Запоминающие устройства со сменными магнитными и магнитооптическими дисками.

Малая емкость накопителей на гибких магнитных дисках стимулировала разработки по созданию более емких устройств со сменными магнитными носителями.

Эти работы велись в несколько различных направлениях, предполагая использование сменных носителей типа:

-   гибких магнитных дисков с повышенной плотностью записи (диски Бернулли, накопители Zip той же фирмы Iomega, накопители LS-120);

-   жестких магнитных дисков;

-   дисков с иной (магнитооптической) технологией записи данных.

Однако, несмотря на отлаженные технологии рассмотренных накопителей, их уже или вытеснили, или постепенно вытесняют оптические и “твердотельные” (флэш) диски.

Гибкие магнитные диски. Гибкие магнитные диски большой емкости были реализованы различными способами, но так или иначе в них, в отличие от обычных НГМД, система позиционирования головок не является разомкнутой, а имеет обратную связь. Известны следующие основные разновидности этих устройств: диски Бернулли; накопители Zip той же фирмы Iomega; накопители LS-120.

Диски Бернулли были разработаны фирмой Iomega и появились в 1983 году. Они представляют собой гибкие диски, помещенные в жесткий футляр. Диск вращается с высокой скоростью (более 3500 об/мин), а создаваемый при этом воздушный поток изгибает его, в соответствии с эффектом Бернулли, поджимая к головке чтения/записи. Однако диск не соприкасается с головкой, а между ними остается тонкий (около 50 мкм) воздушный слой, подобно тому, как это имеет место в жестких дисках. Требуемому направлению воздушного потока способствует неподвижная пластина, размещенная внутри футляра определенным образом. Но при неподвижной головке наличие загрязнений на поверхности диска или механические удары не приводят к их соприкосновению (как это произошло бы в жестком диске), напротив, эффект Бернулли нарушается и диск отходит от головки. Поэтому сохранность запоминающей среды и надежность таких дисков являлись очень высокими.

Диски имели емкость от 10 до 230 Мб и выпускались в 8- и 5-дюймовом форматах. В настоящее время не производятся.

Накопители Zip были представлены фирмой Iomega в 1994 году в качестве следующей альтернативы традиционным накопителям на гибких магнитных дисках. В принципе, их можно отнести к 3,5-дюймовой разновидности дисков Бернулли. Однако в этих накопителях именно головки чтения/записи удерживаются воздушным потоком над вращающимся диском, аналогично жесткому диску. И хотя эти диски оказались дешевле своих предшественников, надежность их была ниже.

Гибкие диски, используемые в этом накопителе, также помещены в пластмассовый футляр – картридж, габариты которого близки к габаритам 3,5-

дюймовой дискеты, несколько превосходя ее по толщине.

В Zip накопителе плотность записи информации повышается, по сравнению с обычными гибкими дисками, за счет применения системы позиционирования, схожей по организации с жесткими дисками. Здесь также на диске записаны серводорожки, с помощью которых и производится установка головок чтения/записи. Также, как и в жестких дисках, передвижение блока головок производится с помощью катушки, перемещающейся в магнитном поле при протекании по ней электрического тока. Только это движение, в отличие от жестких дисков, происходит линейно, строго по радиусу дискеты.

Скорость вращения шпинделя составляет до 3600 об/мин, а время его разгона и останова – 3 с. Емкость дисков до 750 Мбайт, среднее время доступа 29 мс, скорость передачи данных до 7,5 Мбайт/с.

Поскольку картридж, используемый в Zip накопителе, не является герметичным, надежность работы этого ЗУ существенно ниже, чем у жестких дисков, а износ дискет выше.

Совместимости с обычными гибкими дисками этот тип накопителей не обеспечивает.

В накопителях LS-120 (Laser Servo) используется несколько иной путь повышения точности позиционирования головок (а, следовательно, и плотности записи): применение оптической системы.

На поверхности диска лучом лазера нанесены отражающие (серво) дорожки, за которыми следит лазерная головка. Это позволило повысить плотность записи со 135 дорожек на дюйм у обычных гибких дисков до 2490 (получив примерно по 1700 дорожек на каждой стороне дискеты) и увеличить емкость дискеты до 120 Мбайт. Иногда их называют гибкими магнитооптическими дисками, однако это не относится к используемому принципу записи информации, который остается чисто магнитным.

Накопители LS-120 совместимы с обычными 3,5-дюймовыми дискетами за счет использования комбинированной двухэлементной головки чтения/записи.

Скорость вращения диска составляет 720 об/мин, среднее время поиска – 65 мс, время перехода с дорожки на дорожку – 6 мс, скорость передачи данных не превышает 600 Кбайт/с.

Сменные жесткие магнитные диски были разработаны фирмой SyQuest, а выпуск их был налажен также и рядом других фирм.

В накопителях этого типа жесткие диски (одна или две стандартных пластины) размещаются в герметичном картридже вместе с головками чтения/записи. Это позволяет приблизить их параметры к параметрам жестких дисков: емкость до 540 Мбайт, скорость вращения шпинделя 3600 об/мин, время доступа 12 мс, скорость передачи данных более 10 Мбайт/с (для интерфейса SCSI), – однако оказывается достаточно дорогим решением.

Накопители со сменными жесткими дисками под маркой Jaz выпускает также и фирма Iomega. В этих накопителях в картридже находится только жесткий диск, закрытый пылезащитной шторкой, которая сдвигается, когда картридж с диском вставляется в накопитель. Головки чтения/записи, аналогичные головкам жесткого диска, находятся в самом накопителе.

Емкость такого диска достигает 2 Гбайт, скорость передачи данных до 8 Мбайт/с, время поиска – 12 мс.

В магнитооптических дисках для записи и чтения информации, как следует из их названия, используются не только магнитные, но и оптические свойства носителей.

Запись информации производится при воздействии магнитного поля на участок носителя, разогреваемый лазерным лучом до критической температуры точки Кюри, поэтому в обычном состоянии обеспечивается высокая надежность хранения информации.

При чтении данных используют магнитооптический эффект Керра, заключающийся в изменении поляризации плоско поляризованного светового луча при отражении его от поверхности, обладающей магнитными свойствами (подобный эффект, но для проходящего луча, использовался и в упоминаемых выше ЗУ на тонких магнитных пленках).

Привод магнитооптического диска аналогичен приводам других типов дисков. Магнитный слой на диске размещается под прозрачным слоем пластмассы толщиной около миллиметра. Головка чтения/записи, вместе с лазером и оптической системой, находится на расстоянии порядка 1 мм от поверхности диска, что обеспечивает высокую надежность этого накопителя.

Магнитооптические диски (МОД) выпускаются 5- и 3,5-дюймового размера и имеют емкость до 4,5 Мбайт, среднее время доступа (поиск + время подвода сектора) порядка 30-40 мс, скорость передачи данных порядка 5 Мбайт/с.

Кроме перечисленных типов накопителей имеются еще несколько разновидностей дисковых накопителей со сменными магнитными или магнитооптическими носителями.

Однако, несмотря на отлаженные технологии рассмотренных накопителей, их уже или вытеснили, или постепенно вытесняют оптические и “твердотельные” (флэш) диски (SSD – solid-state drive).

2.2.4. Накопители на магнитных лентах (см. рис. 2.6.).

Рис. 2.6. Накопители на магнитных лентах: слева – стример, справа – кассеты к нему.

Накопители на магнитных лентах (НМЛ) являются одним из наиболее давно используемых в качестве массовой памяти типом устройств. Первые такие накопители имелись уже в ЭВМ пятидесятых годов прошлого столетия. Технология для них также, как и впоследствии для CD-ROM, была “подготовлена” звукозаписывающей техникой.

Основными достоинствами НМЛ были большая емкость и невысокая стоимость носителя информации: магнитной ленты (сначала бобины, кассеты, а затем картриджа). Основным недостатком – последовательный доступ к данным, требующий большого времени.

За время своего существования НМЛ только на начальных этапах успешно конкурировали со своими ближайшими “родственниками”: магнитными барабанами, которых им удалось пережить, и магнитными дисками, которые заняли ведущую роль примерно с начала 1960-х годов, оставив для НМЛ лишь роль систем архивного хранения данных.

Тем не менее, даже несмотря на появление оптических дисков, НМЛ достаточно прочно удерживают свои позиции в качестве устройств резервного копирования больших объемов данных в секторе корпоративных решений.

В своей современной версии НМЛ более известны под названием стримеры (транслитерация английского streamer, происходящего от слова “поток”). В этом своем виде они многое позаимствовали от кассетных аудио- и видеомагнитофонов. Существует несколько разновидностей стримеров, различающихся размером используемых магнитных лент и особенностями размещения информации на них.

Рис. 2.7. Продольное I) и спиральное II) расположение дорожек на магнитной ленте стримеров: а) магнитная лента, б) дорожки, в) фиксированная магнитная головка, г) вращающиеся магнитные головки

 

Два основных варианта записи на ленту с дорожками:

-   продольными, расположенными параллельно краю магнитной ленты и проходящими по всей ее длине (как у обычных магнитофонов);

-   спиральными (точнее, наклонными), проходящими по диагонали от

одного края ленты к другому, которые получаются при использовании головок записи, вращающихся (со скоростью 2000 об/мин) вокруг оси, наклоненной под некоторым углом (порядка 5°) к перпендикуляру к направлению движения ленты (как в видеомагнитофонах).

Как правило, стример включает в себя лентопротяжный механизм, в простейшем случае аналогичный используемым в аудио- и видеомагнитофонах, головки чтения/записи, механизм загрузки ленты и контроллер. Магнитная лента помещена в картридж, подобный используемым в (видео) магнитофонах кассетам. Однако такая конструкция, в особенности при использовании записи по спиральным дорожкам, как правило, приводит к сильному натяжению и высокому износу ленты, что ухудшает характеристики надежности накопителя.

Поэтому в качественных системах используют более сложные лентопротяжные механизмы, например с роликовыми направляющими, ведущими ленту по противоположной магнитному слою стороне, а также применяют специаль-

ную магнитную ленту и конструкции картриджей.

Основные проблемы, на которых концентрируются разработчики стримеров, связаны с повышением емкости носителей, скорости записи и передачи данных, надежности хранения и считывания данных, уменьшением времени поиска и износа ленты. При этом при создании НМЛ часто используют технологические приемы, характерные и для других видов памяти с подвижными магнитными носителями.

В частности, для повышения плотности расположения дорожек могут использоваться серводорожки и следящие системы, как и в накопителях на жестких дисках, что позволяет разместить до 200 дорожек на ленте шириной 8 мм.

Ускорения записи и считывания достигают улучшением характеристик магнитных головок и магнитной ленты, записью и чтением одновременно по нескольким дорожкам, использованием внутренних буферов и сжатием данных при их записи.

Для ускорения поиска в некоторых накопителях картриджи с лентой оснащаются внутренним ЗУ, в котором записывается некоторый аналог таблицы размещения файлов.

Для повышения надежности хранения данных используются контрольные и корректирующие коды, в частности циклические коды и коды Рида-Соломона.

Характеристики НМЛ могут существенно различаться в зависимости от их конструкции и технологии записи. Так, емкости стримеров варьируются в широких пределах, достигая 600 Гбайт, скорости передачи у лучших НМЛ сравнимы с жесткими дисками, составляя до 60 Мбайт/с, время поиска (доступа) в некоторых моделях составляет до 10 секунд (при среднем – порядка 80-100 с).

На основе стримеров строятся также специальные автоматизированные библиотеки, в которых обеспечена возможность хранения многих картриджей с лентой и автоматической установки и замены их в накопителях. Причем в сложных системах может использоваться до нескольких сотен накопителей и храниться несколько тысяч картриджей.

Кроме того, на базе НМЛ организуются массивы, аналогичные RAID-массивам жестких дисков. Производители НМЛ декларируют при этом возможность повышения пропускной способности такой системы в соответствующее количеству используемых накопителей раз.

Флэш-память.

Флэш-память, появившаяся в конце 1980-х годов (Intel), является представителем класса перепрограммируемых постоянных ЗУ с электрическим стиранием. Однако стирание в ней осуществляется сразу целой области ячеек: блока или всей микросхемы. Это обеспечивает более быструю запись информации или, как иначе называют данную процедуру, программирование ЗУ. Для упрощения этой процедуры в микросхему включаются специальные блоки, делающие запись “прозрачной” (подобной записи в обычное ЗУ) для аппаратного и программного окружения.

Флэш-память строится на однотранзисторных элементах памяти (с “плавающим” затвором), что обеспечивает плотность хранения информации даже несколько выше, чем в динамической оперативной памяти. Существуют различные технологии построения базовых элементов флэш-памяти, разработанные ее основными производителями. Эти технологии отличаются количеством слоев, методами стирания и записи данных, а также структурной организацией, что отражается в их названии. Наиболее широко известны NOR и NAND типы флэш-памяти, запоминающие транзисторы в которых подключены к разрядным шинам соответственно параллельно и последовательно.

Первый тип имеет относительно большие размеры ячеек и быстрый произвольный доступ (порядка 70 нс), что позволяет выполнять программы непосредственно из этой памяти. Второй тип имеет меньшие размеры ячеек и быстрый последовательный доступ (обеспечивая скорость передачи до 16 Мбайт/с), что более пригодно для построения устройств блочного типа, например “твердотельных дисков”.

Способность сохранять информацию при выключенном питании, малые размеры, высокая надежность и приемлемая цена привели к широкому ее распространению. Этот вид памяти применяется для хранения BIOS, построения так называемых “твердотельных” дисков (memory stick, memory drive и др.), карт памяти различного назначения и т.п. Причем устройства на основе флэш-памяти используются не только в ЭВМ, но и во многих других применениях.

К минусам данного вида памяти можно отнести относительно невысокую скорость передачи данных, средний объем и дороговизну устройств с большой емкостью (свыше 64 Гбайт и более).

Элементы памяти флэш-ЗУ организованы в матрицы, как и в других видах полупроводниковой памяти. Разрядность данных для микросхем составляет 1-2 байта.

Операция чтения из флэш-памяти выполняется как в обычных ЗУ с произвольным доступом (оперативных ЗУ или кэш). Однако запись сохраняет в себе некоторые особенности, аналогичные свойствам постоянных ЗУ.

Перед записью данных в ЗУ ячейки, в которые будет производиться запись, должны быть очищены (стерты). Стирание заключается в переводе элементов памяти в состояние единицы и возможно только сразу для целого блока ячеек (в первых микросхемах предусматривалось стирание только для всей матрицы сразу). Выборочное стирание невозможно.

В процессе записи информации соответствующие элементы памяти переключаются в нулевое состояние. Также, как и в ПЗУ, без стирания можно дозаписать нули в уже запрограммированные ячейки, однако необходимость в такой операции относительно редка.

Фактически при операции записи производится два действия: запись и считывание, но управление этими операциями производится внутренним автоматом и “прозрачно” для процессора.

Разбиение адресного пространства микросхемы флэш-памяти на блоки обычно бывает двух видов: симметричное и асимметричное.

В первом случае, называемом также Flash File, все блоки (стирание в пределах каждого из которых производится только для всего блока сразу) имеют одинаковый размер, например 64 Кбайт или 128 Кбайт. Количество блоков зависит от емкости микросхемы. Например, в микросхеме 28F128J3 (Intel Strata Flash) емкостью 128 Мбит (16 Мбайт) имеется 128 блоков по 128 Кбайт.

В случае асимметричной архитектуры, называемой иначе Boot Block, один из блоков, на которые разбито адресное пространство микросхемы, дополнительно разбивается на меньшие блоки. Например, в микросхеме 28 F 640 C 3 (Intel Advanced + Boot Block) емкостью 64 Мбит выделен один загрузочный (Boot) блок размером 64 Кбайт, разбитый на 8 блоков параметров (parameter blocks) по 8 Кбайт, и 127 основных (main) блоков по 64 Кбайт. Причем загрузочный блок может размещаться либо в начале, либо в конце адресного пространства микросхемы.

Флэш-память используется для различных целей. Непосредственно в самой ЭВМ эту память применяют для хранения BIOS (базовой системы ввода-вывода), что позволяет при необходимости производить обновление последней прямо на рабочей машине. Надо отметить, что без особой необходимости и при отсутствии соответствующего опыта, производить такие операции не рекомендуется.

	б) xD карта памяти
a) SD, miniSD, microSD карты памяти	в) Memory Stick карта памяти
г) Compact Flash карта памяти	д) ММС карта памяти

Рис. 2.8. Флэш-память различной модификации

 

Другим применением флэш-памяти, получившим достаточно широкое распространение, являются так называемые “твердотельные диски” (solid state disks), эмулирующие работу внешних винчестеров. Такое устройство имеет габариты порядка 70×20×10 мм, подключается обычно к шине USB и состоит из собственно флэш-памяти, эмулятора контроллера дисковода и контроллера шины USB. При включении его в систему (допускается “горячее” подключение и отключение) устройство с точки зрения пользователя ведет себя как обычный (съемный) жесткий диск. Конечно, производительность его меньше, чем у жесткого диска: скорость передачи при записи и чтении составляет менее одного мегабайта в секунду. Емкость таких “дисков” находится в пределах от 32 Мбайт до 250 Гбайт (на начало 2010 г.).

Более общее применение флэш-память находит в различных модификациях карт памяти, которые используются не только в компьютерах разных классов, но и в цифровых видео- и фотокамерах, плеерах, телефонах, музыкальных центрах и другой мультимедиа технике. Причем такая карта может также быть и сменной картой в твердотельном диске.