Текст книги "Аппаратные средства персональных компьютеров"

Гибкие диски, вставленные в дисковод, вращаются только тогда, когда операционной системе надо прочитать или записать данные. При обращении к диску загорается индикатор и включается двигатель привода диска, обеспечивающий скорость вращения 300 об./мин. (разброс в скорости вращения не более 0,5 %). Скорость вращения постоянна. В том случае, когда диск вращается неравномерно или с другой скоростью, данные, записанные на гибкий диск, например на другом дисководе, прочитаны быть не могут.

Так как гибкие диски имеют магнитный слой, то для чтения/записи данных в дисководе установлены две магнитные головки, которые постоянно находятся в контакте с поверхностью гибкого диска. Для перемещения головок от одной дорожки к другой используется шаговый двигатель, который при подаче на него одного импульса напряжения поворачивается на строго определенный угол.

Примечание

Не включайте и не выключайте компьютер, когда в дисководе находится гибкий диск, т. к. данные, записанные на нем, могут быть повреждены.

Данные на гибкие диски записываются блоками на концентрические дорожки (tracks), как показано на рис. 9.4. Самая первая, нулевая дорожка, записывается у внешнего края гибкого диска. Количество стандартных дорожек, доступных операционной системе, на гибком диске объемом 1440 Кбайт равно 80, но следует помнить, что всегда имеются запасные дорожки, расположенные у центра диска, которые иногда используются для специальных нужд, например, защиты от копирования.

Рис. 9.4. Логическое разбиение гибкого диска

Объем стандартного блока – сектора (sector) – 512 байт. Количество секторов равно 18. Соответственно, если умножить количество секторов на количество дорожек, две стороны и 512 байт, то получается:

18 х 80 х 2 х 512 = 1 474 560 байт, или 1440 Кбайт, или 1,44 Мбайт.

Секторы на дорожке записываются последовательно (рис. 9.5). Между каждым сектором остается промежуток, предназначенный для синхронизации. Данные в секторе предваряются служебной информацией, которая, например, информирует контроллер дисковода о размере сектора.

Рис. 9.5. Порядок секторов на дорожке

Так как гибкий диск представляет собой лавсановую поверхность, покрытую сплошным ферромагнитным слоем, то для создания информационных дорожек производится его форматирование. То есть при первом использовании гибкого диска он должен быть вставлен в дисковод и с помощью программы FORMAT размечен для работы в конкретной операционной системе.

Пользователь всегда может отформатировать гибкий диск по своему усмотрению, например, создать меньше дорожек или изменить количество секторов на дорожке. Но пользоваться такой возможностью не рекомендуется без веских на то оснований, т. к. такой диск невозможно будет прочитать на другом компьютере без дополнительных усилий, скажем, запуска специальной программы. Например, программа FORMAT может запускаться с ключами т (количество дорожек) и N (число секторов). Так, для стандартного формата 1,44 Мбайта действительны следующие команды:

• стандартная команда MS-DOS – format а:;

• вариант с дополнительными ключами – format а: /т:80 /n:18.

Скорее всего, вам не придется форматировать гибкий диск сразу после покупки, т. к. 3,5-дюймовые гибкие диски сейчас форматируются при изготовлении на заводе. К их форматированию прибегают тогда, когда надо удалить без следа информацию на диске или восстановить структуру старого диска, когда на нем возникли испорченные блоки (bad-blocks).

В обозначении гибких дисков имеется информация о плотности записи на диск:

• SD (Single Density)  – одинарная плотность;

• DD (Double Density)  – двойная плотность;

• QD (Quadro Density)  – двойная плотность с удвоенным количеством дорожек;

• HD (High Density)  – высокая плотность.

В настоящее время практически все 3,5-дюймовые гибкие диски выпускаются с плотностью HD (1,44 Мбайт), поэтому если на корпусе диска имеется другая маркировка, то этот диск относится с устаревшему типу.

Дисковод для гибких дисков устанавливается в корпусе компьютера. Для подключения к системной плате, на которой всегда имеется разъем FDD (НГМД, накопитель на гибком магнитном диске), используется 34-жильный плоский кабель – шлейф, показанный на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Кабель интерфейса FDD

Так как в персональных компьютерах могут быть установлены два дисковода, за которыми закреплены логические имена А: и В:, то для задания имени используется подключение дисковода к соответствующему разъему на шлейфе.

При работе в MS-DOS и Windows, когда в компьютере один дисковод, к нему можно обращаться и как к А:, и как к В:. Например, можно копировать файлы с диска А: на диск В:, меняя диски с использованием команды операционной системы:

COPY А: имя_файла В:

Для подключения к дисководам и системной плате используются шлейфы с одинаковыми и симметричными 34-контактными разъемами. Чтобы их не перепутать, надо обращать внимание, что первый провод в шлейфе всегда красный, а между разъемами для подключения дисководов имеются перекрещенные провода с 10 по 16.

Для подключения старого дисковода для 5-дюймовых гибких дисков иногда на шлейфе рядом с разъемами для дисководов А: и В: устанавливают дополнительные ножевые разъемы.

Примечание

При ошибочном подключении дисковода гибких дисков, когда разъем вставлен наоборот, индикатор дисковода будет постоянно светиться.

Интерфейс FDD в персональном компьютере самый простой. В табл. 9.1 приведены назначения сигналов в разъеме, установленном на системной плате. Например, для перемещения головок на следующую дорожку надо подать сигнал Step, выбор номера головки производится с помощью сигнала Side 1, начало дорожки определяется по сигналу Index и т. д. То есть все управление дисководом возлагается на контроллер, находящийся на системной плате или плате расширения. В самом дисководе гибких дисков находятся силовая часть для управления двигателями и блоки, отвечающие за работу с аналоговыми сигналами. Все нечетные проводники в разъеме заземляются.

Таблица 9.1. Сигналы в разъеме FDD системной платы

Так как дисковод гибких дисков не обладает даже небольшим «интеллектом», то для него в операционной системе приходится выделять много дефицитных ресурсов. На рис. 9.7 приведено окно Свойства: Стандартный контроллер гибких дисков, где видно, что для дисковода выделяется аппаратное прерывание 6 и канал DMA 2.

Рис. 9.7. Ресурсы дисковода гибких дисков

Накопители Zip

Объем стандартных гибких дисков 1,44 Мбайт, применяемых в персональных компьютерах, по современным понятиям весьма небольшой, поэтому ряд фирм разработали и выпускают оригинальные типы гибких дисков и дисководов. Наибольшую популярность у пользователей снискали накопители на гибких магнитных дисках Zip (рис. 9.8), разработанные фирмой Iomega. Иногда можно встретить и другие типы, например Jaz.

Рис. 9.8. Внутренний дисковод Zip с интерфейсом IDE

Сейчас выпускаются гибкие диски Zip объемом 100 и 250 Мбайт. Увеличение объема дискового пространства было сделано за счет более качественной поверхности магнитного слоя и использования аэродинамического эффекта Бернулли для подъема головок над плоскостью диска во время его вращения. Диск Zip монтируется в картридже, напоминающем корпус стандартного гибкого диска, но большей толщины. Диск вращается со скоростью 3000 об./мин., поэтому за счет особой формы головок они поднимаются над ним на расстояние в несколько микрон. Максимальная скорость обмена информацией между диском и компьютером около 1 Мбайт/с, а время доступа – 30 мс.

Основной недостаток накопителей Zip – это высокая цена сменных картриджей, поэтому цена хранения единицы информации излишне высока. Снизить существенно цену нельзя, т. к. в картриджах используется высокоточная механика. А поскольку все большее распространение получают флэш-карты и 80-мм компакт-диски, то область использования накопителей Zip постоянно сужается.

Дисководы Zip выпускаются в самых различных вариантах. Внутренние дисководы Zip внешне почти такие же, как дисководы для 3,5-дюймовых гибких дисков, различие только в толщине прямоугольного отверстия для установки картриджа. В качестве интерфейса чаще всего используется IDE, т. е. дисковод Zip подключается точно так же, как и винчестер. Внешние дисководы Zip выпускаются с самыми разными интерфейсами. Ранее использовался интерфейс принтера или SCSI, а теперь более популярен USB.

При установке накопителя Zip в компьютер он регистрируется Windows как Съемный диск (рис. 9.9), а в окне Диспетчер устройств (Windows 2000) в категории Дисковые устройства появляется устройство IOMEGA ZIP 250 (рис. 9.10). Каких-либо дополнительных драйверов для накопителей Zip с интерфейсом IDE устанавливать не требуется. Обращение к такому диску не отличается от подобных операций с винчестером.

Рис. 9.9. Окно Мой компьютер с зарегистрированным накопителем Zip

Рис. 9.10. Окно Диспетчер устройств с зарегистрированным накопителем Zip

Примечание

С накопителями Zip связан термин "щелчки смерти", которые появляются, когда край гибкого диска лохматится. В этом случае магнитные головки отрываются от направляющего механизма и начинают портить все вставляемые в дисковод диски.

Винчестеры

Наиболее важным устройством для хранения данных в персональном компьютере является накопитель на жестких магнитных дисках (Hard Disk Drive, HDD), называемый также винчестер. Этим названием пользуются как в разговорах, так и в технической документации.

Относительно происхождения термина имеются две основные версии. Одна из них гласит, что первые HDD получили название от винтовки, с помощью которой был завоеван Дикий Запад – как бы намек разработчиков корпорации IBM на завоевание компьютерного рынка. Вторая версия основана на том, что технология плавающей головки была разработана в лаборатории IBM, находящейся в городе Винчестер (Англия). В общем-то, можно выбирать любую понравившуюся!

Первые персональные компьютеры IBM PC обходились без винчестеров. И первый накопитель на жестких магнитных дисках 30/30 (он позволял на двухстороннем алюминиевом диске сохранить 30 + 30 Мбайт данных) был создан корпорацией IBM только в 1973 г. Кстати, кодовое название 30/30 совпадает с обозначением калибра легендарного винчестера. Но наибольший вклад в дело оснащения персональных компьютеров винчестерами внесла фирма Seagate, которая начала выпускать пятидюймовые жесткие диски ST-506 емкостью 6 Мбайт. Соответственно, первым стандартным интерфейсом для HDD стал ST-506/412, который в настоящее время полностью исчез из обихода, став родоначальником современного интерфейса IDE.

В новом тысячелетии, в отличие от производителей процессоров и операционных систем, производством винчестеров занимаются значительно больше фирм, хотя и здесь основную роль играют пять основных игроков: IBM, Maxtor, Samsung, Seagate и Western Digital. Весьма именитая фирма Quantum совсем недавно была поглощена компанией Maxtor, a Fujitsu продала свою фабрику Western Digital. Соответственно, если вы будете покупать новый винчестер или заглянете в свой компьютер, то почти наверняка там будет изделие одной из перечисленных фирм. Изделия других производителей практически не встречаются.

Если в звукозаписи и в накопителях на гибких магнитных дисках для хранения данных используются лавсановые пленки, на которые нанесен слой ферромагнитного материала, то в винчестерах используются несъемные жесткие диски, изготовленные из алюминия или стекла, на поверхность которых напылен ферромагнитный слой или ферромагнитная пленка. Так как жесткие диски не съемные, как гибкие диски, то они находятся внутри корпуса винчестера, который либо герметичен, либо имеет защищенное фильтром отверстие для наружного воздуха. На рис. 9.11 показан внешний вид нескольких современных винчестеров, предназначенных для установки в настольные персональные компьютеры.

Рис. 9.11. Внешний вид винчестеров: а – Quantum; б – Samsung

Несмотря на внешнюю простоту и наличие всего двух разъемов – информационного и питания, винчестеры являются очень сложными устройствами, которые требуют бережного и правильного обращения, примерно такого же, как хрустальные рюмки. Но в то же время, при правильной эксплуатации они весьма надежные и долговечные устройства, срок безотказной службы которых превышает 10 лет.

Старые винчестеры могли похвастаться сроком службы всего в 1000–5000 часов, кроме того, у них всегда имелись испорченные кластеры, о чем информировала наклейка на корпусе. Современные винчестеры могут безотказно работать более 100 000 часов, а система автоматической дефектации (S.M.A.R.T.[22]22
  Режим S.M.A.R.T. впервые введен в стандарте EIDE, а потом закреплен АТА-3.


[Закрыть], Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) незаметно для пользователя заменяет плохие кластеры на резервные (конечно, если в BIOS включен режим S.M.A.R.T.). Когда на винчестере появляются неустранимые «bad-sectors», то такой винчестер непригоден для дальнейшей работы (пользоваться можно, но будет масса проблем и хлопот, да и надежность работы компьютера будет далека от идеальной).

В настоящее время на винчестеры производителями устанавливается 1-3-летний гарантийный срок.

Предупреждение

При покупке нового винчестера надо обращать внимание, что многие дешевые винчестеры с большим объемом дискового пространства предназначены для систем резервного хранения информации. Соответственно, при использовании подобных винчестеров в качестве основного (для установки операционной системы) их срок службы может сократиться до полугода!

За несколько десятилетий развития технологии жестких дисков основные принципы их работы практически не изменились. А почти все усилия разработчиков были направлены на повышение плотности записи информации и ускорение доступа к произвольным блокам данных на дисках. Поэтому, рассматривая изображения винчестеров в книгах прошлых лет, вы найдете весьма мало внешних отличий старых винчестеров от новых. Все новинки лежат в схемотехнике контроллеров, управляющих вращением дисков и перемещением головок, а также в совершенствовании ферромагнитного слоя и способов чтения/записи.

На рис. 9.12 показаны винчестеры со снятыми верхними защитными крышками. Почти весь объем в корпусе занимает пакет дисков, жестко закрепленный на валу ведущего двигателя. Сам же двигатель плоский, имеет высоту около сантиметра и крепится на дне корпуса.

Рис. 9.12. Внутреннее устройство винчестеров: а – с шаговым двигателем; б – с электромагнитом

Количество дисков может быть от одного до десятка, но сегодня чаще всего используют 1, 2 или 3 диска. Заметим, что на одной поверхности диска (пластине) в современном винчестере можно записать от 10 до 80 Гбайт данных. Поэтому судить об объеме винчестера по количеству установленных в нем дисков нельзя.

Скорость вращения пакета дисков у современного винчестера составляет 5400, 7200, 10 000 или 15 000 оборотов в минуту (rpm), у более старых скорость вращения обычно составляла 3000–3600 об./мин. Причем, чем выше скорость вращения дисков, тем больше скорость доступа к информации, записанной на винчестер. Правда, наиболее распространенные ныне винчестеры имеют скорость 5400–7200 об./мин., т. к. это дешевле, проще и надежнее. Тут сказывается, что внутри корпуса винчестера находится воздух при атмосферном давлении, поэтому при слишком высокой скорости вращения дисков происходит значительный нагрев вращающихся деталей, а это приводит к проблемам надежности элементов конструкции. Кроме того, скоростные винчестеры при работе создают значительный уровень шума, что не способствует комфортной работе с компьютером.

Для чтения и записи данных в винчестерах используют плавающие на воздушной подушке магнитные головки. Зазор между магнитным слоем и головкой составляет десятые доли микрон. Для перемещения головок используется электромагнит (ранее использовался шаговый двигатель), а для отслеживания местоположения применяется автоматическая система регулирования, которая по магнитным меткам на поверхности опорного диска позиционирует головки в нужном месте. Для синхронизации может использоваться как целая сторона одного диска (отсюда нечетное количество плоскостей в геометрии винчестера), так и метки между секторами на диске с пользовательскими данными. При остановке вращения дисков во время выключения компьютера или винчестера головки автоматически возвращаются ближе к центру диска (парковка головок, Landing Zone, L-Zone), где есть специально отведенное место для "мягкой посадки" головок, правда, в настоящее время головки опускаются не на поверхность дисков, а на специальный кронштейн. Обычно для автоматической парковки, например в случае аварийного выключения питания, используется пружина, которая возвращает головки в нейтральное положение, она же, вместе с электромагнитом, создает систему перемещения головок (рис. 9.13).

Рис. 9.13. Схема привода головок винчестера

Конструкция современных магнитных головок винчестеров мало похожа на головки магнитофонов и старых винчестеров. Для чтения данных используется магниторезистивный принцип, когда сопротивление полупроводниковой пленки, из которой сделана головка чтения, меняется в зависимости от напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнитного диска. А вот для записи данных используют старый принцип – несколько витков провода на магнитном сердечнике.

Вся электроника, предназначенная для управления двигателем привода дисков и электромагнитом головок, а также для чтения и записи данных, располагается на небольшой печатной плате, укрепленной снаружи корпуса (рис. 9.14). С внутренними элементами она соединяется посредством одного или двух малогабаритных разъемов (часто используется плоский печатный кабель с несколькими десятками проводников различной ширины).

Рис. 9.14. Контроллеры винчестеров

Так как винчестеры рассчитаны для установки внутри компьютера, то печатная плата контроллера и разъемы, установленные на ней, не расснитаны на частое подключение и отключение информационного и питающего кабелей. Например, у винчестеров IBM для соединения платы контроллера с внутренними блоками винчестера используются игольчатые разъемы, поэтому при частом «перетыкании» разъемов может нарушиться электрический контакт, что приведет к ошибкам при записи/чтении данных или отказу винчестера.

Для применения стандартного винчестера в качестве внешнего применяют специальные боксы (Mobile Rack), внутрь которых устанавливается винчестер, а в 5-дюймовом отсеке компьютера монтируются переходные разъемы, укрепленные на специальных направляющих. Пример такого бокса показан на рис. 9.15. Но следует помнить, что при переноске винчестера даже со стола на стол он подвергается ударам и вибрации, которые могут привести к потере юстировки головок, что вызовет невозможность чтения данных, хранящихся на винчестере. Поэтому в качестве сменного винчестера лучше использовать специальные модели, тем более, что выпускаются внешние винчестеры с интерфейсом USB.

Рис. 9.15. Бокс для винчестера

К винчестерам иногда применяют термин «форм-фактор», имея в виду ряд их габаритных размеров. Так, в настоящее время в большинстве случаев используют винчестеры с габаритными размерами, соответствующими 3,5-дюймовому дисководу гибких дисков, для мобильных компьютеров используют винчестеры уменьшенных габаритов, а в фотоаппаратах – размером с флэш-карту. Винчестеры с 5-дюймовым форм-фактором практически можно встретить только в очень древних компьютерах.

Для крепления винчестера в корпусе компьютера используют либо 4 боковых отверстия с резьбой, либо аналогичные, но находящиеся на нижней части корпуса. При креплении винчестера следует применять укороченные винты, чтобы при их закручивании не задеть контактов на печатной плате контроллера или не вызвать ее смещение, т. к. одно или два боковых отверстия почти всегда находятся в плоскости крепления печатной платы. Следует помнить, что винчестер должен устанавливаться в корпусе компьютера горизонтально или вертикально по любой плоскости. Резкое перемещение работающего винчестера из-за возникающего при этом гироскопического эффекта может привести к разрушению внутренних механических узлов и повреждению магнитных головок и поверхности дисков.

Хотя винчестер не требует, в большинстве случаев, принудительного охлаждения, но для повышения надежности работы современных скоростных винчестеров желательно использовать дополнительный вентилятор, который должен обдувать плату контроллера и гермоблок. Для этого ряд фирм выпускает вентиляторы с экраном специальной формы, который может крепиться на корпусе винчестера.

Смысл такой рекомендации в том, что нормальная работа винчестера гарантируется при температуре его корпуса не выше 50° (и не ниже 0°!). А в винчестере греются не только вращающиеся диски и двигатель, но и микросхемы управления, которые при непрерывном обращении к винчестеру нагреваются до температуры выше 80°. Частая причина выхода из строя винчестера заключается в том, что микросхема управления двигателем перегревается и выходит из строя, иногда в таких случаях лопается даже пластмассовый корпус микросхемы. Когда же перегреваются вращающиеся диски, с них слетают микроскопические кусочки магнитного слоя, что приводит к появлению большого количества "плохих" секторов.