Э. Таненбаум - Архитектура компьютера (1127755), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Сегодня один мегабайт оперативной памяти стоит около 10 центов. — Примеч. наука, ред. Вспомогательная память 1 01 магнитных дисков — несколько центов за мегабайт, а магнитной ленты — несколько долларов за гигабайт или еще дешевле. Регистры, кэш-память и основную память мы уже рассмотрели. В следующих разделах мы расскажем о магнитных дисках, а затем приступим к изучению оптических дисков. Накопители на магнитных лентах мы рассматривать не будем, поскольку используются они редко; к тому же о них практически нечего сказать. Магнитные диски Магнитный диск состоит из одной или нескольких алюминиевых поверхностей1, покрытых магнитным слоем.
Изначально их диаметр составлял 50 см, сейчас— от 3 до 12 см, у портативных компьютеров — меныпе 3 см, причем это значение продолжает уменьшаться. Головка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку. Отметим, что у дискет головка касается поверхности. Когда через головку проходит положительный или отрицательный ток, он намагничивает поверхность под головкой.
При этом магнитные частицы намагничиваются направо или налево в зависимости от полярности тока. Когда головка проходит над намагниченной областью, в ней (в головке) возникает положительный или отрицательный ток, что дает возможность считывать записанные ранее биты. Поскольку диск вращается под головкой, поток битов может записываться, а потом считываться. Конфигурация дорожки диска показана на рис.
2.16. Мвжсекторный интервал Ширина дорожки, вмещающей 1 бит данных, — от 0,1 до 0,2 микрон Ширина дорожки 1-2 микрон Рис. 2.16. Фрагмент дорожки диска (два сектора) В настоящее время компания 1ВМ делает их на стекла. — Примеч. науке. ред. 102 Глава 2. Организация компьютерных систем Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины.
Каждый сектор обычно содержит 512 байт данных. Перед данными располагается преамбула (ргеагпЫе), которая позволяет головке синхронизироваться перед чтением или записью. После данных идет код исправления ошибок (Еггог-Соггесг1пя Сог1е, ЕСС), в качестве которого используется код Хэмминга или чаще код Рида-Соломона, позволяющий исправлять множественные ошибки, а не только одиночные. Между соседними секторами находится межсекторный интервал.
Многие производители указывают размер неформатированного диска (как будто каждая дорожка содержит только данные), хотя честнее было бы указывать вместимость форматированного диска, на котором не учитываются преамбулы, ЕСС-коды и межсекторные интервалы. Емкость форматированного диска обычно на 15 % меньше емкости неформатированного.
У всех дисков есть кронштейны, они могут перемещаться туда и обратно по радиусу на разные расстояния от шпинделя, вокруг которого вращается диск. На разных расстояниях от оси записываются разные дорожки. Таким образом, дорожки представляют собой ряд концентрических кругов, расположенных вокруг шпинделя. Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее перемещения. На сегодняшний момент диски имеют от 5000 до 10 000 дорожек на см, то есть ширина каждой дорожки составляет от 1 до 2 микрон (1 микрон = = 1/1000 мм). Следует отметить, что дорожка — это не углубление на поверхности диска, а просто кольцо намагниченного материала, которое отделяется от других дорожек небольшими пограничными областями.
Плотность записи битов на концентрических дорожках различается в зависимости от расстояния от центра диска и зависит главным образом от качества поверхности диска и чистоты воздуха. Плотность записи современных дисков разнится от 50 000 до 100 000 бит/см. Таким образом, при записи в радиальном направлении на единицу площади приходится примерно в 50 раз болыпе данных, чем в направлении по окружности. Для повышения плотности производители разрабатывают технологии, в которых «длинное» измерение битов проходит не вдоль окружности диска, а вертикально — оно как бы уходит в глубь материала. Эти технологии обобщенно называются перпендикулярной записью, и уже очень скоро появятся первые коммерческие модели дисков на основе этих технологий.
Чтобы достичь высокого качества поверхности и достаточной чистоты воздуха, диски герметично закрываются. Такие диски называются винчестерами. Впервые они были выпущены фирмой 1ВМ. У них было ЗО Мбайт фиксированной памяти и 30 Мбайт сменной памяти. Возможно, эти диски ассоциировались с ружьями «винчестер> 30 — 30'. Большинство магнитных дисков состоит из нескольких пластин, расположенных друг под другом, как показано на рис. 2.17. Каждая поверхность снабжена кронштейном и головкой. Кронштейны скреплены таким образом, что одновременно могут перемещаться на разные расстояния от оси.
Совокупность дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром. В соврс- ' Двуствольное ружье 30-то калибра. — Примеч. иерее Вспомогательная память 1 03 менных моделях дисков для ПК устанавливается от 6 до 12 пластин, содержащих от 12 до 24 рабочих поверхностей. я/записи (1 на поверхность) Поверхность У Поверхность 6 Поверхность б Поверхность Е Поверхность 3 е движения кронштейна Поверхность 2 Поверхность 1 Поверхность 0 Рис. 2.17. Винчестер с четырьмя дисками Производительность диска зависит от многих факторов.
Чтобы считать или записать сектор, головка должна переместиться на нужное расстояние от осн. Этот процесс называется поиском. Среднее время поиска между дорожками, взятыми наугад, составляет от 5 до 10 мс, а поиск между смежными дорожками — менее 1 мс. Когда головка помещается на нужное расстояние от центра, выжидается некоторое время (оно называется временем ожидания сектора), пока нужный сектор не окажется под головкой. Большинство дисков вращаются со скоростью 5400, 7200 или 10 800 оборотов в минуту.
Таким образом, среднее время ожидания сектора (половина оборота) составляет от 3 до 6 мс. Время передачи информации зависит от плотности записи и скорости вращения. При скорости передачи от 20 до 40 Мбайт в секунду' время передачи одного сектора (512 байт) составляет от 13 до 26 мкс. Следовательно, время поиска и время ожидания сектора определяет время передачи информации.
Ясно, что считывание секторов из разных частей диска неэффективно. Следует упомянуть, что из-за наличия преамбул, ЕСС-кодов, промежутков между секторами, а также из-за того, что определенное время затрачивается на поиск дорожки и ожидание сектора, существует огромная разница между скоростью передачи данных для случаев, когда необходимые данные разбросаны в разных частях диска и когда они находятся в одном месте и считываются последовательно.
Максимальная скорость передачи данных в первом случае достигается в тот момент, когда головка располагается над первым битом данных. Однако такая скорость работы может сохраняться только на одном секторе. Для некоторых приложений, например мультимедиа, имеет значение именно средняя скорость передачи за некоторый период с учетом необходимого времени поиска и времени ожидания сектора. ' В современных випчестерах скорость линейного чтения уже превысила 40 Мбайт в секунду — При- меч.
научи. дед. 104 Глава 2. Организация компьютерных систем Немного сообразительности, и старая школьная формула для вычисления длины окружности с = 2яг откроет, что суммарная длина внешних дорожек больше, чем длина внутренних. Поскольку все магнитные диски вращаются с постоянной угловой скоростью независимо от того, где находятся головки, возникает очевидная проблема. Раньше при производстве дисков изготовители создавали максимально возможную плотность записи на внутренней дорожке, и при продвижении от центра диска плотность записи постепенно снижалась.
Если дорожка содержит, например, 18 секторов, то каждый из них занимает дугу в 20', и не важно, на каком цилиндре находится эта дорожка. В настоящее время используется другая стратегия. Цилиндры делятся на зоны (на диске их обычно от 10 до 30). При продвижении от центра диска число секторов на дорожке в каждой зоне возрастает. Это усложняет процедуру хранения информации на дорожке, но зато повышает емкость диска, что считается более важным.
Все секторы имеют одинаковый размер. Схема диска с пятью зонами изображена на рис. 2.18. Рис. 2.18. Диск с пятью зонами. Каждая зона содержит несколько дорожек С диском связан так называемый контроллер — микросхема, которая управляет диском. Некоторые контроллеры содержат целый процессор. В задачи контроллера входит получение от программного обеспечения таких команд, как кЕАО, Ф1ТЕ и ЕОкИАТ (то есть запись всех преамбул), управление перемещением кронштейна, обнаружение и исправление ошибок, преобразование байтов, считываемых из памяти, в непрерывный поток битов и наоборот. Некоторые контроллеры производят буферизацию и кэширование нескольких секторов на случай их дальнейшего использования, а также пропускают поврежденные секторы.
Необходимость последней функции вызвана наличием секторов с поврежденным, Вспомогательная память 106 то есть постоянно намагниченным, участком. Когда контроллер обнаруживает поврежденный сектор, он заменяет его одним из свободных секторов, которые выделяются специально для этой цели в каждом цилиндре или зоне. Дискеты С изобретением персонального компьютера появилась необходимость каким-то образом распространять программное обеспечение. Решением проблемы стала дискета, или гибкий диск (11орру г)1зк), — небольшой сменный носитель информации.
Дискеты были придуманы фирмой 1ВМ. Изначально на дискетах записывалась информация по обслуживанию мэйнфреймов (для сотрудников фирмы-покупателя). Но производители компьютеров вскоре переняли эту идею и стали использовать дискеты в качестве удобного средства записи программного обеспечения и его продажи. Дискеты обладают теми же общими характеристиками, что и диски, которые мы только что рассматривали, с тем лишь различием, что головки жестких дисков перемещаются над поверхностью диска на воздушной подушке, а у дискет головки касаются поверхности. В результате и сами дискеты, и головки очень быстро изнашиваются.
Поэтому, когда не происходит считывания и записи информации, головки убираются с поверхности, а компьютер останавливает вращение диска. Это позволяет продлить срок службы дискет. Но при этом, если поступает команда считывания или записи, происходит небольшая задержка (примерно полсекунды) перед тем, как начнет работать мотор.
Дискеты оставались в употреблении около 20 лет, однако в большинство конфигураций современных компьютеров дисководы для гибких дисков не входят. ! 0Е-диски Диски современных персональных компьютеров развились из диска машины 1ВМ РС ХТ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
