Развитие технологии записи на магнитный диск. Накопители на магнитных дисках

Магнитные диски компьютера служат для длительного хранения информации (она не стирается при выключении ЭВМ). При этом в процессе работы данные могут удаляться, а другие записываться.

Выделяют жесткие и гибкие магнитные диски. Однако гибкие диски в настоящее время используются уже очень редко. Гибкие диски были особенно популярны в 80-90-х годах прошлого столетия.

Гибкие диски (дискеты), называемые иногда флоппи-дисками (Floppy Disk), представляют собой магнитные диски, заключенные в квадратные пластиковые кассеты размером 5,25 дюйма (133 мм) или 3,5 дюйма (89 мм). Гибкие диски позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, делать архивные копии информации, содержащейся на жестком диске.

Информация на магнитный диск записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических дорожек. При записи или чтении информации магнитный диск вращается вокруг своей оси, а головка с помощью специального механизма подводится к нужной дорожке.

Дискеты размером 3,5 дюйма имеют емкость 1,44 Мбайт. Данный вид дискет наиболее распространен в настоящее время.

В отличие от гибких дисков жесткий диск позволяет хранить большие объемы информации. Емкость жестких дисков современных компьютеров может составлять терабайты.

Первый жесткий диск был создан фирмой IBM в 1973 году. Он позволял хранить до 16 Мбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров, разбитых на 30 секторов, то он обозначался как 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, этот диск получил прозвище "винчестер".

Жесткий диск представляет собой герметичную железную коробку, внутри которой находится один или несколько магнитных дисков вместе с блоком головок чтения/записи и электродвигателем. При включении компьютера электродвигатель раскручивает магнитный диск до высокой скорости (несколько тысяч оборотов в минуту) и диск продолжает вращаться все время, пока компьютер включен. Над диском "парят" специальные магнитные головки, которые записывают и считывают информацию так же, как и на гибких дисках. Головки парят над диском вследствие его высокой скорости вращения. Если бы головки касались диска, то из-за силы трения диск быстро вышел бы из строя.

При работе с магнитными дисками используются следующие понятия.

Дорожка – концентрическая окружность на магнитном диске, которая является основой для записи информации.

Цилиндр – это совокупность магнитных дорожек, расположенных друг над другом на всех рабочих поверхностях дисков винчестера.

Сектор – участок магнитной дорожки, который является одной из основных единиц записи информации. Каждый сектор имеет свой собственный номер.

Кластер - минимальный элемент магнитного диска, которым оперирует операционная система при работе с дисками. Каждый кластер состоит из нескольких секторов.

В общем случае под накопителем на магнитных дисках понимают устройство, обеспечивающее запись и считывание данных с вращающихся дисков.

Магнитный диск – носитель информации в форме круглой пластины (диска), поверхность которой покрыта магнитным материалом.

Подложка магнитного диска может быть жесткой (жесткий магнитный диск), изготовленный из алюминиевого сплава, или гибкой (гибкий магнитный диск), изготовленный из полиэфира. В зависимости от вида исползуемого диска накопители на магнитных дисках подразделяются на накопители на гибких дисках (НГМД FloppyDiskDrive - FDD) и накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД HardDiskDrivt – HDD).

Принцип записи цифровой информации на магнитный диск заключается в следующем (рис. 5.26).Дисковод вращает диск под магнитной головкой, которая может двигаться по радиусу диска равномерными шагами. При этом каждое ее положение создает на диске кольцевой путь – дорожку, количество дорожек определяется числом различных положений головки. Информация записывается на диске вдоль дорожки путем подачи на головку тока записи, который создает магнитный поток, проходящий через зазор головки и магнитный слой диска. Измнением направления сигнала в обмотке головки изменяют полярность намагничивания. Считывание информации происходит за счет индуцирования тока в обмотке головки при перемещении под головкой намагниченных участков дорожки.

Гибкий магнитный диск, состоящий из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон тонким слоем магнитного материала и помещенной в специальную пластиковую упаковку, называется дискетой. Дискеты широко использовались для хранения данных и переноса их между компьютерами, оснащенными НГМД.

Рис. 5.26. Магнитная запись цифровой информации а), НГМД б) и НЖМД в)

Конструктивно современный НГМД состоит из четырех основных элементов:

Рабочий двигатель, обеспечивающий постоянную скорость вращения дискеты (в современных дисководах – 300 об./мин);

Рабочие головки, предназначенные для записи и чтения данных. Дисковод оснащается двумя комбинированными головками (для чтения и записи каждая), которые располагаются над рабочими поверхностями дискеты – одна головка предназначена для верхней, а другая – для нижней поверхности дискеты;

Шаговые двигатели, предназначенные для движения и позиционирования головок;

Управляющая электроника, отвечающая за передачу и преобразование информации, которую считывают или записывают головки.

Дискета устанавливается в дисковод, автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до номинальной частоы вращения. В накопителе вращается дискета, магнитные головки остаются неподвижными. При этом дискета вращается только при обращении к ней. Чтобы не нарушалась постоянная скорость вращения привода,дисковод всегда должен работать только в горизонтальном или вертикальном положении. Процессор взаимодействует сНГМД через специальный контроллер гибких дисков.

Необходимое условие использование дискеты для записи и чтения информации – ее форматирование, т.е. разбиение (разметка)на определенные участки, по номерам которых можно определить любую запись на диске.

Для форматирования дисков операционные системы используют специальные команды: для DOS – это командаFormat. Дискета разбивается на дорожки (треки), а дорожки на сектора (рис. 5.26). сектор представляет собой минимальную физическую единицу хранения информации на диске. Его размер для DOS, как правило, равен 512 байт. Дорожки нумеруются начиная от края к центру диска, при этом каждая дорожка имеет одно и то же количествосекторов. Таким образом, на дорожках, расположенных ближе к центру дискаинформация записывается более плотно.

Наибольшее распространение получили 3,5 – дюймовые (89 мм) дискеты высокой плотности DS/HD (double-side/high-density – две стороны, высокая плотность). Для них число дорожек на одной стороне равно 80, количество секторов на дорожках – 18, соответственно, емкость диска 80х18х2х512=1474560 байт или 1474560/1048576=1,4 Мбайт.

В накопителе на жестких магнитных дисках носители информации представляют собой круглые жесткие пластины (называемые также платтерами), обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Первая подобная система памяти была создана фирмой IBM в 1956 г. и называлась RAMAS 305 (Random Access Methodof Accounting and Control). Данное запоминающее устройство состояло из 50 алюминиевых дисков (покрытых магнитным слоем) диаметром около 60 см и толщиной2,5 см, которые были насажены на ось мощного электромотора. На поверхности каждого диска располагалось 100 концентрических дорожек, на каждой из которых можно было запомнить 500 алфавитно-цифровых символов, закодированных в исполнявшемся тогда семибитном коде. RAMAC 305 состоял из двух огромных блоков, занимающих площадь 3х3,5 м, и мог хранить 5 млн символов.

Современные НЖМД строятся по винчестерской технологии и называются винчестерами. Данная технология впервые была применена при создании накопителей на жестких дисках (модели IBM3340) на предприятии IBM в английском городе Винчестер в 1973 г. В винчестерах головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметический закрытый корпус. Головка, используемая в винчестере, имеет небольшие размеры и массу и размещается на держателе специальной аэродинамической формы. При вращении диска над ним образуется тонкий воздушный слой, обеспечивающий «воздушную подушку» для зависания головки над поверхностью диска на расстоянии единиц микрометров. При этом масса головки и прижимающее усилие к поверхности диска настолько малы, что, даже если в процессе работы устойства головка опускается на зону данных, вероятностьь их повреждения очень низкая. Существует также версия происхождения названия «винчестер», основанная на том, что первые массовые модели НЖМД содержали два магнитных диска по 30 Мбайт каждый и маркировались цифрами «30/30», подобно калибру старинного охотничьего ружья винчестер.

Винчестер (рис. 5.27) состоит из нескольких одинаковых дисков, расположенных друг над другом. Для каждого диска в винчестере имеется пара рабочих головок, которые приводятся в движение и позиционируются шаговым двигателем. Все головки расположены «гребнем». Позиционирование одной головки обязательно вызывает аналогичное перемещение и всех остальных, поэтому, когда речь идет о разбиении винчестера, обычно говорят о цилиндрах (cylinder), а не о дорожках. Цилиндр – это совокупность всех совпадающих друг с другом дорожек по вертикали, по всем рабочим поверхностям.

Рис. 5.27. Винчестер

На 2006 год оптимальное соотношение цены и ёмкости обеспечивают винчестеры примерно на 300 ГБ, а максимальная доступная ёмкость - около 750ГБ, в настоящее время несколько Терабайт.

Магнитные диски состоят из основы, сделанной обычно из алюминия, реже из стекла или керамики и магнитного покрытия, в виде тонкой плёнки магнитотвёрдого материала (ферромагнетика), который служит собственно носителем информации. Магнитные диски собраны в пакет, находящийся на оси шпиндельного электродвигателя со стабильной скоростью вращения. Стабилизация вращения производится контроллером по сервометкам. (Ранее использовался отдельный датчик положения дисков). Обычно дисков в пакете не более трёх, запись может производиться как на одну, так и на обе стороны каждого диска, таким образом диск обычно содержит от 1 до 6 головок.

Блок магнитных головок перемещается вдоль поверхности диска от края к центру посредством сервопривода. На первых винчестерах сервопривод производился шаговым двигателем. Впоследствии стала применяться электромагнитная катушка (англ. сoil), подобная катушке магнито-электрического стрелочного прибора. Для управления головками в винчестере хранятся так называемые адаптивы - индивидуальные для каждого винчестера данные о физических характеристиках сервопривода головок - необходимые амплитуды и времена сигналов управления электромагнитом. Адаптивы обеспечивают быстрое и почти безошибочное позиционирование головки и уверенное удержание её на треке.

Сама головка - миниатюрная электромагнитная система, обеспечивающая локальное намагничивание поверхности диска и локальное измерение его намагниченности. Первые электромагнитные головки считывали информацию через наведённую ЭДС на катушке. Позднее появились магниторезистивные головки, использующие для считывания специальный магниточувствительный материал.

В выключенном положении головки лежат на дисках в специальной зоне парковки. Во избежание повреждений при транспортировке, головки в этом положении заблокированы, и не могут перемещаться до тех пор, пока диски не крутятся. При работе головки парят над поверхностью вращающихся дисков на расстоянии порядка от десятых долей до единиц микрометров. Таким образом, поверхность дисков не изнашивается (как это происходит у дискет).

Внутри гермоблока вместе на блоке магнитных головок или рядом с ним расположен коммутатор, обеспечивающий переключение активных головок и предварительное усиление сигнала магнитного датчика. Если у жёсткого диска одна рабочая поверхность, то коммутатор выполняет только функции усилителя.

Немаловажное значение имеют скоростные характеристики жёстких дисков:

• Скорость вращения шпинделя (англ. rotational speed , spindle speed ) обычно измеряется в оборотах в минуту (об/мин, rpm). Она не даёт прямой информации о реальной скорости обмена, но позволяет различать более скоростные от менее. Стандартные скорости вращения: 4800, 5600, 7200, 9600, 10 000, 15 000 об/мин. Медленные обычно используются на ноутбуках и других мобильных устройствах, самые скоростные - в серверах.
• Время доступа - количество времени, необходимое винчестеру от момента приёма команды до начала выдачи данных по интерфейсу. Обычно указывается среднее и максимальное время доступа.
• Время позиционирования головок (англ. seek time ) - время за которое головки перемещаются и устанавливаются на трек с другого трека. Различают время позиционирования на соседний трек (track-to-track), среднее (average), максимальное (maximum).
• Скорость передачи данных или пропускная способность - определяет производительность диска при передаче последовательно больших объёмов данных. Эта величина показывает установившуюся скорость передачи, когда головки диска уже на нужном треке и секторе.
• Внутренняя скорость передачи данных - скорость передачи данных между контроллером и магнитными головками.
• Внешняя скорость передачи данных - скорость передачи данных по внешнему интерфейсу.

Общая емкость пакета дисков определяется произведением количества цилиндров, количества магнитных головок, количества секторов на дорожке и размера сектора в байтах (как правило, 512 байт). Например, винчестер емкостью 1,2 Гбайт содержит 2631 цилиндра с 16 магнитными дорожками на каждом цилиндре и с 63 секторами на дорожке.

Кроме объема, основными характеристиками производительности накопителя являются:

- время доступа – интервал между моментом, когда процессор запрашивает с диска данные, и моментом их выдачи. Время доступа зависит от расположения головок и пластин под ними, поэтому для него даются средние значения, составляющие в настоящее время единицы миллисекунд;

- частота вращения – частота, с которой пластины диска вращаются относительно магнитных головок (измеряется в об./мин).

Информация на магнитных дисках обычно хранится в виде файлов.

Файл (англ.file – папка) – именованная совокупность любых данных, размещенная на внешнем запоминающем устройстве и хранимая, пересылаемая и обрабатываемая как единое целое. Файл может содержать программу, числовые данные, текст, закодированное изображение идр.

Данные на магнитном диске, как указано выше, хранятся на дорожках, разделенных на секторы. При этом операционные системы для сохранения файла выделяют дисковое пространство кластерами, представляющими собой один или несколько смежных секторов.

Минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или несколько секторов дорожки, называется кластером .

Если для записи файла требуется несколько кластеров и при этом требуемого количества смежных кластеров (расположенных один за другим) на диске кластеры, и файл будет фрагментированным. Фрагментация снижает скорость считывания файлов, так как в этом случае увеличивается количество перемещений головкой при поиске и считывании требуемых кластеров. Потенциальную возможность фрагментации можно снизить, увеличив размер кластера, однако при этом повышается вероятность нерациональных потерь дисковой памяти, обусловленных тем, что кластеры будут содержать неиспользованное дисковое пространство.

За организацию хранения и доступа к информации на магнитном носителе, как и на любом другом носителе информации, отвечает файловая система, являющаяся важной составной частью любой операционной системы. Понятие «файловая система» включает совокупность всех файлов на диске, наборы служебных структур данных, используемых для управления файлами (каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске и т.п.), а также комплекс системных программных средств, предназначенных для реализации операций с файлами: поиска, чтения записи, создания, уничтожения, установки атрибутов и уровней доступа и т.п.

Для того чтобы файловая система могла использовать жесткий диск или дискету, их необходимо отформатировать. Форматирование жесткого диска включает три этапа: низкоуровневое форматирование диска; создание главных (основных) разделов или логических дисков на расширенном разделе; логическое форматирование главных разделов или логических дисков. Процедура форматирования дискет включает два совмещенных этапа – низкоуровневое и логическое форматирование – и осуществляется за один шаг.

Низкоуровневое форматирование диска выполняется, как правило, на заводе изготовителе. При этом определяются размер сектора, количество секторов на дорожку, на диск также записывается информация о коррекции ошибок и идентификации секторов (для каждого сектора).

Жесткий диск IBMсовместимых компьютеров может содержать, как правило, до четырех основных разделов, каждый из которых может быть использован конкретной файловой системой. Кроме того на диске может быть создан один так называемы расширенный (extended) раздел, который в свою очередь может разбиваться на несколько логических дисков, также используемых конкретной файловой системой. Таким образом, на диске может быть до трех главных разделов и один расширенный раздел, содержащий один или несколько логическихдисков. При этом в качестве системного раздела (раздела, содержащего зависимые от аппаратной платформы файлы, необходимые для загрузки и инициализации операционной системы) можно использовать только главный раздел. Главные разделы, а также каждый из логических дисков обозначаются однойиз букв английского алфавита и двоеточием. Буквой С: обозначается первый главный раздел. Следующий раздел получает букву D:, потом Е: и т.д. (Буквой А: принято обозначать дисковод для гибких дисков, буква В: зарезервирована на тот случай, если в компьютере не один, а два дисковода гибких дисков). При создании первого раздела на диске (основного или расширенного) в первом физическом секторе жесткого диска создается главная загрузочная запись (masterbootrecord – MBR) и таблица разделов (partitiontable), содержащая информацию о каждом из имеющихся на диске разделов. Главная загрузочная запись используется программой начальной загрузки BIOS (RomBootstraproutine), которая при загрузке с жесткого диска считывает и загружает в память первый физический сектор на активном разделе диска, называемый загрузочным сектором (BootSector)

В процессе логического форматирования главных разделов или логических дисков на диск записывается информация, необходимая для работы конкретной файловой системы, в том числе и загрузочный сектор раздела(PartitionBootSector).

Современные операционные системы могут работать одновременно с несколькими файловыми системами. Рассмотрим в качестве примера основные особенности наиболее распространенных файловых систем, используемых операционными системами семейства Windows (Windows 98, NT, XP и т.д.)

На рис 5.28. представлена схема раздела файловой системы FAT. (Свое название FAT получила от одноименной таблицы размещения файлов – FileAllocationTable).

Рис. 5.28. Структура раздела FAT

Корневой каталог содержит список имен файлов с указанием даты, времени их создания и размеров. В качестве дополнительной информации каталог включает атрибуты файла: только для чтения, системный, скрытый или архивный. В каталоге содержится также начальная позиция файла, т.е. номер первого кластера на диске, содержащего данные требуемого файла.

Таблица размещения файлов (FAT) – это список, содержащий информацию о расположении данных файла на диске. Для каждого кластера отводится один элемент списка, содержащий, помимо информации о расположении данных файла, информацию о состоянии кластера: занят, свободен, испорчен.

Когда системе нужен какой-то файл, она находит его стартовый кластер по имени файла в каталоге их рамещения и затем просматривает FAT в поисках элемента списка, соответствующего начальному кластеру. Если весь файл помещен в одном кластере, то элемент FAT содержит индикатор конца файла. Если файл занимает несколько кластеров, элемент FAT указывает номер следующего кластера, в котором должно находиться продолжение файла, либо признак его окончания. В сущности, FAT содержит цепочки ссылок, следуя по которым можно найти размещение каждого файла на диске. Для предотвращения возможной потери информации таблица размещения файлов дублируется на случай повреждения первой FAT.

Размер таблицы FAT при фиксированом объеме диска зависит от размера кластера, чем меньше размер кластера, тем больше их количество и, следовательно, больше размер таблицы FAT. Таким образом, использование кластеров, размер которых больше одного сектора, помимо снижения фрагментации, уменьшает объем дискового пространства, необходимого для хранения FAT.

Первоначально для записи в таблице размещения файлов адреса любого файла FAT использовала 12 бит и поддерживала разделы объемом до 16 Мбайт. 12 разрядная FAT и сейчас используется для форматирования дисков, размер которых не превышает 16 Мбайт. Для поддержки дисков размером больше 32 Мбайт разрядность FAT была повышена до 16 бит – FAT 16. С помощью 16 битов можно выразить 2 16 (65536) разных значений. Это значит, что файлам на жестком диске не может быть предоставлено более чем 65 536 кластеров.

Современные жесткие диски имеют очень большие объемы, и при таком количестве адресов размеры кластера будут значительными. Так, если размер диска составляет 2 Гбайт (максимальный размер, поддерживаемый FAT 16), то при использовании FAT 16 на каждый кластер будет приходиться 32 кбайт (2 Гбайт разделить на 65536 получим 32 кбайт). При этом для записи на диск файла размером 35 кбайт будет отведено два кластера – 64 кбайт, т.е. 29 кбайт памяти диска будут просто потеряны. Связь между размером жесткого диска и размером кластера для FAT 16 представлена в таблице 5.2.

Таким образом, чем больше жесткий диск, тем больше места на нем тратится впустую из-за несовершества системы адресации файлов. Один из способов борьбы с нерациональными потерями это разбиение жесткого диска на несколько разделов, или логических дисков, каждый из которых имеетсобственную таблицу размещения файлов. В итоге потери, обусловленные большими размерами кластеров, становятся меньше.

Таблица 5.2

Связь между размером жесткого диска и размером кластера для FAT 16

Начиная с файловой системы Windows 95 OSR2 при записи адреса файла на жестком диске используется не два, а четыре байта, или 32 бита (FAT32). С помощью 32 бит можно выразить 2 32 (4 294 967 296) разных значений, т.е. файлам на жестком диске может быть предоставлено 2 32 кластеров. В этом случае размеры отдельных кластеров могут быть значительно меньше, и нерациональные потери дисковой памяти уменьшаются (табл. 5.3.).

Таблица 5.3

Размеры кластеров для FAT 32

Файловая система NTFS (New Technology File System), специально разработана для Windows NT, как и FAT, использует кластеры в качестве фундаментальной единицы дискового пространства. При этом для записи адреса файла может использоваться 8 байт (64 бита), и соответственно, файлам на жестком диске может быть предоставлено 2 64 кластеров. Однако на практике используются таблицы разделов размерами до 2 32 секторов, т.е. работая с файловой системой NTFS, можно создать файл, максимальный размер которого составляет 2 32 кластеров (как и при использовании FAT 32).

Структура раздела файловой системы NTFS представлена на рис. 5.29.

Рис. 5.29. Структура разделов NTFS

Форматирование раздела для использования файловой системы NTFS приводит к созданию нескольких системных файлов и главной таблицы файлов – файла MFT (MasterFileTable), содержащего информацию о всех файлах и папках, имеющихся в разделе NTFS. Первые 16 записей MFT зарезервированы для служебных файлов, называемых также метафайлами, причем первая запись таблицы описывает непосредственно саму главную файловую таблицу – сам MFT, также являющийся метафайлом. За ней следует запись зеркальной копии MFT, гарантирующая доступ к зеркальному файлу MFT в случае, если первая запись MFT будет разрушена. Местоположение сегментов данных MFT и зеркального файла MFT хранится в загрузочном секторе раздела, который также дублируется. С третьей по шестнадцатую записи MFT содержат описания других метафайлов, каждый из которых отвечаетза какой-либо аспект работы системы. Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются собственно файлами и каталогами на томе.

Отличительной особенностью файловой системы NTFS является значительное расширение возможностей по управлению доступом к отдельным файлам и каталогам, большое число атрибутов файлов (в том числе атрибутов защищенности), позволяющих обеспечить защиту данных от несанкционированного доступа. При использовании FAT возможность установки прав доступа к отдельным каталогам и файлам отсутствует. Единственной мерой защиты служат права доступа к разделяемым ресурсам, которые устанавливаются на весь разделяемый ресурс, действуют по отношению ко всем имеющимся на нем файлам и папкам и имеют силу только при доступе через сеть.

Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель (носители), устройство чтения/записи и интерфейсную часть, называемую контроллером жесткого диска. Типичной конструкцией жесткого диска является исполнение в виде одного устройства - камеры, внутри которой находится один или более дисковых носителей насажанных на один шпиндель и блок головок чтения/записи с их общим приводящим механизмом(рисунок 1). Рядом с камерой носителей и головок располагаются схемы управления головками, дисками и интерфейсная часть. На интерфейсной карте устройства располагается интерфейс дискового устройства, а контроллер с его интерфейсом располагается на самом устройстве. С интерфейсным адаптером схемы накопителя соединяются при помощи комплекта шлейфов.

Рисунок 1. Устройство жесткого диска

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. Камера не является абсолютно герметичной т.к. соединяется с окружающей атмосферой при помощи специального фильтра, уравнивающего давление внутри и снаружи камеры. Воздух внутри камеры максимально очищен от пыли, т.к. малейшие частички могут привести к порче магнитного покрытия дисков и потере данных и работоспособности устройства.

Диски вращаются постоянно со скоростью вращения носителей от 4500 до 10000 об/мин, что обеспечивает высокую скорость чтения/записи. По величине диаметра носителя чаще других производятся 5.25,3.14,2.3 дюймовые диски.

В настоящее время 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.

В системах с линейным приводом головки перемещаются электромагнитом, а для определения необходимого положения служат специальные сервисные сигналы, записанные на носитель при его производстве и считываемые при позиционировании головок. Во многих устройствах для серво-сигналов используется целая поверхность и специальная головка или оптический датчик.

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. 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 устройства с линейным приводом имеют автоматический механизм парковки головок чтения/записи при отключении питания устройства.

Принципы магнитной записи на жесткий диск

Принцип магнитной записи электрических сигналов на движущийся магнитный носитель основан на явлении остаточного намагничивания магнитных материалов. Запись и хранение информации на магнитном носителе производится путем преобразования электрических сигналов в соответствующие им изменения магнитного поля, воздействия его на магнитный носитель и сохранения следов этих воздействий в магнитном материале длительное время, благодаря явлению остаточного магнетизма. Воспроизведение электрических сигналов производится путем обратного преобразования. Система магнитной записи состоит из носителя записи и взаимодействующих с ним магнитных головок (рисунок 2).

Рисунок 2. Принцип записи и считывания информации с магнитного носителя

При цифровой магнитной записи в магнитную головку поступает ток, при котором поле записи через определенные промежутки времени изменяет свое направление на противоположное. В результате под действием поля рассеяния магнитной головки происходят намагничивание или перемагничивание отдельных участков движущегося магнитного носителя.

При периодическом изменении направления поля записи в рабочем слое носителя возникает цепочка участков с противоположным направлением намагниченности, которые соприкасаются друг с другом одноименными полюсами. Рассмотренный вид записи, когда участки рабочего слоя носителя перемагничиваются вдоль его движения, называется продольной записью (рисунок 3).

Чередующиеся участки с различным направлением намагниченности, возникшие в магнитном покрытии, являются магнитными доменами (битовыми ячейками). Чем меньше размер ячейки, тем выше плотность записи информации. Однако с уменьшением размера ячейки возрастает взаимное влияние их размагничивающих полей, направленных в сторону, противоположную намагниченности в ячейках, что при уменьшении битовой ячейки ниже критического значения приводит к самопроизвольному размагничиванию.

Рисунок 3. Последовательность участков с противоположным направлением намагниченности

Для магнитной записи используются носители в виде магнитных пластин (дисков). Пластины изготавливаются процессом напыления множественных металлических пленок и защитного слоя покрытия на очень плоскую, бездефектную стеклянную или алюминиевую подложку. Информация размещается в виде концентрических окружностей, называемых дорожками (рисунок 4). В современных НЖМД плотность дорожек достигает значений 4,3*104 дорожек на один сантиметр радиуса пластины.

Рисунок 4. Размещение дорожек на поверхности диска

Магнитные диски компьютера служат для длительного хранения информации (она не стирается при выключении ЭВМ). При этом в процессе работы данные могут удаляться, а другие записываться.

Выделяют жесткие и гибкие магнитные диски. Однако гибкие диски в настоящее время используются уже очень редко. Гибкие диски были особенно популярны в 80-90-х годах прошлого столетия.

Гибкие диски (дискеты), называемые иногда флоппи-дисками (Floppy Disk), представляют собой магнитные диски, заключенные в квадратные пластиковые кассеты размером 5,25 дюйма (133 мм) или 3,5 дюйма (89 мм). Гибкие диски позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, делать архивные копии информации, содержащейся на жестком диске.

Информация на магнитный диск записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических дорожек. При записи или чтении информации магнитный диск вращается вокруг своей оси, а головка с помощью специального механизма подводится к нужной дорожке.

Дискеты размером 3,5 дюйма имеют емкость 1,44 Мбайт. Данный вид дискет наиболее распространен в настоящее время.

В отличие от гибких дисков жесткий диск позволяет хранить большие объемы информации. Емкость жестких дисков современных компьютеров может составлять терабайты.

Первый жесткий диск был создан фирмой IBM в 1973 году. Он позволял хранить до 16 Мбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров, разбитых на 30 секторов, то он обозначался как 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, этот диск получил прозвище "винчестер".

Жесткий диск представляет собой герметичную железную коробку, внутри которой находится один или несколько магнитных дисков вместе с блоком головок чтения/записи и электродвигателем. При включении компьютера электродвигатель раскручивает магнитный диск до высокой скорости (несколько тысяч оборотов в минуту) и диск продолжает вращаться все время, пока компьютер включен. Над диском "парят" специальные магнитные головки, которые записывают и считывают информацию так же, как и на гибких дисках. Головки парят над диском вследствие его высокой скорости вращения. Если бы головки касались диска, то из-за силы трения диск быстро вышел бы из строя.

При работе с магнитными дисками используются следующие понятия.

Дорожка – концентрическая окружность на магнитном диске, которая является основой для записи информации.

Цилиндр – это совокупность магнитных дорожек, расположенных друг над другом на всех рабочих поверхностях дисков винчестера.

Сектор – участок магнитной дорожки, который является одной из основных единиц записи информации. Каждый сектор имеет свой собственный номер.

Кластер - минимальный элемент магнитного диска, которым оперирует операционная система при работе с дисками. Каждый кластер состоит из нескольких секторов.

Любой магнитный диск имеет логическую структуру, которая включает в себя следующие элементы:

• загрузочный сектор;
• таблицы размещения файлов;
• область данных.

Загрузочный сектор (Boot Record) занимает сектор с номером 0. В нем содержится небольшая программа IPL2 (Initial Program Loading 2), с помощью которой компьютер определяет возможность загрузить операционную систему с данного диска.

Особенностью винчестера является наличие помимо загрузочного сектора еще одной области - главного загрузочного сектора (Master Boot Record). Дело в том, что единый жесткий диск может быть разбит на несколько логических дисков. Для главного загрузочного сектора на жестком диске всегда выделяется физический сектор 1. Этот сектор содержит программу IPL1 (Initial Program Loading 1), которая при своем выполнении определяет загрузочный диск.

Таблица размещения файлов используется для хранения сведений о размещении файлов на диске. Для магнитных дисков обычно используются две копии таблиц, которые следует одна за другой, и содержимое их полностью совпадает. Это делается на тот случай, если на диске произошли какие либо сбои, то диск всегда можно "отремонтировать", используя вторую копию таблицы. Если будут испорчены обе копии, то вся информация на диске будет потеряна.

Область данных (Data Area) занимает основную часть дискового пространства и служит непосредственно для хранения данных.

Развитие технологии записи на магнитный диск

Владимир Леонов

Несомненно, одним из наиболее успешных технологических проектов последних десятилетий является жесткий диск. Появившись в середине 50-х годов прошлого века, жесткий диск с середины 80-х стал неотъемлемой частью персонального компьютера. За годы применения жестких дисков установлены впечатляющие рекорды увеличения емкости и производительности, уменьшения физических размеров и стоимости. В настоящее время жесткий диск является основным устройством хранения информации в компьютере и активно внедряется в бытовую электронику.

ервое устройство хранения данных с произвольным доступом, позднее названное жестким диском, или винчестером, было выпущено компанией IBM в 1956 году. Устройство имело емкость 5 Мбайт, а данные записывались на 50 дисков диаметром 24 дюйма, вращавшихся со скоростью 1200 об./мин. Среднее время доступа равнялось одной секунде, а плотность записи - 2 Кбит/кв.дюйм. Размеры устройства были сравнимы с размером двух домашних холодильников, а его стоимость составляла 50 тыс. долл. С этих исходных характеристик и началось бурное развитие жестких дисков.

В 1980 году компания Seagate выпустила первый жесткий диск, с пластинами диаметром 5,25 дюйма, предназначенный для установки в персональные компьютеры и имевший емкость 5 Мбайт.

Среди параметров жесткого диска существует один, изменение которого влияет на все остальные параметры, - это плотность записи информации на диск. Увеличение плотности записи ведет к росту количества данных на пластине, что равносильно увеличению емкости жесткого диска при заданных размерах и количестве пластин либо уменьшению количества пластин и габаритов привода при заданной емкости.

Влияние плотности записи на работу жесткого диска проявляется различными способами. Во-первых, более плотное расположение данных позволяет считать больше информации за один оборот диска, а во-вторых, с уменьшением размеров пластин головка проходит меньшее расстояние при поиске нужной дорожки, что приводит к сокращению времени доступа к данным. Начав свой рост с 2 Кбит/кв.дюйм у первого жесткого диска (рис. 1), к настоящему времени плотность записи достигла 70 Гбит/кв.дюйм у коммерческих продуктов и превысила 100 Гбит/кв.дюйм у лабораторных образцов жестких дисков.

Плотность записи зависит от размеров отдельных битов и определяется двумя параметрами: плотностью расположения дорожек записи и размером бита вдоль дорожки (см. таблицу).

Для дальнейшего повышения плотности записи и общей емкости дисковых накопителей необходимо и далее уменьшать размеры отдельных битов и размещать их как можно ближе друг к другу. Однако здесь начинают действовать ограничения. Если сделать единичный участок хранения слишком маленьким, его магнитная энергия станет настолько ничтожной, что со временем может совсем исчезнуть из-за теплового движения частиц, и тогда информация потеряется. Данное явление носит название «суперпарамагнетизм». Во избежание последствий этого явления необходимо повысить коэрцитивную силу материала магнитного слоя диска. Это, в свою очередь, потребует повышения напряженности записывающего магнитного поля, которое обеспечивается улучшением конструкции головки и уменьшением зазора между головкой и магнитным слоем.

На протяжении всего периода развития жесткого диска появлялись работы, в которых предсказывался предел увеличения плотности записи на магнитный диск. Так, в начале 70-х годов прошлого века исследователи называли предел около 10 Мбит на 1 кв.дюйм. В настоящее время считается, что для применяемой сегодня технологии продольной записи (рис. 2) такой предел составляет 100-200 Гбит на 1 кв.дюйм.

Продольная магнитная запись характеризуется тем, что северный и южный полюса намагниченного участка располагаются вдоль поверхности магнитного диска, то есть рабочий слой перемагничивается вдоль движения.

Плотность записи в лабораторных образцах жестких дисков, использующих продольную магнитную запись, практически достигла теоретического предела, и, хотя этот предел отодвигался неоднократно, большинство исследователей считают, что в ближайшие несколько лет произойдет переход на другую технологию записи. В качестве наиболее вероятной называется перпендикулярная технология магнитной записи (рис. 3), характеризующаяся тем, что северный и южный полюса намагниченного участка располагаются перпендикулярно поверхности магнитного диска. Такое направление поля обеспечивается конструкцией записывающей головки.

Технология перпендикулярной магнитной записи известна довольно давно и активно исследовалась в 70-80-х годах; была даже сделана попытка ее коммерческого применения. Технология перпендикулярной магнитной записи применялась во флоппи-дисководах емкостью 2,88 Мбайт, но они не получили широкого распространения из-за высокой стоимости дискет.

Перпендикулярная запись часто рассматривалась как альтернатива продольной записи, но в промышленных масштабах переход на нее был нецелесообразен, так как при плотностях записи, с которыми может работать продольная запись, возможности этих технологий примерно равны, а стоимость перпендикулярной технологии немного выше. Сегодня переход на технологию перпендикулярной записи обусловливается тем, что ее технологические особенности позволяют достичь более высоких плотностей записи. При магнитной записи каждый бит образует магнитный домен, состоящий из определенного количества (сейчас около 100) магнитных зерен. Поскольку из-за особенностей взаимодействия двух соседних битов при перпендикулярной записи оптимальная толщина рабочего слоя немного больше, чем при продольной записи, необходимое количество магнитных зерен займет меньшую площадь.

Более эффективная геометрия магнитного поля, создаваемого головкой, позволяет увеличить плотность энергии магнитного поля в рабочем слое примерно в четыре раза.

Кроме того, разноименные полюса намагниченных и ненамагниченных участков расположены на противоположных сторонах рабочего слоя носителя. Поэтому магнитные поля от соседних ненамагниченных участков будут стабилизировать состояние намагниченного участка. Это позволяет заметно уменьшить минимальные размеры стабильных доменов.

По расчетам специалистов компании Seagate, перпендикулярная запись позволит достичь плотности записи 1 Тбит на 1 кв.дюйм, что эквивалентно возможности записать более 1 Тбайт информации на стандартный трехдюймовый диск. Для наглядности приведем несколько цифр. Так, если распечатать 1 Гбайт текстовой информации с плотностью 2500 символов на страницу, то высота получившейся стопки бумаги составит около 40 м. Для обеспечения плотности записи 1 Тбит на 1 кв.дюйм необходимо достичь плотности расположения дорожек 500 тыс. на 1 дюйм и линейной плотности 2 млн. бит данных на 1 дюйм дорожки. При такой плотности на срезе бумажного листа помещаются 2 тыс. дорожек или 8 тыс. бит данных.

Приведенные цифры намного превышают те, что могут предложить сегодняшние дисковые накопители, однако и этих показателей плотности, принимая во внимание прогнозируемые потребности в хранении данных в будущем, очень скоро может оказаться недостаточно. Так, согласно докладу Калифорнийского университета в Беркли, ежегодно в мире производится от 1 до 2 экзабайт (1 экзабайт эквивалентен миллиарду гигабайт) информации на самых разных носителях, включая магнитные, бумажные, пленочные и оптические. Не следует забывать и о том, что на магнитные носители постепенно переводятся документы традиционного вида - бумажные и пленочные, а кроме того, возрастают потребности бытовой электроники. Поэтому инженерам уже сейчас приходится искать новые, еще более перспективные технологии записи и хранения информации.

В качестве наиболее вероятных кандидатов здесь рассматриваются термомагнитная запись HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) и так называемые самоорганизующиеся магнитные решетки - SOMA (Self-Ordered Magnetic Arrays), однако на разработку этих технологий могут уйти еще годы.

Технология термомагнитной записи (рис. 4) похожа на технологию, используемую в магнитооптических приводах. При записи в обоих случаях используется зависимость магнитных свойств рабочего слоя от температуры. Разница между технологиями проявляется в способе чтения информации с диска. В магнитооптических приводах информация считывается лучом лазера, работающего на меньшей, чем при записи, мощности, а в термомагнитной записи информация считывается магнитной головкой так же, как в обычном жестком диске.

Запись информации осуществляется путем нагрева участка рабочего слоя, находящегося в магнитном поле записывающей головки. Нагревание производится кратковременным воздействием лазерного луча - длительность импульса лазера меньше длительности магнитного импульса. Магнитное поле подбирается с таким расчетом, чтобы при отсутствии нагрева его величина была недостаточной для перемагничивания рабочего слоя. При повышении температуры участка рабочего слоя происходит существенное изменение его магнитных свойств: например, может в 3-4 раза уменьшаться коэрцитивная сила. Это приводит к тому, что нагретые участки перемагничиваются. Подобные области и представляют собой записанную информацию.

Для термомагнитной записи используются материалы с высокой коэрцитивной силой, что обеспечивает высокую стабильность записанных участков. Минимальные размеры области, соответствующей одному биту информации, определяются диаметром сфокусированного светового луча.

По оценкам специалистов компании Seagate, термомагнитная запись позволит достичь плотности записи 10 Тбит на 1 кв.дюйм.