Сравнительный анализ и характеристик НГМД и НЖМД

Группу дорожек, находящихся на разных дисках и имеющих один и тот же номер, называют цилиндром. Каждый цилиндр имеет числовой адрес. Например, в накопителе с двумя дисками и четырьмя головками чтения-записи первый цилиндр состоит из четырех дорожек с одинаковыми номерами: первая — на верхней стороне диска О, вторая на нижней стороне диска 0, третья — на верхней стороне диска 1 и четвертая — на нижней стороне диска 1.

Каждый сектор, в свою очередь, состоит из двух частей поле идентификатора и поля данных. Информация, находящаяся в идентификаторе, записывается на диск при форматировании низкого уровня. Эта информация является служебной и недоступна программам компьютера. Она необходима для того, чтобы контроллер мог найти требуемый сектор на диске и определить его пригодность к записи-чтению. Запись информации на "диск производится посредством "вписывания" ее в поля данных соответствующих секторов.

Данные в секторах защищены с помощью контрольной суммы В качестве контрольной суммы используются так называемые байты ЕСС (Error Correction Code). С помощью этих байтов производится обнаружение и исправление ошибок в данных. Записывая данные на диск, адаптер производит накопление контрольной суммы путем циклического деления входных данных на полином определенного вида. Остаток от деления представляет из себя уникальную для входных данных комбинацию и записывается непосредственно за ними. Количество байтов ЕСС, используемых для коррекции данных, определяется видом используемого полинома. Эта функция недоступна программам и связана только с аппаратурой адаптера. При считывании данных производится накопление контрольной суммы по тому же закону. Причем в формировании остатка участвуют как байты данных, так и байты ЕСС. Нулевое значение остатка свидетельствует об успешном чтении. В случае ненулевого остатка предпринимается попытка скорректировать прочитанные данные до передачи их в память ПК. Возможность коррекции определяется разрядностью (степенью старшего разряда) полинома, которая непосредственно связана с количеством байтов ЕСС. То есть чем больше число байтов ЕСС, тем большее число неверно прочитанных битов может быть скорректировано. Но, естественно, тем выше и информационная избыточность корректирующего кода.

Различные адаптеры используют полиномы разного вида и, соответственно, разное количество байтов ЕСС. Как правило, их число может быть от 4 до 7. Один из возможных видов полинома при четырех байтах ЕСС приведен ниже.

Х32 + Х23 + Х21 + XII + Х2 + 1

Данные записываются на диск в последовательном виде, бит за битом, причем старший бит записывается первым. Чтение происходит в том же порядке. Количество битов, требуемое для записи одного байта, зависит от используемого метода кодирования данных. Два наиболее распространенных метода кодирования с двойной плотностью записи получили впоследствии названия модифицированной частотной модуляции (MFM — Modified Frequency Modulation) и миллеровской модифицированной частотной модуляции (M-FM). Еще через год к ним прибавился метод записи с" групповым кодированием (RLL — Run Limited Length), позволивший повысить продольную плотность записи на 117% по сравнению с FM. В современных НЖМД, как правило, используются методы MFM и RLL[11].

4. Логическая организация данных в НЖМД

  Логические диски

 Персональный компьютер обычно комплектуется одним или двумя НЖМД. Однако операционная система позволяет разбивать НЖМД на части, причем каждая часть будет рассматриваться MS-DOS как отдельный "логический" диск.

Зачем нужно разбивать диск на логические диски? Первые персональные компьютеры IBM PC были укомплектованы только НГМД. Дискеты позволяют хранить относительно небольшие объемы информации, поэтому делить их на части не имеет смысла. Следующая модель компьютера IBM PC/XT имела НЖМД объемом 10 или 20 Мбайт. При использовании таких дисков и операционных систем MS-DOS версий до 3.20 у пользователей не возникало никаких проблем, и желания разбить диск относительно малого объема на еще меньшие части[10].

Проблемы возникли, когда производители НЖМД освоили выпуск дисков объемом 40 Мбайт и больше. Оказалось, что используемый в MS-DOS механизм 16-разрядной адресации секторов не позволяет использовать диски объемом большим, чем 32 Мбайт.

Операционная система MS-DOS версии 3.30 предложила выход из создавшегося положения. С помощью программы fdisk.exe можно было разбить физический диск на логические, каждый из которых не должен превышать по объему 32 Мбайт.

Впоследствии в версии 4.00 операционной системы MS-DOS и в версии 3.31 операционной системы COMPAQ DOS указанное выше ограничение на размер логического диска было снято, однако схема разделения физического диска на логические диски полностью сохранилась.

Существуют и другие причины, по которым может быть полезно разделение большого диска на части: в случае повреждения логического диска пропадает только та информация, которая находилась на этом логическом диске; реорганизация и выгрузка диска маленького размера выполняется быстрее, чем большого; на одном диске может находиться несколько различных операционных систем, расположенных в разных разделах. В ходе начальной загрузки можно указать раздел диска, из которого должна загружаться нужная вам в данный момент операционная система.

  Главная загрузочная запись

Первый сектор жесткого диска (сектор 1, дорожка 0, головка 0) содержит так называемую главную загрузочную запись (Master Boot Record). Эта запись занимает не весь сектор, а только его начальную часть.

Сама по себе главная загрузочная запись является программой. Эта программа во время начальной загрузки операционной системы с ЖМД помещается по адресу 7COOh:OOOOh, после чего ей передается управление. Загрузочная запись продолжает процесс загрузки операционной системы.

  Таблица разделов диска

В конце первого сектора жесткого диска располагается таблица разделов диска (Partition Table). Эта таблица содержит четыре элемента, описывающих до четырех разделов диска. В последних двух байтах сектора находится значение 55AAh. Это признак таблицы разделов (сигнатура таблицы разделов). Для просмотра и изменения содержимого таблицы разделов НМД используется программа fdisk.exe.

Что представляет собой элемент таблицы разделов диска? Это структура размером 16 байт, соответствующая части диска, называемой разделом. В структуре располагается информация о расположении и размере раздела в секаторах, а также о назначении раздела.

Разделы диска бывают активными или неактивными. Активный раздел может использоваться для загрузки операционной системы. Диск может содержать одновременно несколько активных разделов, которые могут принадлежать разным операционным системам.

Загрузка операционной системы

Загрузка операционной системы с жесткого диска - двухступенчатый процесс. Вначале модули инициализации BIOS считывают главную загрузочную запись в память по адресу 7COOh:OOOOh и передают ей управление. Главная загрузочная запись просматривает таблицу разделов и находит активный раздел. Если активных разделов несколько, на консоль выводится сообщение о необходимости выбора активного раздела для продолжения загрузки.

После того как активный раздел найден, главная загрузочная запись считывает первый сектор раздела в оперативную память. Этот сектор содержит загрузочную запись, которой главная загрузочная запись и передает управление. Загрузочная запись активного раздела выполняет загрузку операционной системы, находящейся в активном разделе.

Такой двухступенчатый метод загрузки операционной системы необходим по той причине, что способ загрузки зависит от самой операционной системы. Поэтому каждая операционная система имеет свой собственный загрузчик. Фиксированным является только расположение загрузочной записи - первый сектор активного раздела[12].

5. Интерфейсы НЖМД

Обзор интерфейсов

В отличие от интерфейса НГМД, который по ряду причин является довольно консервативным, интерфейс НЖМД представляет собой динамичную, постоянно развивающуюся область. Это связано с тем, что характеристики НЖМД радикальным образом влияют на эффективность работы ПК в целом. Для обозначения интерфейсов НЖМД используются следующие аббревиатуры: ST506/412 (разработан фирмой Seagate Technology, США), IDE (Integrated Drive Electronics), ESDI (Enhanced Small Device Interface), и SCSI (Small Computer System Interface). Ниже описаны некоторые наиболее популярные интерфейсы накопителей на жестких дисках для персональных компьютеров.

Чтобы правильно представить себе перечисленные интерфейсы, важно знать, каким образом накопители на жестких дисках вписываются в различные конфигурации компьютеров. В современных персональных компьютерах в основном используются интерфейсы, относящиеся к диапазону низкого и среднего быстродействия, в том числе ST506/412, IDE, ESDI, SCSI. Такой почтенного возраста интерфейс как SMD уже редко применяется, но иногда используется для соединения больших дисководов с файл-серверами.

Компьютерная техника развивается настолько быстрыми темпами, что существенные сдвиги в увеличении производительности происходят практически ежегодно. Появление НЖМД с новыми интерфейсами предопределяет появление новых адаптеров и поддерживающих их драйверов. Поэтому не стоит бросаться немедленно совершенствовать какую-либо отдельную компоненту дисковой системы, как только промышленность сделает очередной рывок, если другие компоненты по сравнению с ней работают куда медленнее.

Использование жестких дисков в микрокомпьютерах — явление относительно новое. Хотя такие накопители и выпускались для многих компьютеров первых поколений (например, S-100 и Apple II), в первом персональном компьютере фирмы IBM — IBM PC накопителя на жестких дисках не было. Настоящий бум по введению НЖМД в персональные компьютеры пришелся на начало 80-х годов, когда впервые появились жесткие диски диаметром 5,25 дюйма. Пионером в этом деле была фирма Seagate Technology, которая выпустила накопитель на жестком диске емкостью 5 Мбайт с интерфейсом ST506 и методом кодирования данных MFM. Скорость передачи данных у этого накопителя была 5 Мбит/сек. Аналогичные НЖМД выпускали и другие производители, например накопитель NP05-10 фирмы Nippon Periferals Ltd. Когда в 1983 году вошли в употребление компьютеры типа PC/XT фирмы IBM, установленный на них жесткий диск емкостью 10 Мбайт и временем доступа 100 миллисекунд представлял собой по тому времени чудо технологии: для ПК это были невиданные объем и скорость обмена данными. Накопитель подключался к адаптеру через интерфейс ST506 и представлял собой довольно громоздкое по нынешним понятиям устройство высотой 82 мм (Full Height).

В дальнейшем интерфейс ST506 был усовершенствован в части управления перемещением магнитных головок. Усовершенствованный интерфейс получил название ST412. В течение длительного времени интерфейс ST412 вполне соответствовал своему назначению. Действительно, жесткий диск совместно с этим интерфейсом осуществлял передачу данных быстрее, чем компьютер мог ее обрабатывать. Это вынуждало разработчиков оборудования искусственно снижать скорость передачи данных жестких дисков за счет их форматирования с коэффициентом чередования равным 6, синхронизируя таким образом скорость передачи данных накопителя со скоростью обработки информации в системе. При этом фактическая скорость- передачи данных соответствовала приблизительно 85 Байтам в секунду.

Но разработчики компьютерной техники имеют тенденцию увеличивать скорость работы проектируемого оборудования, и в скором времени производительность жестких дисков стала стремительно расти. Так, например, время обращения снизилось приблизительно до 40 миллисекунд. Тем временем промышленность с 1984 года приступила к выпуску быстродействующих компьютеров класса PC/AT, шина данных в которых работала на частоте 6, а затем и 8 МГц. Интерфейс ST412 также совершенствовался и все еще неплохо справлялся со своей задачей, достигнув скорости передачи данных, равной приблизительно 165 Кбайт/сек (для компьютеров класса PC/AT, что почти в два раза превышало скорость передачи данных для компьютеров класса PC/XT). Здесь имеется ввиду весь тракт передачи между НЖМД и памятью ПК[11].

С 1986 года, с появлением на рынке процессоров серии 80386, тактовая частота компьютеров повысилась до 20, а затем и до 33 МГц, что потребовало сокращения времени обращения к жесткому диску до 15-20 миллисекунд. С этого момента интерфейс ST412 становится узким местом, так как обеспечиваемая им скорость передачи данных значительно ниже возможностей новых накопителей и не соответствует общей производительности компьютера. Некоторые фирмы-изготовители компьютерного оборудования сумели несколько улучшить характеристики интерфейса ST412 за счет более высокой скорости передачи данных и увеличения плотности записи информации на диске. Однако некоторые функциональные ограничения, присущие интерфейсу ST412, так и не позволили усовершенствовать его настолько, чтобы он действительно соответствовал современным высокопроизводительным компьютерам. Поэтому ни для кого не стало неожиданностью то, что в 1986 году появилась необходимость внедрения новых стандартов для интерфейсов — ESDI и SCSI. В совокупности эти интерфейсы практически полностью вытеснили интерфейс ST412 применительно к сетевым файл-серверам, а также и в других случаях, требующих повышенных функциональных возможностей. Большинство высокопроизводительных персональных компьютерных систем включает в себя контроллер НЖМД типа ESDI как стандартное оборудование, а многие поставщики предлагают компьютерные системы, имеющие накопители на жестком диске с интерфейсами как ESDI так и SCSI.

Интерфейсы ESDI и SCSI превосходят интерфейс ST412 главным образом за счет значительно более высокой скорости передачи данных. Кроме того, они являются более гибкими, т.е. ориентированы на подключение не только НЖМД, но и других устройств. Максимальная скорость передачи данных в компьютерах, имеющих жесткие диски, ограничивается скоростью, с которой данные поступают на головки чтения-записи. (Здесь не рассматриваются накопители со встроенной кэш-памятью). Величина этой скорости ограничивается двумя факторами: скоростью вращения диска и плотностью информации на нем. Почти все 5-дюймовые НЖМД имеют скорость вращения 3600 оборотов в минуту. При использовании интерфейса ST412 и метода кодирования MFM данные организованы следующим образом: 17 секторов на дорожке при 512 байтах (по 8 бит) в каждом секторе. В результате такой организации данных скорость их передачи в лучшем случае равна произведению этих четырех чисел (60 * 512 * 17 * 8) и составляет 4 177 920 бит/сек. Повышение скорости передачи данных может быть достигнуто двумя способами: либо за счет увеличения количества секторов на дорожке, либо путем увеличения емкости каждого сектора. Увеличение емкости сектора связано с рядом ограничений, налагаемых аппаратурой, драйверами жестких дисков и программным обеспечением. Использование метода кодирования данных RLL позволяет разместить на дорожке 26 секторов. При этом скорость обмена данными составляет 6 389 760 бит/сек[16]. Заметим, что приведенные здесь цифры учитывают среднюю скорость обмена данными; при обработке дорожки. Реальная же скорость при MFM-методе составляет 5, при RLL — 7,5 Мбит/сек. Таким образом, дальнейшее улучшение параметров интерфейса типа ST412 ограничивается величиной скорости передачи данных равной 7,5 Мбит/сек. Интерфейсы ESDI и SCSI позволяют эксплуатировать жесткие диски при более высокой плотности записи и при скорости передачи данных 10 Мбит в секунду и выше[13].