История и перспективы развития устройств хранения информации

     Линейные  приводы перемещают головки значительно  быстрее, чем шаговые, кроме того, они позволяют производить небольшие  радиальные перемещения «внутри» дорожки, давая возможность отследить центр окружности серводорожки. 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.

     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-данных, 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 удерживает позицию головок от ненужных колебаний. При запуске накопителя схема управления 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 условиях (вибрация, удары, сотрясения), т.к. нет опасности повреждения поверхности носителя головками. В настоящее время на всех современных устройствах 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, устройствами 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 устройства и режима его работы, а для накопителей с интерфейсом SCSI - и перемычки, отвечающие за управление резисторной сборкой (стабилизирующей нагрузкой в цепи)⁵.

     1.2.3. Накопитель на  гибких магнитных  дисках

     Основные внутренние  элементы  дисковода - дискетная рама, шпиндельный двигатель, блок головок с приводом и плата электроники.

        Шпиндельный двигатель - плоский  многополюсный, с постоянной скоростью   вращения  300 об/мин. Двигатель  привода блока головок  - шаговый,  с червячной, зубчатой или ленточной передачей.

        Для опознания свойств дискеты  на плате  электроники возле  переднего торца  дисковода  установлено три механических  нажимных датчика: два - под  отверстиями защиты и плотности   записи, и третий - за датчиком  плотности - для определения момента опускания дискеты. Вставляемая в щель дискета попадает внутрь дискетной рамы, где с нее сдвигается защитная шторка,  а  сама рама при этом снимается со стопора и  опускается вниз - металлическое кольцо дискеты при этом ложится на вал шпиндельного двигателя, а нижняя поверхность дискеты - на нижнюю головку (сторона 0). Одновременно освобождается верхняя  головка, которая под действием пружины прижимается к верхней стороне дискеты. На большинстве дисководов скорость опускания рамы никак  не ограничена, из-за чего  головки  наносят ощутимый удар по поверхностям дискеты, а это сильно сокращает срок их надежной работы. В некоторых  моделях  дисководов (Teac, Panasonic, ALPS) предусмотрен замедлитель-микpолифт  для  плавного  опускания рамы. Для продления срока службы  дискет и головок в дисководах без микролифта рекомендуется при вставлении дискеты придерживать  пальцем кнопку дисковода, не давая раме опускаться слишком резко. На валу шпиндельного  двигателя  имеется кольцо с магнитным замком, который  в  начале  вращения  двигателя  плотно захватывает кольцо дискеты, одновременно центрируя ее на валу. В большинстве моделей дисководов  сигнал от датчика опускания дискеты вызывает кратковременный запуск двигателя с целью ее  захвата и центрирования.

     Дисковод  соединяется с контролером при  помощи 34-пpоводного кабеля, в котором  четные провода являются  сигнальными, а нечетные - общими. Общий вариант  интерфейса предусматривает подключение  к контролеру до четырех дисководов, вариант для IBM PC - до двух. В общем варианте  дисководы подключаются полностью параллельно друг другу, а номер дисковода (0..3)  задается  перемычками на плате электроники; в варианте для IBM PC оба дисковода имеют номер 1, но подключаются при помощи кабеля, в котором сигналы выбора (провода 10-16)  перевернуты между разъемами двух дисководов. Иногда на разъеме дисковода удаляется контакт 6, играющий в этом случае роль механического ключа. Интерфейс дисковода достаточно  прост и включает сигналы выбора устройства (четыре устройства в общем случае, два - в варианте для IBM PC), запуска двигателя, перемещения головок на один шаг включения записи, считываемые/записываемые данные,  а  также информационные сигналы от дисковода - начало  дорожки, признак установки головок на нулевую (внешнюю) дорожку, сигналы с датчиков и т.п. Вся работа по  кодированию  информации,  поиску дорожек и секторов, синхронизации, коррекции ошибок выполняется контролером.

     Дискета или гибкий диск - компактное низкоскоростное  малой ёмкости средство хранение и переноса информации. Различают дискеты двух размеров: 3.5”,  5.25”, 8” (последние два типа вышли из употребления).

     Конструктивно дискета представляет собой гибкий диск с магнитным покрытием, заключенный  в футляр. Дискета имеет отверстие  под шпиль привода, отверстие в футляре для доступа головок записи-чтения (в 3.5” закрыто железной шторкой), вырез или отверстие защиты от записи. Кроме дискета 3.5” - дискета высокой плотности - отверстие указанной плотности (высокая/низкая). 3,5 дискета защищена от записи, если отверстие защиты открыто.

        Для дискет используются следующие  обозначения:

     - SS single side - односторонний диск (одна рабочая поверхность).

     - DS double side - двусторонний диск.

     - SD single density - одинарная плотность.

     - DD double density - двойная плотность.

     - HD high density - высокая плотность.

     Накопитель  на гибких дисках принципиально похож  на накопитель на жестких дисках. Скорость вращения гибкого диска примерно в 10 раз медленнее, а головки касаются поверхности диска. В основном структура информации на дискете, как физическая так и логическая, такая же как на жестком диске. С точки зрения логической структуры на дискете отсутствует таблица разбиения диска⁶.

     1.2.4. CD-ROM 

     Самым распространенным представителем оптической технологии является CD-ROM, который характеризуется:

• Большая надежность по сравнению с винчестером
• Большая емкость, порядка 700 Мб
• CD-ROM практически не изнашивается

     Минимальная скорость передачи данных у CD-ROM составляет 150 Кбайт/с и возрастает в зависимости от модели привода, т.е. 52-х скоростной CD-ROM, будет иметь 52*150 = 7,8 Мб/с.

     Типовой привод состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и системы  загрузки диска. На плате электроники  размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала.

     Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или  переменной линейной скоростью. Сохранение постоянной линейной скорости требует изменения угловой скорости диска в зависимости от положения оптической головки. При поиске фрагментов диск может вращаться с большей скоростью, нежели при считывании, поэтому от шпиндельного двигателя требуется хорошая динамическая характеристика; двигатель используется как для разгона, так и для торможения диска.

     На  оси шпиндельного двигателя закреплена подставка, к которой после загрузки прижимается диск. Поверхность подставки  обычно покрыта резиной или мягким пластиком для устранения проскальзывания  диска. Прижим диска к подставке осуществляется при помощи шайбы, расположенной с другой стороны диска; подставка и шайба содержат постоянные магниты, сила, притяжения которых прижимает шайбу через диск к подставке.

     Система оптической головки состоит из самой  головки и системы ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель, на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Система фокусировки представляет собой подвижную линзу, приводимую в движение электромагнитной системой voice coil (звуковая катушка), сделанной по аналогии с подвижной системой громкоговорителя. Изменение напряженности магнитного поля вызывают перемещение линзы и пере фокусировку лазерного луча.

     Система загрузки диска выполняется в двух вариантах: с использованием специального футляра для диска (caddy), вставляемого в приемное отверстие привода, и с использованием выдвижного лотка (tray), на который кладется сам диск.

     Стандартный диск состоит из трех слоев: подложка из поликарбоната, на которой отштампован рельеф диска, намыленное на нее отражающее покрытие из алюминия, золота, серебра или другого сплава, и более тонкий защитный слой поликарбоната или лака, на который наносятся надписи и рисунки. Информационный рельеф диска состоит из спиральной дорожки, идущей от центра к периферии, вдоль которой расположены углубления (питы). Информация кодируется чередованием питов и промежутков между ними.

     Считывание  информации с диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отражённого от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приёмник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был ли он рассеян или поглощен. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены углубления (штрихи). Сильное отражение луча происходит там, где этих углублений нет. Фотодатчик, размещённый в накопителе CD - ROM, воспринимает рассеянный луч, отражённый от поверхности диска. Затем эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.

     Глубина каждого штриха на диске равна 0.12 мкм, ширина - 0.6 мкм. Они расположены  вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой  составляет 1.6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков на дюйм или 625 витков на миллиметр. Длина штрихов вдоль дорожки записи может колебаться от 0.9 до 3.3 мкм. Дорожка начинается на некотором расстоянии от центрального отверстия и заканчивается примерно в 5 мм от внешнего края.

     Если  на компакт-диске необходимо отыскать место записи определённых данных, то его координаты предварительно считываются  из оглавления диска, после чего считывающее  устройство перемещается к нужному  витку спирали и ждёт появления  определённой последовательности битов.

     В каждом блоке диска, записанного  в формате CD - DA (аудиокомпакт - диск), содержится 2352 байт. На диске CD - ROM 304 из них используется для синхронизации, идентификации и коррекции кодов  ошибок, а оставшиеся 2048 байт - для  хранения полезной информации. Поскольку за секунду считывается 75 блоков, скорость считывания данных с дисков CD - ROM составляет 153 600 байт/с (односкоростной CD - ROM), что равно 150 Кбайт/с. Поскольку на компакт - диске может содержаться максимальный объём данных, который считывается 74 мин, а за секунду считывается 75 блоков по 2048 байт, нетрудно подсчитать, что максимальная ёмкость диска CD - ROM составит 681 984 000 байт (около 650 Мбайт).

   Алгоритм  работы накопителя CD-ROM.

1. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на отражающее зеркало.
2. Серводвигатель по командам встроенного микропроцессора, смещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт - диске.
3. Отражённый от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму.
4. Разделительная призма направляет отражённый луч на другую фокусирующую линзу.
5. Эта линза направляет отражённый луч на фотодатчик, который преобразует световую энергию в электрические импульсы.
6. Сигналы с фотодатчика декодируются встроенным микропроцессором и передаются в компьютер в виде данных.

     Поскольку для программных файлов и файлов с данными важен каждый бит, в  накопителях CD-ROM используются весьма сложные алгоритмы обнаружения и коррекции ошибок. Благодаря таким алгоритмам вероятность неправильного считывания данных составляет менее 0.125 .

     Для реализации этих методов коррекции  ошибок к каждым 2048 полезным байтам добавляется 288 контрольных. Это позволяет  восстанавливать даже сильно повреждённые последовательности данных (длиной до 1000 ошибочных битов). Использование  столь сложных методов обнаружения и коррекции ошибок связано, во- первых, с тем, что компакт - диски весьма подвержены внешним воздействиям, а, во- вторых , потому, что подобные носители изначально разрабатывались лишь для записи звуковых сигналов, требования к точности которых не столь высоки⁷.