Устройства внешней памяти

3. Накопители  прямого доступа 

3.1. Общие  сведения 

    К ЗУ прямого доступа в номенклатуре технических средств ЕС ЭВМ относятся устройства хранения информации на магнитных дисках и барабанах. Основная особенность их заключается в том, что время поиска любой записи мало зависит от ее местоположения на носителе. Каждая физическая запись на носителе имеет адрес, по которому обеспечивается непосредственный доступ к ней минуя остальные записи.

Это свойство ЗУ прямого доступа отличает их от ЗУ на магнитной ленте и от всех других типов устройств ввода - вывода ЕС ЭВМ.

Во всех накопителях прямого доступа, как и в накопителях на магнитной ленте, используется принцип электромагнитной записи информации на движущийся носитель. Носителями информации в накопителях прямого доступа служат магнитные диски или барабаны, которые в рабочем состоянии постоянно вращаются с большой скоростью. Магнитные диски собираются зачастую в виде пакета из нескольких дисков. Накопители на магнитных дисках подразделяются на две группы: накопители на сменных магнитных дисках, на которых можно осуществлять быструю смену пакетов магнитных дисков и Накопители на постоянных магнитных дисках, в которых пакет магнитных дисков или один диск стационарно устанавливается в заводских условиях и не может быть оперативно заменен.

ЗУ с  накопителями на постоянных магнитных  дисках и на магнитных барабанах используются в машине как устройства внешней памяти большой емкости. ЗУ на сменных магнитных дисках по системотехническим воз¬можностям подобны ЗУ на магнитной ленте. Они служат только внешней памятью, но и устройствами ввода вывода информации. Пакеты сменных магнитных дисков удобны в хранении. Из них на вычислительных центрах создаются библиотеки, что позволяет как бы неограниченно наращивать емкость внешней памяти вычисли¬тельных систем.

Сравнительный анализ основных технических и функ¬циональных параметров ЗУ на магнитной ленте и ЗУ прямого доступа показывает, что они имеют примерно одинаковую емкость и скорость обмена информацией при записи и считывании. Несомненным преимуществом ЗУ прямого

доступа является малое время поиска информа¬ции  на носителе. Однако стоимость хранения единицы информации на магнитных дисках и барабанах примерно на порядок больше, чем на магнитных лентах. 
 

3.2. Принципы  работы накопителя на сменных  магнитных дисках 

    Пакет магнитных дисков ЕС-5053 состоит из шести алюминиевых дисков, внешний диаметр которых равен 336,4 мм. Поверхности дисков покрыты ферролаком толщиной 4-5 мкм или кобальто-вольфрамовым сплавом толщиной 0,25-0,30 мкм. В последнем случае магнитный слой наносится гальваническим методом на медную подложку. К дискам предъявляются высокие требования по однородности магнитных свойств и по таким геометрическим характеристикам, как плоскостность, толщина, шероховатость поверхности и т. д. Для записи информации используются десять внутренних поверхностей дисков, внешние поверхности верхнего и нижнего дисков не используются.

Магнитные слои иногда наносится гальваническим методом на равном расстоянии по внешнему диаметру, причем в одном месте  сделана двойная прорезь, которая  служит началом отсчета для каждого  рабочего диска и назы¬вается индексом или маркером.

Информация  записывается на рабочих поверхностях дисков по концентрическим окружностям - дорожкам. Если в процессе эксплуатации пакета появляется дефект в покрытии на какой-либо из рабочих дорожек, то вся эта дорожка не употребляется, а вместо нее используется одна из запасных дорожек.

На одной  дорожке может быть записано последовательно  бит за битом 3625 байтов. Поскольку  на каждой дорожке располагается  одинаковое число байтов, то плотность  записи изменяется от дорожки к дорожке: на внешней дорожке - 30 бит/мм, на внутренней - 44 бит/мм. Десять дорожек, расположенных друг под другом на всех десяти рабочих поверхностях дисков, об¬разуют так называемый цилиндр. Емкость одного ци¬линдра составляет 36250 байт, а емкость всего пакета - 7,25 Мбайт.

В рабочем  состоянии пакет дисков постоян¬но вращается в накопителе с угловой  скоростью 255 рад/с (2400 об/мин). Для записи и считывания информации накопитель имеет десять магнитных головок: по одной головке на каждую рабочую  поверхность. Магнитная головка состоит из универсальной головки (для записи и воспроизведения информации) и головки стирания, размещенных в одном корпусе. Магнитные головки располагаются друг под другом и укреп¬лены на каретке, которая может перемещать их в ради¬альном направлении по отношению к дискам. Каретка может фиксироваться в одном из 203 положений, располагая, таким образом, головки на одном из цилиндров. Запись и считывание информации в пределах одного цилиндра осуществляется без механического перемеще¬ния каретки с магнитными головками. Одновременно ра¬ботает только одна головка из десяти. Она поразрядно записывает или считывает информацию на одной дорож¬ке. Выбор дорожки в цилиндре осуществляется элект¬ронной коммутацией головки. Выбранная головка под¬ключается к единому тракту записи - воспроизведения. 

Головки нумеруются снизу вверх от 0 до 9. Таким образом, адрес каждой дорож¬ки в пакете определяется адресом цилиндра и номером головки.

В отличие  от накопителя на магнитных лентах в накопителях прямого доступа используется бесконтактный метод записи и считывания информации. Это обусловлено тем, что диски неэластичны и контакт их с голов¬ками может привести к механическому повреждению магнитного слоя дисков. С другой стороны, нежелатель¬но жестко фиксировать головки в пространстве над по¬верхностями дисков, так как практически невозможно изготовить диски абсолютно плоскими, а, следовательно, из-за неровности их поверхностей при вращении дисков расстояние между головками и магнитным слоем постоянно изменялось бы. Это, во-первых, не позволяет обес¬печить высокую плотность записи и, во-вторых, отража¬ется на амплитуде считываемых сигналов. Компенсиро¬вать некоторые дефекты можно, используя в накопителях прямого доступа так называемых «плавающих» магнит¬ных головок.

С уменьшением  частоты вращения дисков головки  ав¬томатически отводятся от поверхностей дисков на рас¬стояние 0,4-1,5 мм и выводятся  из пакета (в некото¬рых накопителях, не поднимаясь над поверхностью).

В накопителях  прямого доступа применяется  двухчастотный последовательный способ записи информации с самосинхронизацией при воспроизведении. Способ этот состоит в том, что байты записывают последовательно бит за битом на одну дорожку. Во время записи в накопитель постоянно поступают синхронизирующие импульсы. Для записи единицы в интервале между СИ подается дополнительный импульс, при записи нуля дополнительный импульс отсутствует.

Таким образом, если записываются единицы, то частота импульсов, поступающих  в накопитель, удваивается по сравнению  с частотой синхроимпульсов или, что то же самое, с частотой импульсов при записи нулей. Поэтому данный способ записи получил название двухчастотного.

Применение  в накопителях со сменными пакетами магнитных дисков двухчастотного способа  записи предусмотрено рекомендациями ИСО. Структура записи информации по дорожкам (адреса, наборы данных и др.).

Итак, мы познакомились с историей ВЗУ  и переходим к современным  и разрабатывающимся вариантам. 
 

3.3. Накопитель  на гибких магнитных дисках (НГМД - дисковод) 

      Это устройство использует в качестве носителя информации гибкие магнитные диски - дискеты, которые могут быть 5-ти или 3-х дюймовыми. Дискета - это магнитный диск вроде пластинки, помещенный в картонный конверт. В зависимости от размера дискеты изменяется ее емкость в байтах. Если на стандартную дискету размером 5’25 дюйма помещается до 720 Кбайт информации, то на дискету 3’5 дюйма уже 1,44 Мбайта. Дискеты универсальны, подходят на любой компьютер того же класса оснащенный дисководом, могут служить для хранения, накопления, распространения и обработки информации. Дисковод - устройство параллельного доступа, поэтому все файлы одинаково легко доступны. Сейчас дискеты применяются в основном для резервирования небольших объемов данных и для распространения информации. Дискеты размером 5’25 дюйма морально устарели и используются редко. Наибольшим распространением из накопителей на гибких магнитных дискахпользуется дискета 3’5 дюйма или флоппи-диски (floppy disk).

Диск  покрывается сверху специальным  магнитным слоем, который обеспечивает хранение данных. Информация записывается с двух сторон диска по дорожкам, которые представляют собой концентрические окружности. Каждая дорожка разделяется на секторы. Плотность записи данных зависит от плотности нанесения дорожек на поверхность, т. е. числа дорожек на поверхности диска, а также от плотности записи информации вдоль дорожки.

Если  при покупке на поверхность диска  не нанесены дорожки и секторы, то его нужно подготовить для  записи данных, отформатировать. Для  этого в состав системного программного обеспечения включена специальная программа, которая производит форматирование диска.

К недостаткам  относятся маленькая емкость, что  делает практически невозможным  долгосрочное хранение больших объемов  информации, и не очень высокая надежность самих дискет. 
 

3.4. Накопитель  на жестком магнитном диске  (НЖМД - винчестер) 

    Является логическим продолжением развития технологии магнитного хранения информации. Появились несколько лет назад и уже завоевали огромную популярность благодаря своим многочисленным достоинствам:

- чрезвычайно  большая емкость;

- простота  и надежность использования;

- возможность  обращаться к тысячам файлов  одновременно;

- высокая  скорость доступа к данным.

Из недостатков  можно выделить лишь отсутствие съемных  носителей информации, все данные записаны внутри винчестера на жестких магнитных дисках. (В настоящее время используются внешние винчестеры и системы резервного копирования с дисками по типу дискет). Емкости современных винчестеров поистине устрашающи: еще пять лет назад винчестер емкостью 100 Мбайт казался недостижимым идеалом, пределом заветных мечтаний - казалось, что и половины его пространства хватит на много лет работы. Но прошло пять лет, и такие винчестеры уже даже не выпускаются как морально устаревшие. Им на смену пришли новые, более быстрые, более вместительные аппараты. Винчестеры емкостью 850 Мб, 1.6, 2.1, 3.5, 4.3 Гигабайт давно ни кого не удивляют. А ведь существуют винчестеры в 1000 раз более емкие - речь идет о Терабайтах информации. Одного такого винчестера хватило бы, чтобы записать всю историю Древнего Мира.

Но пока они используются только в очень  солидных организациях.

В компьютере предусмотрена возможность с  помощью специальной системной  программы условно разбивать  один диск на несколько. Такие диски, которые не существуют как отдельное физическое устройство, а представляют лишь часть одного физического диска, называются логическими дисками. Логическим дискам присваиваются имена, в качестве которых используются буквы латинского алфавита [С:], [D:], [Е:], [F:] и т. д. 

4. Проблема  увеличения объема диска 

     Для того, чтобы при сохранении физического размера диска ( еще лучше - его уменьшения) на него записывать больше информации необходимо увеличивать плотность записи данных на диск.

С 1997 года в среднем производители жестких дисков увеличивали плотность записи вдвое каждый год.

До сих  пор покрытие дисков состояло из сплава кобальта, платины, хрома и бора. Это ферромагнитный сплав, который  состоит из частиц, способных под  воздействием внешнего магнитного поля записывающей головки менять свои магнитные свойства, например, магнитные полюса. Для увеличения плотности записи эти частицы должны становиться мельче, а магнитный слой - тоньше. Но физическая природа этих частиц не позволяет уменьшать их размер бесконечно, т.к. на магнитные свойства малых частиц уже влияет не только магнитное поле, но и температура - при нагревании диска с него может теряться информация.

Эту проблему пытались решать двумя способами - создавали  технологии обработки и улучшения качества сигнала, полученного магнитными головками и создавали сплавы более устойчивые ко внешним воздействиям на частицы. Но такие сплавы требуют более мощные головки записи, что приводит к увеличению энергозатрат и нагреванию диска.

Интересное  решение проблемы представила в 2001 году компания IBM. Ученые компании разработали технологию «волшебной пыли» - pixie dust. Эта «антиферромагнитносвязанная» (AFC) многослойная структура позволяет одновременно повысить плотность и надежность записи. В 2001 году «пыль» состояла из рутениевого слоя толщиной в три атома, расположенного между двумя такими же тонкими магнитными слоями. Сверхтонкий слой рутения - металла, не обладающего магнитными свойствами - заставляет смежные слои приобретать противоположную магнитную ориентацию. За счет этого обеспечивается автономность работы отдельных слоев покрытия. При этом намагниченность покрытия надежно удерживается благодаря общей толщине pixie dust.

В 2002 году специалисты IBM усовершенствовали технологию, добавив в pixie dust еще два тончайших слоя из рутения и магнитного сплава. С помощью нового покрытия создан жесткий диск для ноутбука Travelstar 80GN с самой высокой в мире плотностью записи - 70 Гигабит на квадратный