2.4. Внешние запоминающие устройства

ВЗУ являются важной составной частью ПЭВМ, обеспечивая долговременное хранение про­грамм и данных на различных носителях информации. Наибольшее распространение в ППЭВМ получили НМД (дисководы), которые являются основными ПУ. Любая ППЭВМ содержит как минимум один накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД) и, зачастую, накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД). Если же НЖМД отсутствует, то обычно имеется два НГМД. При наличии в составе ПЭВМ только НГМД работа на ней становится неудобной из-за огра­ниченности емкости гибких дисков (ГД). Для отечественных же ПЭВМ встраивание НЖМД считается почти непозволительной роскошью.

НГМД и НЖМД имеют много общего, так как используют один и тот же носитель информации — магнитный диск (МД). Поэтому мы вначале достаточно полно обсудим устройство НГМД и ГД и их характеристики, а затем остановимся только лишь на особенностях НЖМД. Будут представлены сведения и о магнито-оптических запоминающих устройствах.

После этого рассмотрим дополнительные ВЗУ, такие, как НОД, использование которых в ПЭВМ наконец-то стало реальностью, а также НМЛ, которые применяются давно, но не получили в персональных машинах широкого распространения.

Потом кратко охарактеризуем устройства памяти на новых физических принципах.

В завершение подраздела раскроем иерархию памяти ПЭВМ и приведем обобщенные срав­нительные характеристики различных ее видов.

2.4.1. Накопители на гибких магнитных дисках

НГМД является устройством со сменным носителем информации. Он был впервые разработан в фирме IBM для загрузки диагностического ПО, причем диаметр ГД составлял 8 дюймов (203 мм). В настоящее время НГМД используются во всех ППЭВМ, да и не только профессиональных, а также в мини- и суперминиЭВМ.

В ПЭВМ ГД (дискеты) служат для долговременного хранения программ, которые при необхо­димости загружаются в ОЗУ для выполнения, и данных, используемых или формируемых выпол­няемыми программами. В связи с появление^ НЖМД эта функция приобрела характер вспомо­гательной. Вместе с тем ГД как сменные носители информации продолжают играть в ПЭВМ важнейшую роль. Сменные носители информации необходимы для решения таких задач, как:

— резервирование (дублирование) информации;

— обеспечение конфиденциальности данных;

— транспортирование информации;

— распространение ПО.

Более емкие и быстродействующие НЖМД, как правило, не обеспечивают смену МД, а следовательно, не могут использоваться для выполнения перечисленных функций.

НГМД называют ПУ, в которое устанавливается ГД и которое обеспечивает как считывание, так и запись информации на него. Принцип записи заключается в намагничивании участков поверхности диска, что распознается при считывании.

НГМД состоит из следующих узлов:

1) механического привода, обеспечивающего вращение ГД;

2) блока магнитных головок чтения/записи;

3) системы позиционирования магнитных головок, которая служит для их перемещения отно­сительно поверхности дискеты в радиальном направлении;

4) электронного блока, обеспечивающего управление накопителем и преобразование сигналов. Двигатель привода включается только при доступе к накопителю по чтению или по записи.

Следовательно, диск непрерывно не вращается. НГМД имеет щель для установки дискеты. После ввода ГД эта щель обычно закрывается откидной заслонкой или дверцей. НГМД традиционно монтируются в системный блок ПЭВМ, однако выпускаются и такие дисководы, которые подключаются к машине с помощью кабеля (внешние НГМД).

Количество магнитных головок зависит от обслуживаемого числа рабочих поверхностей ди­скеты. В данный момент большинство НГМД являются двухсторонними. Имеется возможность в двухстороннем дисководе работать с односторонней дискетой, а в одностороннем — с двух­сторонней, но только с единственной ее поверхностью.

Для подключения НГМД к ПЭВМ служит устройство, обычно называемое контроллером, а не адаптером (хотя мы об этом в подразделе 1.3 и не говорили).

Устройство дискеты показано на рис. 2.5. Она содержит гибкий пластмассовый диск (1) с магнитным покрытием, который помещен в пластиковый конверт (2) квадратной формы толщиной 2 — 3 мм. В этом конверте обеспечивается возможность вращения диска, сам же конверт выполняет защитные функции. На внутренние стороны конверта наклеены специальные подкладки, которые препятствуют повреждению ГД, уменьшают трение при его вращении, а также очищают поверхность диска от пыли и остающихся частиц магнитного покрытия. Информация считывается с диска (записывается на диск) через окно (3) овальной формы, .вырезанное в конверте (для двухсторонних дисков — с двух сторон). Магнитные головки непосредственно соприкасаются с поверхностью диска, что сокращает срок службы последнего. На одной из боковых сторон конверта имеется прямоугольный вырез (4) раз­решения записи. Открытый вырез означает, что для диска разрешены как чтение, так и запись. При заклеивании выреза светонепроницаемой полоской запись на диск аппаратно запрещается, что препятствует непреднамеренному, ошибочному или умышленному изме­нению информации на нем. Обойти эту защиту невозможно, если не использовать специ­альный дисковод. Многие производители поставляют ПО на дискетах без вырезов. Диск и конверт имеют круглые отверстия (5) для привода и круглые отверстия (6) небольшого диаметра для определения начала оборота. Начало оборота ГД распознается НГМД при совмещении отверстий 6 диска и конверта. Для придания большей механической прочности диск вокруг внутреннего отверстия усилен специальными металлическими кольцами (7). Две небольшие выемки (8) в конверте служат для фиксации дискеты в дисководе.

Информация на ГД размещается вдоль концентрических окружностей, называемых дорожками. Дорожки с одинаковыми номерами на различных поверхностях диска (в общем случае — пакета дисков) образуют цилиндр. Доступ к информации, записанной в одном цилиндре, осуществляется без перемещения магнитных головок. Каждая дорожка содержит определенное число секторов. Под сектором понимают участок дорожки МД, хранящий минимальную порцию информации, которая может быть считана с диска или записана на него. Каждый сектор имеет уникальный адрес. Между секторами имеется межсекторный интервал. Для ГД емкость сектора обычно составляет 512 байт. Описанную схему разме­щения информации на дисках иллюстрирует рис. 2.6. Более детально этот вопрос будет обсуждаться в подразделе 5.12.

В настоящее время используются четыре различных метода записи информации на МД.

Качество НГМД определяется совокупностью нижеприведенных характеристик:

1) поддерживаемой емкостью носителя информации (дискеты);

2. диаметром носителя информации;

3) продольной (вдоль дорожки) плотностью записи информации, измеряемой числом бит на единицу длины или количеством секторов стандартного размера на дорожке;

4) радиальной (по радиусу диска) плотностью записи информации, измеряемой числом дорожек на единицу длины или количеством дорожек на поверхности диска определенного диаметра;

5) средним временем доступа, являющимся суммой среднего времени позиционирования (ус­тановки) блока магнитных головок на дорожке и среднего времени ожидания, требуемого для подхода к головкам нужного сектора;

6) временем перемещения блока магнитных головок на соседнюю дорожку,

7) скоростью чтения/записи;

8) габаритными размерами;

9) массой;

10) энергопотреблением;

11) стоимостью.

Конечно, многие из перечисленных технических характеристик не являются независимыми.

Различают емкость неформатированного диска и емкость после форматирования (разметки), которая несколько меньше предыдущей. Мы будем говорить, как правило, о той емкости, которая доступна пользователю, т.е. о емкости отформатированного диска.

Характеристики, указанные в пп. 8 — 10, для стационарных ПЭВМ решающей роли не играют. Однако они чрезвычайно важны для портативных машин.

В настоящее время в ПЭВМ широко используются НГМД, поддерживающие дискеты, харак­теристики которых представлены в табл. 2.3. Основные параметры дискеты (тип и диаметр в дюймах) указываются на ее конверте.

Следует отметить, что фирма ЮМ игнорирует стандарт дискет DS/DD диаметром 133 мм (5,25 дюйма) емкостью 720 Кбайт. Однако дисководы такого типа широко распространены. Так, производители IBM-совместимых ПЭВМ (в том числе в СНГ) предлагают модели, оборудованные японскими НГМД для работы с этим форматом дискет.

Дискета меньшей емкости, как правило, может использоваться в дисководе, рассчитанном на большую емкость (но нужны соответствующие драйверы); обратное же утверждение в общем случае неверно. Например, не удастся использовать диск HD в НГМД типа DD.

Подчеркнем, что для первых двух форматов записи применяются одни и те же дискеты DS/DD, но различные дисководы.

Наибольшей популярностью в мире пользуются НГМД для 89-мм (3,5-дюймовых) дисков, первоначально разработанные японской фирмой Sony. Фирма IBM считает их стандартными для моделей PS/2. На отечественные ПЭВМ устанавливаются пока только 133-мм дисководы.

Фирма Sony уже выпустила 51-мм НГМД, которые начинают применяться в портативных ПЭВМ. Такой дисковод работает с дисками повышенной емкости (800 Кбайт на 50-ти дорожках при одно­сторонней записи), имеет массу 200 г и размер 66x25x96 мм. Время доступа невелико благодаря повышенной скорости вращения диска (3600 оборотов в мин. вместо стандартной скорости 360 оборотов в мин.). Каждая дорожка имеет 4 физических сектора по 4096 байт, которые могут использоваться как логические секторы размером 256, 512 или 4096 байт. Масса диска составляет всего навсего 8,7 г.

Находят применение также 63,5-мм дисководы.

Среднее время доступа для ГД зависит от скорости перемещения магнитных головок, размера диска и скорости вращения диска. Оно намного выше аналогичного показателя для ОП и лежит в пределах 200 — 1000 мс. Скорость чтения/записи невысока и составляет 30 — 40 Кбайт/с.

Габариты НГМД имеют немаловажное значение при размещении их в системном блоке ПЭВМ. Так, например, 133-мм дисководы обладают длиной 203 мм, шириной 146 мм и высотой 82 мм. В последние годы появились устройства с так называемой половинной высотой (их высота в два раза меньше, чем у обычных устройств). Это позволило размещать два дисковода один над другим вместо одного.

Емкость ГД не удовлетворяет пользователей ПЭВМ, в связи с чем фирмы-разработчики НГМД предпринимают усиленные попытки ее увеличения, которые дали ощутимые результаты. Определились следующие два основных направления работ: увеличение емкости за счет совер­шенствования подсистем НГМД и использование новых принципов записи информации.

В рамках первого направления можно выделить два следующих подхода.

Известно, что в настоящее время применяются дискеты, радиальная плотность записи на которых ограничивается не их возможностями, а возможностями НГМД, в частности системы позиционирования и блока магнитных головок. Если бы удалось устанавливать магнитные головки с большей точностью, то удалось бы и увеличить емкость существующих ГД. Ряд производителей дисководов решили эту задачу. Так, японская фирма Y-E Data еще в 1987 г. выпустила 133-мм НГМД емкостью 2,4 Мбайт информации, и 89-мм НГМД емкостью 2 Мбайт для обычных 133-мм и 89-мм дискет DS/HD соответственно. Очевидно, такой подход не сможет привести к качественному скачку в повышении емкости НГМД.

Специалистам фирмы Iomega удалось повысить емкость диска на другой основе. В разработанном ими накопителе быстро вращающийся ГД огибает магнитную головку, что обеспечивается возникающими при этом потоками воздуха. Уравнения для описания по­следних предложил швейцарский математик Д.Бернулли еще в XVIII веке. В результате такого аэродинамического эффекта между головкой и поверхностью ГД образуется зазор. Именно стабильность зазора и позволила повысить плотность записи, а следовательно, емкость диска. Данный подход уже позволил создать 133-мм накопитель Bernoulli Box II 44, поддерживающий хранение на специальной кассете 42,4 Мбайт информации, а также дисковод Bernoulli Transportable 90 на 90 Мбайт. Накопители данного типа обладают повышенной надежностью в работе и высоким быстродействием (приближающимся или сравнимым с быстродействием НЖМД), а сам диск — долговечностью, так как он никогда не соприкасается с магнитной головкой. Однако дисководы типа Bernoulli весьма дороги. Так, изделие Transportable 90 стоит 1099 долл.

В рамках второго направления разрабатываются дисководы, основанные на магнитооптическом методе записи, который состоит в следующем. На ГД располагаются нестираемые серводорожки, при помощи которых оптическая сервосистема с замкнутой обратной связью осуществляет точное позиционирование магнитных головок на дорожке (даже при деформации диска). Запись же и считывание информации осуществляется обычным способом. Такие дисководы позволяют существенно повысить радиальную плотность записи, но при этом нужны специальные гибкие магнитооптические диски. По описанному пути пошла фирма-разработчик стандартной 133-мм дискеты Insite Peripherals, выпустив 89-мм НГМД емкостью 20,8 Мбайт со средним временем доступа 65 мс. Скорость вращения диска составляет 720 оборотов в мин., а скорость чтения/записи — 1,6 Мбайт/с. В недалеком будущем планируется выпуск и 100-Мбайт НГМД. Уже в 1989 г. американская фирма Brier Technology объявила о разработке 89-мм магнитооптического дисковода, на котором можно записать 40 Мбайт информации.