Реферат: Устройства хранения информации

Ленточныекартриджи и гибкие диски.

К внешней, или периферийной, памяти относятся магнитные ленты, магнитныедиски и память на магнитных доменах. Внешняя память дешевле внутренней, создаваемойобычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памятиможет переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, чтоони работают медленнее устройств внутренней памяти.

Магнитные лентыв качестве устройств внешней памяти многим знакомы по аудио- и видеомагнитофоннымкассетам. И те и другие хранят аналоговые данные, т.е. сигналы, которые изменяютсянепрерывно, – например, от пианиссимо скрипки до мажорного звука духового инструментарок-группы. Для использования этих носителей в компьютерахнеобходимо преобразовать аналоговые сигналы в цифровую форму, т.е. в сигналы, соответствующиедвоичным цифрам 0 и 1. Это сравнительно дешевый и довольно медленный носитель. Темне менее в мощных компьютерах для хранения больших объемов данных часто используютвысокоскоростные многодорожечные магнитные ленты. Эти ленты удобны для резервногокопирования всей информации с дисков компьютерных систем.

По виду ленточныекартриджи похожи на аудиокассеты, но предназначены для цифровой записи. Плотностьзаписи в них выше, чем у аудиокассет, а ленты подвергаются специальному тестированию.Они используются при создании резервных копий для систем на жестких дисках. Цифровыеаудиоленты также используются в качестве средства резервирования.При этом в кассете меньшего размера, чем аудиокассета, может храниться до миллиардабайт данных. Все типы ленточных запоминающих устройств имеют один основной недостаток– последовательный режим работы, т.е. лента должна прокручиваться до нужного элемента,что отнимает много времени. Требование экономии времени вынуждает пользователя обращатьсяк другому, более популярному средству хранения информации для небольших компьютеров,– гибкому диску, или дискете.

Гибкий магнитныйдиск является компромиссным решением между магнитной лентой и граммофонной пластинкой.Это небольшой, тонкий и гибкий пластиковый диск, на одной или обеих сторонах которогонанесено магнитное покрытие. Диск с покрытием заключается в защитный конверт илиоболочку, имеющую отверстия для доступа головки чтения/записи и двигателя дисковода.

Гибкие диски «проигрываются»аналогично грампластинке, но с помощью головки магнитной записи, а не иголки. Подобномагнитной ленте, гибкий диск может формировать постоянную запись программы или данных;поскольку он допускает стирание, его содержимое может быть изменено.

Гибкий диск, вотличие от магнитной ленты, является средством произвольного доступа. Информация,записанная на диске, располагается концентрическими окружностями (дорожками) наего поверхности. Одна или две дорожки обычно используются для хранения оглавления.Чтобы найти конкретную запись на диске, компьютер дает указание магнитной головкепереместиться к дорожке с оглавлением и найти координаты места нужной информации;при этом диск вращается под магнитной головкой. Как только нужная запись найденав оглавлении, компьютер приказывает магнитной головке переместиться к соответствующемуместу диска. Те же принципы действуют при записи информации. Чтобы изменить информациюна магнитной ленте, надо прочитать всю ленту, вставить изменения и перезаписатьизмененный вариант. Принцип гибкого диска позволяет исправить конкретный сегментзаписей, не затрагивая остальной поверхности. Вот почему запись на диске может бытьосуществлена частями, каждая из которых вставляется в любое подходящее место. Единственноедополнительное требование состоит в том, чтобы оглавление на диске изменялось всоответствии с изменениями, сделанными на этом диске.

Промышленностьвыпускает гибкие диски в основном размера 3,5 дюйма (89 мм). Типичный гибкий дискможет хранить до 1,5 млн. знаков (байтов), что эквивалентно 900 страницам машинописноготекста, напечатанного через два интервала. Имеются также диски большей информационнойемкости. Дисководами для гибких дисков оснащаются практически все персональные компьютеры.

Компакт-диски.

1.Общиисведения о компакт-дисках

В 1982году фирмы Sony и Philipsзавершили работу над форматом CD-аудио (Compact Disk), открыв темсамым эру цифровых носителей на компакт-дисках. Принцип работы этих дисков –оптический. Чтение и запись осуществляется лазером. В компакт-диске данныекодируются и записываются в виде последовательности отражающих и не отражающихучастков. Отражение интерпретируется как единица, «впадина» — как ноль. Приведунекоторые технические параметры компакт-дисков. Рабочая длина волны лазера — 780 нм. Диаметр компакт-диска 120 мм. Толщина диска 1,2 мм. Объем диска 680 Мб(74 мин аудио). Вес 14-33 г. Цепочка углублений (pits)расположена по спирали как в грампластинке, но в направлении от центра (фактическиCD является устройством последовательного доступа с ускоренной перемоткой).Интервал между витками — 1.6 мкм, ширина пита — 0.5 мкм, глубина — 0.125 мкм(1/4 длины волны луча лазера в поликарбонате), минимальная длина — 0.83 мкм(рис. 1).

Рис. 1.Поверхность компакт-диска.

Существуютмодификации в 80 минут (700 МБ), 90 минут (791 МБ) и 99 минут (870 MB).Номинальная (1x) скорость передачи данных — 150 КБ/сек (176400 байт/сек аудиоили «сырых» данных, 4.3 Мбит/сек «физических» данных). В товремя как все магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в минуту,то есть с неизменной угловой скоростью (CAV, ConstantAngularVelocity), компакт-дисквращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постояннуюлинейную скорость при чтении (CLV, Constant LinearVelocity). Таким образом,чтение внутренних сторон осуществляется с увеличенным, а наружных — суменьшенным числом оборотов. Именно этим обуславливается достаточно низкая скоростьдоступа к данным для компакт-дисков по сравнению, например, с винчестерами.

2.Классификация компакт-дисков

Существует множество стандартов и форматовкомпакт-дисков – в зависимости от назначения и производителей. Приведудляпримерадалеконевсесуществующие: Audio CD (CD-DA), CD-ROM (ISO 9660, mode 1& mode 2), Mixed-mode CD, CD-ROM XA (CD-ROM eXtendedArchitecture, mode 2, form 1 & form 2), Video CD, CD-I (CD-Interactive), СD-I-Ready, CD-Bridge, Photo CD (single &multi-session), Karaoke CD, CD-G, CD-Extra, I-Trax, EnhancedCD (CD Plus), Multi-session CD, CD-Text, CD-WO (Write-Once). Полное описание их займет слишком много места, и этоне является целью написания данной работы.

Взависимости же от количества возможных операций записи компакт-дискиразделяются на: CD-ROM(readonlymemory), CD-R(recordable), они же CD-WORM(writeoncereadmany), CD-RW(rewritable). Соответственно, СD-ROMизготавливается на заводе,и дальнейшая запись на него невозможна; CD-Rпредназначен дляоднократной записи в домашних условиях; CD-RWдопускает множествоопераций записи. Диски CD-ROMпредставляют собой поликарбонат, покрытый с одной стороныотражающим слоем (алюминий или — для ответственных применений — золото) изащитным лаком с другой. Смена отражающей способности осуществляется за счетштамповки углублений в металлическом слое. На заводе их просто штампуют сматрицы.

3.Формат компакт-дисков

Поверхность диска разделена наобласти:

· PCA (Power Calibration Area).

Используетсядля настройки мощности лазера записывающим устройством. 100 элементов.

· PMA (Program Memory Area).

Сюда временнозаписываются координаты начала и конца каждого трека при извлечении диска иззаписывающего устройства без закрытия сессии. 100 элементов.

· Вводная область (Lead-in Area) — кольцо шириной 4мм (диаметр 46-50 мм) ближе к центру диска (до 4500 секторов, 1 минута, 9 MB).Состоит из 1 дорожки (Lead-in Track).Содержит TOC (абсолютные временные адреса дорожек и начала выводной области, точность- 1 секунда).

· Область

данных(program area,user data area).

· Выводная область(Lead-out) — кольцо 116-117 мм (6750 секторов, 1.5минуты, 13.5 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-out Track).

Каждый байт данных (8 бит) кодируется 14-битнымсимволом на носителе (кодировка EFM). Символы отделяются 3-битнымипромежутками, выбираемыми так, чтобы на носителе не было более 10 нулей подряд.

Из 24 байтов данных (192 бита) формируется кадр(F1-frame), 588 битов носителя, не считая промежутков:

· синхронизация (24бита носителя)

· символ субкода (биты субканалов P, Q, R,S, T, U, V, W)

· 12 символовданных

· 4 символаконтрольного кода

· 12 символовданных

· 4 символаконтрольного кода

При декодировании могут использоваться различныестратегии обнаружения и исправления групповых ошибок (вероятность обнаруженияпротив надежности коррекции).

Последовательность из 98 кадров образует сектор (2352информационных байта). Кадры в секторе перемешаны, чтобы уменьшить влияние дефектовносителя. Адресация сектора произошла от аудиодисков и записывается в формате A-Time — mm:ss:ff (минуты: секунды: доли, доля в секунде от 0 до 74). Отсчетначинается с начала программной области, т.е. адреса секторов вводной областиотрицательные. Биты субканалов собираются в 98-битныеслова для каждого субканала (из них 2 бита — синхронизация). Используются субканалы:

· P — маркировкаокончания дорожки (min 150 секторов) и начала следующей(min 150 секторов).

· Q — дополнительная информация о содержимом дорожки:

o

число каналов

o

данные или звук

o

можно ли копировать

o

признак частотных предыскажений(pre-emphasis): искусственный подъем высоких частотна 20 дБ

o

режим использования подканала

§ q-Mode

1: во вводнойобласти здесь хранится TOC, в программной области — номера дорожки, адреса,индексы и паузы

§ q-Mode

2: каталоговый номер диска (тот же, что на штрих-коде)- 13 цифр в формате BCD (MCN, ENA/UPC EAN)

§ q-Mode

3: ISRC (International Standard Recording Code) — код страны,владельца, год и серийный номер записи

o

CRC-16

Последовательность секторов одного форматаобъединяется в дорожку (трек) от 300 секторов (4 секунды, см. субканал P) до всего диска. На диске может быть до 99дорожек (номера от 1 до 99). Трек может содержать служебные области:

пауза — только информация субканалов, нет пользовательских данных pre-gap — начало трека, не содержит пользовательских данных и состоит из двух интервалов: первый длиной не менее 1 секунды (75 секторов) позволяет «отстроиться» от предыдущего трека, второй длиной не менее 2 секунд задает формат секторов трека post-gap — конец трека, не содержит пользовательских данных, длиной не менее 2 секунд

Вводная цифровая область должна завершаться постзазором. Первый цифровой трек должен начинаться совторой части предзазора. Последний цифровой трекдолжен завершаться постзазором. Выводная цифровая областьне содержит предзазора.

Жесткий диск. 1.Принцип работы жестких дисков Накопитель на жестком дискеотносится к наиболее совершенным и сложным устройствам современногоперсонального компьютера. Его диски способны вместить многие мегабайтыинформации, передаваемой с огромной скоростью. В то время, как почти все элементыкомпьютера работают бесшумно, жесткий диск ворчит и поскрипывает, что позволяетотнести его к тем немногим компьютерным устройствам, которые содержат какмеханические, так и электронные компоненты.

Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня егосоздания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрывательгрампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженных на общую ось, и головки могут считыватьинформацию сразу с обеих сторон каждой пластины. Скорость вращения пластин (унекоторых моделей она доходит до 15000 оборотов в минуту) постоянна и являетсяодной из основных характеристик. Головка перемещается вдоль пластины нанекотором фиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние,тем больше точность считывания информации, и тем больше может быть плотностьзаписи информации. Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите толькопрочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод отчастичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой иповерхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести дискиз строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех.Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы. Механизмы- это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают исчитывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это вдвижение. Диск представляет собой круглую пластину с очень ровной поверхностьючаще из алюминия, реже — из керамики или стекла, покрытую тонким ферромагнитнымслоем. Диски изготовлены. Во многих накопителях используется слой оксида железа(которым покрывается обычная магнитная лента), но новейшие модели жесткихдисков работают со слоем кобальта толщиной порядка десяти микрон. Такоепокрытие более прочно и, кроме того, позволяет значительно увеличить плотностьзаписи. Технология его нанесения близка к той, которая используется припроизводстве интегральных микросхем.

Количестводисков может быть различным — от одного до пяти, количество рабочихповерхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее(как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкостьжесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них)не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этомколичество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принципзаписи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифроваяинформация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий намагнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в видемагнитного поля, которое диск может воспринять и «запомнить».Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областейсамопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности представьтесебе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных вразные стороны. Такие частицы-стрелки называются доменами. Под воздействиемвнешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются всоответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля наповерхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образомсохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности,оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в нейэлектродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности.Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальнымдвигателем, компактно расположенным под ним. Скорость вращения дисков, какправило, составляет 7200 об./мин. Для того, чтобы сократить время выходанакопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое времяработает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должениметь запас по пиковой мощности. Теперь о работе головок. Они перемещаются спомощью прецизионного шагового двигателя и как бы «плывут» нарасстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. На поверхностидисков в результате записи информации образуются намагниченные участки, в формеконцентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь,головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек,расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Всеголовки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименнымцилиндрам с одинаковыми номерами.

2.Устройство жестких дисков

Типовой винчестер состоит изгермоблока и платы электроники. В гермоблокеразмещены все механические части, на плате — вся управляющая электроника, за исключениемпредусилителя, размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от головок.

Под дисками расположендвигатель — плоский, как во floppy-дисководах, или встроенный в шпиндельдискового пакета. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, которыйциркулирует по периметру гермоблока и постоянноочищается фильтром, установленным на одной из его сторон.

Ближе к разъемам, с левойили правой стороны от шпинделя, находится поворотный позиционер,несколько напоминающий по виду башенный кран: с одной стороны оси, находятсяобращенные к дискам тонкие, длинные и легкие несущие магнитных головок, а сдругой — короткий и более массивный хвостовик с обмоткой электромагнитногопривода. При поворотах коромысла позиционера головкисовершают движение по дуге между центром и периферией дисков. Угол между осями позиционера и шпинделя подобран вместе с расстоянием от осипозиционера до головок так, чтобы ось головки приповоротах как можно меньше отклонялась от касательной дорожки.

В более ранних моделяхкоромысло было закреплено на оси шагового двигателя, и расстояние междудорожками определялось величиной шага. В современных моделях используется такназываемый линейный двигатель, который не имеет какой-либо дискретности, аустановка на дорожку производится по сигналам, записанным на дисках, что даетзначительное увеличение точности привода и плотности записи на дисках.

Обмотку позиционераокружает статор, представляющий собой постоянный магнит. При подаче в обмоткутока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться всоответствующую сторону с соответствующим ускорением; динамически изменяя ток вобмотке, можно устанавливать позиционер в любоеположение. Такая система привода получила название VoiceCoil (звуковая катушка) — по аналогии с диффузоромгромкоговорителя.

На хвостовике обычнорасположена так называемая магнитная защелка — маленький постоянный магнит,который при крайнем внутреннем положении головок (landingzone — посадочная зона) притягивается к поверхностистатора и фиксирует коромысло в этом положении. Это так называемое парковочноеположение головок, которые при этом лежат на поверхности диска, соприкасаясь снею. В ряде дорогих моделей (обычно SCSI) для фиксации позиционерапредусмотрен специальный электромагнит, якорь которого в свободном положенииблокирует движение коромысла. В посадочной зоне дисков информация незаписывается.

В оставшемся свободномпространстве размещен предусилитель сигнала, снятогос головок, и их коммутатор. Позиционер соединен сплатой предусилителя гибким ленточным кабелем, однаков отдельных винчестерах (в частности — некоторые модели MaxtorAV) питание обмотки подведено отдельными одножильными проводами, которые имеюттенденцию ломаться при активной работе. Гермоблокзаполнен обычным обеспыленным воздухом податмосферным давлением. В крышках гермоблоковнекоторых винчестеров специально делаются небольшие окна, заклеенные тонкойпленкой, которые служат для выравнивания давления внутри и снаружи. В рядемоделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром. У одних моделейвинчестеров оси шпинделя и позиционера закрепленытолько в одном месте — на корпусе винчестера, у других они дополнительнокрепятся винтами к крышке гермоблока. Вторые моделиболее чувствительны к микродеформации при креплении — достаточно сильной затяжки крепежных винтов, чтобы возник недопустимый перекососей. В ряде случаев такой перекос может стать труднообратимымили необратимым совсем. Плата электроники — съемная, подключается к гермоблоку через один — два разъема различной конструкции.На плате расположены основной процессор винчестера, ПЗУ с программой, рабочееОЗУ, которое обычно используется и в качестве дискового буфера, цифровойсигнальный процессор (DSP) для подготовки записываемых и обработки считанныхсигналов, и интерфейсная логика. На одних винчестерах программа процессораполностью хранится в ПЗУ, на других определенная ее часть записана в служебнойобласти диска. На диске также могут быть записаны параметры накопителя (модель,серийный номер и т.п.). Некоторые винчестеры хранят эту информацию вэлектрически репрограммируемом ПЗУ (EEPROM).

Многие винчестеры имеют наплате электроники специальный технологический интерфейс с разъемом, черезкоторый при помощи стендового оборудования можно выполнять различные сервисныеоперации с накопителем — тестирование, форматирование, переназначение дефектныхучастков и т.п. У современных накопителей марки Connerтехнологический интерфейс выполнен в стандарте последовательного интерфейса,что позволяет подключать его через адаптер к алфавитно-цифровому терминалу илиCOM-порту компьютера. В ПЗУ записана так называемая тест-мониторнаясистема (ТМОС), которая воспринимает команды, подаваемые с терминала, выполняетих и выводит результаты обратно на терминал. Ранние модели винчестеров, как игибкие диски, изготовлялись с чистыми магнитными поверхностями; первоначальнаяразметка (форматирование) производилась потребителем по его усмотрению, и моглабыть выполнена любое количество раз. Для современных моделей разметкапроизводится в процессе изготовления; при этом на диски записывается сервоинформация — специальные метки, необходимые длястабилизации скорости вращения, поиска секторов и слежения за положениемголовок на поверхностях. Не так давно для записи сервоинформациииспользовалась отдельная поверхность (dedicated — выделенная), по которой настраивались головки всех остальных поверхностей.Такая система требовала высокой жесткости крепления головок, чтобы между нимине возникало расхождений после начальной разметки. Ныне сервоинформациязаписывается в промежутках меж- ду секторами (embedded — встроенная), что позволяет увеличить полезнуюемкость пакета и снять ограничение на жесткость подвижной системы. В некоторыхсовременных моделях применяется комбинированная система слежения — встроенная сервоинформация в сочетании с выделенной повер — хностью; при этом грубаянастройка выполняется по выделенной поверхности, а точная — по встроеннымметкам.

Поскольку сервоинформация представляет собой опорную разметку диска,контроллер винчестера не в состоянии самостоятельно восстановить ее в случаепорчи. При программном форматировании такого винчестера возможна толькоперезапись заголовков и контрольных сумм секторов данных.

При начальной разметке итестировании современного винчестера на заводе почти всегда обнаруживаютсядефектные сектора, которые заносятся в специальную таблицу переназначения. Приобычной работе контроллер винчестера подменяет эти сектора резервными, которыеспециально оставля — ютсядля этой цели на каждой дорожке, группе дорожек или выделенной зоне диска.Благодаря этому новый винчестер создает видимость полного отсутствия дефектовповерхности, хотя на самом деле они есть почти всегда.

При включении питанияпроцессор винчестера выполняет тестирование электроники, после чего выдаеткоманду включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критическойскорости вращения плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становитсядостаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их навысоту от долей до единиц микрон над поверхностями дисков — головки«всплывают». С этого момента и до снижения скорости ниже критическойголовки «висят» на воздушной подушке и совершенно не касаютсяповерхностей дисков.

После достижения дискамискорости вращения, близкой к номинальной (обычно — 3600, 4500, 5400 или 7200об/мин) головки выводятся из зоны парковки и начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения. Затемвыполняется считывание информации из служебной зоны — в частности, таблицыпереназначения дефектных участков.

В завершение инициализациивыполняется тестирование позиционера путем переборазаданной последовательности дорожек — если оно проходит успешно, процессорвыставляет на интерфейс признак готовности и переходит в режим работы по интерфейсу.

Во время работы постоянноработает система слежения за положением головки на диске: из непрерывносчитываемого сигнала выделяется сигнал рассогласования, который подается всхему обратной связи, управляющую током обмотки позиционера.В результате отклонения головки от центра дорожки в обмотке возникает сигнал,стремящийся вернуть ее на место.

Для согласования скоростейпотоков данных — на уровне считывания/записи и внешнего интерфейса — винчестерыимеют промежуточный буфер, часто ошибочно называемый кэшем,объемом обычно в несколько десятков или сотен килобайт. В ряде моделей(например, Quantum) буфер размещается в общем рабочемОЗУ, куда вначале загружается оверлейная часть микропрограммы управления,отчего действительный объем буфера получается меньшим, чем полный объем ОЗУ(80-90 кб при ОЗУ 128 кб у Quantum). У других моделей (Conner,Caviar) ОЗУ буфера и процессора сделаны раздельными.

При отключении питанияпроцессор, используя энергию, оставшуюся в конденсаторах платы либо извлекая ееиз обмоток двигателя, который при этом работает как генератор, выдает командуна установку позиционера в парковочное положение,которая успевает выполниться до снижения скорости вращения ниже критической. Внекоторых винчестерах (Quantum) этому способствуетпомещенное между дисками подпружиненное коромысло, постоянно испытывающеедавление воздуха. При ослаблении воздушного потока коромысло дополнительнотолкает позиционер в парковочное положение, где тотфиксируется защелкой. Движению головок в сторону шпинделя способствует такжецентростремительная сила, возникающая из-за вращения дисков.

Литература

1.

people.kstu.edu.ru/CSN/CDR/rab.htm

2.

www.kstu.kz/~yas/theory_lw/opt_70.htm

3.

bog.pp.ru/hard/cdrom.html

4.

www.procd.ru/Серпуховскийтехнический колледжРЕФЕРАТ

«Устройствахранения информации»

Выполнил: ст. гр. 31-р

Вельш А.Т.