Накопители на магнитных лентах

Следующая статья: Файловые системы - как устроены

Содержание

• Накопители на магнитных дисках (МД)
• Технология НМД
• Характеристики НЖМД
• Таблица характеристики НЖМД
• Возможности повышения емкости и ограничения

Накопители на магнитных дисках (МД)

В НМД предусмотрена аналогичная НМЛ возможность последовательного доступа к информации. Накопитель на магнитных дисках сочетает в себе несколько устройств последовательного доступа, причем сокращение времени поиска данных обеспечивается за счет независимости доступа к записи от ее расположения относительно других записей.

Технология НМД

Конструкция НМД сложнее, чем у НМЛ, а следовательно, выше их стоимость. В НМД в качестве носителей данных используется пакет магнитных дисков (или плоттеров), закрепленных на одном стержне, вокруг которого они вращаются с постоянной скоростью. Поверхность магнитного диска, покрытая ферромагнитным слоем, называется рабочей.

Первые подобные устройства были оборудованы сменными пакетами МД. Вставленные в кожух с герметически закрывающимся поддоном, они образовывали компактные единицы хранения, именуемые томами. Наиболее распространенными емкостями томов были 7.25, 29.100 Мбайт. Оператор ставил пакет на шпиндель устройства, снимал кожух (при этом пакет автоматически фиксировался на шпинделе) и включал двигатели раскрутки пакета. После достижения определенной скорости вращения осуществляется ввод в пространство между дисками пакета блока магнитных головок («гребенки»). Принцип размещения головок - плавающий, поскольку они удерживаются на необходимом расстоянии от поверхности диска расходящимися потоками воздуха, возникающими при вращении пакета. В дальнейшем в основном применялись или полноконтактные головки (гибкие диски), или механически фиксируемые в вакууме на определенном расстоянии от поверхности («винчестер»). Попытки использовать жидкие среды (различные масла) для обеспечения необходимого размещения головок успеха не имели.

Накопители на жестких МД

• а - НМД ЕС 5061 (прототип IBM 2311 - сменные и съемные пакеты дисков - 29 Мбайт);
• б - «винчестер» (несменные и несъемные пакеты дисков - до 100 Гбайт)

Количество магнитных головок равно числу рабочих поверхностей на одном пакете дисков. Если пакет состоит из 11 дисков, то механизм доступа состоит из 10 держателей с двумя магнитными головками на каждом из них. Совокупность дорожек, к которым имеется доступ при фиксированном положении блока, называется цилиндром. Держатели магнитных головок объединены в единый блок таким образом, чтобы обеспечить их синхронное перемещение вдоль всех цилиндров. Фиксируя блок механизма доступа на каком-либо из цилиндров, можно сделать переход с одной дорожки на другую данного цилиндра путем электронного переключения головок.

Любая операция чтения (записи) информации с (на) магнитного диска состоит из трех этапов. На первом этапе происходит механический подвод магнитной головки к дорожке, содержащей требуемые данные. На втором этапе обеспечивается ожидание момента, пока требуемая запись не окажется в зоне магнитной головки. На третьем этапе осуществляется собственно процесс обмена информацией между вычислительной машиной и магнитным диском. Таким образом, общее время, затрачиваемое на операцию записи-считывания, состоит из суммы времен поиска соответствующей дорожки, ожидания подвода записи (так называемое время ротационного запаздывания) и обмена с ЭВМ. Максимальное значение времени ротационного запаздывания равно времени, за которое совершается полный оборот магнитного диска.

Размещение данных на пакете МД

• а - обычная
• б - зонная
• в - запись

Существует несколько способов физического сохранения данных на жестком диске. Обычные жесткие диски используют «вертикальное» отображение. Данные записываются сначала на одном цилиндре сверху вниз, затем головки переходят на другой цилиндр и так далее. При «горизонтальном» отображении сначала данные записываются последовательно от цилиндра к цилиндру на поверхности одного диска, затем также на поверхности следующего платтера и так далее Такой способ лучше подходит для записи непрерывного высокоскоростного потока данных, например при записи «живого» видео.

Способы размещения данных на НМЖД

• а - «вертикальное» отображение;
• б - «горизонтальное» отображение;
• в - комбинированный способ отображения, использующий как «вертикальный», так и «горизонтальный» способы оно имеет большее сопротивление и позволит делать диски тоньше чем алюминиевые аналоги.

Механизм герметически запечатан в корпус с частичным вакуумом внутри. Эту конструкцию часто называют главным дисковым агрегатом (HDA). Среда внутри жесткого диска должна быть очищена от пыли, для этого воздух, попадающий в HDA, пропускается через специальные фильтры. Двигатель, вращающий диск с постоянной скоростью, измеряемой в оборотах в минуту (rpm), включается при подаче питания на диск и остается включенным до снятия питания.

Между пластинами существует расстояние для читающей/записывающей головки, установленной на конце двигающегося рычага. Головка удалена от пластины на долю миллиметра. В первых системах эта дистанция составляла 0.2 миллиметра, на сегодняшний день она сокращена до 0.07 миллиметров. Поэтому малейшее загрязнение может разрушить головку, сблизив ее с диском, а также повредить магнитное покрытие диска.

Головки рассчитаны таким образом, чтобы касаться диска только после его остановки, когда питание отключено. При снижении оборотов вращения воздушный поток ослабевает и, когда прекращается полностью, головка осторожно касается поверхности диска. Точку касания называют зоной посадки LZ (land zone), которая специально предназначена для касания головки и не содержит данных.

Когда диск форматируют на физическом уровне, он разделяется на секторы и дорожки. Физически дорожки расположены друг над другом и образуют цилиндры, которые затем делятся по секторам. В одном секторе 512 байтов. Сектор - минимальная единица измерения размера диска. Все жесткие диски имеют резервные сектора, которые используются его схемой управления, если на диске обнаружены дефектные секторы.

Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую длину окружности. Однако в накопителях, не использующих метод зонной записи, все цилиндры содержат одинаковое количество данных, несмотря на то, что длина окружности внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. В результате теряется пространство внешних дорожек, так как оно используется крайне неэффективно.

Процесс управления плотностью записи называется прекомпенсацией. Для компенсации различной плотности записи используют метод зонно-секторной записи (Zone Bit Recording), где все пространство диска делится на зоны (восемь и более), в каждую из которых входит обычно от 20 до 30 цилиндров с одинаковым количеством секторов.

В зоне, расположенной на внешнем радиусе (младшая зона), записывается большее количество секторов на дорожку (120-96). К центру диска количество секторов уменьшается и в самой старшей зоне достигает 64-56. При этом емкость жестких дисков можно увеличить приблизительно на 30 %.

С увеличением плотности записи на диск возникают трудности при детектировании пиков аналоговых сигналов, поступающих от магнитных головок. В последнее время для устранения этого недостатка стали применять метод PRLM (Partial Response Maximum Likelihood), в котором используется специальный алгоритм цифровой фильтрации входного сигнала.

Для установки дисковых накопителей в системном блоке предусмотрены специальные монтажные отсеки. Габаритные размеры, соответствующие горизонтальному и вертикальному размерам винчестера, стандартизированы и характеризуются типоразмерами, или форм-фактором (form-factor).

В прошлом контроллер диска не успевал считывать физически смежные секторы, таким образом, диску требовалось совершить полный оборот, прежде чем следующий логический сектор мог считаться. Чтобы уменьшить время ожидания, используется фактор чередования (например, N: 1, когда один сектор считывается, а N пропускаются). В современных НЖМД применяется интегрированный контроллер и собственный буфер данных для повышения быстродействия.

Когда компьютер обращается к данным, операционная система с помощью таблицы файловой системы FAT (File Allocation Table) определяет их положение на диске (в каком секторе, на какой дорожке можно найти запрашиваемые данные).

НЖМД могут содержать от 256 Кбайт до 8 Мбайт кэш-памяти, которая хранит всю информацию о секторах, цилиндрах и предоставляет ее в случае необходимости.

Пластины диска могут выходить из равновесия по причине изменения температуры. Во время воспроизведения мультимедиа это может выразиться в виде внезапных пауз в звуке и потерянных видеокадров. Для предотвращения этого устройство постоянно проводит температурную калибровку. Если сервоинформация расположена среди обычных данных, то термическая калибровка не требуется. Поэтому в большинстве устройств применяют второй вариант.

Характеристики НЖМД

Характеристики жесткого диска очень важны для оценки быстродействия системы в целом. Эффективное быстродействие жесткого диска зависит от ряда факторов.

Таблица характеристики НЖМД

К концу 2001 года самые быстрые дисководы работали при среднем времени ожидания менее 3 мс, среднем времени поиска в диапазоне от 3 до 7 мс и максимальной скорости передачи данных в районе 50-60 Мбайт/с для EIDE- и SCSI-дисководов соответственно. Для некоторых типов устройств максимальные значения DTR определяются ниже уровня пропускной способности - Ultra АТА/100 и UltraSCSI 160, - которые определены в 100 и 160 Мбайт/с соответственно.

С 1955 года магнитная запись на жестких дисках постоянно совершенствовалась, чтобы удовлетворять возрастающий спрос. Плотность хранения данных возрастала на 27 % в год, а с 1990 года - на 60 процентов в год. В итоге к концу тысячелетия дисководы способны были хранить информацию в диапазоне 600-700 Мбит/дюйм².

Первые записывающие головки представляли собой железный сердечник, обмотанный проводом, подобно электромагнитам, которые можно часто встретить на уроках физики в начальной школе. В дальнейшем была открыта тонкопленочная индукция (TFI), которая позволила производить головки чтения/записи в больших количествах по технологии, аналогичной полупроводниковым процессорам.

Эта технология была стандартом до середины 1990-х годов К этому времени стало невозможно увеличивать плотность хранения данных, увеличивая чувствительность магнитной головки путем добавления TFI-витков на головке, потому что это повышало уровень индуктивности, который ограничивал способность записи данных.

Решение пришло с идеей использования открытого в 1857 году эффекта анизотропного магнитного сопротивления (anisotropic magnetoresistance - AMR), состоящего в том, что сопротивление ферромагнитного сплава изменяется в магнитном поле.

Возможности повышения емкости и ограничения

Утверждение Б. Гейтса, что «640 Кбайт достаточно для каждого», является наиболее известным примером недостатка интуиции при прогнозе возможных потребностей. В области технологии жестких дисков, по крайней мере, в течение 15 лет имели место десять различных барьеров. Одни из них были результатом непредусмотрительного выпуска BIOS или ОС, ограничений файловой системы FAT, ошибок в аппаратном или программном обеспечении, другие - связаны непосредственно со стандартами жестких дисков. Рассмотрим некоторые из этих барьеров.

Ограничение 528 Мбайт. Ограничение 528 Мбайт было самым печально известным из всех ограничений на вместимость НЖМД, отразившегося на персональном компьютере и BIOS, созданных до середины 1994 года Это произошло из-за ограничения числа адресуемых цилиндров до 1024.

IDE-накопители определяются BIOS по количеству цилиндров, головок и секторов на дорожке, далее эта информация сохраняется в CMOS. Секторы содержат 512 байт, поэтому размер жесткого диска может быть определен умножением количества цилиндров на число секторов и на 512. BIOS воспринимает максимум 1024 цилиндра, 255 годаловок и 63 сектора и в итоге получается 504 Мбайт (если мегабайт трактовать как 1000000 байтов) или 528 Мбайт (если это 1 048 576 байт, как это и есть на самом деле).

Ограничение 8.4 Гбайт связано с общим пространством адресации, которое было определено для BIOS. До 1997 года большинство систем PC имело ограничение на обращение к дисководам объемом 8.4 Гбайт или менее. Причина заключалась в том, что хотя интерфейс АТА использовал 28-битовую адресацию, которая поддерживала мощности дисковода до 2²⁸ х 512 бит или 137 Гбайт, стандарт BIOS int 13h наложил ограничение 24-битовой адресации, таким образом, доступ был возможен только к 2²⁴ х 512 байт или М Гбайт.

Снятие ограничения 8.4 Гбайт состояло в расширении стандарта int 13h. Новые возможности поддерживали квадро-слово или 64 бита адресации, что означает доступ к 2⁶⁴ х 512 байт или 9.4 х 10²¹ байт.

Это 9.4 Тера-Гигабайтов или больше триллиона дисководов по 8.4 Гбайт. Системы с поддержкой расширенного стандарта BIOS intl3h начали создаваться только с середины 1998 года

Ограничение 137 Гбайт. К началу нового тысячелетия у производителей дисководов и BIOS возникло существенное затруднение, так как предел в 137 Гбайт, наложенный интерфейсом ATА перестал быть недостижимым. Кажется, что лучше поздно, чем никогда, хотя стандарты могут быть до конца изучены из предыдущих ошибок. Следующая версия EIDE - протокол (АТА-6), рассмотренный комитетом ANSI осенью 2001 года, использует 48 бит адресного пространства, позволяя работать с максимальным размером адреса в 144 PByte (Petabyte). Это уже в 100 тысяч раз выше, чем текущий барьер и, по сравнению с предыдущим случаем, будет достаточным, по крайней мере, в течение следующих 20 лет.

Видео: «Самая быстрая стройка - 30 этажей за 360 часов»

Видео с самой быстрой стройкой в китае, 30 этажное здание построено всего за 360 часов