Запоминающие устройства прямого доступа
Приобрел себе винчестер у дороги во кустах.
Обнаружились бэд-блохи в восемнадцати местах,
Ахх!
Ю. Нестеренко
Как уже говорилось, основную массу устройств этого типа составляют диски – жесткие и гибкие, магнитные, магнитооптические и оптические. Ассоциация между понятиями "постоянное запоминающее устройство прямого доступа" и "диск" столь плотно укоренилась в общественном сознании, что запоминающие устройства, основанные на иных принципах, например, банки флэш-памяти, иногда называют "твердотельными дисками". В этой главе мы будем рассматривать преимущественно устройство магнитных дисковых накопителей. Принцип устройства дискового накопителя широко известен [Гук 2000].
Для хранения данных служит диск, покрытый ферромагнитным слоем. В современных накопителях запись осуществляется на обе стороны диска. Многие приводы с неудаляемыми дисками имеют несколько дисков. Диск может быть как гибким, так и жестким. Диск насажен на ось, называемую шпиндель.
В зависимости от способа крепления, диски делятся на съемные (удаляемые) и несъемные (фиксированные). В действительности, съемность накладывает серьезные ограничения не только на крепление диска к оси, но и на конструкцию блока головок и привода в целом, а также предъявляет определенные требования к контроллеру – тот должен отслеживать наличие диска в приводе и факт его замены. Несъемные диски, как правило, помещаются в герметичный корпус, защищающий головки и поверхность диска от пыли и других вредных атмосферных воздействий.
Включение двигателя и раскрутка шпинделя до рабочей скорости обязательно производятся до начала форматирования диска или обмена данными с ним. Контроллеры съемных дисков обычно останавливают мотор в то время, когда накопитель не используется, контроллеры же дисков несъемных обычно останавливают шпиндель только при выключении питания.
Запись на магнитный диск и считывание данных с него осуществляется головкой чтения-записи, по принципу действия похожей на головку обычного бытового магнитофона. Головка состоит из ферромагнитного сердечника, на который намотан провод. Сердечник имеет разрез, как раз в той части, которая ближе всего к поверхности диска. Подавая ток по проводу, можно создавать в сердечнике и, соответственно, в разрезе сердечника магнитное поле, которое будет намагничивать диск. Таким образом, осуществляется запись данных. С другой стороны, когда направление намагниченности проходящего под головкой участка диска меняется, в проводах возникает индуктивный ток – детектируя его, можно осуществлять считывание. В отличие от простой передачи по проводу, головка считывает не сам записанный сигнал, а его производную по времени (в аналоговых магнитофонах это компенсируется аналоговым интегрированием сигнала).
Способ кодирования нулей и единиц при такой записи представляет собой несколько более сложную задачу, чем при немодулированной передаче данных по проводу. Видно, что записать на диск постоянное высокое или низкое напряжение (соответствующее последовательности нулей или единиц в принципе, можно – в виде участка дорожки с постоянной намагниченностью, но такая последовательность не может быть считана головкой. Считывать можно только изменения намагниченности. Таким образом, использовать простые изменения напряжения для кодирования единиц и нулей невозможно, и мы должны изобрести более сложную схему кодирования.
Выбирая схему кодирования, мы должны обязательно решить также вопрос о способе синхронизации считывания: добиться высокой стабильности от мотора, вращающего шпиндель, невозможно. Кроме того, в приводах низкоскоростных, особенно гибких, дисков приходится считаться с опасностью механического заедания подшипников и самого диска, а в приводах жестких дисков с высокой скоростью вращения – с механическими вибрациями всей конструкции, которые могут повлиять на скорость прохождения диска под головкой даже при стабильной средней угловой скорости шпинделя.
На лентопротяжных устройствах с несколькими головками нередко используется отдельная синхродорожка, но на дисковых устройствах ее введение потребовало бы существенного усложнения и недопустимого утяжеления блока головок, поэтому обычно применяются схемы кодирования с совмещенным синхросигналом.
Простейшая форма такого кодирования, называется DFM (Double Frequency Modulation – модуляция с двойной частотой). Видно, что при записи нуля мы осуществляем одно изменение направления тока за интервал кодирования одного бита, а при кодировании единицы – два, причем первое из этих изменений смещено относительно начала интервала. Такое кодирование использовалось на 8-дюймовых гибких дисках.
Несколько более сложная схема кодирования, использовалась на 5- и 3-дюймовых гибких дисках низкой плотности. Эта схема называется модифицированной фазовой модуляцией. На жестких дисках в 80-е годы использовались частотная и модифицированная частотная Модуляция. Современные жесткие диски используют сложные схемы группового кодирования, когда одно изменение фазы или частоты намагничивает-кодирует несколько битов.
Рис. 9.32. Простая и модифицированная фазовая модуляция