Жесткий диск. Физические носители информации

Это общепринятый физический носитель информации в сервере и в персональном компьютере. Жесткий диск, иногда называемый «винчестер», состоит из набора вращающихся на одной оси плоских дисков диаметром несколько сантиметров (типичный диаметр — от трех с половиной дюймов и менее), покрытых магнитным слоем. Эксплуатационные свойства жесткого диска весьма привлекательны: большая емкость, быстрый доступ к записанной информации, высокий темп считывания информации и взаимозаменяемость (стандартизация дисков). Быстрый доступ к информации обеспечивается небольшим расстоянием, которое проходит считывающая головка при поиске нужного места, а также записью информации в предварительно созданные (отформатированные) секторы на диске. Технические особенности, обеспечивающие малый износ считывающих головок и магнитного слоя поверхности пластины, — бесконтактное считывание информации, «полет» головки над диском. Принимаются специальные меры по обеспечению надежности опорных подшипников жесткого диска, например используются газодинамические подшипники, то есть также режим «полета» над опорной поверхностью. Поэтому для обеспечения ресурса сервера опасно не количество отработанных часов, а число включений/выключений, связанных с «посадкой» головок и разгоном дисков. Указанная особенность конструкции диска дает возможность (при наличии устройств бесперебойного питания) оставлять сервер включенным в течение многих суток (недель). Таким образом, достигается одно из существенных преимуществ электронной библиотеки — обслуживание пользователя 24 часа в сутки круглый год. Примерные параметры жестких дисков.

1. Семейство жестких дисков компании Seagate Technology, Barracuda 7200, емкость 160/120/80/40 Гб, с интерфейсом Serial АТА. среднее время поиска 8,5 мс; одна из последних разработок — жесткий диск Barracuda NL35. объем памяти 500 Гб, 3 пластины, скорость вращения пластин 7200 оборотов в минуту. Скорость считывания данных составляет 47 Мб/с. Еще один образец продукции той же компании — семейство дисков Cheethah со скоростью вращения дисков 15 тыс. оборотов в минуту, памятью до 300 Гб.

2. Отвечает самым высоким требованиям надежности бесшумный и противоударный жесткий диск компании Samsung емкостью 40.8 Гб; скорость вращения пакета из 2 дисков 5400 оборотов в минуту; емкость буфера 512 Кб, среднее время доступа 8,5 мс, скорость передачи данных до 66 Мбит/сек. Среднее время наработки на отказ 500 тыс. часов (это примерно 57 лет), удельная стоимость хранения данных — 1 доллар за 200 Мб. то есть 0,5 цента за I Мб.

3. Тот же принцип обеспечения высокой надежности реализует конструкция жесткого диска WD Caviar компании Western Digital для серверов емкостью до 250 Гб, обладающего специальной функцией контроля надежности и предупреждения выхода диска из строя. Расчетное время наработки на отказ составляет 1 млн часов (более 100 лет).

Для хранения больших массивов данных существуют специальные дисковые системы с высоким быстродействием, например, в продажу поступает цифровая библиотека-хранилище (конструктивно — один шкаф) из дисков по 73 Гб каждый, суммарной емкостью 9 Тб.

В позиции ожидания и в работе диск находится в состоянии равномерного, непрерывного и быстрого вращения. Обращение к записанной информации происходит за счет поперечного перемещения головок на очень короткую дистанцию. Нагрузка на физическую основу носителя (создается центробежной силой) постоянна во все моменты времени.

Носители информации на магнитных лентах. Данные носители реже используются сегодня, чем на заре компьютерной эры. Тем не менее их преимущества очевидны: это хорошо освоенные технологии производства, высокая плотность записи, высокая скорость считывания информации и большая емкость. Однако конструктивное различие ленточных устройств по сравнению с жесткими дисками в кинематике является абсолютно принципиальным.

• Состояние ожидания — это неподвижная лента.

• Выход на исходную позицию при поиске файла на определенном и заранее неизвестном участке ленты — это ускоренное движение (перемотка) и последующее резкое торможение.

• Рабочий режим считывания или записи — это равномерное движение ленты со скоростью, намного меньшей, чем при поиске.

Ленточные устройства используют не монотонный, а «рваный», пульсирующий режим работы, с большой и переменной во времени механической нагрузкой на физическую основу носителя информации. Неустранимый недостаток устройств с использованием магнитных лент — большое время доступа к информации, постепенное стирание магнитного слоя, ухудшение записи из-за размагничивания ленты, вытягивание ленты-основы в ходе эксплуатации. Тем не менее цифровые устройства хранения информации очень часто реализуются на магнитных лентах, например стримеры, цифровые магнитофоны DAT (Digital Audio Таре), магнитофоны со спирапьной дорожкой записи, занимающей всю ширину магнитной ленты (Exabyte).

Некоторые примеры устройств хранения информации: ленточные накопители Surestore с технологией DLT (Digital Linear Таре), в которых используются кассеты емкостью 160 Гб каждая, скорость передачи данных 16 Мбит/с (384 дорожки, среднее время доступа к файлу порядка 70 с). В качестве иллюстрации широкого распространения этих систем укажем, что к 2002 г. было продано 2 млн приводов, 80 млн картриджей.

Разработан открытый формат Ultriym, в котором используются кассеты на 200 Гб, и скорость передачи данных составляет 20 Мбит/с. На базе этих устройств созданы цифровые хранилища — роботизированные библиотеки с суммарной емкостью 10 Тб, темпом передачи данных до 10 Мбит/с.

Российская компания «Мобильные ТелеСистемы» (МТС) установила недавно ленточную библиотеку Exabyte Х200 (один шкаф), способную хранить до 30 Тб сжатых данных (это эквивалент 30 млн томов), — для резервного копирования и архивирования биллинговых (платежных) записей. Библиотека состоит из 200 кассет, до 150 Гб на кассету, темп передачи данных 30 Мбит/с.

Компактные оптические диски

Диски «только для чтения» CD-ROM с предварительно записанной и неизменяемой информацией — один из наиболее надежных и распространенных носителей цифровой информации. Особенно полезны такие диски для записи неизменяемой информации, например архивных или ретроспективных изданий, коллекций рисунков и подобных данных, которые могут потребоваться большому числу пользователей. Полезно отметить разницу и сходство между веб-сайтом и оптическим диском. Хотя оба вида содержат машиночитаемую информацию, диск в обслуживании намного ближе к печатному формату. Это подтверждает библиотечная практика. Диском владеют физически, его можно каталогизировать и поставить на полку библиотеки. В то же время есть и очень важное технологическое и логическое единство: обе технологии работают в режиме формирования стандартных пакетов информации.

Технология CD-ROM появилась благодаря сотрудничеству фирм Sony (Япония) и Philips (Нидерланды). В 1987 г. Международная организация по стандартизации выпустила международный стандарт ISO 9660 «Обработка информации — структура файла и тома CD-ROM для обмена информацией (1988)», которому в настоящее время соответствуют практически все рыночные виды CD-ROM.

Аудиокомпакт-диск, или CD-ROM. — это диск диаметром 12 см из чистого пол и карбонатного пластика, покрытый отражающим металлом (алюминий, золото) и защитным слоем прозрачного лака. Сфокусированный лазерный луч считывает мельчайшие (0.5 микрона) углубления вдоль спиральной дорожки общей длиной 4,5 км. Плотность кодирования очень высока: на дорожке аудиокомпакт-диска, или CD-ROM. содержится около 3 млрд кодов. На стандартном компакт-диске может быть записано 74 минуты звучания или около 680 Мб информации. Диск не имеет физически выделенных дорожек и не нуждается в форматировании, а запись идет вдоль некоей виртуальной спирали, делающей 20 тыс. оборотов от центра наружу. Информация считывается с диска при движении с постоянной линейной скоростью: диск вращается медленнее (200 оборотов в минуту), когда считывающая головка находится на его внешней части. Воспроизведение осуществляется встроенными в компьютер устройствами с возможностью ускоренного вращения диска (и передачи данных) кратностью 8. 16, 32, 40 и выше.

Логическая структура дисков CD-ROM в формате ISO 9660 имеет четырехуровневую архитектуру: бит, байт, блок, файл. Физическая структура приведена ниже. Эта архитектура позволяет использовать CD-ROM с различными операционными системами так, как будто это просто еше один магнитный диск или накопитель файлов. Структура блока CD-ROM приведена в табл. 31 (в каждом блоке 2352 байта).

Поле «Синхронизация» обозначает начало блока и выставляет счетчик блоков в нужную позицию. В «Заголовке» содержится адрес блока и описание типа основных данных. В поле «Основные данные» содержится полезный цифровой массив, который может быть текстом, графикой, звукозаписью, изображением. видео. Блоки CD-ROM включают три уровня обнаружения и исправления ошибок EDC (Error Detection Code) и ЕСС (Error Correction Code), которые не используются в аудиодисках.

Ошибки на диске чаше всего связаны с появлением царапин на его поверхности; выяапение их специальной подпрограммой основано на многократной циклической проверке сумм бинарных символов. Исправление ошибок осуществляется достаточно сложной программой (перекрестная чередующаяся кодировка Рида — Соломона). Указанные системы позволяют снизить ожидаемый уровень ошибок на CD-ROM до чрезвычайно низкого значения — 10 в минус 12-й степени, одна ошибка на триллион бинарных кодов, или 1 ошибка на 20 тыс. дисков!

В звуковых компакт-дисках такая предосторожность не нужна, и при появлении ошибки программа просто повторит предыдущий кусочек записи длительностью в 1/75 с, что совершенно недоступно человеческому уху.

Для воспроизведения информации, записанной на оптических дисках, на первых порах использовались либо отдельно стоящие устройства, либо встроенные в компьютер дисководы. В профессиональных целях применяются хранилища на 50— 100 дисков с механической подачей дисков на считыватель (Juke Box). Созданы также специальные многоприводные компьютерные системы, допускающие считывание с нескольких одновременно врашаюшихся дисков. Однако колоссальные возможности памяти современных серверов допускают перенос информации с дисков CD-ROM или DVD и непосредственное обслуживание с жесткого диска; например, сервер AXONIX содержит информацию, списанную с 512 дисков.

В наши дни очень широко распространены встроенные устройства записи информации на оптические диски (однократной или многократной записи) как дополнение штатного жесткого диска компьютера: например, накопитель Mitsumi CR4808 ТЕ емкостью 483 Мб.

Дальнейшее развитие технологии аудиокомпакт-дисков пошло по двум направлениям. Первое — это усовершенствованные CD (Super Audio Compact Disc, SACD) за счет очень высокой частоты отбора образцов (2822,4 кГц по сравнению с 44,1 кГц), обеспечивающие новое качество звука — погружение (surround sound). По этому пути пошли разработчики исходных

- аудиодисков — компании Sony и Philips.

Параллельно развивается другое направление — двусторонние диски высокой плотности записи (их называют DVD — Digital Versatile Disk либо Digital Video Disk; имеется в виду возможность на данном диске записывать полноценные видеофильмы) с объемом памяти 4,7 Гб на одной стороне диска. Сейчас ведущие компании мира договорились о стандарте перезаписываемого лазером в голубой части спектра диска Audio DVD емкостью 27 Гб, с гарантированным сроком хранения информации 100 лет. Точно так же, как и в системах CD, в DVD создано семейство перезаписываемых дисков, перспективных для использования в работе библиотек и центров информации, например DVD-RW (1 тыс. перезаписей) и DVD-RAM (100 тыс. перезаписей). Интересны также магнитооптические диски диаметром 3,5 дюйма емкостью 2,3 Гб и дисководы Fujitsu. Срок службы такого диска — более 70 лет, допускается более 10 млн перезаписей, доступ к данным со скоростью 8 Мбит/с. Рекомендованная цена привода 300 долларов, одного диска — 18 долларов, то есть удельная стоимость менее 1 цента за мегабайт.

На начало 2005 г. ведущие американские фирмы прекратили выпуск видеомагнитофонов VHS, на смену которым идут оптические диски DVD емкостью 20 Гб, которые пока что представляют два конкурирующих формата оптических дисков. Один — так называемый минусовый формат HD-DVD, диски DVD-R с возможностью записи. DVD-RW с возможностью перезаписи и емкостью 4.6 Гб, разработанный компаниями Toshiba NEC, Sanyo и поддержанный компаниями Paramaunt Pictures, Warner Bros.. Universal Pictures. Конкурентом является продвинутый «плюсовой» формат Blue-Ray с возможностью дополнения записей DVD+R и диски DVD+RW с возможностью корректировки и редактирования записей, соответственно разработанные Sony и поддержанные Hewlett Packard и Dell. Удельная стоимость хранения данных на такого типа дисках составляет 15—20 центов за гигабайт.

Доминирующая рыночная роль стандартных, традиционных дисков CD видна из табл. 1.

Таблица 1

Рыночная роль различных типов аудио-, видеодисков (количество и объемы продаж в мире в 2003 году)*

Тип аудиолиска	Количество проданных дисков, шт.	Объем продаж, долларов
Музыкальные CD	745 900 000	11 232 900 000
SACD	1 300 000	8 000 000
Виниловые долгоиграющие пластинки	1 500 000	21 700 000
Audio DVD	400 000	26 300 000

Задание №1

Изучить технологию записи на компакт-диски CD и DVD, промышленного тиражирования CD и DVD, технологию записи BLU-RAY, оборудование и программное обеспечение. Подготовить отчетный документ с иллюстрациями оборудования и схемами записи.

Задание №2

Рассмотреть типы жестких дисков (IDE/ATA, UDMA, UIDE, АТ-6, Fast ATA, Ultra ATA, SATA, SCSI), их характеристики ( емкость (capacity), время доступа (access time), скорость передачи данных (data transfer rate), скорость передачи пакета/скорость непрерывной передачи данных (burst/sustained), 5000/7200/10000 RPM) и аппаратное обеспечение. Подготовить отчетный документ.