Накопители на жестких магнитных дисках

Накопитель на жестком диске относится к наиболее совершенным и сложным устройствам современного ПК. Его диски способны вместить многие мегабайты информации, передаваемой с огромной скоростью. Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его создания. Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех.

Диск представляет собой круглую пластину с очень ровной поверхностью чаще из алюминия, реже - из керамики или стекла, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить". Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом, сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об./мин. Для того, чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности. Появление в 1999 г. изобретенных фирмой IBM головок с магниторезистивным эффектом (GMR – Giant Magnetic Resistance) привело к повышению плотности записи до 6,4 Гбайт на одну пластину в уже представленных на рынке изделиях.

Основные параметры жесткого диска:

• Емкость – винчестер имеет объем от 40 Гб до 200 Гб.
• Скорость чтения данных. Средний сегодняшний показатель – около 8 Мбайт/с.
• Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель – 9 мс.
• Скорость вращения диска. Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа (поиска). Повышение общей производительности особенно заметно при выборке большого числа файлов.
• Размер кэш-памяти – быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные. У винчестера есть своя кэш-память размером до 8 Мбайт.
• Фирма-производитель. Освоить современные технологии могут только крупнейшие производители, потому что организация изготовления сложнейших головок, пластин, контроллеров требует крупных финансовых и интеллектуальных затрат. В настоящее время жесткие диски производят семь компаний: Fujitsu, IBM-Hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital. При этом каждая модель одного производителя имеет свои, только ей присущие особенности.

Конструктивно такой накопитель содержит пакет из нескольких дисков, смонтированных на одной общей оси - шпинделе. Он вращается вместе с дисками со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту.

Каждый диск представляет собой алюминиевую или стеклокерамическую пластину с магнитным покрытием - тонким слоем окиси железа или окиси хрома. Весь пакет дисков заключен в герметичный корпус, обеспечивающий необходимую чистоту и постоянное давление очищенного от пыли воздуха с помощью сложной системы специальных фильтров. Чтение и запись информации осуществляются головками чтения и записи, укрепленными на поворотных рычагах-позиционерах. Головки не касаются поверхностей дисков, а перемещаются над ними на расстоянии долей микрона.

Головки записи/считывания перемещаются над поверхностью дисков на расстоянии не более 0,07 мкм. Зазор между ними создается воздушным потоком, а сам поток - непрерывным вращением пакета дисков.

Каждый диск разбит на последовательно расположенные дорожки - концентрические окружности, соответствующие зонам остаточной намагниченности, созданной головками. На каждом диске пакета - одинаковое число дорожек, а каждая из них разбита на последовательно расположенные сектора объемом 512 байт.

Винчестер содержит гермоблоки отдельно от него - плату электроники. В гермоблоке расположена механика и предварительный усилитель, а на плате - управляющая электроника. Электронная плата расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения.

Под пакетом дисков со шпинделем размещается двигатель. При вращении пакета дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока и непрерывно очищается фильтром.

Емкость винчестеров современных персональных компьютеров достигает 80 -120 и более Гбайт.

Рис. 1.10 Жесткий диск (винчестер)

Одной из основных характеристик жесткого диска является среднее время, в течение которого винчестер находит нужную информацию. Это время обычно представляет собой сумму времени, необходимого для позиционирования головок на нужную дорожку и ожидания требуемого сектора. Современные винчестеры обеспечивают доступ к информации за 8-10 мс.

Другой характеристикой винчестера является скорость чтения и записи, но она зависит не только от самого диска, но и его контроллера, шины, быстродействия процессора. У стандартных современных жестких дисков эта скорость составляет 15-17 Мбайт/с.

Обычно винчестер входит в состав системного блока персонального компьютера, но может использоваться и в качестве дополнительной внешней долговременной памяти.

Рассмотрим логическую структуру винчестера.

Диски на компьютере обозначаются буквами латинского алфавита. Так, диск A:\ – дискета, диск C:\ – жесткий диск, диск D:\ – дисковод CD-ROM или DVD, диск E:\ – дисковод CD-RW, диск F:\ – съемный диск (например, вход от цифрового фотоаппарата) и т.д. (впрочем, пользователь может обозначить диски какими угодно буквами: здесь мы приводим наиболее традиционный вариант)

Физический диск C – всегда считается первым из установленных на компьютере нескольких жестких дисков или может быть разделен на несколько разделов – логических дисков (обозначаемых буквами C, D, E и т.д.), из которых C – также является первым, загрузочным. Для чтения и записи данных магнитные диски необходимо предварительно подготовить (разметить). Этот процесс называется форматированием. Пространство физического жесткого диска разделяется на секторы по 512 байт, а логического диска – на кластеры (зоны). Объем кластера зависит от объема жесткого диска и может составлять от 512 байт до 64 килобайт.

Персональные компьютеры обычно продаются с уже отформатированными жесткими дисками.

Логической единицей деления информации на диске является файл – поименованная совокупность байтов.

Длина файла может меняться от 1 байта до десятков мегабайт. В них может храниться любая информация – текстовые документы, рисунки, программы и т.д. Файлы различаются по виду информации – программы, документы, библиотеки и т.д. Пользователь непосредственно имеет дело только с программами и документами. Отличают файлы по индивидуальному имени, которое им присваивается. Это имя может быть любым – фамилией, названием предмета или понятия (например, фото или кинофильм). Кроме названия оно должно содержать идентификатор, который определяет его тип. Это так называемое расширение. Оно обычно состоит из 3 – 4 букв и отделяется от имени файла точкой. Видов расширений довольно много. Наиболее часто встречаются такие:

exe – обозначает исполняемый файл, хранящий программу,

com – обозначает небольшие программы, системные файлы...,

bat – обозначает «пакетный» файл для последовательного

запуска нескольких программ,

txt, doc, rtf, pdf – текстовые файлы,

htm, html, shtml – гипертекстовые документы Интернет,

xls – таблица,

dat – файл данных,

wav, mp3 – звук в цифровом формате,

bmp, jpg – графическая информация, рисунки, фото,

avi, mpg... – видео,

arj, zip, rar – архивные файлы, сжатые с помощью

программ-архиваторов

и др.

Какие операции можно производить с файлами? Это запуск, просмотр, редактирование, переименование, перенос, копирование и удаление.

Запуск предназначен для программ, просмотр и редактирование – только для документов (текстов, таблиц, рисунков, фото).

Файлы (программы или документы) по единой тематике для удобства объединяются в папки, которые пользователь может создавать по своему усмотрению. (Ранее папки было принято называть иначе – каталоги, директории, фолдеры). Папку можно открыть, посмотреть, что в ней находится, переименовать, перенести.