close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Магнитные и оптические устройства хранения информации

код для вставкиСкачать
Магнитные и оптические устройства хранения информации
Выполнили: Салтыков В.
Тихонович А.
Магнитные носители Практически во всех персональных компьютерах информация хранится на носителях, использующих магнитные или оптические принципы. При использовании магнитных устройств хранения двоичные данные «превращаются» в небольшие металлические намагниченные частички, расположенные на плоском диске или ленте в виде «узора». Этот магнитный «узор» впоследствии может быть расшифрован в поток двоичных данных.
История развития устройств хранения данных на магнитных носителях Долгое время основным устройством хранения данных в компьютерном мире были перфокарты. Перфокарта —
носитель информации, предназначенный для использования системами автоматической обработки данных. Сделанная из тонкого картона, перфокарта представляет информацию наличием или отсутствием отверстий в определённых позициях карты. И только в 1949 году группа инженеров и исследователей компании IBM приступила к разработке нового устройства хранения данных. Именно это и стало точкой отсчета в истории развития устройств магнитного хранения данных, которые буквально взорвали компьютерный мир. 21 мая 1952 года IBM анонсировала модуль ленточного накопителя IBM
-
726 для вычислительной машины IBM
-
701. Четыре года спустя, 13 сентября 1956 года, небольшая команда разработчиков все той же IBM объявила о создании первой дисковой системы хранения данных —
305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Эта система могла хранить 5 млн символов (5 Мбайт!) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см). В отличие от ленточных устройств хранения данных, в системе RAMAC запись осуществлялась с помощью головки в произвольное место поверхности диска. Использование магнитного поля для хранения данных
В основе работы магнитных носителей лежит такое явление, как электромагнетизм. Оно было открыто датским физиком Хансом Эрстедом в 1820 году. Суть его состоит в том, что при пропускании через проводник электрического тока вокруг него образуется магнитное поле. Это поле воздействует на оказавшееся в нем ферромагнитное вещество. При изменении направления тока полярность магнитного поля также изменяется.
Однако существует и противоположный эффект: в проводнике, на который воздействует переменное магнитное поле, возникает электрический ток. При изменении полярности магнитного поля изменяется и направление электрического тока.
Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U
-
образного ферромагнитного сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) головки создается магнитное поле. При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой электромагниты, полярность которых можно очень быстро изменить, переключив на правление пропускаемого электрического тока. В сущности, во время считывания информации с диска головка ведет себя как детектор зон смены знака, выдавая импульсы напряжения при каждом пересечении такой зоны. На тех участках, где не происходит смены знака, импульсы не генерируются (выбросы отсутствуют). На рисунке в графическом виде представлена взаимосвязь между формами импульсов (сигналов) во время считывания и записи и зонами смены знака, записанными на диске. Конструкции головок чтения/записи
По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Чаще всего используются головки следующих четырех типов:
ферритовые;
с металлом в зазоре (MIG);
тонкопленочные (TF);
магниторезистивные (MR);
гигантские магниторезистивные (GMR).
Ферритовые головки
Классические ферритовые головки впервые были использованы в накопителе Winchester 30
-
30 компании IBM. Их сердечники делаются на основе прессованного феррита (на основе окиси железа). Магнитное поле в зазоре возникает при протекании через обмотку электрического тока. В свою очередь, при изменениях напряженности магнитного поля вблизи зазора в обмотке наводится электродвижущая сила. Таким образом, головка является универсальной, т.е. может использоваться как для записи, так и для считывания.
За время существования ферритовых головок их первоначальная (монолитная) конструкция была значительно усовершенствована. Были разработаны, в частности, так называемые стеклоферритовые (композитные) головки, небольшой ферритовый сердечник которых установлен в керамический корпус. Ширина сердечника и магнитного зазора таких головок меньше, что позволяет повысить плотность размещения дорожек записи. Головки с металлом в зазоре Головки с металлом в зазоре (Metal
-
In
-
Gap —
MIG) появились в результате усовершенствования конструкции композитной ферритовой головки. В таких головках магнитный зазор, расположенный в задней части сердечника, заполнен металлом. Благодаря этому существенно уменьшается склонность материала сердечника к магнитному насыщению, что позволяет повысить магнитную индукцию в рабочем зазоре и, следовательно, выполнить запись на диск с большей плотностью. Кроме того, градиент магнитного поля, создаваемого головкой с металлом в зазоре, выше, а это означает, что на поверхности диска формируются намагниченные участки с более четко выраженными границами (уменьшается ширина зон смены знака). Тонкопленочные головки Тонкопленочные (Thin Film —
TF) головки производятся почти по той же технологии, что и интегральные схемы, т.е. путем фотолитографии. На одной подложке можно «напечатать» сразу несколько тысяч головок, которые получаются в результате маленькими и легкими. Рабочий зазор в тонкопленочных головках можно сделать очень узким, причем его ширина регулируется в процессе производства путем наращивания дополнительных слоев немагнитного алюминиевого сплава. Благодаря небольшому весу и малым размерам головок можно значительно уменьшить просвет между ними и поверхностями дисков по сравнению с ферритовыми и MIG
-
головками.
В результате, во
-
первых, повышается остаточная намагниченность участков поверхности носителя и, во
-
вторых, увеличивается амплитуда сигнала и улучшается соотношение «сигнал
–
шум» в режиме считывания, что в итоге сказывается на достоверности записи и считывания данных. Магниторезистивные головки Магниторезистивные (Magneto
-
Resistive —
MR) головки разработаны компанией IBM и позволяют добиться самых высоких значений плотности записи и быстродействия накопителей. Впервые магниторезистивные головки были установлены в накопителе на жестких дисках емкостью 1 Гбайт (3,5") компании IBM в 1991 году. Все головки являются детекторами, т.е. регистрируют изменения в зонах намагниченности и преобразуют их в электрические сигналы, которые могут быть интерпретированы как данные. Магниторезистивные головки дороже и сложнее головок других типов, поскольку в их конструкции есть добавочные элементы, а технологический процесс включает несколько дополнительных этапов. Ниже перечислены основные отличия магниторезистивных головок от обычных:
к ним должны быть подведены дополнительные провода для подачи измерительного тока на резистивный датчик;
в процессе производства используется 4
–
6 дополнительных масок (фотошаблонов);
благодаря высокой чувствительности магниторезистивные головки более восприимчивы к внешним магнитным полям, поэтому их приходится тщательно экранировать.
Гигантские магниторезистивные головки В 1997 году IBM анонсировала новый тип магниторезистивных головок, обладающих намного большей чувствительностью. Они были названы гигантскими магниторезистивными головками (Giant Magnetoresistive —
GMR). Такое название они получили на основе используемого эффекта, хотя по размеру были меньше стандартных магниторезистивных головок. Эффект GMR был от крыт в 1988 году в кристаллах, помещенных в очень сильное магнитное поле, приблизительно в 1000 раз превышающее магнитное поле, используемое в накопителях на жестких дисках. Способы кодирования данных
Данные на магнитном носителе хранятся в аналоговой форме. В то же время сами данные представлены в цифровом виде, так как являются последовательностью нулей и единиц. При выполнении записи цифровая информация, поступая на магнитную головку, создает на диске магнитные домены соответствующей полярности. Если во время записи на головку поступает положительный сигнал, магнитные домены поляризуются в одном направлении, а если отрицательный —
в противоположном. Когда меняется полярность записываемого сигнала, происходит также изменение полярности магнитных доменов. Чтобы оптимальным образом расположить импульсы в сигнале записи, необработанные исходные данные пропускаются через специальное устройство, которое называется кодером/декодером. Это устройство преобразует двоичные данные в электрические сигналы, оптимизированные в аспекте размещения зон смены знака на дорожке записи. Во время считывания кодер/декодер выполняет обратное преобразование: восстанавливает из сигнала последовательность двоичных данных. Наиболее распространенные методы кодирования данных:
частотная модуляция (FM);
модифицированная частотная модуляция (MFM);
кодирование с ограничением длины поля записи (RLL).
Частотная модуляция (FM) Метод кодирования FM (Frequency Modulation —
частотная модуляция) был разработан прежде других и использовался при записи на гибкие диски так называемой одинарной плотности (single density) в первых ПК. Емкость таких односторонних дискет составляла всего 80 Кбайт. В 1970
-
х годах запись по методу частотной модуляции использовалась во многих устройствах, но сейчас от него полностью отказались. Модифицированная частотная модуляция (MFM)
Диски, записанные по методу MFM, часто называют дисками двойной плотности (double density). Поскольку при рассматриваемом способе записи на одно и то же количество зон смены знака приходится вдвое больше «полезных» данных, чем при FM
-
кодировании, скорость считывания и записи информации на носитель также удваивается. Кодирование с ограничением длины поля записи (RLL)
Метод кодирования с ограничением длины поля записи (Run Length Limited —
RLL). Он позволяет разместить на диске в полтора раза больше информации, чем при записи по методу MFM, и в три раза больше, чем при FM
-
кодировании. При использовании этого метода происходит кодирование не отдельных битов, а целых групп, в результате чего создаются определенные последовательности зон смены знака. Накопители на гибких дисках
Работая в IBM, Алан Шугарт в конце 1960
-
х годов изобрел накопитель на гибких дисках. В 1967 году он возглавлял команду, которая разрабатывала дисководы в лаборатории IBM. Именно здесь были созданы накопители на гибких дисках. Дэвид Нобль, один из старших инженеров, работавших под руководством Шугарта, предложил гибкий диск (прообраз дискеты диаметром 8 дюймов) и защитный кожух с тканевой прокладкой. Гибкие диски (Floppy Disk –
FD)
Гибкие дисковые устройства состоят из устройства чтения/записи –
дисковода и непосредственного носителя –
дискеты.
Дискета представляет собой слой магнито
-
мягкого материала, нанесенный на специальную подложку, выполненную из полимерного немагнитного пластического материала, степень жесткости которого может быть различна в зависимости от реализации. Носитель помещается в бумажный, пластмассовый или другой кожух
-
корпус. На кожухе дискеты имеются, соответственно, отверстия: центрального захвата (3)
отверстие позиционирован головки (1)
отверстие физической защиты от записи (5, 8)
направляющие отверстия и пазы (2)
отверстия автоопределения типа магнитного покрытия (9)
отверстие определения полного оборота носителя (4)
Отверстие для позиционирования магнитных головок чтения/записи у 3,14
-
дюймовых носителей закрыто металлической задвижкой (7), а отверстие для центрального захвата и вращения на шпинделе привода вращения диска, в отличие от носителя диаметром 5.25 дюймов, находится только с нижней стороны дискеты.
Дисковод представляет собой устройство чтения/записи с/на носитель –
дискету. Каждый тип носителя (дискет), как правило, требует собственного устройства –
для чтения 5.25 и 3.14 дюймовых дискет, хотя выпускаются и смешанные дисководы, соединяющие в себе устройства для чтения 3.14 и 5.25 дюймовых дискет. Дисководы, как правило, располагаются внутри системного блока, однако, выпускаются и внешние варианты.
Жесткие диски Самым необходимым компонентом компьютера является накопитель на жестком диске. Как известно, он предназначен для хранения данных.
Основными элементами накопителя являются несколько круглых алюминиевых или не кристаллических стекловидных пластин. В отличие от гибких дисков (дискет), их нельзя со гнуть; отсюда и появилось название жесткий диск. В большинстве устройств они несъемные, поэтому иногда такие накопители называются фиксированными (fixed disk).
Принцип работы жесткого диска (HDD)
Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его создания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрыватель грампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженных на общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторон каждой пластины Внутри корпуса жесткого диска находятся все механизмы и некоторые электронные узлы. Механизмы -
это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение
Устройство диска
Типовой винчестер состоит из гермоблока и платы электроники. В гермоблоке размещены все механические части, на плате -
вся управляющая электроника, за исключением предусилителя, размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от головок. Плата управления -
электроника жёсткого диска
Плата управления жёсткого диска -
узкоспециализированный компьютер, назначением которого является обмен информацией с материнской платой компьютера и управлением внутренних процессор, происходящих в жёстком диске.
Гермозона -
гермоблок жёсткого диска
Гермоблок жёсткого диска -
высокоточное устройство, в котором взаимодействуют несколько очень важных компонентов. Данное устройство состоит из следующих компонентов:
шпиндельного двигателя
пакета магнитных пластин
блока магнитных голов
находящихся на гибких подвесах
сервопривода
постоянного магнита
коммутатора
-
предусилителя.
Характеристика жестких дисков
Все накопители так или иначе соответствуют стандартам, определяемым либо независимыми комитетами и группами стандартизации, либо самими производителями. Среди множества технических характеристик отличающих одну модель от другой можно выделить некоторые, наиболее важные с точки зрения пользователей и производителей, которые так или иначе используются при сравнении накопителей различных производителей и выборе устройства. Форм
-
фактор
—
величина, определяющая внешний размер винчестера в целом.Измеряется в обычно в дюймах. Объем данных/емкость
—
количество данных, которые могут храниться накопителем. Интерфейс
—
совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Время доступа
—
Время от начала операции чтения до момента, когда начинается чтение данных.
Время поиска
—
Время ,необходимое для установки головок на нужную позицию.
Время
поиска
при
переходе
на
соседнюю
дорожку
—
время
перехода
головки
с
первой
дорожки
на
вторую
и
так
далее
.
Объем
буфера
.
Для
ускорения
процессов
чтения
и
записи
используется
буферизация
данных,
при
которой
контроллер
диска
читает
не
один
сектор,
а
целую
дорожку
.
Прочитанные
данные
сохраняются
в
отдельно
выделенном
буфере
.
Объем
буфера
достигает
2
-
16
Мб
.
Надежность хранения данных
—
основная характеристика жесткого диска. Определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF), т.е. как средняя продолжительность работы устройства между ремонтами. Скорость вращения
—
параметр, определяющий число оборотов шпинделя за одну минуту. Покупатели чаще всего ищут на рынке жёсткие диски с достаточным объёмом, приемлемой производительностью и ценой. Что касается жёстких дисков с популярной ёмкостью 1 Тбайт, сегодня их можно найти в Европе от 70 евро за самые дешёвые модели до 110 евро за накопители корпоративного класса для бизнес
-
окружений. В России цены начинаются от 2,4 тыс. рублей. Сравнительный анализ HDD
Hitachi 7K1000.C
Накопитель оснащён двумя магнитными пластинами со скоростью вращения шпинделя 7200 об/мин. Ёмкость кэш
-
памяти 32 Мбайт можно назвать средней. Размер сектора по
-
прежнему составляет 512 байт, интерфейс используется тоже не самый современный -
3 Гбит/с (SATA 3G). Зато накопители в данном семействе заявлены на работу в режиме 24x7, хотя только «не в критически важных окружениях», то есть не в корпоративной сфере.
Характеристики Hitachi 7K1000.C
Производитель
-
Hitachi
Модель
-
Deskstar
7
K
1000.
C
Розничная цена в Европе
-
около 75 евро
Розничная цена в России
-
около 2,6 тыс. рублей
Технические спецификации
Форм
-
фактор
-
3,5" Ёмкость (информация производителя)
-
1000 Гбайт (2 пластины)
Ёмкость (после форматирования)
-
931 GiB
Интерфейс
-
SATA 3 Гбит/с
Размер сектора
-
512 байт
Кэш
-
память
-
32 Мбайт
Скорость вращения шпинделя
-
7200 об/мин
Гарантия производителя
-
3 года
Samsung
HD103SJ
HD103SJ от Samsung тоже относится к относительно старым моделям: интерфейс работает на скорости 3 Гбит/с, кэш
-
память составляет 32 Мбайт, скорость вращения шпинделя -
7200 об/мин. Размер сектора тоже старый -
512 байт. Новые жёсткие диски в линейке SpinPoint F3 уже получают модельные номера от Seagate (ST1000DM005), но в продаже ещё можно найти старые модели с модельными номерами Samsung.
Характеристики Samsung
HD103SJ
Производитель
-
Samsung
Модель
–
Spinpoint F3 HD103SJ
Розничная цена в Европе
-
около 7
4
евро
Розничная цена в России
-
около 3,0
тыс. рублей
Технические спецификации
Форм
-
фактор
-
3,5" Ёмкость (информация производителя)
-
1000 Гбайт (2 пластины)
Ёмкость (после форматирования)
-
931 GiB
Интерфейс
-
SATA 3 Гбит/с
Размер сектора
-
512 байт
Кэш
-
память
-
32 Мбайт
Скорость вращения шпинделя
-
7200 об/мин
Гарантия производителя
-
2
года
Seagate Barracuda
«Морские хищники» Seagate из семейства «Barracuda» после своего выхода на рынок всегда занимали лидирующие места по производительности на настольном сегменте, чему они в немалой степени обязаны спецификациям: модель имеет только одну магнитную пластину (и уменьшенный профиль по высоте), что обеспечивает более высокую производительность и меньший уровень энергопотребления и шума. Интерфейс SATA работает на скорости 6 Гбит/с (SATA 6G), что можно назвать вполне современным, как и кэш
-
память 64 Мбайт. Скорость вращения шпинделя составляет 7200 об/мин, размер сектора увеличен до 4096 байт.
Характеристики Seagate Barracuda
Производитель
-
Seagate
Модель
-
Barracuda
Розничная цена в Европе
-
около 7
4
евро
Розничная цена в России
-
около 2,
5
тыс. рублей
Технические спецификации
Форм
-
фактор
-
3,5" Ёмкость (информация производителя)
-
1000 Гбайт (
1
пластина)
Ёмкость (после форматирования)
-
931 GiB
Интерфейс
-
SATA 6
Гбит/с
Размер сектора
-
4096
байт
(4k)
Кэш
-
память
-
64 Мбайт
Скорость вращения шпинделя
-
7200 об/мин
Гарантия производителя
-
3 года
Toshiba MK
Toshiba MK1002TSKB нацелен на корпоративный сегмент, жёсткий диск сертифицирован для работы 24x7. Скорость вращения шпинделя составляет 7200 об/мин, кэш память -
64 Мбайт. Физическая скорость интерфейса ограничена SATA 3G. Toshiba указывает технологии расширенной коррекции ошибок Error Correction (ECC) и Rotational Vibration (RV) для снижения эффекта вибрации.
Характеристики Toshiba MK
Производитель
-
Toshiba
Модель
–
MK
Розничная цена в Европе
-
около 97
евро
Розничная цена в России
-
около 3,1
тыс. рублей
Технические спецификации
Форм
-
фактор
-
3,5" Ёмкость (информация производителя)
-
1000 Гбайт (2 пластины)
Ёмкость (после форматирования)
-
931 GiB
Интерфейс
-
SATA 3 Гбит/с
Размер сектора
-
512 байт
Кэш
-
память
-
64
Мбайт
Скорость вращения шпинделя
-
7200 об/мин
Гарантия производителя
-
5
года
Western Digital AV
-
GP
Western Digital AV
-
GP, как можно догадаться по названию, нацелен на медиа
-
плееры и системы наблюдения. Производитель указывает сценарии использования жёсткого диска для сферы аудио/видео, включая IPTV, цифровые записывающие устройства видео (DVR) или системы наблюдения. У семейства WD AV
-
GP время наработки на отказ (MTBF) составляет один миллион часов. Интерфейс подключения к системе используется современный SATA 6G, кэш
-
память -
64 Мбайт, но скорость вращения шпинделя составляет 5200
-
7200 об/мин (технология IntelliPower). Характеристики Western Digital AV
-
GP
Производитель
–
Western Digital
Модель
-
Blue
Розничная цена в Европе
-
около 75 евро
Розничная цена в России
-
около 2,
8
тыс. рублей
Технические спецификации
Форм
-
фактор
-
3,5" Ёмкость (информация производителя)
-
1000 Гбайт (
1
пластина)
Ёмкость (после форматирования)
-
931 GiB
Интерфейс
-
SATA 6
Гбит/с
Размер сектора
-
4096
байт
(4k)
Кэш
-
память
-
32 Мбайт
Скорость вращения шпинделя
-
7200 об/мин
Гарантия производителя
-
2
года
Документ
Категория
Образовательные
Просмотров
289
Размер файла
6 991 Кб
Теги
магнитные, хранение, оптические, информация, устройства
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа