Теоретический материал по теме

 

Магнитные накопители называют магнитными потому, что в основе своей работы они используют явление остаточного магнетизма. Под ним понимается способность магнитной поверхности долгое время сохранять свое магнитное поле. Для простоты можно представить, что поверхность покрыта множеством мельчайших стрелок от компаса (рис. 1.1), которые показывают либо на север, либо на юг. Каждая такая «стрелка» называется доменом (ничего даже отдаленно общего с доменами сети Internet). Под воздействием внешнего магнитного поля, домен ориентируется в ту или иную сторону. После того как внешнее магнитное поле исчезает, в домене образуется остаточная намагниченность, которую потом можно будет «прочитать».

 

Рис. 1.1 Принцип хранения данных на магнитных носителях

 

Так как магнитные стрелки могут быть направлены либо в одну сторону, либо в другую, то условно их направление можно обозначить за «1» и «0». Таким образом, каждый домен представляет собой мельчайшую единицу информации – один бит.

Кроме магнитных, существуют магнитооптические, оптические и полупроводниковые (схемные) накопители. В своей работе они используют иные принципы хранения данных, основанные на различных физических явлениях. Целесообразность использования зависит от разных причин, таких как условия хранения (если вы, например, собираетесь хранить данные рядом с магнитами, то дискета явно не подойдет), объем хранимой информации, скорость чтения/записи, частота обращения, цена.

Перед тем, как проводить чтение/запись данных на магнитный носитель необходимо провести его форматирование, т.е. разметку дорожек и секторов, а также создание особой области – FAT (File Allocation Table) в которую будут записываться данные о физическом размещении файлов на диске. Тип FAT зависит от используемой операционной системы, для IBM совместимых ПК в основном используется NTFS (New Technology File System) - файловая система новой технологии.

 

Жесткие диски (Винчестеры)

Жесткий диск (Hard Disk Drive - HDD) устроен следующим образом (рис. 1.2): на шпинделе, соединенным с мотором, находится блок из нескольких дисков (пластин). Эти диски и есть та самая магнитная поверхность, покрытая доменами, причем над каждой из пластин находятся головки для чтения/записи информации (почти как в магнитофоне).

 

 

Рис. 1.2 Устройство жесткого диска

 

Условно каждый диск разбивается на дорожки (треки) и секторы. Каждый сектор – часть трека. При работе, головки "летят" над дорожками дисков в воздушном потоке, который создается при вращении дисков. Это явление получило название «эффект Бернулли». При необходимости, головки записывают или считывают с диска домены и передают полученную информацию на дальнейшую обработку. Если этого не требуется, диски не перестают крутиться и только при отключении электропитания, головки отводятся специально предназначенное место. Таким образом, пластины вертятся всегда, пока включен компьютер.

Сам жесткий диск представляет из себя пластину с напылением высококачественного ферромагнетика. В качестве материала для пластины применяют алюминий, керамику или стекло, а в качестве магнитного слоя наносят окись хрома или тонкопленочное металлическое покрытие.

Для записи или считывания информации с поверхности диска, головка создает магнитное поле, намагничивая тем самым участок диска - при считывании намагниченный участок диска возбуждает сигнал в головке. Для того, чтобы можно было воспользоваться эффектом Бернулли, им придают специальную аэродинамическую форму наподобие крыла самолета. Расстояние от головки до поверхности диска весьма мало и составляет около 0,5 мкм над поверхностью диска, поэтому обращаться с этим устройством следует осторожно.

Если хоть немного повредить покрытие пластины, то мельчайшие крошки покрытия начнут разлетаться по всей поверхности диска. Учитывая то, что скорость вращения пластин составляет тысячи оборотов в минуту, осколки на большой скорости будут царапать головку и покрытие пластины, а разогрев головки из-за трения об осколки приведет к постепенной поломке. Это, еще не говоря о потерянных данных. Конструкция жесткого диска весьма неустойчива к различного вида ударам и повреждениям, поэтому он является устройством наиболее подверженным порче и механическому износу.

Для обеспечения сохранности данных и повышения производительности часто на компьютер устанавливается несколько жестких дисков. При этом реализуются различные технологии.

В настоящий момент наиболее экономичным решением является параллельное использование нескольких дисков – дискового массива RAID (Redundat Array of Inexpensive Disks – избыточный массив недорогих дисков). Подключение нескольких, как правило, однотипных дисков к RAID-контроллеру позволяет сформировать массив с улучшенными свойствами: отказоустойчивость, дублирование данных (mirroring - зеркальное отражение), запись проверочных кодов и так далее в зависимости от используемого алгоритма представления диска (уровня RAID массива). RAID массивы реализуются аппаратными, программными и программно-аппаратными средствами.

Основными техническими параметрами жестких дисков являются:

1. Cкорость вращения (для современных дисков от 7200 оборотов в минуту).

2. Объем жесткого диска (для современных дисков от 150 Гб до 3000 Гб), примечательно, что на самих винчестерах емкость указывается миллиардах байт (приставка Г), тогда как 1 гигабайт содержит 1 073 741 824 байт и некоторые люди сильно удивляются, обнаружив, что указанная на упаковке емкость «не соответствует» реальным показателям.

3. Объем встроенной кэш памяти жесткого диска (как правило, 8 или 16 Мб).

4. Ударостойкость (измеряется в специальных единицах G, которые указываются в документации или маркируются на самом жестком диске; чувствительность к ударным воздействиям приводится для выключенного диска и для режимов чтения и записи). Жесткие диски нельзя подвергать механическому воздействию (ударам, тряске, вибрации), а также воздействию магнитных волн, так как все это может привести к потери данных и физическому выходу устройства из строя.

5. Поддерживаемые типы интерфейсов.

Интерфейсы жестких дисков регламентируют порядок и скорость обмена данными с системной шиной. В настоящее время используются следующие интерфейсы (по убыванию производительности): ATA, SATA, SCSI, SAS.

ATA (Advanced Technology Attachment) был разработан в 1989 году. Использование интерфейса ATA подразумевается при упоминании аббревиатур IDE, UDMA и ATAPI. В прайс-листах жесткие диски с этим интерфейсом обозначаются как IDE (Integrated Drive Electronics, т. е. э лектроника, встроенная в привод), это означает, что в таких устройствах контроллер привода является встроенным, а не выполнен в виде отдельной платы расширения, как в предшествующих интерфейсах. Этапами развития интерфейса были реализация механизма прямого доступа к оперативной памяти - UDMA (Ultra Direct Memory А ccess) и возможностиподключения не только жестких дисков, но и других внешних запоминающих устройств - ATAPI (Advanced Technology Attachment Packet Interface).

SATA (Serial ATA) является развитием интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA). На рисунке 1.3 представлены разъемы интерфейса SATA.

 

 

 

разъём питания SATA       разъём данных SATA         разъёмы SATA на МП

 

Рис. 1.3. Разъемы интерфейса SATA

SCSI (Small Computer Systems Interface) – интерфейс, разработанный для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств, таких как жесткие диски, накопители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стримеры, сканеры, принтеры и т. д. Теоретически возможен выпуск устройства любого типа на шине SCSI.

После стандартизации в 1986 году, SCSI начал широко применяться в компьютерах Apple Macintosh, Sun Microsystems. В IBM совместимых ПК SCSI не пользуется такой популярностью в связи со своей сложностью и сравнительно высокой стоимостью.

В настоящее время SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях; RAID-массивы на серверах часто строятся на жёстких дисках со SCSI-интерфейсом (хотя в настоящее время на серверах нижнего ценового диапазона всё чаще применяются RAID -массивы на основе SATA).

SAS (Serial Attached SCSI) – интерфейс, являющийся развитием SCSI и совместимый с SATA (совместимость с SATA обратная, т.е. устройства с интерфейсом SATA можно подключить к SAS, но не наоборот).

Рассмотрим следующее описание жесткого диска: 

Жесткий диск 300ГБ Western Digital "VelociRaptor WD3000HLFS" 10000об./мин., 16МБ (SATA II)

Спецификация:

1. объем (емкость) жесткого диска: 300 Гбайт;

2. производитель: Western Digital;

3. маркировка: VelociRaptor WD3000HLFS;

4. поддерживаемый интерфейс: Serial ATA II;

5. скорость вращения пластин в диске: 10000 оборотов в минуту;

6. объем встроенной кэш памяти: 16 Мбайт.

Флоппи-диски (Дискеты)

FDD (Floppy Disk Drive) - один из первых носителей сменного типа и они изначально были предназначены для хранения и переноса информации отдельно от компьютера. Впервые появившись в 1971 году, дискеты сейчас практически не используются в виду малой емкости (их успешно заменяют Flash накопители).

Состоят дискеты из круглой полимерной подложки, помещенной в пластиковую упаковку. В ней c двух сторон сделаны круговые прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

Так же как и в жестком диске, поверхность, содержащая информацию, разбита на дорожки, а дорожки на секторы, но в отличие от HDD, скорость получения данных с дискеты настолько мала, что это становится заметным даже при копировании небольших файлов.

Наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм – что в точности совпадает с размером кармана на рубашке), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.

 

Стримеры

Стример - это устройство для резервного копирования данных винчестера на случай их возможной потери (вирус, поломка). Стример быстро записывает данные на магнитную ленту в специальной кассете. Новейшие разработки позволяют использовать для этой цели обычные видеокассеты, но это может потребовать длительного времени. Быстродействие, т.е. скорость записи-считывания у стримера значительно меньше, чем у винчестера. Но зато кассету с пленкой, содержащей эти данные, можно хранить как угодно долго.

На сегодняшний день, ленточные накопители используются для архивации и резервного копирования больших объемов данных. Например, одна кассета типа SAIT-1 способна вместить до 500 Гбайт данных без сжатия (со сжатием – 1,3 Тбайт), SAIT-4 10,4 Тбайт со сжатием. Компании IBM Research и FujiFilm разработали технологию, позволяющую записывать до 35 Тбайт (со сжатием) данных на одном ленточном картридже. Тем, кто использует подобные системы, приходится сталкиваться с проблемой хранения и учета картриджей, но это ничто по сравнению с экономической выгодой использования лент. Также можно отметить отсутствие единого стандарта для данного типа носителей. Это связано с тем, что ленты перестали быть средством для обмена данными (как, например, устройства flash памяти или дискеты) и используются локально, «по месту прописки».

Потенциал использования лент огромен. Например, подсистема «IBM Magstar 3494 Тape Lirary» хранит данные объемом до 748 Тбайт.

Основные стимулы к повышению производительности ленточных устройств - это широкое использование Интернета и распространение корпоративных интрасетей, увеличение числа серверов (нужных, чтобы обеспечить рост этих сетей), а также ужесточение требований к хранению информации и ее восстановлению в случае аварий. Спрос на системы резервного копирования и хранения данных особенно подстегивается все более активным использованием таких приложений, как мультимедиа, видео по запросу, звуковое информационное наполнение, обработка изображений и т.п. В сочетании с дешевизной, в ближайшие 10 лет весьма сложно будет подобрать лентам замену.

 

Мобильные жесткие диски (Microdrive)

Мобильный жесткий диск это ни что иное, как обыкновенный HDD в уменьшенных размерах. Технология записи, чтения и хранения данных здесь абсолютно такая же, как и в любом обычном жестком диске. Большие объемы хранимой памяти, характерные для жестких дисков, точно так же сочетаются с характерными проблемами в их эксплуатации: выход из строя при ударе, большое энергопотребление и нагрев.

Проблемы с энергопотреблением связаны в первую очередь с тем, что микровинчестеры используют в цифровых фотоаппаратах, фотокамерах, мобильных телефонах и прочих устройствах с электропитанием, ограниченным аккумуляторами. Зато весит подобное устройство около 16 грамм, имеет размеры около 40х40х3 миллиметров, и совместим со стандартом CompactFlash Type II, причем только крайне редко устройства для CompactFlash не работают с Microdrive.

Порядка 4/5 от всего объема микровинчестеров, производящихся сегодня – это устройства накопителей со средним объемом памяти порядка 10Гбайт, а в качестве интерфейса для них используется USB 2.0

Iomega ZIP

Iomega ZIP – это логическое продолжение флоппи-дисков. В их основе лежит та же технология, что и в использовании дискет, однако емкость увеличена до 100-120 Мбайт за счет того, что диск ZIP – драйва вращается со скоростью в восемь раз превосходящей скорость вращения обычной дискеты. Центробежная сила до предела растягивает поверхность гибкого диска, что позволяет плотнее и точнее размещать на нем дорожки.

 

Iomega JAZ

Jaz проектировался как сменный накопитель для работы с файлами мультимедиа и в целом очень напоминает Zip, но есть существенные отличия:

1. емкость одного Jaz-диска в десять раз больше и составляет 1ГБ и более;

2. производительность Jaz-дисковода выше, чем даже у некоторых жестких дисков: среднее время поиска 10мс/12 мс (чтение/запись), скорость передачи данных 10МБ/с.

SuperDisk (LS - 120)

Технология LS-120 появилась заметно позже, чем Zip и первоначально называлась Floptical.

На поверхности диска LS-120 лучом лазера нанесены тонкие отражающие дорожки, не несущие никакой полезной информации, но за ними следит лазерная головка чтобы более точно установить магнитную головку на дорожках. Это позволяет резко повысить плотность записи со 135 дорожек на дюйм у обычных флоппи-дисков до 2490 у LS-120.

У LS-120 есть одна приятная особенность: его привод способен работать и с обычными дискетами емкостью 720 Кбайт и 1,44 Мбайт, для чего используется совмещенная двухэлементная головка чтения/записи. Объем хранимой информации в среднем составляет 120 Мбайт (отсюда, кстати и число в названии). LS-диски гораздо надежней дискет, и их не приходится часто форматировать.

 

UHC (Ultra High Capacity)

UHC воспринимает как обычные дискеты размером 1,44 Мбайт, так и Zip – диски. Емкость составляет 130 Мбайт.

Принцип работы этого устройства, также как и принцип работы жесткого диска, основан на ранее упомянутом эффекте Бернулли. Но есть существенное различие. Как вы уже знаете, в жестком диске, головка чтения/записи немного приподнимается за счет проходящего между ней и диском с информацией воздухом. В UHC все наоборот – головка остается неподвижной, а диск под нее прогибается.