный ровень — низкий. Формирователи выходных сигналов накопителя имеют выход типа «открытый коллектор». Интерфейс подразумевает наличие терминаторов — нагрузочных резисторов — для каждой сигнальной линии стройства. Теоретически их предполагалось включать только на последнем дисководе в шлейфе, практически же их никогда и не отключают. Современные трехдюймовые накопители используют «распределенный терминатор» — резисторы с относительно высоким сопротивлением (1-1,5 кОм), постоянно соединяющие входные линии интерфейса с шиной +5 В. Низкие частоты интерфейсных сигналов позволяют не задумываться о точности согласования импеданса шлейфа и сопротивления терминатора. Однако если на шлейфе стоят только старые накопители 5" со снятыми терминаторами, они могут отказаться надежно работать (выходные линии с открытым коллектором останутся без нагрузки).
Логически интерфейс довольно прост. Для того чтобы заставить накопитель работать, его нужно выбрать сигналом Drive Set и запустить мотор шпинделя сигналом Motor On. Для выборки накопитель имеет четыре сигнала DS0, DS1, DS2, DS3, но отзывается только на один из них, определенный становкой джемперов. Только выбранный накопитель воспринимает правляющие сигналы от контроллера и передает контроллеру свои выходные сигналы. О том, что накопитель выбран, свидетельствует светодиодный индикатор на его лицевой панели.
Для перемещения головок на один шаг контроллер должен подать импульс Step, направление перемещения определяется ровнем сигнала Direction: при низком ровне (сигнал активен) перемещение происходит в сторону центра диска (номер трека увеличивается). Нулевой трек контроллер находит, перемещая головки от центра до появления сигнала Track 00. Выбор номера головки производится сигналом Side 1. Начало трека накопитель отмечает импульсом Index, который вырабатывается при прохождении индексного отверстия вращающейся дискеты мимо датчика. Считываемые данные в закодированном (MFM) виде (но силенные и сформированные в ТТЛ - сигнал) поступают от накопителя по линии Read Data. Для включения режима записи служит сигнал Write Gate, закодированные данные в цифровом виде поступают от контроллера по линии Write Data. Если становлена дискета, защищенная от записи, накопитель сообщит об этом сигналом Write Protect. Для снижения тока записи, которое требуется при работе накопителей HD с дискетами DD и QD, предназначен сигнал Reduce Write, его иное название Low Current или FDHDIN. Для переключения головок на вертикальную запись служит сигнал FDEDIN. Оба эти сигнала вырабатываются контроллером, но для самого дисковода они дублируются сигналами от датчиков типа дискеты (сигнал FDEDIN необязателен, дисковод сам переключится по сигналу от датчика). Некоторые модели дисководов позволяют конфигурировать использование датчиков типа дискеты: вместо вышеописанного способа их работы, принятого для PC-совместимых ПК, они могут быть отключены или работать на информирование контроллера. Однако практически все контроллеры сами правляют линиями интерфейса, соответствующими сигналам от этих датчиков. В этом правлении учитывается тип дисковода, описанный в CMOS Setup, и заказанный формат дискеты. Сигнал Reduce Write (низкий ровень) формируется контроллером при любом обращении к дисководу, описанному в CMOS как HD (1,2 или 1,44 Мбайт), для работы с дискетами DD или QD (360 или 720 Кбайт). В некоторых контроллерах этот сигнал формировался, только когда контроллер настраивался на скорость 300 Кбит/с (дискета 360/720 Кбайт в дисководе на 1,2 Мбайт). Такой контроллер может надежно форматировать и записывать дискеты 720 Кбайт в приводе на 1,44 Мбайт только при наличии правильно сконфигурированного датчика HD, иначе все дискеты 3,5" будут записываться с высоким током записи, недопустимым для дискет QD.
Накопители HD при смене дискеты станавливают сигнал Disk Changed, который сбрасывается после обращения к этому накопителю. Этот сигнал заслуживает особого внимания. Он имеется только у дисководов HD и ED, причем использование этого контакта может определяться джемперами дисковода. В PC соответствующий джемпер устанавливается в положение DC (Disk Change). Альтернативное использование этой линии — сигнализация готовности стройства, что может обозначаться как RY, RDY или SR — для PC непригодно.
В интерфейсе нет никаких сигналов, прямо информирующих контроллер о готовности наличии становленной дискеты. Контроллер может определить готовность, лишь выбрав накопитель и запустив мотор. Тогда отсутствие импульсов Index будет означать, неготовность нет дискеты или она не зафиксирована на шпинделе, или же не подключен дисковод (интерфейс или питание) [5]. Наличие дисковода контроллер может определить с помощью команды при ее выполнении дисковод должен подать сигнал Track00.
Все НГМД, применяемые в PC, независимо от типа и размера имеют одинаковый интерфейс и нифицированные 34-контактные разъемы двух типов: с печатными двусторонними ламелями у стройств 5" и двухрядными штырьковыми контактами у стройств 3,5". Используемый в PC кабель-шлейф имеет перевернутый фрагмент из 7 проводов с номерами 10-16 (таблица 1.1). Этот поворот позволяет подключать к контроллеру одним шлейфом до двух НГМД, причем адрес накопителя определяется его положением на шлейфе: для привода А: фрагмент перевернут, для В: — нет. ниверсальный шлейф с пятью разъемами, позволяет подключать пару любых дисководов, которые должны располагаться в разных зонах шлейфа. Некоторые разъемы могут и отсутствовать, что сковывает свободу конфигурирования дисководов. (таблица 1.1) описывает интерфейсный кабель, здесь показано, как сигналы приходят на разные накопители. Направление сигналов (I/O — ввод-вывод) казано относительно контроллера.
Таблица 1.1.
Кабель интерфейса НГМД
| Контроллер | Дисковод В: | Дисковод А: | ||||
|
Контакт |
Сигнал |
I/O |
Контакт |
Сигнал |
Контакт |
Сигнал |
|
2 |
RDHDIN (Reduce Write) |
O |
2 |
Low Current |
2 |
Low Current |
|
4 |
Резерв |
- |
4 |
Резерв |
4 |
Резерв |
|
6 |
FDEDEIN |
- |
6 |
FDEDIN (DS3) |
6 |
FDEDIN (DS3) |
|
8 |
Index |
I |
8 |
Index |
8 |
Index |
|
10 |
Motor On А |
O |
10 |
DSO |
16 |
Motor1 |
|
12 |
Drive Sel 1 |
O |
12 |
DS11 |
14 |
DS2 |
|
14 |
Drive Sel 0 |
O |
14 |
DS2 |
12 |
DS11 |
|
16 |
Motor On В |
O |
16 |
Motor[1] |
10 |
DSO |
|
18 |
Direction |
O |
18 |
Direction |
18 |
Direction |
|
20 |
Step |
O |
20 |
Step |
20 |
Step |
|
22 |
Write Data |
O |
22 |
WData |
22 |
Wdata |
|
24 |
Write Gate |
O |
24 |
WGate |
24 |
Wgate |
|
26 |
Track 00 |
I |
26 |
TROO |
26 |
TROO |
|
28 |
Write Protect |
I |
28 |
WProt |
28 |
WProt |
|
30 |
Read Data |
I |
30 |
RData |
30 |
Rdata |
|
32 |
Side 1 |
O |
32 |
Side 1 |
32 |
Side 1 |
|
342 |
Disk Changed |
I |
34 |
DC |
34 |
DC |
Контроллер НГМД и интерфейсный кабель, принятый в PC, позволяют адресоваться к одному из двух накопителей и включать мотор сигналами Drive Sel 0 и Motor On. А для накопителя А: и сигналами Drive Sel 1 и Motor On В для накопителя В:. При этом на обоих накопителях джемперы станавливаются так, что они отзываются на сигнал DS 1 (контакт 12 разъема). Обычно джемперы на дисководе обозначаются DSO, DS1, DS2, DS3 и следует становить джемпер DS1. Если джемперы обозначаются как DS1, DS2, DS3, DS4, что встречается нечасто, то следует становить DS2. Принятая система выборки позволяет все дисководы конфигурировать однотипно, адрес задавать положением на шлейфе. В некоторых специфических клонах PC задействуют иную систему выборки накопителей и «прямой» кабель-шлейф. При этом используется выборка стройства сигналом DSO, но переключение выборки на эту линию некоторыми накопителями не поддерживается, в результате чего замена накопителей в этих фирменных машинах может стать хлопотным делом, особенно при отсутствии технической документации.
Интерфейсы жестких дисков. Интерфейсом накопителей называется набор электроники, обеспечивающий обмен информацией между контроллером стройства (Кеш - буфером) и компьютером. В настоящее время в настольных ПК IBM-PC, чаще других, используются две разновидности интерфейсов ATAPI - AT Attachment Packet Interface (Integrated Drive Electronics - IDE, Enhanced Integrated Drive Electronics - EIDE) и SCSI (Small Computers System Interface) [19].
Интерфейс IDE разрабатывался как недорогая и производительная альтернатива высокоскоростным интерфейсам ESDI и SCSI. Интерфейс, предназначен для подключения двух дисковых стройств. Отличительной особенностью дисковых стройств, работающих, с интерфейсом IDE состоит в том, что собственно контроллер дискового накопителя располагается на плате самого накопителя вместе со встроенным внутренним кэш-буфером. Такая конструкция существенно прощает стройство самой интерфейсной карты и дает возможность размещать ее не только на отдельной плате адаптера, вставляемой в разъем системной шины, но и интегрировать непосредственно на материнской плате компьютера. Интерфейс характеризуется чрезвычайной простотой, высоким быстродействием, малыми размерами и относительной дешевизной.
На смену интерфейсу IDE пришло детище фирмы Western Digital - Enhanced IDE, или сокращенно EIDE. Это лучший вариант для подавляющего большинства настольных систем. Жесткие диски EIDE заметно дешевле аналогичных по емкости SCSI-дисков и в однопользовательских системах не ступают им по производительности, большинство материнских плат имеют интегрированный двухканальный контроллер для подключения четырех стройств.
Сравнению Enhanced IDE с IDE:
Во-первых, это большая емкость дисков. Если IDE не поддерживал диски свыше 528 мегабайт, то EIDE поддерживает объемы до 8.4 гигабайта на каждый канал контроллера.
Во-вторых, к нему подключается больше устройств - четыре вместо двух. Раньше имелся только один канал контроллера, к которому можно было подключить два IDE стройства. Теперь таких каналов два. Основной канал, который обычно стоит на высокоскоростной локальной шине и вспомогательный.
В-третьих, появилась спецификация ATAPI (AT Attachment Packet Interface) дающая возможность подключения к этому интерфейсу не только жестких дисков, но и других стройств - стримеров и дисководов CD-ROM.
В-четвертых - повысилась производительность. Накопители с интерфейсом IDE характеризовались максимальной скоростью передачи данных на ровне 3 мегабайт в секунду. Жесткие диски EIDE поддерживают несколько новых режимов обмена данными. В их число входит режим программируемого ввода-вывода PIO (Programmed Input/Output) Mode 3 и 4, которые обеспечивают скорость передачи данных 11.1 и 16.6 мегабайт в секунду соответственно. Программируемый ввод-вывод - это способ передачи данных между контроллером периферийного стройства и оперативной памятью компьютера посредством команд пересылки данных и портов ввода/вывода центрального процессора.
В пятых - поддерживается режим прямого доступа к памяти - Multiword Mode 1 DMA (Direct Memory Access) или Multiword Mode 2 DMA и Ultra DMA, которые поддерживают обмен данными в монопольном режиме (то есть когда канал ввода-вывода. в течение некоторого времени обслуживает только одно стройство) [25]. DMA - это еще один путь передачи данных от контроллера периферийного стройства в оперативную память компьютера, от PIO он отличается тем, что центральный процессор ПК не задействуется, и его ресурсы остаются, свободными для других задач. Периферийные стройства обслуживает специальный контроллер DMA. Скорость при этом достигает 13.3 и 16.6 мегабайта в секунду [14], при использовании Ultra DMA и соответствующего драйвера шины - 33 мегабайт в секунду. EIDE-контроллеры используют механизм PIO точно так же, как это делают и некоторые SCSI-адаптеры, но скоростные адаптеры SCSI работают только по методу DMA.
В шестых - расширена система команд управления стройством, передачи данных и диагностики, величен кеш -буфер обмена данными и существенно доработана механика.
Фирмы Seagate и Quantum вместо спецификации EIDE используют спецификацию Fast ATA для накопителей, поддерживающих режимы PIO Mode 3 и DMA Mode 1, работающие в режимах PIO Mode 4 и DMA Mode 2 обозначают как Fast ATA-2.
Интеллектуальный многофункциональный интерфейс SCSI был разработан еще в конце 70-х годов в качестве стройства сопряжения компьютера и интеллектуального контроллера дискового накопителя. Интерфейс SCSI является ниверсальным и определяет шину данных между центральным процессором и несколькими внешними стройствами, имеющими свой контроллер. Помимо электрических и физических параметров, определяются также команды, при помощи которых, стройства, подключенные, к шине осуществляют связь между собой. Интерфейс SCSI не определяет детально процессы на обеих сторонах шины и является интерфейсом в чистом виде [26]. Интерфейс SCSI поддерживает значительно более широкую гамму периферийных стройств.
Сегодня применяются в основном два стандарта - SCSI-2 и Ultra SCSI. В режиме Fast SCSI-2 скорость передачи данных доходит до 10 мегабайт в секунду при использовании 8-разрядной шины и до 20 мегабайт при 16-разрядной шине Fast Wide SCSI-2. Появившийся позднее стандарт Ultra SCSI отличается еще большей производительностью - 20 мегабайт в секунду для 8-разрядной шины и 40 мегабайт для 16-разрядной. В новейшем SCSI-3 величен набор команд, но быстродействие осталось на том же ровне. Все применяющиеся сегодня стандарты совместимы с предыдущими версиями сверху - вниз, то есть к адаптерам SCSI-2 и Ultra SCSI можно подключить старые SCSI-устройства. Интерфейс SCSI - Wide, SCSI-2, SCSI-3 - стандарты модификации интерфейса SCSI [15], разработаны комитетом ANSI. Общая концепция совершенствований направлена на величение ширины шины до 32-х, с величением длинны соединительного кабеля и максимальной скорости передачи данных с сохранением совместимости с SCSI. Это наиболее гибкий и стандартизованный тип интерфейсов, применяющийся для подключения 7 и более периферийных стройств, снабженных контроллером интерфейса SCSI. Интерфейс SCSI остается достаточно дорогим и самым высокопроизводительным из семейства интерфейсов периферийных стройств персональных компьютеров, для подключения накопителя с интерфейсом SCSI необходимо дополнительно станавливать адаптер, т.к. немногие материнские платы имеют интегрированный адаптер SCSI.
1.5. Контроллеры гибких и жестких магнитных дисков
Контроллер накопителей на гибких дисках FDC (Floppy Drive Controller) всегда является внешним по отношению к накопителю и обычно располагается на одной плате с контроллером или адаптером жестких дисков. Программная модель этого контроллера в PC является элементом стандартной спецификации. Все контроллеры обеспечивают совместимость с микросхемой контроллера NEC PD765, которая является аналогом 18272.
Контроллер FDС XT поддерживает до четырех накопителей (FDD), хотя многие контроллеры имеют интерфейсные схемы только для одного шлейфа, то есть для двух накопителей [28]. Эти контроллеры обеспечивают скорость передачи данных 250 Кбит/с, что соответствует плотностям записи SD, DD или QD.
Контроллер FDC AT поддерживает только два накопителя (стало ясно, что за счет гибких дисков объем дисковой памяти величивать. неэффективно), но появилась новая скорость 500 Кбит/с для плотности HD (1,2 и 1,44 Мбайт), также 300 Кбит/с для работы с дискетами SD, DD и QD в приводах HD 5". Современные контроллеры, поддерживающие накопители ED (2,88 Мбайт), должны обеспечивать и скорость 1 Кбит/с. Режимы контроллеров, соответствующие скоростям 250/300, 500 и 1 Кбит/с, обозначаются соответственно М, М и М. В режиме М на одном треке мещается 9 секторов (по 512 байт); для этого при частоте вращения 300 об/мин требуется скорость 250 Кбит/с, при 360 об/мин — 300 Кбит/с. В режиме М при частоте вращения 300 об/мин (у дисководов HD 3,5"). на одном треке мещается 18 секторов, при частоте вращения 360 об/мин (у дисководов HD 5") — 15 секторов. Режим М, похоже, так и останется невостребованным. Выбор скорости задает частоту синхронизации при записи и форматировании, также настраивает цепи сепаратора данных. Сепаратор данных способен стойчиво выделять данные и синхросигнал из сигнала, принятого с головки, лишь при небольших (порядка ±10 %) отклонениях скорости от номинала, поэтому скорость должна быть правильно выбрана для всех операций обмена данными с диском.
В карте ресурсов AT имеется место под два контроллера НГМД:
1. FDC АТ#1 (стандартный или основной) занимает порты с адресами 3F0h-3F7h (как и FDC XT);
2. FDC АТ#2 (дополнительный) занимает порты с адресами 370h-377h.
Контроллеры вырабатывают запрос аппаратного прерывания IRQ6 (в BIOS -прерывание Int OEh) по окончании выполнения внутренних операций. Для обмена данными может использоваться канал DMA2 [27].
дрес регистра состояния FDC 3F7 (377) совпадает с адресом давно неиспользуемого регистра контроллера жесткого диска (HDC), в связи с чем раздельная работа контроллеров FDC и HDC, расположенных на разных платах, проблематична. В нормальном (не диагностическом) режиме из этого регистра интерес представляет только бит 7 — признак смены носителя.
Таблица 1.2.
Назначение регистров контроллера
|
дрес |
Назначения (R- чтение, W- запись) |
|
3F2 (372) |
RW: DOR (Digital Output Register) - регистр правления: · биты [4:7] — включение моторов А, В, С, D: 1 — включен; · бит 3: 1 — разрешение использования DMA2 и IRQ6; · бит 2: 0 — сброс, 1 — разрешение контроллера; · биты [1:0] — номер выбранного привода 0-3; · В AT биты 6, 7 и 1 не используются |
|
3F3 (373) |
RW: TDR (Tape Drive Register) - регистр стримера: биты
[1:0] — номер стройства, которому соответствует
стример; по сбросу станавливается 00, но это означает |
|
3F4 (374) |
R: MSR (Main State Register) — главный регистр состояния: · бит 7 — DQM — запрос: 1 — готов к приему-передаче байта; · бит 6 - DIO - направление данных: 1 - от FDC KCPU; · бит 5 — NON DMA — использование DMA: I — DMA не используется; · бит 4 — CMD BSY: 1 — контроллер занят выполнением команды; · биты [0:3] — привод А:, В:, С:, D: занят (в AT используются только биты 0,1) |
|
3F4 (374)
|
W: DSR[2] (Datarate Select Register) — регистр выбора скорости: · бит 7: 1 — сброс контроллера (обнуляется автоматически); · бит 6: 1 — отключение питания контроллера; · бит 5: должен быть 0(1— разрешение внешней); · биты [4:2] — выбор времени предварительной компенсации записи ( — предварительная компенсация по молчанию); · биты [1:0] — скорость обмена: 00 — 500 кбит/с, 01 — 300 кбит/с, 10 - 250 кбит/с, 11-1 Мбит/с |
|
3F5 (375) |
RW: PR (Data Register) - регистр команд/данных |
|
3F7 (377) |
W: CCR (Configuration Control Register) — регистр параметров контроллера (AT): · биты [7:2] не используются; · биты [1:0] — скорость обмена: 00 — 500 кбит/с, 01 — 300 кбит/с, 10-250 кбит/с, 11-1 Мбит/с |
|
3F7 (377) |
R: DIR (Digital Input Register) — регистр состояния (только в AT): · бит 7: 1 — смена носителя (чтение инвертированной линии DC); · биты [6:0] не используются, при чтении не выводятся на шину данных |
Контроллер НГМД может быть использован и для работы со стримерами; специально для этого в контроллере имеется регистр TDR (Tape Drive Register), пара младших битов которого задает, какому номеру устройства соответствует стример (для него иначе настраиваются цепи сепаратора данных).
Контроллер НГМД поддерживается дисковым сервисом BIOS Int 13h. С контроллером общается и обработчик аппаратного прерывания от таймера IRQO (BIOS Int 08h), который декрементирует счетчик времени работы мотора НГМД (BIOS Data Area, ячейка 0:0440), и по его обнулению отключает мотор. Адрес дисковода, мотор которого включен, в позиционном коде содержит ячейка памяти 0:04Е При каждом обращении к дискете в регистре контроллера станавливается бит включения мотора и в счетчик времени заносится константа, соответствующая выдержке на отключение (по молчанию — 2 с). Таким образом, если в течение этого интервала нет следующих обращений, мотор автоматически выключается (если BIOS отрабатывает аппаратные прерывания от таймера). Не отключающийся мотор может быть косвенным признаком «зависания» компьютера.
Программирование контроллера НГМД для выполнения операций с дискетами — довольно хлопотное занятие, и игнорирование сервисов BIOS и даже ОС оправдано в основном лишь для нетривиальных задач. типа работы с ключевыми дискетами и т. п. С жесткими дисками АТА операции выполняются проще, поскольку многие функции берет на себя встроенный контроллер с развитым интеллектом, и, кроме того, нет необходимости каждый раз задавать параметры под конкретную дискету (ее параметры можно знать только после спеха чтения).
Программное взаимодействие с дисководами осуществляется через контроллер НГМД, который правляет механизмом привода и работает с сигналами головок записи-чтения. Все операции с дискетами выполняются по командам, посылаемым хостом в регистр DR (3F5) согласно состоянию битов регистра MSR (3F4). Запись байта команды или данных в регистр DR разрешается лишь при текущем значении MSR=10b, чтение — при MSR=llb. Для записи-чтения этого регистра приходится использовать отдельные подпрограммы, не только дожидающиеся разрешающих значений MSR, но и имеющие аварийный выход по тайм-ауту. Хост также выполняет запись в регистр DOR (3F2) для запуска-останова дисковода, а также в CCR (3F7) или DSR (3F4) для выбора скорости передачи данных. В операциях обмена данными с дискетами обычно частвует контроллер DMA, и он должен быть своевременно проинициализирован. Сигнал ТС (завершение цикла DMA) используется как признак завершения фазы данных. В общем, виде процедура обмена данными состоит из следующих шагов.
1. Запуск мотора и выбор дисковода (записью в регистр DOR).
2. Установка скорости (записью в регистр CCR).
3. Выполнение команды рекалибровки.
4. Ожидание раскрутки двигателя (если мотор не проработал 0,5 с).
5. Позиционирование головки на требуемый цилиндр.
6. Инициализация контроллера DMA.
7. Посылка команды чтения-записи.
8.Ожидание прерывания от контроллера. Прерывание произойдет, когда за вершится фаза исполнения, во время которой контроллер обычно обменивается данными с хостом. Если за определенное время прерывание не получено, фиксируется неудачная попытка обращения с ошибкой тайм-аута.
9. По прерыванию от контроллера считываются байты результата, и, если ошибок нет, на этом обмен успешно завершается. Если есть ошибки, то снова переходят на шаг 6 (инициализация DMA) и далее повторяют команду чтения-записи. Если за три раза спеха не достигается, выполняется рекалибровка, затем инициализация DMA и повторные попытки чтения-записи. Если спеха не достигается и после нескольких рекалибровок, обмен прекращается аварийно [30].
Контроллер поддерживает команды чтения данных, чтения удаленных данных, чтения трека, записи данных, записи даленных данных, верификации, форматирования трека, рекалибровки, поиска, относительного поиска, чтения прерывания, чтения состояния привода, чтения идентификатора, также служебные. команды спецификации параметров привода, включения перпендикулярного режима (для дискет 2,88 Мбайт), конфигурирования и опроса версии контроллера, блокировки сброса параметров и отладочного считывания регистров. Программный интерфейс контроллера считывает координаты и код размера (С, Н, R, N) из первого спешно считанного идентификатора адреса сектора — с ее помощью можно произвести полный переучет всех секторов на каждом треке. В фазе результата этой команды сообщаются те же 7 байтов, что и у команд чтения -записи. Контроллеры жестких дисков. Собственно контроллер накопителя физически расположен на плате электроники и предназначен для обеспечения операций преобразования и пересылке информации от головок чтения/записи к интерфейсу накопителя. Часто, контроллером называют интерфейс накопителя или интерфейс ПК с накопителем, что, в общем, не верно. Контроллер жестких дисков представляет собой сложнейшее устройство - микрокомпьютер, со своим процессором, ОЗУ и ПЗУ, схемами и системой ввода/вывода и т.п. Однако, в большинстве случаев, производители размещают их в одном или двух микрочипах.
Контроллер занимается множеством операций преобразования потока данных. Так как длинна, дорожек неравна, данные на различные дорожки необходимо записывать неравномерно. Это становится проблемой, по сравнению с гибкими дисками, для носителей с высокой плотностью записи (число дорожек более 1). Простые контроллеры, как правило, записывают одно и тоже количество информации на каждую дорожку, независимо от нее длинны. Для этого контроллер упаковывает данные более плотно, начиная с определенной по счету дорожки. Цилиндр, с которого начинается, более плотная паковка данных называется цилиндром начальной компенсации (Starting Cylinder for Precompensation - SCP). Для компенсации искажения информации при чтении, запись данных производится с предварительным смещением битов, которое учитывает искажения.
Многие производители создают устройства, которые записывают различный объем информации на внутренние и внешние дорожки за счет размещения на них разного числа секторов. Это возможно, благодаря аппаратному скрытию от программ и пользователя физических характеристик стройства на ровне его контроллера или интерфейса (устройства с IDE, EIDE и SCSI интерфейсами). Поэтому, накопители, как правило, имеют различное физическое и логическое число цилиндров.
Также, в силу исторических причин, многие операционные системы, работающие с накопителями на ЖМД через BIOS, разработаны таким образом, что не могут оперировать числом цилиндров более 1024. Поскольку в настоящее время, накопители больших объемов (более Мб) имеют более 1024 физических цилиндра, то применяется программный пересчет, при котором, накопитель определяется его контроллером и процедурами BIOS как имеющий не более 1024 цилиндра, но имеющий некоторое нереальное число головок, поверхностей и секторов. Функция же пересчета для отыскания нужного сектора ложится либо на BIOS ПК, либо на BIOS контроллера, либо на интерфейс [13].
Данные, записываемые в сектора, защищаются от некоторых ошибок чтения/записи при помощи расчета и записи вместе с ними контрольной суммы - кода контроля ошибок (Error Correction Code - ECC). Записывая байты на диск, адаптер. производит накопление циклическим делением входных данных на специальный полином, остатка от деления, который представляет никальную комбинацию бит и записывается контроллером вместе с данными. Число байт ECC для каждого устройства определяется видом используемого полинома. При считывании данных производится аналогичное накопление и расчет контрольной суммы. В случае несовпадения результатов рассчитываемого и хранимого с данными ECC, производится попытка восстановления - коррекции данных при помощи полинома, имеющихся данных и контрольной суммы. Число байт данных, которое может быть скорректировано, определяется порядком используемого полинома. Чем она выше, тем большее количество байт подряд может быть скорректировано, но тем длиннее и сам код ECC. Используются разные полиномы и число байт ECC может быть от 4 до 8 и более. Число же бит информации, требуемое для записи одного байта, зависит от используемого метода кодирования. Необходимо отметить, что восстановление данных при помощи полинома и кода ECC происходит на ровне контроллера и прозрачно для программ и пользователя, однако, на основе процедур BIOS программным путем можно получить информацию о том, была ли произведена процедура коррекции.
Большинство современных накопителей поддерживают режимы работы контроллеров Ultra DMA, DMA2, и PIO. DMA - Direct Memory Access - прямой доступ к памяти - режим взаимодействия контроллера накопителя и интерфейса ПК, при котором обмен данными по интерфейсу осуществляется без частия центрального процессора ПК. Режим DMA позволяет заметно разгрузить процессор по сравнению с режимом PIO (Programmed Input/Output - программный ввод/вывод), при котором все пересылки выполняет непосредственно центральный процессор ПК. Это достигается за счет использования специального контроллера и канала прямого доступа к оперативной памяти ПК, без участи центрального процессора. Все современные накопители могут работать в режиме DMA2, если это поддерживается операционной системой, скорость обмена при этом может достигать, в зависимости от. модели, 16.6 Мб/с. А накопители и системы с поддержкой режима Ultra DMA, при использовании соответствующего драйвера, могут передавать и принимать информацию со скоростью 33.3 Мб/с. Однако, это лишь предельно возможные скорости обмена данными контроллера с буфером накопителя. Реальная же скорость чтения/записи даже в лучших моделях с интерфейсом ATA в настоящее время не превышает 10-11 Мб/с [29]. Основная нагрузка при работе ложится именно на чтение/запись, передача данных в буфер. и из буфера занимает лишь малую часть этого времени, и сам факт перехода на Ultra DMA, как правило, дает прирост лишь в единицы процентов. Но накопители с Ultra DMA, обычно, имеют высокую скорость вращения шпинделя, следовательно - и более высокую скорость чтения/записи.
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ГЛАВА
ОБЩИЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ НОСИТЕЛЕЙ
2.1. Принцип функционирования накопителя на гибких и жестких магнитных дисках
Основой любого дискового устройства является магнитный носитель, имеющий форму диска. поверхность логически разделена на концентрические окружности, отсчет которых у жестких дисков начинается от центра, у гибких дисков - от внешней кромки диска. Каждая такая концентрическая окружность названа дорожкой.
Однако так как двусторонние дискеты и фиксированные диски имеют больше одной поверхности, то для определений местоположения байта данных пользуются трехмерными координатами. Понятие дорожка заменяют понятием цилиндр группа дорожек в одной и той же позиции магнитной головки на всех дисках (пластинах) в одном дисководе определяется разрешающей способностью магнитных головок и вертикальной плотностью носителя, которая измеряется числом дорожек на дюйм (track per inch - TPI).
|
3 |