Что такое нмжд в компьютере
Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, жесткие диски, Hard Disk Drive — HDD) представляют собой устройства, предназначенные для длительного хранения информации. В качестве накопителей на жестких магнитных дисках широкое распространение в ПК получили накопители типа винчестер. Термин «винчестер» является жаргонным названием первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 год), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30/30 известного охотничьего ружья eutwecmep. В этих накопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и покрытых ферролаком, вместе с блоком магнитных головок считывания-записи помещены в герметически закрытый корпус. Под дисками расположен двигатель, обеспечивающий вращение дисков, а слева и справа — поворотный позиционер с коромыслом, управляющим движением магнитных головок по спиральной дуге для их установки на нужный цилиндр. Емкость винчестеров благодаря чрезвычайно плотной записи, выполняемой магниторезистивными головками в таких герметических конструкциях, достигает нескольких десятков гигабайтов; быстродействие их также весьма высокое: время доступа от 5 мс, трансфер до 6 Гбайт/с. Магниторезистивные технологии обеспечивают чрезвычайно высокую плотность записи, позволяющую размещать 2-3 Гбайт данных на одну пластину (диск). Появление же головок с гигантским магниторезистивным эффектом (GMR — Giant Magnetic Resistance) еще более увеличило плотность записи — возможная емкость одной пластины возросла до 6,4 Гбайт.
НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5 дюйма (89 мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода: 25 мм — у настольных ПК, 41 мм — у машин-серверов, 12 мм — у портативных ПК, существуют и другие. Внешние дорожки диска длиннее внутренних. Поэтому в современных жестких дисках используется метод зонной записи. В этом случае все пространство диска делится на несколько зон, причем во внешних зонах секторов размещается больше данных, чем во внутренних. Это, в частности, позволило увеличить емкость жестких дисков примерно на 30%.
Внешний вид НМЖД со снятой крышкой показан на рис. 6.8.
Рис. 6.8. Жесткий диск со снятой крышкой
Есть два основных режима обмена данными между HDD и ОП:
□ Programmed Input/Output(PIO — программируемый ввод-вывод);
□ Direct Memory Access(DMA — прямой доступ к памяти).
Внешние запоминающие устройства
РЮ — это режим, при котором перемещение данных между периферийным устройством (жестким диском) и оперативной памятью происходит с участием центрального процессора. Существуют следующие режимы передачи: РЮО, РЮ1, РЮ2, РЮЗ, РЮ4. Причем РЮО самый «медленный», а РЮ4 — самый «быстрый» (16,6 Мбайт/с). Режимы РЮ в современных ПК используются редко, поскольку сильно загружают процессор.
DMA— это режим, в котором винчестер напрямую общается с оперативной памятью без участия центрального процессора, перехватывая управление шиной. Режимы DMA при интерфейсах IDE поддерживают протоколы SW (SingleWord — однословный) и MW (MultiWord — «многословный»), обеспечивающие трансфер до 66 Мбайт/с (при протоколе MW3 DMA). При интерфейсах SCSI может быть достигнута более высокая скорость передачи. Так, наиболее популярный сейчас интерфейс Ultra2Wide SCSI (Ultra2 означает работу на тактовой частоте 40 МГц; Wide — ширину шины 16 битов) обеспечивает пропускную способность 80 Мбайт/с, при этом можно подключать до 15 накопителей к одному контроллеру интерфейса. А технология FC-AL (Fibre Channel-Arbitrated Loop), использующая оптоволоконные каналы связи для жестких дисков SCSI, обеспечивает трансфер 200 Мбайт/с и возможность подключения до 256 устройств (используется, естественно, не в ПК, а в больших системах и в дисковых массивах — RAID).
Время доступа к информации на диске напрямую связано со скоростью вращения дисков. Стандартные скорости вращения для интерфейса IDE — 3600, 4500, 5400 и 7200 оборотов/мин; при интерфейсе SCSI используются скорости до 10 000 и даже до 12 000 оборотов/мин. При скорости 10 000 оборотов/мин среднее время доступа составляет 5,5 мс. Для повышения скорости обмена данными процессора с дисками НЖМД следует кэшировать. Кэш-память для дисков имеет то же функциональное назначение, что и кэш для основной памяти, то есть служит быстродействующим буфером для кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем (например, драйвером Microsoft Smartdrive) в оперативной памяти. Ёмкость кэш-памяти диска обычно составляет 2 Мбайт, а скорость обмена данными процессора с кэш-памятью достигает 100 Мбайт/с.
Для того чтобы получить на магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и секторы, над ним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или низкоуровневым, форматированием (physical, или low-level formatting). В ходе выполнения этой процедуры контроллер записывает на носитель служебную информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на секторы и нумерует их. Форматирование низкого уровня предусматривает и маркировку дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска.
Существует и технология SMART(Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) — технология самотестирования и анализа, осуществляющая автоматическую проверку целостности данных, состояния поверхности дисков, перенос информации с критических участков на нормальные и другие операции без участия пользователя. Кроме того, при появлении и нарастании серьезных
Глава 6. Запоминающие устройства ПК
В ПК имеется обычно один, реже несколько накопителей на жестких магнитных дисках. Однако в MS DOS программными средствами один физический диск может быть разделен на несколько «логических» дисков; тем самым имитируется несколько НМД на одном накопителе.
Большинство современных накопителей имеют собственную кэш-память емкостью от 2 до 8 Мбайт.
Среди последних новинок заслуживают внимания HDD компании 1-0 Data, представившей в декабре 2002 года три модели емкостью 250 Гбайт: внутренний накопитель UHDI 250 с интерфейсом Ultra ATA-133 и внешние накопители: HDA-IU 250 с интерфейсом USB 2.0 и HDA-IE 250 с интерфейсом IEEE 1394.
Внешние HDD относятся к категории переносных.
В последнее время переносные накопители (их также называют внешними, мобильными, съемными, а портативные их варианты — карманными — Pocket HDD) получили широкое распространение. Питание переносных жестких дисков выполняется либо от клавиатуры, либо по шине USB (возможный вариант — через порт PS/2).
Переносные жесткие диски весьма разнообразны: от обычных HDD в отдельных корпусах до стремительно набирающих популярность твердотельных дисков.
Размеры корпуса могут быть разными. Например: 219 х 155 х 44 мм, 143 х 87 х х 27 мм, 126 х 75 х 15 мм и др. Форм-фактор дисков чаще всего 2,5 дюйма, а емкость от 1 до 60 Гбайт.
Компания Cornice Inc. (США) готовится к выпуску в конце 2003 года однодюймовых винчестеров емкостью 1,5 Гбайт.
Переносить большие массивы данных с одного компьютера на другой позволяют также оптические накопители CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW и DVD-RAM. Их носители обеспечивают перенос больших массивов данных с одного компьютера на другой. Кроме того, в силу относительно высокой производительности эти накопители можно использовать в тех же целях, что и обычные стационарные жесткие. Такие устройства могут применяться и для решения задач резервного копирования информации. Перечислим наиболее популярные типы съемных пакетов дисков и дисководов.
Устройство дискеты 3,5″:
1 - заглушка "защита от записи";
2 - основа диска с отверстиями для приводящего механизма;
3 - защитная шторка открытой области корпуса;
4 - пластиковый корпус дискеты;
5 - противопылевая салфетка;
6 - магнитный диск;
7 - область записи.
Диске́та — портативный магнитный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных сравнительно небольшого объема. Этот вид носителя был особенно распространён в 1970-х — конце 1990-х годов. Вместо термина «дискета» иногда используется аббревиатура ГМД — «гибкий магнитный диск» (соответственно, устройство для работы с дискетами называется НГМД — «накопитель на гибких магнитных дисках»).
Обычно дискета представляет собой гибкую пластиковую пластинку, покрытую ферромагнитным слоем, отсюда английское название «floppy disk» («гибкий диск»). Эта пластинка помещается в пластмассовый корпус, защищающий магнитный слой от физических повреждений. Оболочка бывает гибкой или прочной. Запись и считывание дискет осуществляется с помощью специального устройства — дисковода (флоппи-дисковода).
Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения.
Содержание
Метод тепловой магнитной записи
Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR ) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не представлены (на 2009 год), есть лишь экспериментальные образцы, но их плотность уже превышает 150 Гбит/см². Разработка HAMR-технологий ведется уже довольно давно, однако эксперты до сих пор расходятся в оценках максимальной плотности записи. Так, компания Hitachi называет предел в 2,3−3,1 Тбит/см², а представители Seagate Technology предполагают, что они смогут довести плотность записи HAMR-носители до 7,75 Тбит/см². [6] Широкого распространения данной технологии следует ожидать после 2010 года.
Центральным конструктивным узлом ПЭВМ, определяющим вместе с процессором ее архитектуру и базовые характеристики, является системная плата (system board), или материнская плата (motherboard), или основная (главная) плата (main board).
Системная плата представляет собой печатную плату, на которой смонтированы все электронные составные части компьютера: процессор; ОЗУ; BIOS; набор системных и вспомогательных микросхем, контроллеров ввода-вывода; память CMOS с автономным питанием.
Системная плата содержит ряд коммутационных элементов: слоты расширения; разъемы для подключения интерфейсных кабелей клавиатуры, мыши, жестких дисков, оптических дисководов, последовательного и параллельного портов, шины USB; преобразователь напряжения для питания ядра процессора и ряд других компонентов, необходимых для работы ПЭВМ.
В основном современные платы состоят из шести печатных слоев, включающих в себя три или четыре слоя сигнальных дорожек, пластину заземления (О В), соединенную с корпусом ПЭВМ и экранирующую перекрестные помехи от высокочастотных цепей, и один или два слоя проводников питания. В верхнем слое размещаются контактные площадки для распайки компонентов. В платах предусматриваются отверстия для винтового крепления к боковой стенке системного блока. От климатических воздействий плата защищена водостойким диэлектрическим лаком.
Одной из характеристик материнской платы являются ее типоразмер — форм-фактор, определяющий расположение процессора и разъемов расширения, габаритные размеры и точки крепления платы, а также тип разъема питания платы и питающие напряжения. Кроме того, форм-фактор платы предопределяет используемый тип корпуса и блока питания.
Наиболее известные форм-факторы системных плат перечислены ниже:
Форм-фактор | Физические размеры | Спецификация, год | Примечание |
XT | 8,5 × 11" (216 × 279 мм) | IBM, 1983 | архитектура IBM PC XT |
AT | 12 × 11"–13" (305 × 279–330 мм) | IBM, 1984 | архитектура IBM PC AT (Desktop/Tower) |
Baby-AT | 8,5" × 10"–13" (216 × 254-330 мм) | IBM, 1990 | архитектура IBM PC XT |
ATX | 12" × 9,6" (305 × 244 мм) | Intel, 1995 | для системных блоков типов MiniTower, FullTower |
ATX Riser | Intel, 1999 | для cистемных блоков типа Slim | |
eATX | 12" × 13" (305 × 330 мм) | ||
Mini-ATX | 11,2" × 8,2" (284 × 208 мм) | для системных блоков типа Tower и компактных Desktop | |
LPX | 229 × 279–330 мм | Western Digital, 1987 | для системных блоков типа Slim |
Mini-LPX | 203–229 мм × 254–279 мм | Western Digital, 1987 | для системных блоков типа Slim |
NLX | 203–229 мм × 254–345 мм | Intel, 1997 | предусмотрен AGP, лучшее охлаждение чем у LPX |
FlexATX | 244 × ?-244 мм | Intel, 1999 | разработан как замена для форм-фактора MicroATX |
WTX | 355,6 × 425,4 мм | Для рабочих станций и серверов среднего уровня | |
Mini-ITX | 170 × 170 мм | VIA Technologies, 2003 | допускаются только 100 Вт блоки питания |
BTX | 325 × 267 мм | Intel, 2004 | до 7 слотов и 10 отверстий для монтажа платы |
MicroBTX | 264 × 267 мм | Intel, 2004 | до 4 слотов и 7 отверстий для монтажа платы |
PicoBTX | 203 × 267 мм | Intel, 2004 | 1 слот и 4 отверстия для монтажа платы |
CEB | 305 × 267 мм | Для рабочих станций и серверов среднего уровня | |
Pico-ITX | 100 х 72 мм | VIA, 2007 | используются в ультракомпактных встраиваемых системах |
ATX-платы имеют более совершенную конструкцию, позволяя устанавливать до шести слотов расширения с платами полной длины, обеспечивая удобный доступ к компонентам и хорошее их охлаждение. В настоящее время все системные платы выпускают только в формате АТХ (рис. 2).
Внедрение форм-фактора АТХ позволило установить на системную плату разъемы портов ввода-вывода, что привело к существенному снижению количества соединительных проводов внутри корпуса ПЭВМ. Кроме того, упростился доступ к модулям ОЗУ при их замене или наращивании объема. Кроме того, разъемы контроллеров накопителей переместились практически вплотную к дисководам, что позволило сократить длину используемых кабелей и тем самым повысить надежность и помехозащищенность интерфейсных связей.
Все внешние разъемы (порты) располагаются на двух уровнях и распаяны на крае печатной платы. Для них на тыльной стенке корпуса системного блока предусмотрено специальное отверстие.
Современные платы рассчитаны в основном на применение nамяти DDR SDRAM, поэтому используют для установки модулей ОЗУ несколько гнездовых разъемов типа DIMM на 184 контакта, которые имеют по краям специальные фиксирующие пластмассовые • защелки.
В большинстве системных плат используют двухуровневую структуру, образованную двумя микросхемами системной логики — северного и южного мостов, через которые осуществляете я управление работой контроллеров и других компонентов ПЭВМ.
Основным узлом системной логики является быстродействующая микросхема северного моста, которая обеспечивает единственный интерфейс между процессором и остальной частью системной платы, работающий на полной тактовой частоте шины процессора. Северный мост имеет значительное энергопотребление и поэтому требует пассивного охлаждения (установки радиатора).
Микросхема южного моста имеет меньшее быстродействие, обычно реализует интерфейсы двухканального контроллера жестких дисков и USB-портов, содержит память CMOS и схему часов, атакже компоненты, необходимые для функционирования шины PCI, например контроллер прямого доступа к памяти.
Микросхема ввода-вывода Super I/O в большинстве системных плат обычно реализует функции контроллеров, которые раньше размещались на отдельных платах расширения ISA, и обеспечивает подключение:
■ дисковода гибких дисков;
■ двух быстродействующих последовательных СОМ-портов;
■ многорежимного параллельного порта;
■ клавиатуры и мыши.
С развитием технологий производители объединяют все больше функций в основном наборе микросхем системной логики, поэтому необходимость в микросхеме Super I/О постепенно исчезает. Схемы Super I/O и южного моста объединяются, благодаря чему уменьшается количество компонентов на системной плате и освобождается свободная площадь на плате.
В платах АТХ используется 20-контактный разъем питания с ключом, исключающим неправильное подсоединение, через который подаются напряжения ±12, ±5 и +3,3 В, а также сигналы программного включения и выключения питания ПЭВМ. Двигатели дисковых накопителей и кулеры процессоров питаются от напряжения 12 В.
Для процессоров с двойным напряжением питания — основным и ядра — требуется дополнительный вторичный источник напряжения VRM (Voltage Regulator Module — модуль регулирования напряжения), в котором применяются два метода преобразования: линейный и импульсный. Линейный источник напряжения использовался в старых платах, имел малый коэффициент полезного действия (КПД), так как понижал входное напряжение за счет его падения на регулирующем элементе (мощном транзисторе) и рассеивания в виде теплоты. С уменьшением выходного напряжения росла тепловая мощность, рассеиваемая такими преобразователями, поэтому они имели массивные радиаторы и значительно ухудшали температурный режим компонент материнской платы.
В современных материнских платах стали использовать импульсные источники с катушками индуктивности и высоким КПД. Применяются и комбинированные варианты питания с двухступенчатой схемой: сначала импульсный преобразователь понижает напряжение с 12 В, поступающее через разъем ATX12V, до 3,3 В, а затем линейный преобразователь регулирует это значение номинала 1,4. 2,0 В, который зависит от типа процессора. Чтобы использовать на системной плате процессоры с разными номиналами питания ядра, с помощью переключателя, устанавливаемого на плате, можно вручную формировать напряжения с шагом 0,1 В или через BIOS.
В современных материнских платах используется автоматическое определение номинала питания, когда схема VRM сама определяет требуемое напряжение по контактам процессора. Для контроля напряжения на платах устанавливают светодиоды.
К дополнительным компонентам относятся датчики, выдающие информацию о температуре процессора, материнской платы, скорости вращения вентилятора и др. Большинство современных материнских плат аппаратно и программно поддерживают несколько экономичных режимов с пониженным энергопотреблением (например, ждущий режим).
Обязательным устройством материнской платы является тактовый генератор, который выдает сетку рабочих частот для синхронизации всех электронных устройств ПЭВМ. Для селективной установки номиналов частот, требуемых процессору, ОЗУ, видеокарте и слотам PCI, используется специальный ползунковый коммутатор, который меняет коэффициент их изменения.
В компьютерах применяется деление опорной частоты (частота шины FSB) генератора для синхронизации других шин и внутреннее умножение этой частоты в процессоре. Для каждой шины тактовый генератор может поддерживать как один, так и несколько коэффициентов деления, который меняется через 33 МГц относительно опорной частоты. Для обеспечения работы различных типов процессоров используются множители частоты для шины FSB.
После контроля допусков номиналов напряжений и при наличии сигнала исправного состояния от блока питания ПЭВМ тактовый генератор формирует сигнал начальной установки для перевода процессора в рабочий режим.
Для уменьшения длины шлейфов разъемы контролеров накопителей располагаются на плате ближе к отсекам для крепления дисководов.
На материнской плате обычно размещают дополнительные контроллеры (модемный, сетевой, SCSI, звука и т.д.). Встроенные звукопреобразующие средства обычно позволяют обеспечить шестиканальную акустику. В этом случае на плате имеются разъемы (линейный вход-выход, микрофон), а также MIDI-порт.
Слот AGP используется только для установки видеокарт. Иногда материнские платы поставляются с разъемом AGP Pro для видеокарт с повышенными энергопотреблением и тепловыделением.
Другие дополнительные функциональные узлы ПЭВМ выполняются на отдельных печатных платах, которые устанавливаются в разъемы расширения PCI (рис. 4.5).
Стандарт PCI предлагает три вида плат для ПЭВМ разных типов и с различным напряжением питания. Платы с напряжением 5 В предназначены в основном для стационарных компьютеров, а с напряжением 3,3 В — для портативных компьютеров.
Технология Plug and Play значительно упростила процесс установки и конфигурирования новых устройств. Пользователю необходимо лишь вставить плату в свободный разъем PCI, а система BIOS автоматически выделит необходимые ресурсы. Во время определения конфигурации ПЭВМ BIOS проверяет наличие устройств на PCI-шине, назначает для них адреса и разрешает их инициализацию.
Для хранения оперативных настроек на системную плату устанавливается ЗУ CMOS с автономным источником питания, поэтому ее содержимое не стирается после выключения ПЭВМ. Из-за очень малого потребления энергии время надежного хранения информации в памяти составляет свыше 15 лет и зависит от емкости гальванического источника напряжением 3 В, который питает и схему часов. Если на плате установлен аккумулятор, то он будет постоянно подзаряжаться при включенном компьютере.
Внося изменения в CMOS с помощью меню BIOS, пользователь может вручную настроить работу материнской платы, установить параметры гибких и жестких дисков, интервалы времени, по истечении которого компьютер переходит в режим ожидания, параметры питания и многое другое.
В экстремальных случаях (забыт пароль) сброс информации в CMOS осуществляется с помощью перемычки, отключающей питание от микросхемы.
Для подключения индикаторов, кнопок и динамика, расположенных на корпусе системного блока, на материнской плате имеются миниатюрные разъемы-вилки. Подобные же разъемы служат как контакты для перемычек при задании аппаратной конфигурации системы и для соединения платы с аудиовыходом оптических дисководов.
Схема размещения конструктивных элементов на системной плате формата АТХ:
Арр1е Computers– легендарная фирма. Ее основатели Стив Джобс и Стив Возняк считаются изобретателями персонального компьютера.
На Западе достаточно распространены компьютеры фирмы Арр1е - Macintosh.
Именно на компьютерах Арр1евпервые появились такие новинки как графический интерфейс, мышь, звуковая система и видео. Работа с графикой и сегодня является сильным местом Мас-ов, поэтому они находят широкое применение в издательском деле, обработке звука и видео.
Достоинства Macintosh надежность, качество, компактность. Но они дороже и архитектура - закрытая.
Конструктивно стандартный персональный компьютер (ПК) состоит из следующих основных частей: системного блока, монитора, клавиатуры, манипулятора типа «мышь».
В системном блоке находятся процессор, устройства памяти и другие устройства.
Процессор - устройство, производящее расчеты и управляющее всеми частями компьютера. Основная интегральная характеристика процессора - производительность,измеряемая числом операций в секунду флопс). Производительность зависит от разрядности и тактовой частоты.
Разрядность – длина машинного слова не меняется в течении длительного периода. Так процессоры современных ПК имеют разрядность 32 бита.
Тактовая частота процессора – частота, с которой процессор совершает операции.
Тактовая частотаболее изменчивая характеристика, чем разрядность, поэтому именно частоту обычно указывают как основную характеристику процессора.
Устройства памяти - устройства, предназначенные для хранения информации.
Основные характеристики устройств памяти - объем памяти и ее быстродействие.
Объем памяти равен максимальному количеству информации, которое может сохранять данное устройство. Быстродействие определяется временем доступа к необходимой информации.
Внутренняя память: оперативная память, кэш-память и постоянная память.
Оперативное запоминающее устройство(ОЗУ) предназначено для хранения информации непосредственно во время работы компьютера.
Кэш-память – быстрое ЗУ небольшого объема, которое используется для ускорения обмена данными между процессором и ОЗУ.
Особенности ОЗУ:высокое быстродействие, энергозависимость (при выключении электропитания компьютера информация теряется).
Внешнее запоминающее устройство(ВЗУ, внешняя память) предназначено для долговременного хранения информации.
Особенности ВЗУ:большой объем памяти и энергонезависимость.
Основным хранилищем информации в ПК является накопитель на жестком магнитном диске (НМЖД), встроенный в системный блок компьютера, его часто называют жестким дискомили винчестером.Объем современных жестких дисков составляет сотни гигабайт. Для перемещения информации от одного компьютера к другому используются оптические диски и флэш-карты (дискеты устарели). Запись и считывание информации на диск производится после помещения его в дисковод. Оптические диски бывают разных видов:
1. CD-ROM — диск с уже записанной информацией, 650 -800 Мб.
2. CD-R — "чистый" диск ("болванка"), на который можно сделать однократную запись,
3. CD-RW — перезаписываемый диск, позволяющий делать многократную запись.
4. DVD (R,RW)— специальный формат, часто используется для записи фильмов. 4,7 Г.
5. Blue-Ray – 27 Гб.
В последнее время для переноса информации все чаще используют флэш-карты (> 10Гб), которые хороши тем, что устройства считывания с флэш-карт полностью электронные, без механических частей, что повышает их быстродействие и надежность. Кроме того они очень компактны.
Устройство хранящее информацию на магнитных лентах называют стримером.Дисководы для дискет обозначают буквами латинского алфавита с двоеточием А: и В:, а жесткие диски буквами С:, D: и далее по алфавиту.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)предназначено для хранения минимального набора программ, необходимых для запуска компьютера, тестирования его устройств и загрузки операционной системы.
Особенности ПЗУ:малый объем, высокое быстродействие, энергонезависимость.
Кроме того, в системном блоке расположены и другие устройства.
1. Системная (материнская) плата— это устройство на котором размещаются процессор, магистраль передачи данных (шина), микросхемы оперативной памяти, контроллеры внешних устройств.
2. Контроллерысогласуют работу процессора и какого-либо устройства (клавиатуры, дисковода, монитора и т. д.).
3. Блок питания— устройство, преобразующее электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения.
4. Видеокарта— устройство, формирующее изображение на экране монитора. От вида видеокарты зависит качество изображения.
5. Звуковая карта— устройство, позволяющее воспроизводить различные звуковые эффекты, музыку, речь.
6. Сетевая карта– устройство подключения к компьютерной сети.
Форматы
Формат | Год возникновения | Объём в килобайтах |
---|---|---|
8″ | 1971 | 80 |
8″ | 1973 | 256 |
8″ | 1974 | 800 |
8″ двойной плотности | 1975 | 1000 |
5,25″ | 1976 | 110 |
5,25″ двойной плотности | 1978 | 360 |
5,25″ четырёхкратной плотности | 1982 ? | 720 |
5,25″ высокой плотности | 1984 | 1200 |
3″ | 1982 ? | 360 |
3″ двойной плотности | 1984 ? | 720 |
3,5″ двойной плотности | 1984 | 720 |
2″ | 1985 ? | 720? |
3,5″ высокой плотности | 1987 | 1440 |
3,5″ расширенной плотности | 1991 | 2880 |
Следует отметить, что фактическая ёмкость дискет зависела от способа их форматирования. Поскольку кроме самых ранних моделей, практически все флоппи-диски не содержали жёстко сформированных дорожек, дорога для экспериментов в области более эффективного использования дискеты была открыта для системных программистов. Результатом стало появление множества не совместимых между собою форматов дискет даже под одними и теми же операционными системами. Например, для ДВК).
Дополнительную путаницу внёс тот факт, что компания Macintosh дисководы, применяющие иной принцип кодирования при магнитной записи, чем на IBM PC. В результате, несмотря на использование идентичных дискет, перенос информации между платформами на дискетах не был возможен до того момента, когда Apple внедрила дисководы высокой плотности SuperDrive, работавшие в обоих режимах.
«Стандартные» форматы дискет IBM PC различались размером диска, количеством секторов на дорожке, количеством используемых сторон (SS обозначает одностороннюю дискету, DS — двухстороннюю), а также типом (плотностью записи) дисковода. Тип дисковода маркировался как SD — одинарная плотность, DD — двойная плотность, QD — четверная плотность (использовался в клонах, таких как Robotron-1910 — 5,25″ дискета 720 К , Amstrad PC, ПК Нейрон — 5,25″ дискета 640 К, HD — высокая плотность (отличался от QD повышенным количеством секторов), ED — расширенная плотность.
Плотность\Дюймов | 8 | 5,25 | 3,5 |
---|---|---|---|
SD | 160/180 | 160/180 | |
DD | 320/360 | 720 | |
QD | 640/720 | ||
HD | 1200 | 1440 | |
ED | 2880 |
Эта техника была впоследствии использована в Windows 98, а также Майкрософтовском формате дискет DMF, расширившим ёмкость дискет до 1,68 Мб за счёт форматирования дискет на 21 сектор в аналогичном XDF использовался в дистрибутивах OS/2, а DMF — в дистрибутивах различных программных продуктов от Майкрософт.
Драйвер pu_1700 позволял также обеспечивать форматирование со сдвигом и интерливингом секторов — это ускоряло операции последовательного чтения-записи, но лишало совместимости даже при стандартном количестве секторов, сторон и дорожек.
Наконец, достаточно частой модификацией формата дискет 3,5″ является их форматирование на 1,2 Мб (с пониженным числом секторов). Эта возможность обычно может быть включена в Японии и ЮАР. В качестве побочного эффекта, активация этой настройки
Устройство
Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.
Технологии записи данных
Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.
В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них, изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).
Производители
Большая часть всех винчестеров производятся всего несколькими компаниями: Seagate, Western Digital, Samsung, а также ранее принадлежавшим Hitachi. Fujitsu продолжает выпускать жёсткие диски для ноутбуков и 2001 году. Maxtor. В 2006 году состоялось слияние Seagate и Maxtor. В середине 1990-х годов существовала компания Conner, которую купила Seagate. В первой половине 1990-х существовала ещё фирма Micropolice, производившая очень дорогие диски premium-класса. Но при выпуске первых в отрасли винчестеров на 7200 об/мин ею были использованы некачественные подшипники главного вала, поставленные фирмой Nidek, и Micropolice понесла фатальные убытки на возвратах, разорилась и была на корню куплена той же Seagate.
Блок электроники
В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управление шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.
Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.
Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя).
Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.
Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.
Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood — максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнении принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.
Метод параллельной записи
На данный момент это всё ещё самая распространенная технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.
Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.
Метод перпендикулярной записи
Метод перпендикулярной записи — это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных образцов — 15-23 Гбит/см², в дальнейшем планируется довести плотность до 60—75 Гбит/см².
Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.
Содержание
Исчезновение
Одной из главных проблем, связанных с использованием дискет, была их недолговечность. Наиболее уязвимым элементом конструкции дискеты был жестяной или пластиковый кожух, закрывающий собственно гибкий диск: его края могли отгибаться, что приводило к застреванию дискеты в дисководе, возвращавшая кожух в исходное положение пружина могла смещаться, в результате кожух дискеты отделялся от корпуса и больше не возвращался в исходное положение. Сам пластиковый корпус дискеты не служил достаточной защитой гибкого диска от механических повреждений (например, при падении дискеты на пол), которые выводили магнитный носитель из строя. В щели между корпусом дискеты и кожухом могла проникать пыль.
Массовое вытеснение дискет из обихода началось с появлением перезаписываемых компакт-дисков, и особенно, носителей на основе флэш-памяти, обладающих гораздо меньшей удельной стоимостью, на порядки большей емкостью, большим фактическим числом циклов перезаписи и долговечностью.
Промежуточным вариантом между ними и традиционным дискетами являются магнитооптические носители, Iomega_Zip, Iomega_Jaz и другие. Такие сменные носители иногда также называют дискетами.
Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках, НЖМД, жёсткий диск, винче́стер (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD ; в просторечии винт, хард, харддиск) — энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.
В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.
История
-
— Первая дискета диаметром в 200 мм (8″) с соответствующим дисководом была представлена фирмой Алану Шугарту, работавшему в конце 1960-х годов в IBM. — Алан Шугерт основывает собственную фирму Shugart Associates. — Алан Шугерт разработал дискету диаметром 5,25″. — килобайт (9 секторов). Поздняя версия имеет объём 1440 килобайт или 1,40 мегабайт (18 секторов). Именно этот тип дискеты становится стандартом (после того, как IBM использует его в своём IBM PC).
Позже появились так называемые ED-дискеты (от англ. Extended Density — «расширенная плотность»), имевшие объём 2880 килобайт (36 секторов), которые так и не получили широкого распространения.
Характеристики
Интерфейс (англ. interface ) — набор, состоящий из линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил обмена. Современные накопители могут использовать интерфейсы Serial ATA, SAS, FireWire, Fibre Channel.
Ёмкость (англ. capacity ) — количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 2000 Гб. (2 Тб) В отличие от принятой в информатике (случайно) системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину (кило=1024, мега=1 048 576 и т. д.; позже для этого были не очень успешно введены двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются кратные 1000 величины. Так, напр., «настоящая» ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 Гб», составляет 186,2 ГиБ. [3]
Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension ) — почти все современные (2001—2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках. Так же получили распространение форматы — 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в формфакторах 8 и 5,25 дюймов.
Время произвольного доступа (англ. random access time ) — время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик от 2,5 до 16 мс, как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс [4] ), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5 [5] ).
Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed ) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).
Надёжность (англ. reliability ) — определяется как среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF). См. также: Технология SMART (S.M.A.R.T. (англ. Self Monitoring Analysing and Reporting Technology ) — технология оценки состояния жёсткого диска встроенной аппаратурой самодиагностики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя).
Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп./сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.
Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.
Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.
Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating ) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.
Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate ):
- Внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с
- Внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с
Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных (2008 год) HDD он обычно варьируется от 8 до 32 Мб.
Гермозона
Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.
Блок головок — пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.
Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с большим числом пластин.
Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (4200, 5400, 7200, 10 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин.
Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных, как правило неодимовых, постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок.
Вопреки расхожему мнению, внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а так же при прогреве устройства во время работы.
Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр — пылеуловитель.
Низкоуровневое форматирование
На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются — на них формируются дорожки и секторы.
Ранние «винчестеры» (подобно дискетам) содержали одинаковое количество секторов на всех дорожках. На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в несколько зон. Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на каждой дорожке внешней зоны секторов больше, и чем зона ближе к центру, тем меньше секторов приходится на каждую дорожку зоны. Это позволяет добиться более равномерной плотности записи и, как следствие, увеличения ёмкости пластины без изменения технологии производства.
Границы зон и количество секторов на дорожку для каждой зоны хранятся в ПЗУ блока электроники.
Кроме того, в действительности на каждой дорожке есть дополнительные резервные секторы. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remaping ). Конечно, данные, хранившиеся в нём, скорее всего, будут потеряны, но ёмкость диска не уменьшится. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая в процессе эксплуатации.
Таблицы переназначения секторов также хранятся в ПЗУ блока электроники.
Во время операций обращения к «винчестеру» блок электроники самостоятельно определяет, к какому физическому сектору следует обращаться и где он находится (с учётом зон и переназначений). Поэтому со стороны внешнего интерфейса «винчестер» выглядит однородным.
В связи с вышеизложенным существует очень живучая легенда о том, что корректировка таблиц переназначения и зон может увеличить ёмкость жёсткого диска. Для этого существует масса утилит, но на практике оказывается, что если прироста и удаётся добиться, то незначительного. Современные диски настолько дёшевы, что подобная корректировка не стоит потраченных на это ни сил, ни времени.
Название «Винчестер»
По одной из версий название «винчестер» накопитель получил благодаря фирме 1973 году выпустила жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30» [1] предложил назвать этот диск «винчестером» [2] .
В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слов «винт» (наиболее употребимый вариант), «винч» и «веник».
Читайте также: