Анализ и оценка современных средств хранения и передачи данных

Содержание

 

 

 

 

Введение

 

На протяжении всей истории  своего развития человек активно  пользовался информацией в своих целях. Более того, он сам стал источником информации для других. Еще в Древнем мире люди умели получать, обрабатывать, передавать, накапливать и что особенно важно – хранить информацию.

Первоначально, для хранения и накопления информации, человеку достаточно было собственной памяти.

Однако с ростом накопленных  знаний этот способ становился ненадежным  и человек придумал записывать информацию в виде рисунков на стенах пещер. В таком виде информацию было гораздо легче хранить и накапливать.

С изобретением письменности люди стали записывать полученную информацию на дощечках, табличках, папирусах, а позднее и в книгах, которые они к тому времени изобрели. Поток информации резко возрос, к тому же, люди открыли массу способов добывания или получения информации.

Накопление информации шло интенсивно. Огромное количество информации тщательно  записывались, документировались и  хранились в несчетных архивах  и хранилищах и к середине XX века поток информации стал стремительно расти в геометрической прогрессии. В этот критический момент и был изобретен компьютер – устройство для получения, накопления, хранения, обработки, передачи и распространения информации.

Средства для хранения и передачи информации представляют собой различные  съемные накопители. На сегодня существует множество различных средств, отличающихся емкостью, надежностью и удобством.

С увеличением  объема хранимой информации возрастает и её ценность, поэтому тема выпускной квалификационной работы «Анализ и оценка современных средств хранения и передачи информации» очень актуальна.

Объектом и предметом  исследования являются современные  средства хранения и передачи информации.

Цель  выпускной квалификационной работы  проанализировать  современные средства хранения и передачи информации.

Задачи выпускной квалификационной работы:

- проанализировать  виды  средств хранения информации;

- проанализировать  способы  передачи информации;

- рассчитать параметры  беспроводной сети передачи данных;

- оценить перспективы  развития средств хранения и передачи информации.

В первой главе  будут рассмотрены виды средств  хранения информации.

Вторая глава  будет посвящена средствам передачи информации.

В третьей главе будут  рассмотрены перспективы развития средств хранения и передачи информации.

При написании Выпускной  квалификационной работы были использованы научные труды таких авторов как: Велихов А.В., Вишневский В.М., Гордиенко В.Н., Ромашов В.В., Булкин В.В., Рудой В. М., Старков В.В.

 

1 Устройства хранения информации: назначение и виды

 

Запоминающее устройство — носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

Устройства хранения информации делятся  на 2 вида:

- внешние (периферийные) устройства

- внутренние устройства

К внешним устройствам относятся  магнитные диски, CD, DVD, BD, стримеры, жесткий диск (винчестер), а также флэш-карта. Внешняя память дешевле внутренней, создаваемой обычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, что они работают медленнее устройств внутренней памяти. К внутренним устройствам относятся оперативная память, кэш-память, CMOS-память, BIOS. Главным достоинством является скорость обработки информации. Но в то же время устройства внутренней памяти довольно дорогостоящи.

 

1.1 Накопители на жестком диске

 

Жёсткий диск состоит из двух основных частей: гермоблока и контроллера (см. Приложение А). Гермоблок — это герметичная камера (откуда и название), заполненная чистым, не содержащим пыли воздухом, и содержащая в себе пакет магнитных дисков и блок магнитных головок (БМГ). Несмотря на герметичность, камера сообщается с окружающей средой через барометрический фильтр, обеспечивающий выравнивание давлений вне и внутри камеры.

Барометрический фильтр выполнен так, чтобы не пропускать частицы  пыли более определённого размера (~0,5 мкм). Выравнивание давлений исключает механические деформации корпуса. Также внутри находится рециркуляционный фильтр, обеспечивающий улавливание частиц, уже находящихся в камере, которые могут быть образованы внутри (в результате износа) или пропущены барометрическим фильтром. Он расположен на пути, циркулирующего за счёт вращения дисков воздуха.

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 магнитоэлектрического 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. Контроллер представляет собой электронную схему, выполняющую функции управления органами гермоблока и преобразование информации, передаваемой между компьютером и головками. Конструктивно контроллер обычно выполнен в виде печатной платы, монтируемой на одной стороне гермоблока. На контроллере расположены узлы питания, управления шпиндельным двигателем, сервоприводом БМГ, чтения и записи информации на диски, обмена по внешнему интерфейсу, разъёмы интерфейса, питания, соединения с гермоблоком, а также технологические выводы и элементы конфигурации (джамперы).

Современный контроллер — встроенная микропроцессорная система, выполняющая зашитую микропрограмму. Основные узлы контроллера:

- схема управления питанием;

- модуль управления (микропроцессорный).

- интерфейсный модуль;

- канал чтения-записи;

- контроллер БМГ;

- контроллер шпиндельного двигателя;

Физический уровень 

Информация на жёстких дисках закодирована на магнитном материале в виде магнитных доменов (микроскопических участков с направленным магнитным моментом) с различным направлением вектора намагниченности. Два направления вектора намагниченности представляют биты «0» и «1».

Традиционно, в жёстких  дисках используется технология параллельной записи (см. Приложение Б), когда намагниченность доменов лежит в плоскости поверхности диска. В 2005 году фирма Hitachi разработала технологию перпендикулярной записи — в этом случае домены намагничены перпендикулярно плоскости. Это позволило преодолеть ограничение, связанное с супер парамагнитным эффектом — взаимодействием магнитных доменов. Первой моделью винчестера с перпендикулярной записью, стала TravelStar 5K160, выпущенная с ёмкостями 40, 60, 80, 120 и 160 ГБ. Технология тепловой магнитной записи, разработанная компанией Seagate и представленная в 2006 году должна повысить плотность по сравнению с обычной технологией в 100 раз и обеспечить достижения отметки 7,75 Тбит/см2. Ключевым моментом технологии является локальное нагревание записываемого участка лазером, что должно уменьшить его коэрцитивную силу и обеспечить перемагничивание. Этот метод даёт возможность использовать менее подверженные супер парамагнитному эффекту материалы.

Приложение 3 -  Пример серво разметки

На заводе-изготовителе на диск записываются серво метки (см. Приложение 3), обеспечивающие синхронизацию вращения дисков, позиционирование головок на нужные треки. Серво метки на поверхности образуют области в виде радиальных лучей из центра диска, расположенные на равных угловых промежутках. Серво метки содержат синхронизационную последовательность, номер трека и дифференциальные метки. Синхронизационная последовательность обеспечивает стабильность вращения диска и точное определение моментов прохождения головкой различных областей на диске. По номеру трека обеспечивается позиционирование головок на нужный трек.

Дифференциальные метки, представляющие области противоположной  намагниченности, смещённые на 1/2 трека, предназначены для точного позиционирования головок на трек. Принцип их действия заключается в том, что головка расположенная точно над треком, проходя между двумя дифференциальными метками считывает, нулевую намагниченность, при отклонении же головки от середины, она окажется ближе к одной из меток, в результате намагниченность, считанная головкой будет определяться отклонением её от середины трека. Серво метки могут быть записаны только на прецизионном технологическом оборудовании. Для записи серво меток используется актюатор, вводящийся в гермоблок через отверстие и управляющий головками при записи. Повреждение серво метки автоматически означает последующую недоступность трека. На отдельных моделях под серво метки отводилась отдельная поверхность, однако от такого решения впоследствии отказались, так как это весьма расточительно с одной стороны, с другой стороны механической жёсткости БМГ недостаточно для точного позиционирования головок на других поверхностях при высокой плотности записи.

Рисунок 4 - Логическая структура и разметка поверхности магнитного диска

При записи на диск используется самосинхронизирующее кодирование, обычно код с ограничением длинны серий (RLL) или код с максимумом измений (MTR), обеспечивающее малую избыточность при отсутствии необходимости в дополнительных синхрометках (см. Рисунок 4).

Например, в дисках серии MH от Fujitsu применяется MTR-кодирование 16 в 17 бит с условием не более 3 единиц в серии и не более 2 единиц около границы кода. Для обеспечения надёжности также применяется помехоустойчивое кодирование — в данные добавляется избыточная информация, обеспечивающая восстановление при потерях части информации или ошибках чтения. Может использоваться код Рида — Соломона, турбо-код и др. Получила распространение технология считывания и декодирования «максимальная правдоподобность при неполном отклике».

Данные на диски записываются секторами. Сектор — это непрерывный фрагмент трека фиксированной информационной ёмкости. Стандартные сектора содержат по 512 байт (или 256 16-битных слов) информации. Каждый сектор может быть записан независимо от других, но только целиком. Прерванная запись, например, в случае пропадания питания, разрушает информацию в секторе.

Вместе с каждым сектором вычисляется  и записывается контрольная сумма, обеспечивающая проверку сохранности данных. При считывании посчитанная контрольная сумма сравнивается с записанной, и несовпадение означает, что данный сектор сбойный, он называется — бэд. Возможно несовпадение суммы и в том случае, когда поверхность сектора нормальная. При подобном сбое информация в секторе оказывается потерянной, но при записи на него сектор восстанавливается. Такие сектора называются софт-бэдами. Тем не менее, часто компьютерное программное обеспечение для работы с дисками нередко помечает такие сектора сбойными, и выводят их из использования.

Сектора адресуются тремя числами  — номером поверхности, номером  трека и номером сектора в  треке. На старых винчестерах номера поверхности, трека и сектора  задавались непосредственно через внешний интерфейс. Интерфейс ATA (IDE) сохранил этот исторический метод адресации, называемый CHS (Cylinder, Head, Sector — цилиндр ≈ трек, головка, сектор). Более современные модели используют логическую адресацию, в которой все сектора независимо от их физического положения на дисках пронумерованы последовательными числами. Винчестеры, работающие с логической адресацией могут имитировать физическую адресацию для совместимости. Логическая адресация обусловлена усложнением функционирования контроллера, связанным с более высокой плотностью записи и появлением разных сервисных функций, логическую адресацию определяет модуль микропрограммы винчестера, называемый транслятором, включающий в себя таблицы и алгоритмы преобразования.