4.Жёсткие диски

Жесткий диск или винчестер, служит для долговременного хранения и использования данных.

Достоинства:

·        чрезвычайно большая емкость;

·        простота и надежность использования;

·        возможность обращаться к тысячам файлов одновременно;

·        высокая скорость доступа к данным

Немного истории о жестком диске...

Первый жесткий диск был представлен фирмой IBM в 1956 году. Он назывался RAMAC, обладал 5-ти мегабайтной емкостью и состоял из 50-ти 24-х дюймовых пластин. Безусловно, кроме названия и основных принципов работы, это устройство ни имеет ничего общего с тем, что мы привыкли подразумевать под жестким диском. В то время еще даже не существовало названия "винчестер", которое прочно вошло в лексикон всех, кто имеет отношение к информационным технологиям. Этот термин появился лишь в 1973 году, когда все та же IBM представила модель 3340, имевшую неофициальное название "Винчестер". Это был 60-ти мегабайтный жесткий диск, состоявший из четырех 14-ти дюймовых пластин. Нужно сказать, что физический размер накопителей на ранних этапах развития компьютерной индустрии был далеко не самым важным фактором при их проектировании и производстве, так как основной упор делался на емкость и скорость. Однако со временем достаточно остро встал вопрос об уменьшении размеров жестких дисков. И вот через 6 лет после выпуска "Винчестера", в 1979 году, IBM была анонсирована модель 3310 - первый жесткий диск с 8-ми дюймовыми пластинами. Этот форм-фактор пришел на смену 14-ти дюймовому, который являлся стандартом де-факто на протяжении почти 10-ти лет. Практически вслед за этим событием (в 1980 году) Seagate представила жесткий диск ST-506, имевший форм-фактор 5,25 дюйма (5 мегабайт, 4 пластины). Достижение столь малых по тем временам размеров накопителей позволило использовать их в первых персональных компьютерах. Данный форм-фактор приобрел небывалую популярность и использовался в ПК на протяжении многих последующих лет. Даже появление в 1984 году первого жесткого диска с более прогрессивным размером 3,5", ставшим в последствии одним из важнейших стандартов всей индустрии информационных технологий, практически не повлияло в тот момент на ситуацию на рынке, где продолжали доминировать 5,25" устройства.

Компанией, представившей первый 3,5" жесткий диск была небольшая шотландская фирма Rodime plc. Модель называлась RO352, имела емкость 10 мегабайт и две 3,5" пластины. Практически сразу же после выпуска этого диска Rodime запатентовала данный форм-фактор, как свое изобретение. Патент был выдан без каких-либо препятствий и в тот момент никто из производителей жестких дисков не придал этому факту особого значения.

Практически одновременно с Rodime разработками в области 3,5" жестких дисков занимался Дервуд Кинси (Derwood Kinsey), основатель калифорнийской фирмы Evkin Corp. Но ряд просчетов в проектировании и отсутствие достаточного количества финансовых вложений сделали свое дело: ни один жесткий диск компанией Evkin Corp. не был выпущен.

Нужно отметить, что первоначально этот форм-фактор использовался преимущественно в портативных ПК, но со временем получил безоговорочное признание и в среде их настольных собратьев.

4.1                       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.

Под дисками расположен двигатель - плоский, как во floppy-дисководах, или встроенный в шпиндель дискового пакета. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока и постоянно очищается фильтром, установленным на одной из его сторон.

Ближе к разъемам, с левой или правой стороны от шпинделя, находится поворотный позиционер, несколько напоминающий по виду башенный кран: с одной стороны оси, находятся обращенные к дискам тонкие, длинные и легкие несущие магнитных головок, а с другой - короткий и более массивный хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков. Угол между осями позиционера и шпинделя подобран вместе с расстоянием от оси позиционера до головок так, чтобы ось головки при поворотах как можно меньше отклонялась от касательной дорожки.

В более ранних моделях коромысло было закреплено на оси шагового двигателя, и расстояние между дорожками определялось величиной шага. В современных моделях используется так называемый линейный двигатель, который не имеет какой-либо дискретности, а установка на дорожку производится по сигналам, записанным на дисках, что дает значительное увеличение точности привода и плотности записи на дисках.

Обмотку позиционера окружает статор, представляющий собой постоянный магнит. При подаче в обмотку тока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением; динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер в любое положение. Такая система привода получила название Voice Coil (звуковая катушка) - по аналогии с диффузором громкоговорителя.

На хвостовике обычно расположена так называемая магнитная защелка - маленький постоянный магнит, который при крайнем внутреннем положении головок (landing zone - посадочная зона) притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло в этом положении. Это так называемое парковочное положение головок, которые при этом лежат на поверхности диска, соприкасаясь с нею. В ряде дорогих моделей (обычно SCSI) для фиксации позиционера предусмотрен специальный электромагнит, якорь которого в свободном положении блокирует движение коромысла. В посадочной зоне дисков информация не записывается.

В оставшемся свободном пространстве размещен предусилитель сигнала, снятого с головок, и их коммутатор. Позиционер соединен с платой предусилителя гибким ленточным кабелем, однако в отдельных винчестерах (в частности - некоторые модели Maxtor AV) питание обмотки подведено отдельными одножильными проводами, которые имеют тенденцию ломаться при активной работе. Гермоблок заполнен обычным обеспыленным воздухом под атмосферным давлением. В крышках гермоблоков некоторых винчестеров специально делаются небольшие окна, заклеенные тонкой пленкой, которые служат для выравнивания давления внутри и снаружи. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром. У одних моделей винчестеров оси шпинделя и позиционера закреплены только в одном месте - на корпусе винчестера, у других они дополнительно крепятся винтами к крышке гермоблока. Вторые модели более чувствительны к микродеформации при креплении - достаточно сильной затяжки крепежных винтов, чтобы возник недопустимый перекос осей. В ряде случаев такой перекос может стать труднообратимым или необратимым совсем. Плата электроники - съемная, подключается к гермоблоку через один - два разъема различной конструкции. На плате расположены основной процессор винчестера, ПЗУ с программой, рабочее ОЗУ, которое обычно используется и в качестве дискового буфера, цифровой сигнальный процессор (DSP) для подготовки записываемых и обработки считанных сигналов, и интерфейсная логика. На одних винчестерах программа процессора полностью хранится в ПЗУ, на других определенная ее часть записана в служебной области диска. На диске также могут быть записаны параметры накопителя (модель, серийный номер и т.п.). Некоторые винчестеры хранят эту информацию в электрически репрограммируемом ПЗУ (EEPROM).

Многие винчестеры имеют на плате электроники специальный технологический интерфейс с разъемом, через который при помощи стендового оборудования можно выполнять различные сервисные операции с накопителем - тестирование, форматирование, переназначение дефектных участков и т.п. У современных накопителей марки Conner технологический интерфейс выполнен в стандарте последовательного интерфейса, что позволяет подключать его через адаптер к алфавитно-цифровому терминалу или COM-порту компьютера. В ПЗУ записана так называемая тестмониторная система (ТМОС), которая воспринимает команды, подаваемые с терминала, выполняет их и выводит результаты обратно на терминал. Ранние модели винчестеров, как и гибкие диски, изготовлялись с чистыми магнитными поверхностями; первоначальная разметка (форматирование) производилась потребителем по его усмотрению, и могла быть выполнена любое количество раз. Для современных моделей разметка производится в процессе изготовления; при этом на диски записывается сервоинформация - специальные метки, необходимые для стабилизации скорости вращения, поиска секторов и слежения за положением головок на поверхностях. Не так давно для записи сервоинформации использовалась отдельная поверхность (dedicated - выделенная), по которой настраивались головки всех остальных поверхностей. Такая система требовала высокой жесткости крепления головок, чтобы между ними не возникало расхождений после начальной разметки. Ныне сервоинформация записывается в промежутках между секторами (embedded - встроенная), что позволяет увеличить полезную емкость пакета и снять ограничение на жесткость подвижной системы. В некоторых современных моделях применяется комбинированная система слежения - встроенная сервоинформация в сочетании с выделенной поверхностью; при этом грубая настройка выполняется по выделенной поверхности, а точная - по встроенным меткам.

Поскольку сервоинформация представляет собой опорную разметку диска, контроллер винчестера не в состоянии самостоятельно восстановить ее в случае порчи. При программном форматировании такого винчестера возможна только перезапись заголовков и контрольных сумм секторов данных.

При начальной разметке и тестировании современного винчестера на заводе почти всегда обнаруживаются дефектные сектора, которые заносятся в специальную таблицу переназначения. При обычной работе контроллер винчестера подменяет эти сектора резервными, которые специально оставляются для этой цели на каждой дорожке, группе дорожек или выделенной зоне диска. Благодаря этому новый винчестер создает видимость полного отсутствия дефектов поверхности, хотя на самом деле они есть почти всегда.

При включении питания процессор винчестера выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической скорости вращения плотность увлекаемого поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту от долей до единиц микрон над поверхностями дисков - головки "всплывают". С этого момента и до снижения скорости ниже критической головки "висят" на воздушной подушке и совершенно не касаются поверхностей дисков.

После достижения дисками скорости вращения, близкой к номинальной (обычно - 3600, 4500, 5400 или 7200 об/мин) головки выводятся из зоны парковки и начинается поиск сервометок для точной стабилизации скорости вращения. Затем выполняется считывание информации из служебной зоны - в частности, таблицы переназначения дефектных участков.

В завершение инициализации выполняется тестирование позиционера путем перебора заданной последовательности дорожек - если оно проходит успешно, процессор выставляет на интерфейс признак готовности и переходит в режим работы по интерфейсу.

Во время работы постоянно работает система слежения за положением головки на диске: из непрерывно считываемого сигнала выделяется сигнал рассогласования, который подается в схему обратной связи, управляющую током обмотки позиционера. В результате отклонения головки от центра дорожки в обмотке возникает сигнал, стремящийся вернуть ее на место.

Для согласования скоростей потоков данных - на уровне считывания/записи и внешнего интерфейса - винчестеры имеют промежуточный буфер, часто ошибочно называемый кэшем, объемом обычно в несколько десятков или сотен килобайт. В ряде моделей (например, Quantum) буфер размещается в общем рабочем ОЗУ, куда вначале загружается оверлейная часть микропрограммы управления, отчего действительный объем буфера получается меньшим, чем полный объем ОЗУ (80-90 кб при ОЗУ 128 кб у Quantum). У других моделей (Conner, Caviar) ОЗУ буфера и процессора сделаны раздельными.

При отключении питания процессор, используя энергию, оставшуюся в конденсаторах платы либо извлекая ее из обмоток двигателя, который при этом работает как генератор, выдает команду на установку позиционера в парковочное положение, которая успевает выполниться до снижения скорости вращения ниже критической. В некоторых винчестерах (Quantum) этому способствует помещенное между дисками подпружиненное коромысло, постоянно испытывающее давление воздуха. При ослаблении воздушного потока коромысло дополнительно толкает позиционер в парковочное положение, где тот фиксируется защелкой. Движению головок в сторону шпинделя способствует также центростремительная сила, возникающая из-за вращения дисков.

4.2 Внешние жёсткие диски

Эти устройства подключаются к компьютеру через интерфейсы USB, eSATA или IEEE-1394 (его в народе называют «файрвар»). Они сочетают в себе достоинства обычных жестких дисков и сменных накопителей. При достаточно большом объеме (40 Гб-1 Тб) и высокой производительности, внешние жесткие диски удобно переносить и легко выполнять «горячее» подключение.

Внешний жесткий диск может быть незаменим для переноса больших объемов информации, которые сложно записать на другие носители. В то же время в стационарном состоянии, когда никуда не нужно ничего носить, его можно использовать как обычный жесткий диск.

Но и здесь также могут возникать проблемы совместимости со старыми системами. Кроме того, интерфейсы eSATA и IEEE-1394 не так широко распространены, как USB, поэтому при покупке внешнего жесткого диска вам придется выбирать между скоростью и совместимостью.

5. USB-накопители на флэш-памяти

В народе их называют флэшками, а на английском USB Flash Drive. Это очень удобное, быстрое и надежное средство для хранения и переноса информации*. Объем современных флэшек 1-16 Гб, хотя есть устаревшие модели на 32-512 Мб, которые уже практически невозможно найти в продаже.

Большое достоинство этого устройства в том, что операционная система опознает его как съемный накопитель, и работать с файлами на нем можно, как и на жестком диске.

Кроме того, это самый компактный накопитель. Современные устройства имеют очень малые размеры, причем есть модели с защитой от ударов и попадания влаги, что весьма кстати для людей, ведущих активный образ жизни. Но, несмотря на надежность, возможна потеря данных при неправильном извлечении флэшки. Поэтому перед выходом нужно программно отключить ее в свойствах операционной системы.

Еще один недостаток состоит в плохой совместимости со старыми системами. Начиная с Windows 2000, все версии ОС Windows уже содержат встроенные драйвера для накопителей. Также они есть у современных ОС Linux и MacOS. Проблемы с подключением могут возникнуть у Windows 98 и у старых версий Linux, которые потребуют установки драйверов. Далеко не со всеми современными флэш-накопителями есть драйвера под Windows 98, а с Linux ситуация еще сложнее. Все это обязательно следует учитывать, если потребуется перенести данные на другой компьютер.

5.1 Перспективы развития…

Не стоит думать, что разработчики и производители флэш-памяти не ищут альтернативных решений. И даже тот факт, что существующие технологии вполне удовлетворяют требованиям современности, а также ближайшего будущего, не мешает уже сейчас проводить комплексные исследования в поисках альтернативы.

В частности, одно из подразделений компании Intel уже довольно давно занимается разработкой нового вида памяти, получившей название Ovonic Unified Memory (OUM, так называемая память на аморфных полупроводниках). Основной принцип хранения данных этого типа памяти сходен с принципом работы накопителей на компакт-дисках CD-RW и DVD-RW.

Фактически использован все тот же метод изменения состояния материала халькогенида под воздействием высоких температур, но в отличие от CD/DVD нагрев материала производится не лазером, а электрическим током. Такой подход фактически способен обеспечить два состояния вещества (кристаллическое и аморфное), необходимых для хранения данных.

Intel считает, что ее разработка является непосредственным преемником флэш-памяти, и позиционирует OUM на массовый рынок. В качестве основных преимуществ OUM называются существенно большее число максимальных циклов записи – 1013 (для флэш-памяти оно составляет от 100 тыс. до миллиона циклов), а также более высокая скорость доступа, составляющая 100–200 нс.

Пока еще разработчики не продемонстрировали готовый чип, но, тем не менее, уверенно заявляют о том, что изделие не будет стоить дороже флэш-памяти. Впрочем, у этой технологии есть и небольшой недостаток – OUM не обладает столь высоким быстродействием, как, например, магниторезистивная память MRAM, где время доступа не превышает 10–15 нс.

Опытный образец этой памяти (чип с максимальной на сегодня емкостью 16 MB) Infineon еще год назад представила широкой публике. В отличие от Intel разработчики решили не размениваться по мелочам, поэтому указывают на практически неограниченный потенциал MRAM и способность конкурировать не только с флэш-памятью, но и DRAM и SRAM.

По сути, MRAM (магниторезистивная память, Magneto-resistive Random Access Memory) построена на гибридной технологии, которая заключается в использовании элементов магнитной памяти, расположенных на кремниевой подложке.

Основными преимуществами этой разработки считают бесконечное число циклов записи, а также сверхвысокие скорости записи и доступа. «Время, требующееся на запись первого бита информации в чип MRAM, примерно в миллион раз меньше, чем для флэш-памяти, а время чтения первого бита из MRAM меньше, чем у NOR-флэш, примерно в три раза и почти в 1000 раз меньше, чем у NAND-флэш», – утверждает доктор Герхард Мюллер, директор исследовательского отделения Memory Products Business Group в Infineon Technologies.

Собственно, компания Freescale уже производит образцы чипов MRAM и планирует в нынешнем году начать коммерческое производство памяти в виде чипов 4 Mb, но пока неясно, где же будут применяться эти модули.

Опять же, данная технология тоже не беспроблемна: неизвестно, сможет ли когда-нибудь ячейка памяти MRAM уменьшиться до размеров ячейки флэш-памяти. Ее размеры, по информации Infineon, сегодня составляют всего 0,1 мкм, а техпроцесс 16 Mb чипа MRAM равен 1,42 мкм. Кроме того, себестоимость новой памяти весьма высока, и неясно, есть ли возможность ее снижения до разумных пределов.

Правда, представители компании Freescale и Infineon считают, что разработка MRAM идет намного динамичнее, чем флэш-памяти. По их мнению, за те 6–7 лет, которые есть у них в запасе, они вполне смогут сделать MRAM конкурентоспособной, кроме того, они полагают, что MRAM является именно той технологией, которая в будущем заменит не только флэш, но и даже DRAM/SRAM.

Станет ли MRAM универсальной памятью будущего, покажет время. А пока все та же Freescale продолжает работать над методами улучшения флэш-памяти. В данном случае речь идет о применении в изготовлении микрочипов технологии на базе кремниевых нанокристаллов.

Сообщается, что эта технология позволяет снизить производственные расходы на 10–15% и существенно упростить процесс изготовления чипов флэш-памяти, а в ближайшем будущем еще и удвоить битную емкость микросхем. Правда, при этом не изменятся такие показатели, как быстродействие, надежность и функциональность – они останутся сравнимы с флэш-памятью существующего поколения. Разработчики из Infineon также уверены, что возможности флэш можно расширить с помощью нанотехнологий, но высказывают сомнения, справедливо ли будет называть эту память «флэш».

        6. Нововведения.

6.1 Система самоуничтожения для DVD дисков

Flexplay разработал интересную систему борьбы с недобросовестными обладателями DVD дисков. Как известно, по законодательству, прокат DVD дисков, запрещен. Технология уже будет внедрена в жизнь в августе этого года компанией Disney.Диски прекратят функционировать, когда процесс, названный Ez-d, сделает их неработоспособными. Как только диск вытаскивается из упаковки, он может быть использован только в течение приблизительно 48 часов. Взаимодействие поверхности диска с кислородом через данный промежуток времени создает особый слой на поверхности диска, из-за которого процесс чтения становится невозможным.Однако, при наличии известного ПО можно просто скопировать содержимое диска на HDD за время пока он работает как обычный носитель. С другой стороны - куда деваться честным покупателям?