Магнитные диски

Магнитный диск состоит из одной или нескольких алюминиевых поверхностей, покрытых магнитным слоем. Изначально их диаметр составлял 50 см, сейчас – от 3 до 12 см, у портативных компьютеров – меньше 3 см, причем это значение продолжает уменьшаться. Головка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку. Отметим, что у дискет головка касается поверхности. Когда через головку проходит поло­жительный или отрицательный ток, он намагничивает поверхность под голов­кой. При этом магнитные частицы намагничиваются направо или налево в зави­симости от полярности тока. Когда головка проходит над намагниченной областью, в ней (в головке) возникает положительный или отрицательный ток, что дает возможность считывать записанные ранее биты. Поскольку диск враща­ется под головкой, поток битов может записываться, а потом считываться. Кон­фигурация дорожки диска показана на рисунке.

Рисунок – Фрагмент дорожки диска (два сектора)

Дорожкойназывается круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторыфиксированной длины. Каждый сектор обычно содержит 512 байт данных. Перед данными рас­полагается преамбула(preamble), которая позволяет головке синхронизировать­ся перед чтением или записью. После данных идет код исправления ошибок (Error-Correcting Code, ECC), в качестве которого используется код Хэмминга или чаще код Рида-Соломона,позволяющий исправлять множественные ошибки, а не только одиночные. Между соседними секторами находится межсекторный интервал.Многие производители указывают размер неформатированного диска (как будто каждая дорожка содержит только данные), хотя честнее было бы ука­зывать вместимость форматированного диска, на котором не учитываются пре­амбулы, ЕСС-коды и межсекторные интервалы. Емкость форматированного дис­ка обычно на 15% меньше емкости неформатированного.

У всех дисков есть кронштейны, они могут перемещаться туда и обратно по радиусу на разные расстояния от шпинделя, вокруг которого вращается диск. На разных расстояниях от оси записываются разные дорожки. Таким образом, до­рожки представляют собой ряд концентрических кругов, расположенных вокруг шпинделя. Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее пе­ремещения. На сегодняшний момент диски имеют от 5000 до 10 000 дорожек на см, то есть ширина каждой дорожки составляет от 1 до 2 микрон (1 микрон = = 1/1000 мм). Следует отметить, что дорожка – это не углубление на поверхно­сти диска, а просто кольцо намагниченного материала, которое отделяется от других дорожек небольшими пограничными областями.

Плотность записи битов на концентрических дорожках различается в зависи­мости от расстояния от центра диска и зависит главным образом от качества по­верхности диска и чистоты воздуха. Плотность записи современных дисков раз­нится от 50 000 до 100 000 бит/см. Таким образом, при записи в радиальном направлении на единицу площади приходится примерно в 50 раз больше дан­ных, чем в направлении по окружности.

Для повышения плотности производители разрабатывают технологии, в ко­торых «длинное» измерение битов проходит не вдоль окружности диска, а вер­тикально – оно как бы уходит в глубь материала. Эти технологии обобщенно на­зываются перпендикулярной записью,и уже очень скоро появятся первые коммерческие модели дисков на основе этих технологий.

Чтобы достичь высокого качества поверхности и достаточной чистоты воз­духа, диски герметично закрываются. Такие диски называются винчестерами.Впервые они были выпущены фирмой IBM. У них было 30 Мбайт фиксирован­ной памяти и 30 Мбайт сменной памяти.

Большинство магнитных дисков состоит из нескольких пластин, расположен­ных друг под другом, как показано на рисунке. Каждая поверхность снабжена кронштейном и головкой. Кронштейны скреплены таким образом, что одновре­менно могут перемещаться на разные расстояния от оси. Совокупность дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром.В современных моделях дисков для ПК устанавливается от 6 до 12 пластин, содержа­щих от 12 до 24 рабочих поверхностей

Рисунок – Винчестер с четырьмя дисками

Производительность диска зависит от многих факторов. Чтобы считать или записать сектор, головка должна переместиться на нужное расстояние от оси. Этот процесс называется поиском.Среднее время поиска между дорожками, взятыми наугад, составляет от 5 до 10 мс, а поиск между смежными дорожка­ми – менее 1 мс. Когда головка помещается на нужное расстояние от центра, вы­жидается некоторое время (оно называется временем ожидания сектора),пока нужный сектор не окажется под головкой. Большинство дисков вращаются со скоростью 5400, 7200 или 10 800 оборотов в минуту. Таким образом, среднее время ожидания сектора (половина оборота) составляет от 3 до 6 мс. Время пе­редачи информации зависит от плотности записи и скорости вращения. При скорости передачи от 20 до 40 Мбайт в секунду время передачи одного сектора (512 байт) составляет от 13 до 26 мкс. Следовательно, время поиска и время ожидания сектора определяет время передачи информации. Ясно, что считы­вание секторов из разных частей диска неэффективно.

Следует упомянуть, что из-за наличия преамбул, ЕСС-кодов, промежутков между секторами, а также из-за того, что определенное время затрачивается на поиск дорожки и ожидание сектора, существует огромная разница между скоро­стью передачи данных для случаев, когда необходимые данные разбросаны в разных частях диска и когда они находятся в одном месте и считываются после­довательно. Максимальная скорость передачи данных в первом случае достига­ется в тот момент, когда головка располагается над первым битом данных. Одна­ко такая скорость работы может сохраняться только на одном секторе. Для некоторых приложений, например мультимедиа, имеет значение именно средняя скорость передачи за некоторый период с учетом необходимого времени поиска и времени ожидания сектора.

Суммарная длина внешних дорожек боль­ше, чем длина внутренних. Поскольку все магнитные диски вращаются с посто­янной угловой скоростью независимо от того, где находятся головки, возникает очевидная проблема. Раньше при производстве дисков изготовители создавали максимально возможную плотность записи на внутренней дорожке, и при про­движении от центра диска плотность записи постепенно снижалась. Если дорож­ка содержит, например, 18 секторов, то каждый из них занимает дугу в 20°, и не важно, на каком цилиндре находится эта дорожка.

В настоящее время используется другая стратегия. Цилиндры делятся на зо­ны (на диске их обычно от 10 до 30). При продвижении от центра диска число секторов на дорожке в каждой зоне возрастает. Это усложняет процедуру хране­ния информации на дорожке, но зато повышает емкость диска, что считается бо­лее важным. Все секторы имеют одинаковый размер. Схема диска с пятью зона­ми изображена на рисунке.

Рисунок – Диск с пятью зонами, каждая зона содержит несколько дорожек

С диском связан так называемый контроллер – микросхема, которая управ­ляет диском. Некоторые контроллеры содержат целый процессор. В задачи кон­троллера управление перемещением кронштейна, обнаружение и исправление ошибок, преобразование байтов, счи­тываемых из памяти, в непрерывный поток битов и наоборот. Некоторые кон­троллеры производят буферизацию и кэширование нескольких секторов на случай их дальнейшего использования, а также пропускают поврежденные секторы. Не­обходимость последней функции вызвана наличием секторов с поврежденным, то есть постоянно намагниченным, участком. Когда контроллер обнаруживает поврежденный сектор, он заменяет его одним из свободных секторов, которые выделяются специально для этой цели в каждом цилиндре или зоне.