• электронные,

• магнитные,

• оптические

• смешанные – магнитооптические.

Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. Рассмотрим дисковые магнитные накопители – накопители на жестких и гибких магнитных дисках (НЖМД и НГМД).

7.2. Магнитные дисковые накопители.

Магнитные ЗУ состоят из собственно устройств чтения/записи информации и магнитного носителя, на который осуществляется запись и с которого считывается информация. Общая технология магнитных ЗУ состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя при записи информации и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Запись производится в цифровом коде. Дисковые устройства делят на два типа:

• гибкие (Floppy Disk)

• и жесткие (Hard Disk).

Основным свойством дисковых магнитных ЗУ является запись информации на концентрические замкнутые дорожки носителя с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, обеспечивая обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую. Дисковые устройства, как правило, используют метод записи, называемый методом без возвращения к нулю с инверсией (Not Return Zero – NRZ). Запись по методу NRZ осуществляется путем изменения направления тока в обмотках головок чтения/записи, вызывающее изменение полярности намагниченности магнитных головок и попеременное намагничивание участков носителя вдоль концентрических дорожек с течением времени и продвижением по окружности носителя.

Накопители на ЖМД объединяют в одном корпусе носители и устройство чтения/записи, а также интерфейсную часть, называемую собственно контроллером жесткого диска. Обычно, рядом с корпусом носителей и головок располагаются схемы управления головками, дисками и интерфейсная часть и/или контроллер.

Информация заносится на концентрические дорожки, равномерно распределенные по всему носителю. В случае большего, чем один диск, числа носителей все дорожки, находящиеся одна под другой, называются цилиндром. Операции чтения/записи производятся подряд над всеми дорожками цилиндра, после чего головки перемещаются на новую позицию.

Диски вращаются постоянно, а скорость вращения носителей довольно высокая (от 4500 до 10000 об/мин и выше), что обеспечивает высокую скорость чтения/записи. По величине диаметра носителя чаще других производятся 5.25, 3.14, 2.3 дюймовые диски.

Позиционирование головок.

В настоящее время, для позиционирования головок чтения/записи, наиболее часто, применяются шаговые и линейные двигатели механизмов позиционирования и механизмы перемещения головок в целом. В системах с шаговым механизмом и двигателем головки перемещаются на определенную величину, соответствующую расстоянию между дорожками, дискретность шагов зависит либо от характеристик шагового двигателя, либо задается серво-метками на диске. В системах с линейным приводом головки перемещаются электромагнитом, а для определения необходимого положения служат специальные сервисные сигналы, записанные на носитель при его производстве и считываемые при позиционировании головок. Линейные приводы перемещают головки значительно быстрее, чем шаговые, кроме того они обеспечивают положение головки, наилучшее для считывания с каждой дорожки и этим повышают достоверность считываемых данных. Также все устройства с линейным приводом имеют автоматический механизм парковки головок чтения/записи при отключении питания устройства.

Парковкой головок называют процесс их перемещения в безопасное положение. Это - так называемое "парковочное" положение головок в той области дисков, где ложатся головки. Там, обычно, не записано никакой информации, кроме серво - это специальная "посадочная зона" (Landing Zone). Для фиксации привода головок в этом положении в большинстве ЖД используется маленький постоянный магнит, когда головки принимают парковочное положение - этот магнит соприкасается с основанием корпуса и удерживает позиционер головок от ненужных колебаний.

Плата электроники современного накопителя на ЖМД представляет собой самостоятельный микрокомпьютер с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и прочими традиционными атрибутами присущими компьютеру.

7.3. Основные физические и логические параметры жмд

Все накопители соответствуют стандартам, определяемым либо независимыми комитетами, либо самими производителями. Среди множества технических характеристик, отличающих одну модель от другой, можно выделить наиболее важные с точки зрения пользователей и производителей, которые используются при сравнении накопителей различных производителей и выборе устройства:

• Диаметр дисков (disk diameter)

• Число поверхностей (sides number)

• Число цилиндров (cylinders number)

• Число секторов (sectors count)

• Число секторов на дорожке (sectors per track)

• Частота вращения шпинделя (spindle speed)

• Время перехода от одной дорожки к другой (track-to-track seek time)

• Среднее время установки или поиска (average seek time)

• Время ожидания (latency)

• Время доступа (access time)

• Среднее время доступа к данным (average access time)

• Скорость передачи данных (data transfer rate)

• Размер кеш-буфера контроллера (internal cash size).

• Средняя потребляемая мощность (capacity).

• Уровень шума (noise level)

• Среднее время наработки на отказ (MTBF)

• Физический и логический объем накопителей.

7.4. Контроллеры жестких дисков

Контроллер НЖМД физически расположен на плате электроники и предназначен для обеспечения операций преобразования и пересылке информации от головок чтения/записи к интерфейсу накопителя. Это сложнейшее устройство - микрокомпьютер, со своим процессором, ОЗУ и ПЗУ, схемами и системой ввода/вывода и т.п.. Однако, в большинстве случаев, производители размещают их в одном или двух микрочипах. Многие производители создают устройства, которые записывают различный объем информации на внутренние и внешние дорожки за счет размещения на них разного числа секторов. Это возможно, благодаря аппаратному скрытию от программ и пользователя физических характеристик устройства на уровне его контроллера и/или интерфейса (устройства с IDE, EIDE и SCSI интерфейсами). Поэтому, накопители, как правило, имеют различное физическое и логическое число цилиндров.

Режимы работы контроллеров НЖМД

Большинство современных накопителей поддерживают следующие режимы работы контроллеров:

• PIO

• DMA2

• Ultra DMA.

PIO (Programmed Input/Output - программный ввод/вывод), при котором все пересылки выполняет непосредственно центральный процессор. DMA - Direct Memory Access - прямой доступ к памяти - режим взаимодействия контроллера накопителя и интерфейса ПК, при котором обмен данными осуществляется без участия центрального процессора ПК. Режим DMA позволяет заметно разгрузить процессор по сравнению с режимом PIO. Все современные накопители могут работать в режиме DMA2, если это поддерживается ОС, а скорость обмена при этом может достигать16.6 Мб/с.

Накопители и системы с поддержкой режима Ultra DMA, при использовании соответствующего драйвера, могут передавать и принимать информацию со скоростью 33.3 Мб/с для Ultra DMA-33, 66 Мб/с для Ultra DMA-66 и 100 Мб/с для Ultra DMA-100. В настоящее время все современные модели винчестеров поддерживают стандарты Ultra DMA-66 и Ultra DMA 100.

5. Логическое хранение и кодирование информации

Для обеспечения оптимальной производительности НЖМД, а также для улучшения программного интерфейса, в них на основе физически присутствующих структур - дорожек и секторов, используется логическая структура хранения и доступа к информации. Она называется файловой системой, а ее тип и характеристики зависят от используемой ОС. В настоящее время имеется много типов различных файловых систем, но они основывают свои логические структуры данных на нескольких первичных логических структурах. Рассмотрим их подробнее.

Master Boot Record (MBR)

Первый сектор жесткого диска содержит хозяйственную загрузочную запись - Master Boot Record (MBR), которая, в свою очередь, содержит загрузочную запись - Boot Record (BR), выполняющуюся в процессе загрузки ОС. Загрузочная запись жестких дисков является объектом атаки компьютерных вирусов, заражающих MBR. За загрузчиком расположена таблица разделов - Partition Table (PT), содержащая 4 записи - элементы логических разделов - Partitions. Завершается MBR специальной сигнатурой - последовательностью из 2-х байт с шестнадцатиричными значениями 55H и ААH, указывающая на то, что данный раздел, после которого расположена сигнатура, является последним разделом в таблице.

Структура MBR.

Каждый элемент таблицы разделов содержит информацию о логическом разделе. Первым байтом в элементе раздела идет флаг активности раздела (0 - не активен, 128 (80H) - активен). Он служит для определения, является ли раздел системным и можно ли производить с него загрузку ОС при старте компьютера. Активным может быть только один раздел. Небольшие программы, называемые менеджерами загрузки (Boot Manager), могут располагаться в первых секторах диска. Они интерактивно запрашивают пользователя, с какого раздела производить загрузку, и соответственно корректируют флаги активности разделов. За флагом активности раздела следует байт номера головки, с которой начинается раздел. За ним следует два байта, означающие соответственно номер сектора и номер цилиндра загрузочного сектора, где располагается первый сектор загрузчика ОС. Загрузчик ОС представляет собой маленькую программу, осуществляющую считывание в память начального кода ОС во время ее старта. Затем следует байт – кодовый идентификатор ОС, расположенной в разделе, за ним расположен байт номера головки конца раздела, за которым идут два байта – номер сектора и номер цилиндра последнего сектора раздела.

Формат таблицы разделов

Завершают элемент раздела младшее и старшее двухбайтовое слово относительного номера первого сектора раздела и размер раздела в секторах соответственно.

Номера сектора и номер цилиндра секторов в разделах занимают 6 и 10 бит соответственно. Ниже представлен формат записи, содержащей номера сектора и цилиндра.

Биты номера цилиндра Биты номера сектора

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Для жестких дисков типичной является ситуация, когда имеется четыре записи в таблице разделов и соответственно четыре раздела. ОС MS-DOS использует только два из них, остальные резервируются для параллельного использования других ОС. Благодаря наличию такой структуры как MBR, на одном физическом жестком носителе может располагаться несколько файловых систем различного типа различных операционных систем. Структуры MBR представляют собой важную информацию, повреждение которой приводит к частичной или полной потере доступа к данным логических устройств жесткого диска и к невозможности загрузки ОС с поврежденного носителя.

Логические разделы.

Логические разделы тоже имеют иерархическую структуру в зависимости от типа ОС и ее файловой системы.

Так, первый раздел жесткого диска в MS-DOS называется главным разделом (Primary Partition), а второй расширенным (Extended Partition). Главный раздел всегда должен присутствовать на диске, с него происходит загрузка MS-DOS. Расширенного раздела может не быть, он создается лишь в случае, когда необходимо получить более одного логического устройства на физическом диске. Логический раздел размещает в себе такие структуры файловой системы как логические диски, устройства или тома (оформленные как подразделы), загрузчик операционной системы, таблицы распределения файлов, области пользовательских данных в которых размещаются записи о каталогах и файлах и данные файлов. Число логических подразделов может быть более четырех, а последний элемент каждого показывает, является ли он последним логическим подразделом раздела.

Основной единицей хранения информации в MS-DOS и других ОС с похожей логической структурой разделов является кластер (cluster) - группа секторов. В таких ОС для распределения минимального дискового пространства в один байт выделяется целый кластер, содержащий много секторов и еще больше байт (килобайты), что приводит к нерациональному использованию пространства ЖД для мелких файлов. Для доступа к каждому кластеру создается таблица соответствия номеров кластеров файлам логического раздела - таблица распределения файлов (File Allocation Table - FAT). Поэтому, файловые систем такого типа называют FAT-системы. Это не самый оптимальный, но довольно быстрый способ организации информации на разделах, поэтому он "дожил" до наших дней с давних времен начала развития ПК, где использовался исключительно для накопителей на гибких магнитных дисков. Все остальные логические структуры - файлы или каталоги связаны локализацией с FAT.

Для других ОС, например, UNIX - использование разделов происходит иначе. Как правило, их может быть более четырех, все они равноправны и одинаково могут быть загрузочными, содержат собственные файловые системы на основе i-узлов. Такие файловые системы являются теговыми и не имеют таблиц распределения порций информации. Дисковое пространство распределяется посекторно, что дает максимально возможное использование пространства раздела, но несколько снижает производительность. Весь раздел разбивается на иерархически связанную цепочку узлов разного уровня, которым соответствует некоторое количество секторов. На основе узлов строится понятие файлов и каталогов, и в таких системах файлы и каталоги действительно не различаются, т.к. каталог является файлом, содержащим структуру узлов. Один раздел отводится для дискового свопа и имеет упрощенную структуру, т.к. никогда не содержит файлов и каталогов.

Все разделы могут содержать загрузчик операционной системы, который располагается, как правило, в первом секторе и занимает один сектор. В этом секторе располагаются структуры - записи, имеющие отношение лишь к конкретной ОС и следовательно они могут отличаться для разных разделов и версий ОС. Многие специализированные программы (например, защиты данных, по борьбе и профилактике вирусов и др.) могут изменять структуру или отдельные части загрузчика операционных систем. Загрузчик большинства персональных однопользовательских операционных систем является объектом заражения вирусами, которые заражают загрузочные сектора жестких дисков.