Глава 3 гибкий магнитный диск

Одним из наиболее распространенных носителей информации являются гибкие магнитные диски (англ. floppy disk drive) - дисковод, предназначенный для считывания и записи информации с дискеты (рис.20). Диски называются гибкими потому, что их рабочая поверхность изготовлена из эластичного материала и покрыта специальной, достаточно плотной пленкой, покрытой ферромагнитным слоем. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.

Рис. 20. Дисководы Гибких Дисков на 8; 5,25; 3,5 дюйма

Приводы (позиционирования головок и вращения) и система считывания-записи управляется электронной схемой, размещённой на печатной плате, которая находится внутри корпуса дисковода. В отечественной терминологии система управления называлась КНГМД - контроллер накопителя на гибких магнитных дисках.

История развития гибких магнитных дисков

Накопители гибких дисков, равно как и сами носители - дискеты, были массово распространены с 1970-х и до конца 1990-х годов. В XXI веке НГМД всё сильнее уступают более ёмким CD, DVD и удобным в использовании флеш-накопителям.

В 1969 года первая реализация гибкого диска была использована в системе универсальных компьютеров IBM 370. Это было устройство только для чтения, в форме пластмассового диска диаметром 8 (20 сантиметров), покрытого оксидом железа, весом менее 2 унций и емкостью около 80 Кбайт. Диск размещался в защитном корпусе, облицованном изнутри тканевым покрытием для его очистки.

В 1973 года IBM выпускает новую версию такого устройства для использования в системах ввода данных серии 3740. Оно имело совершенно другой формат записи, двигатель вращался в противоположном направлении, устройство обладало способностью, как чтения, так и записи и имело вместимость 256 Кбайт. В 1976 года (примерно в это время персональные компьютеры выходили на сцену) форм-фактор 8" был заменен дискетой в 5.25", а затем - 3.5".

За прошедшие годы был ряд попыток увеличить вместимость дискеты, но ни одна не имела успеха. В 1991 года IBM предложила стандарт на НГМД 2.88 Мбайт, использующие дорогие бариево-ферритовые диски - ED -дискеты (Extra High Density), однако это решение не получило распространения. В 1993 года Iomega и 3М предложили «флоптический» диск емкости 21 Мбайт, однако этого не было достаточно, чтобы привлечь интерес потребителей, и изделие исчезло с рынка - оно было чрезмерно дорогим и имело слишком маленькую емкость.

Механика

Дисковод, как правило, имеет две головки для чтения и записи данных, то есть является двусторонним. Для каждой стороны диска предназначено по одной головке, обе головки используются для чтения и записи на соответствующих поверхностях диска. Головки приводятся в движение устройством, которое называется приводом головок. Они могут перемещаться по прямой линии и устанавливаться над различными дорожками. Головки двигаются по касательной к дорожкам, которые они записывают на диск. Строение дисковода подробно показано на рис.21.

Поскольку верхняя и нижняя головки монтируются на одном держателе, они двигаются одновременно и не могут перемещаться независимо друг от друга. Головки представляют собой электромагнитные катушки с сердечниками из мягкого сплава железа. Каждая головка является сложным устройством, в котором головка чтения/записи расположена между двумя стирающими головками в одном физическом устройстве. Метод записи называется туннельной подчисткой. При нанесении дорожек дополнительные головки стирают внешние границы, аккуратно подравнивая их на диске. Эти головки следят, чтобы данные находились только в пределах определенного узкого «туннеля» на каждой дорожке. Это препятствует искажению сигнала одной дорожки сигналами с соседних дорожек. Если сигнал «съедет» в сторону, то могут возникнуть проблемы. Дополнительное выравнивание дорожек исключает такую возможность. Позиционирование - это расположение головок относительно дорожек, которые используются ими для чтения и записи. Позиционирование головок можно проверить, сравнив его с установкой головок эталонного диска, записанного на особо точном дисководе.

Рис. 21. Строение стандартного дисковода

 

Головки снабжены пружинами и прижимаются к диску под небольшим давлением. Это означает, что они находятся в непосредственном контакте с поверхностью диска во время чтения и записи. Поскольку дисководы для гибких дисков в персональных ком­пьютерах имеют скорость вращения всего 300 или 360 об/мин, это давление не вызывает особых проблем, связанных с трением. Новейшие диски покрываются специальными составами для уменьшения трения и повышения скольжения. В результате контакта между головками и диском на головках постепенно образуется налет оксидного материала диска. Этот слой должен периодически счищаться с головок во время профилактического ремонта или обычного обслуживания.

Для того чтобы информация была считана и записана правильно, головки должны находиться в непосредственном контакте с записывающей средой. Очень маленькие частицы отколовшегося оксида, грязь, пыль, дым и отпечатки пальцев могут вызвать проблемы при чтении и записи данных. Исследования производителей дисков и драйверов показали, что зазор величиной 0,000032 дюйма между головками и записывающей средой может вызывать ошибки чтения/записи. Теперь вы знаете, почему с дискетами нужно обращаться аккуратно и избегать загрязнения поверхности диска. Жесткая оболочка и защитная заслонка на окне для доступа головок на дискетах диаметром 3,5 дюйма предотвращают загрязнение поверхности. Дискеты диаметром 5,25 дюйма не имеют таких защитных элементов, поэтому с ними нужно обращаться аккуратнее.

Диски имеют два типа плотности - радиальную и линейную. Радиальная плотность указывает, сколько дорожек может быть записано на диске, и выражается в количестве дорожек на дюйм (англ. Track Per Inch, TPI).

Линейная плотность - это способность отдельной дорожки накапливать данные и выражается в количестве битов на дюйм (англ. Bits Per Inch, BPI). Шаговые двигатели не могут осуществлять непрерывное позиционирование, обычно он поворачивается на точно определенный угол и останавливается. Большинство шаговых двигателей, установленных в дисководах гибких дисков, осуществляют перемещение с определенным шагом, связанным с расстоянием между дорожками на диске.

За исключением дисковода гибких дисков диаметром 5,25" ёмкостью 360 Кбайт, которые выпускались только с плотностью 48 TPI. В которых использовался шаговый двигатель с приращением 3,6°, во всех остальных типах дисководов (96 или 135 TPI) обычно используется шаговый двигатель с приращением 1,8°. Кроме того, шаговый двигатель выполняет перемещение между фиксированными ограничителями и должен останавливаться при определенном положении ограничителя.

Позиционирование головок - это операция расположения головок относительно дорожек на диске (узкие концентрические кольца на диске), позволяет приступить к чтению или записи информации на диск (рис.22).

Рис. 22. Головки чтения/записи 3,5 дисковода гибких дисков

Цилиндр (англ. cylinder) - количество дорожек, с которых можно считать информацию, не перемещая головок. Кольцевые дорожки, расположенные друг под другом на разных сторонах диска, образуют воображаемый цилиндр, отсюда и название. Термин обычно используется как синоним дорожки, а поскольку гибкий диск в дискете имеет две стороны, а дисковод для гибких дисков - только две головки, в гибком диске на один цилиндр приходится две дорожки.

Для подключения дисковода имеются два разъема: один для электрического питания, а другой для передачи данных и сигналов управления. Эти разъемы в компьютерной промышленности стандартизованы: для подключения питания используется четырех контактный линейный разъем Mate-N-Lock фирмы AMP большого и малого размеров, сигнальный - 34-контактные разъемы. В дисководах формата 5,25" обычно используется большой разъем для питания, в то время как в большинстве дисководов формата 3,5" для питания используется разъем меньшего размера.

Странность сигнального кабеля заключается в том, что линии 10-16 разрезаны и переставлены (перекручены) между разъемами дисководов (рис.23). Это перекручивание переставляет первое и второе положения перемычки выбора дисковода и сигналы включения двигателя, а, следовательно, меняет на противоположные установки сигнала «DS» для дисковода, находящегося за перекручиванием. Соответственно все дисководы в компьютере с этим типом кабеля имеют перемычки, установленные одинаково, а настройка и установка дисководов упрощается.

Рис. 23. Сигнальный кабель со скруткой

При подключении кабелей необходимо учитывать их ориентацию, в случае если неправильно подключен сигнальный кабель, лампочка на лицевой панели дисковода будет светиться сразу после подачи питания. В случае же неправильной ориентации кабеля питания на электронную схему управления дисководом вместо 5 В подается питание 12 В, что гарантированно приводит к выходу её из строя. Учитывая, что стоимость ремонта штучной платы превышает оптовую стоимость самого дисковода, ремонт дисковода, как правило, экономически не целесообразен.

Форматы

Дискета - портативный сменный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных. Представляет собой помещённый в защитный пластиковый корпус диск, покрытый ферромагнитным слоем. Для считывания дискет используется дисковод.

а                                   б                               в

Рис. 24. Разновидности дискет для НГМД: а - 5,25 дюйма; б - 3,5 дюйма; в - 2.8 дюйма

Бывает несколько разных видов дискет. Разделяются они на три больших вида, по размеру - 8; 5,25 и 3,5 дюйма (рис.24). Наибольшее распространение получила дискета с диаметром 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.

 

 

а                                                                            б

Рис. 25. Дисководы НГМД: а - встроенный (3,5 дюйма); б - внешний с интерфейсом USB

Устройство, которое позволяет осуществить чтение и запись информации является дисковод. Основные характеристики дисковода - тип и емкость используемого сменного носителя информации, скорость чтения/записи, тип интерфейса и форм-фактор встраиваемый. В случае отсутствия дисководов, подключаемых в соответствующий «классический» интерфейсный разъём на материнской плате, можно воспользоваться внешним устройством, имеющим USB или SCSI интерфейс (рис.25).

Дюймов

Форматы дискеты различались количеством секторов на дорожке. В зависимости от формата, дискеты 8" вмещали следующие объёмы информации: 80, 256 и 800 КБ. Конструктивно дискета 8" представляет собой диск из полимерных материалов с магнитным покрытием, заключенный в гибкий пластиковый футляр (рис.26).

Рис. 26. Дисковод и дискета 8″ в сравнении с дискетой 3,5″

В футляре имелись отверстия: большое круглое в центре - для шпинделя, маленькое круглое - окно индексного отверстия, позволяющего определить начало сектора и прямоугольное с закруглёнными концами - для магнитных головок дисковода. Также внизу располагалась выемка, сняв наклейку с которой, можно было защитить диск от записи.

Дюймов

Следующим массовым форматом стали дискеты диаметром 5,25 распространение с ними получили и соответствующие дисководы.

В качестве устройства для постоянного хранения данных первого массового персонального компьютера - IBM PC выпущенного в 1981 году фирмой IBM, предполагалось использовать один или два накопителя на 5,25 гибких дисках (рис.27).

Рис. 27. Дисковод 5,25″ оригинального гибкого диска IBM PC, Model 5150

Высота дисковода для 5,25" дискет равна 1 U, а ширина почти равна трём его высотам. Это иногда использовали производители корпусов компьютеров, где три устройства, помещённые в квадратную «корзину», могли быть вместе с ней переориентированы с горизонтального на вертикальное расположение.

Дюймов

Дисководы формата 3,5" высокой плотности впервые появились в компьютерах IBM PS/2 в 1987 году. Неформатированная ёмкость дискеты, определяемая плотностью записи и площадью носителя, составляет 2 Мб. Эти дисководы записывают 80 цилиндров с 18 секторами на дорожке, создавая в результате емкость 1,44 Мб. Имеют скорость вращения 300 об/мин и записывают в 1,2 раза больше данных, чем дисководы формата 5,25" на 1,2 Мб. Скорость передачи данных в этих дисководах высокой плотности одинакова, и они совместимы с одними и теми же контроллерами высокой и низкой плотности. Большинство стандартных контроллеров высокой и низкой плотности скорость передачи данных 500 000 бит/с, скорость 300 об/мин. Дисковод будет вращать дискету со скоростью 360 об/мин (как дисковод формата 5,25") число секторов на дорожку должно быть уменьшено до 15, иначе контроллер не будет успевать обрабатывать сигналы.

Рис. 28. Устройство дискеты: 1 - окошко, определяющее плотность записи (на другой стороне - переключатель защиты от записи); 2 - основа диска с отверстиями для приводящего механизма; 3 - защитная шторка открытой области корпуса; 4 - пластиковый корпус дискеты; 5 - антифрикционная прокладка; 6 - магнитный диск; 7 - область записи (красным условно выделен один сектор одной дорожки)

В отличие от 8" и 5,25" дискет, окно для головок дискеты 3,5" закрыто сдвижной металлической заслонкой, которая открывается при установке её в дисковод. Защита от записи выполнена сдвигающейся шторкой в нижнем левом углу. Снизу справа находятся окошки, позволяющие схеме дисковода по количеству отверстий определить плотность записи на дискете. Полное устройство дискеты показано на рис.28.

Для правильной работы дисковода на 2,88 Мб необходимо обновление дискового контроллера, так как эти дисководы имеют ту же скорость вращения 300 об/мин, но записывают 36, а не 18 секторов на одной дорожке. В отличие от контроллеров дисководов предыдущих форматов, максимальная скорость передачи данных которых составляет 500 000 бит/с. Для того что бы эти 36 секторов были считаны или записаны за то же время, которое требуется дисководу на 1,44 Мбайт. Для чтения и записи 18 секторов, от контроллера требуется гораздо более высокой скорости передачи данных, 1 000 000 бит/с.

 

ГЛАВА 4 МАГНИТНАЯ ЛЕНТА

Магнитная лента - носитель информации в виде гибкой ленты, покрытой тонким магнитным слоем (рис.29). Информация на магнитной ленте фиксируется посредством магнитной записи. Устройства для записи звука и видео на магнитную ленту называются соответственно магнитофон и видеомагнитофон. Устройства для хранения компьютерных данных на магнитной ленте называется стример.

Рис. 29. Катушка магнитной ленты

Магнитная лента произвела революцию в вещании и записи. Вместо прямых эфиров в телевизионном и радиовещании стало возможным производить предварительную запись программ для последующего воспроизведения. Первые многодорожечные магнитофоны позволяли производить запись на несколько раздельных дорожек от различных источников, а затем впоследствии сводить их в конечную запись с наложением необходимых эффектов. Также развитию компьютерной техники послужила возможность сохранения данных на длительный период с возможностью быстрого доступа к ним.

Аналитики и производители жестких дисков не раз предрекали лентам исчезновение. Однако их прогнозы оказались столь же достоверны, как и обещания безбумажного общества. Количество выпускаемых ленточных картриджей неуклонно растет, исчисляясь уже сотнями миллионов.

Чтобы представить себе путь, пройденный за пятьдесят лет, можно мысленно сравнить старинную лентопротяжку, например, такую, как стояла на ЭВМ М-220 (рис.30) в 70-е годы, с современными устройствами. Укомплектованная бобинами весом килограмма в два, эта «античная» лентопротяжка работала в старт-стопном режиме, копировались не только файлы, но и просто содержимое оперативной памяти, а потому для начала работы его нужно было загрузить.

Рис. 30. ЭВМ М-220

Для того чтобы обеспечить такой инертной массе достаточное ускорение, на приводе стояли моторы мощностью по несколько киловатт, а для компенсации рывков лента заправлялась в вакуумные карманы, работа которых поддерживалась мощным компрессором. Это чудо техники весило полтонны, но вместить могло менее одного мегабайта данных - ничто в сравнении с сотнями гигабайт, записываемых на один современный компактный картридж. Да и надежностью это устройство не отличалось. Несмотря на все ухищрения, монстр безбожно рвал ленту, к тому же, часто приходилось вручную корректировать движение ленты по считывающей головке, а это требовало тонких, не всякому доступных навыков владения перфокартой, использовавшейся в качестве вспомогательного инструмента.

Магнитная лента была впервые использована для записи компьютерных данных в 1951 году в компании Eckert-Mauchly Computer Corporation на ЭВМ UNIVAC I. В качестве носителя использовалась тонкая полоска металла шириной 12,65 мм, состоящая из никелированной бронзы (называемая Vicalloy). Плотность записи была 128 символов на дюйм (198 микрометров/символ) на восемь дорожек.

В 1964 году семейства IBM System/360, в фирме IBM был принят стандарт 9-дорожечной ленты с линейной записью, который впоследствии распространился также в системах других производителей и широко использовался до 1980-х годов. В домашних персональных компьютерах 1970-х и начала 1980-х годов (вплоть до середины 1990-х) в качестве основного внешнего запоминающего устройства во многих случаях использовался обычный бытовой магнитофон и компакт-кассета.

В 1989 году компаниями Hewlett-Packard и Sony на базе аудиоформата DAT был разработан формат хранения данных DDS (англ. Digital Data Storage). В 1990-е годы для систем резервного копирования персональных компьютеров были популярны стандарты QIC-40 и QIC-80, использовавшие небольшие кассеты физической ёмкостью 40 и 80 Мбайт соответственно. Гарантированный срок хранения информации на магнитных лентах составляет 30-40 лет, хотя есть примеры сохраненной информации с возрастом более 50 лет.