Кагиров Р.Р. Лекции по Организации ЭВМ
Подождите немного. Документ загружается.
арбитраж и получает право начать передачу. Проигравшее устройство, не
получив разрешения на передачу, вынуждено ждать, пока шина освободится.
Процесс арбитража происходит на физическом уровне. После того, как
разрешение на передачу данных получено, в дело вступает уровень канала (link
layer). Передача данных начинается с запроса готовности приемного
устройства. Получив подтверждение готовности, передатчик начинает вещание.
Данные идут пакетами, разделенными промежутками (gap). Типичный пакет
данных содержит 256 байт, или 2048 бит, из которых 160 бит приходится на
заголовок. Таким образом, общая эффективность (то есть доля полезных
данных) весьма высока. В заголовок пакета входит информация об отправителе,
получателе и CRC. После пакета идет небольшой промежуток (acknowledge
gap), после чего получатель должен выслать 8-битовый блок данных,
подтверждающий, что пакет получен в целости (ack packet). Потом следует
более длинный промежуток, разделяющий пакеты (subaction gap). Далее цикл
повторяется: пакет, acknowledge дар, подтверждающий байт (ac/c), subaction
gap.
Для того чтобы исключить монопольное занятие шины одним
устройством, введены специальные промежутки (fairness interval), в течение
которых любое устройство на шине получает возможность передать свои
данные. После того как разрешение получено (арбитраж выигран), и порция
данных передана, устройство должно ждать начала следующего цикла, прежде
чем оно вновь получит возможность передать следующую порцию данных.
Заканчивается fairness interval так называемым reset gap, который длиннее
subaction gap, и вызывает сброс арбитража всей шины.
Согласно спецификации 1394b используется новый метод арбитража под
названием BOSS (Bus Owner/Supervisor/Selector). Но этот метод арбитража
может работать только в среде 1394b. Если в сети есть хоть одно старое
устройство, для арбитража будет применяться старый метод. Принцип работы
BOSS предельно прост: устройство, которому требуется переслать данные,
постоянно шлет запросы. В результате, когда некое устройство заканчивает
передачу, то ждущее устройство оказывается первым, пославшим запрос, и
получает права BOSS. Эти права означают, что пока устройство передает
данные, оно контролирует шину. Как только передача закончена, то устройство
остается с правами BOSS до тех пор, пока кто-то еще не пошлет запрос на
передачу. Как только запрос послан, пославшее его устройство приобретает
права BOSS.
151
Шина 1ЕЕЕ1394а в обычном режиме имеет теоретическую пропускную
способность 98,304 Мбит/с. В режиме синфазного стробирования по фронту и
спаду данные передаются 4-кратно в каждом такте, то есть пропускная
способность достигает 400 Мбит/с. Спецификацией 1394Ъ предусмотрено
увеличение пропускной способности до 800 Мбит/с.
Функциональная схема узла сети 1ЕЕЕ1394Ь
Электрический интерфейс IEEE1394 рассчитан на высокие скорости
передачи данных и подключение мощных потребителей. В кабеле данные
передаются по двум витым парам, каждая из которых отдельно экранирована.
Для надежности дополнительно экранируется и весь кабель. Кроме двух
сигнальных пар, в кабеле предусмотрены две питающие жилы, которые могут
обеспечить любое внешнее устройство током силой до 1,5 А и напряжением до
40 В.
На разъеме все контакты выведены в середину, а снаружи защищены
толстым контуром из твердой пластмассы. В разъеме i-Link используется
четырехконтактный разъем, не имеющий питающих линий. В спецификации
1394b описывается новый тип разъема, отвечающий современным требованиям.
В целом можно признать, что интерфейс IEEE1394 прочно занял свою
нишу в сфере компьютерной техники, особенно в профессиональных областях:
видеообработка, сканеры, цифровая фототехника, внешние накопители и
прочие устройства, требовательные к пропускной способности шины и
параметрам электропитания. Однако НМСЛ со встроенным интерфейсом
152
FireWire очень редки. Обычно интерфейс реализуется на системных платах с
помощью отдельных микросхем или плат расширения.
HDD
История
На раннем этапе развития жесткие диски были экспериментальными.
Разработчики имели дело с рядом технологий и идей для их изобретения,
пригодных для коммерческого использования. На самом деле первые
винчестеры были не совсем "жесткими дисками" т.е. они использовали
вращающиеся барабаны (цилиндры), на которых хранились
последовательности данных.
Самые настоящие "жесткие диски" имели головки, находящиеся в
постоянном контакте с поверхностью диска. Это было сделано для улучшения
качества передачи информации, т.к. в то время электроника была плохой
чувствительности. К несчастью, было не возможно создать идеально ровную
скользящую поверхность, и в результате через некоторое время "запиливалась"
и рабочая поверхность и сами магнитные головки.
Ключевой технологический прорыв, который позволил начать разработку
современных винчестеров произошел в 50-х годах XX века. Инженеры фирмы
IBM поняли, что со специальной конструкцией головок, которые будут
находиться на небольшом расстоянии от диска, будет возможно считывать
биты информации, пролетающие под ними. Итак, основу современных жестких
дисков составляет тот факт, что для считывания информации контакт
головок с магнитной поверхностью не нужен.
Первый произведенный жесткий диск был IBM 305 RAMAC,
представленный 13 сентября 1956 года. Он был способен вмещать в себя 5
миллионов знаков (почти 5 мегабайт, но в то время за единицу информации
было принято использование семи бит, а не восьми) и состоял из 50-ти дисков,
каждый диск 24 дюймов в диаметре. Плотность записи на единицу поверхности
составляла 2000 бит на квадратный дюйм, для сравнения, сегодняшние диски
имеют плотности в миллиарды бит на квадратный дюйм. Скорость чтения
данных с поверхности была впечатляющая для того времени (8800 байт в
секунду).
В течение последующих лет, уровень технологий улучшался быстрыми
темпами. В 1962 году IBM представила винчестер IBM model 1301 Advanced
Disk File. Ключевым улучшением в этой модели было изобретение головок,
которые летели над поверхностью диска на воздушном подшипнике.
153
В 1973 году IBM представила IBM model 3340 disk drive, который
считается "отцом" современных жестких дисков. Эта модель имела два
разделенных шпинделя, каждый с емкостью в 30 мегабайт. По этой причине
этот диск очень часто назывался как "30-30". Это название породило кличку
"винчестер", в силу похожего названия ружья "винчестер 30-30". Впервые
используя закрытый внутренний объем и технологию улучшенного воздушного
подшипника, удалось добиться расстояния в 17 микродюймов между головкой
и диском. Все современные диски до сих пор используют многие из
примененных в этом диске приемов. Именно поэтому современные жесткие
диски очень часто называются винчестерами.
Первый жесткий диск, разработанный 5,25 форм-факторе, используемом
в первых ПК был Seagate ST-506. Он имел 4 головки и емкость в 5 мегабайт.
Компания IBM обошла ST-506 и выбрала ST-412 - 10-ти мегабайтный жесткий
диск в том же форм-факторе - для использования в IBM PC/XT, делая его
первым жестким диском, широко используемом в мире IBM-совместимых
компьютеров.
Хронология:
Первый жесткий диск (1956): IBM RAMAC, имел емкость порядка 5
мегабайт, хранящихся на пятидесяти 24-х дюймовых дисках. Плотность
записи составляла порядка 2000 бит на квадратный дюйм, скорость
передачи данных — 8800 бит в секунду.
Первые головки на воздушной подушке(1962): IBM model 1301 впервые
использовал магнитные головки, летящие на воздушной подушке, снизив
таким образом расстояние между головками и дисками до 250
микродюймов. Жесткий диск имел емкость в 28 мегабайт, используя
половину от количества головок IBM RAMAC, и его плотность записи и
скорость работы была увеличена на 1000%.
Первый переносимый жесткий диск (1965): IBM model 2310 был первым
винчестером с переносимым пакетом дисков.
Первые ферритовые головки (1966): IBM model 2314 был первым
жестким диском, который использовал ферритовый сердечник в
головках.
Первый современный дизайн жесткого диска(1973): IBM model 3340 имел
емкость в 60 мегабайт и использовал много ключевых технологий,
которые до сих пор используются в современных жестких дисках.
Первые тонкопленочные головки(1979): IBM model 3370 был первым
жестким диском, использующим тонкопленочные головки, которые
намного позже станут применяться повсеместно в дисках для ПК.
Первый жесткий диск в 8" форм-факторе(1979): IBM model 3310 был
первым жестким диском, использующим 8-дюймовые диски, до этого
почти на протяжении десятилетия использовались 14-ти дюймовые
диски.
154
Первый жесткий диск в 5,25" форм-факторе(1980): Seagate ST-506 был
первым жестким диском, представленном в 5.25" форм-факторе, который
использовался в первых ПК.
Первый жесткий диск в 3.5" форм-факторе(1983): фирма Rodime
представила RO352, первый жесткий диск, который был выполнен в 3,5"
форм-факторе, который стал одним из самых важных форм-факторов в
индустрии ПК.
Первый жесткий диск, использующий соленоидный привод перемещения
головок(1986): Conner Peripherals CP340.
Первый "низкопрофильный" 3,5" жесткий диск(1988): Conner Peripherals
CP3022, имевший высоту в 1 дюйм, все современные жесткие диски
выполнены именно в этом, "низкопрофильном" дизайне.
Первый 2,5" жесткий диск(1988): PrairieTek представил первый жесткий
диск, использующий 2,5" пластины. Именно этот форм-фактор стал
стандартом для жестких дисков, используемых в ноутбуках.
Первый жесткий диск, использующий магниторезистивные головки и
PRML декодирование данных(1990): IBM model 681, имел емкость в 857
мегабайт и впервые использовал магниторезистивные головки и PRML.
Первые тонкопленочные диски(1991): IBM "Pacifica" диск для
мэйнфремов был первым, использующим тонкопленочные диски.
Внутреннее устройство
В винчестерах используются круглые диски, называемые пластинами,
они покрыты с обеих сторон специальным материалом, разработанным для
хранения информации в виде намагниченных цепочек. Пластины крепятся на
шпиндель. Они вращаются на большой скорости, приводимые от специального
шпиндельного мотора. Специальные электромагнитные читающие/пишущие
155
устройства, называемые головками, используются для записи и чтения
информации с поверхности пластин.
Каждая поверхность пластины может вмещать в себя десятки гигабайт
информации. Так же пластина имеет две головки, по одной с каждой стороны.
Так, например, диск с тремя пластинами будет иметь шесть головок. На каждой
пластине информация записывается на концентрических окружностях,
называемых трэками (track), каждый трэк разбивается на части, называемые
секторами, каждый из которых, в свою очередь, хранит в себе 512 байт данных.
Весь винчестер должен быть произведен с особой точностью в силу очень
большой миниатюрности компонентов. Пластины, головки, шпиндель,
соленоидный привод закрыты в специальном объеме, называемом гермозоной,
или "банкой". Это сделано для того, чтобы гермозона была защищена от пыли,
которая может разрушить головки или стать причиной царапин на пластинах.
Внутри гермозоны находится воздух, а не вакуум, как думают многие. Она
связана с внешним миром системой выравнивания давления, в которой имеется
воздушный фильтр. Таким образом, давление воздуха внутри гермозоны всегда
выровнено с окружающим воздухом, этим же образом решена проблема с
выпадением конденсата — когда вы приносите винчестер с улицы, достаточно
2-3 часов, чтобы он нагрелся и испарился конденсат с поверхности пластин.
Приведем пример того, что случается каждый раз, когда нам надо считать
данные с винчестера. Это схематичный пример, в котором мы не будем
касаться таких вещей, как кэширование диска, коррекции ошибок и многих
других специальных приемов, которые используются в современных жестких
дисках и позволяют улучшить скорость и надежность работы.
1. Первый шаг в доступе к диску — это знание того, где искать
информацию. Между запросом к данным и вычислением точного места
поиска, происходит несколько преобразований:
a. преобразование адреса данных в файле в адрес на логическом
диске;
b. преобразование адреса на логическом диске в адрес сектора на
диске (это производится в компьютере, далее вступает работа
самого винчестера).
2. Управляющая программа жесткого диска сначала проверяет наличие
запрашиваемой информации у себя в кэше. Если она есть, контроллер
сразу же выдает информацию, без доступа к поверхности диска.
3. В большинстве случаев, жесткий диск уже крутится, если это не так (в
случае активизации процесса сохранения энергии), производится
раскрутка пластин.
4. Контроллер переводит полученный адрес сектора в физический адрес на
диске: номер головки, номер цилиндра, номер сектора. Это производится
156
с помощью специальной подпрограммы контроллера жестких дисков,
называемой транслятором.
5. Котроллер выдает команду соленоидной системе на перемещение
головок к нужному трэку.
6. Когда головки находятся над нужным трэком, выбирается интересующая
нас головка и производится ожидание момента, когда перед головкой
должен пролететь нужный нам сектор. Затем происходит считывание
сектора.
7. Контроллер считывает сектор в свой буфер, после чего он выдает эту
информацию компьютеру с помощью интерфейса.
Пластины
Подложечный материал, из которого изготовлена пластина, образует
основу, на которой будут храниться данные. Слоем, хранящим данные,
является очень тонкое покрытие магнитным материалом поверхности
пластины. Толщина этого слоя — несколько миллионных дюйма.
В качестве магнитного материала в старых винчестерах использовался
оксидный материал, а именно — оксид железа. Если посмотреть на пластины
старых винчестеров, они будут иметь характерный светло-коричневый цвет.
Тип магнитного материала, используемого в старых винчестеров, схож с
материалом, используемом в аудиокассетах: они тоже используют оксид железа
в качестве хранителя и переносчика звуковой информации, именно поэтому
пленка в аудиокассетах тоже светло-коричневая.
Оксидный материал не дорог для использования, но у него имелись
некоторые недостатки. Первый недостаток — это то, что это — мягкий
материал, и может быть легко поврежден при контакте с головкой
чтения/записи. Второй недостаток — этот материал годиться только для
относительно низких плотностей записи. Оксид железа хорошо отработал свой
срок в старых винчестерах, где была низкая плотность записи, но в то время,
как разработчики увеличивали и увеличивали плотность записи на единицу
поверхности, стало ясно, что этот материал перестает справляться с задачей
правильного и беспроблемного хранения информации.
Сегодняшние винчестеры используют тонкопленочное покрытие. Как
видно из названия, очень тонкий слой магнитного материала прикреплен к
подложке пластины. При производстве таких пластин используются
специальные производственные технологии. Одна из технологий — это
гальванопокрытие. Другая технология — распыление. Пластины,
произведенные по технологии распыления, имеют лучшую однородность, чем
пластины, произведенные с помощью гальванопокрытия. В силу возросших
157
требований к качеству пластин в современных жестких дисках, используются
пластины, произведенные по технологии напыления магнитного материала.
По сравнению с оксидным материалом, тонкопленочный материал более
однороден и гладок. Он также имеет намного лучшие магнитные свойства,
позволяющие хранить намного больше данных на единицу поверхности. Кроме
того, этот материал намного устойчивее к физическим воздействиям.
Пластины после нанесения магнитного материала покрываются тонким
защитным слоем, состоящим из карбона. В конце концов, получившийся
"бутерброд" покрывают очень тонким слоем смазывающего материала. Этот
материал используется для защиты пластин от случайного соприкосновения с
магнитными головками, сводя к минимуму последствия таких случайностей.
Пластины в жестких дисках имеют специальную структуру, для
обеспечения упорядоченной записи и хранения информации. Каждая пластина
разбита на треки, которые представляют собой концентрические
окружности. На одной пластине помещаются десятки тысяч треков. Такая
структура сродни годовым кольцам в стволе дерева.
На треке помещается слишком много информации, если использовать
трек как меньшую единицу информации. Поэтому треки разбиваются на
сектора. Сектор, как правило, наименьшая индивидуально адресуемая единица
информации, хранящаяся на диске. Сектор хранит 512 байт информации.
Первые винчестеры для ПК использовали 17 секторов на трек. Современные
жесткие диски имеют тысячи секторов на трек, а использование технологии
изменения зонной плотности записи позволяет размещать большее количество
секторов на внешних треках, чем на внутренних. Именно в силу этого скорость
чтения/записи в начале диска больше, чем в конце — за единицу времени
большее количество секторов можно прочитать у внешнего края диска, чем
около внутреннего.
Поверхностная плотность записи, иногда называемая битовой
плотностью, показывает, какое количество информации может храниться на
единицу поверхности пластины. Она обычно считается в битах на квадратный
дюйм — BPSI — bits per square inch.
Поверхностная плотность записи — двухмерная величина, она
вычисляется как продукт двух одномерных величин:
1. Трековая плотность: Она показывает, как много треков может
поместиться на каждый дюйм радиуса диска. Пусть, например мы имеем
пластины диаметром 3,74 дюйма, или радиусом в 1,87 дюйма.
158
Естественно, в силу того, что пластина надевается на шпиндель, реально
рабочий участок будет, например, равен 1,2 дюйма. Пусть мы имеем
22000 треков на пластину, тогда трековая плотность будет примерно
равна 18333 треков на дюйм — TPI — tracks per inch.
2. Линейная плотность или плотность записи: Эта величина показывает,
сколько бит информации может поместиться на одном треке. Если на
треке может поместиться 300000 бит, то мы можем говорить, что
линейная плотность записи составляет 300000 бит на трек — BPI — bits
per inch.
Беря продукт умножения этих двух величин можно получить
поверхностную плотность записи. В приведенном выше примере она будет
составлять величину порядка 5,5 Гигабит на квадратный дюйм. Современные
жесткие диски имеют плотности порядка сотен гигабит на квадратный дюйм, в
то же время первые жесткие диски для ПК имели плотности, порядка 0,004
Гигабит на квадратный дюйм.
Линейная плотность записи диска не постоянна для всей поверхности
пластины. Причиной, по которой эта величина не постоянна, служит
увеличение длины трека от центра к краям пластины. Таким образом,
внешние треки хранят большее количество информации, чем внутренние. С
изобретением зонной записи, винчестеры начали хранить больше информации
на внешних треках, чем на внутренних, но, тем не менее, линейная плотность
записи у внутренних треков больше, чем у внешних.
Существует два пути для увеличения поверхностной плотности записи:
увеличение линейной плотности записи, увеличивая при этом количество
информации хранимой на треке;
увеличение трековой плотности, увеличивая при этом количество треков
на пластину.
Обычно, в более новом поколении винчестеров улучшаются обе эти
величины. Как следствие их улучшения, повышаются и такие параметры
винчестера, как скорость линейного чтения/записи, а также и скорость
позиционирования.
Технология параллельной записи на магнитные диски
159
Схема технологии параллельной записи
Данные записываются на диск, покрытый магнитным записывающим
слоем. Любой магнитный материал состоит из доменов - областей, внутри
которых магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону.
Каждый домен имеет большой суммарный момент, который в исходном
состоянии может быть направлен произвольно. Под действием внешнего
магнитного поля домены могут менять направление магнитного момента.
Именно этот эффект используется при записи. Информация хранится не на
одном домене, а на областях (частицах), состоящих минимум из 70-100
«зерен». Если магнитный момент такой частицы совпадает с направлением
движения считывающей головки – получаем «0», если противоположен –
«1». Так как две соседние области имеют противоположное направление
моментов, на границе между ними часть доменов может потерять
стабильность и произвольно менять направление магнитного момента.
Уроки масштабирования
Основы масштабирования в магнитной записи точно такие же, как и в
теории трехмерного магнитного поля. Если магнитные свойства
материалов постоянны, то конфигурация поля остается неизменной при
изменении всех токов и размеров во всех плоскостях в s раз. При этом
плотность записи также увеличивается в s раз. Однако следует учитывать
еще два важных для практического использования фактора: скорость
вращения дисков и скорость передачи данных. На практике скорость
вращения остается неизменной, скорость передачи данных растет, а токи
постепенно уменьшаются, поэтому приходится изобретать новые методы
чтения.
В теории, если необходимо увеличить TPI в 2 раза, BPI в 2 раза и areal
density в 4 раза, достаточно уменьшить все размеры в 2 раза, сохранить
скорость вращения той же и удвоить скорость передачи данных. Если
160