Выполнил студент группы 09-ОЗИ2
Киселев Н.Д.
Преподаватель:
Дракин А.Ю.

Физические принципы функционирования устройств хранения информации на магнитных носителях

Введение

Выпускаемые накопители информации представляют собой гамму запоминающих устройств с различным принципом действия физическими и технически эксплуатационными характеристиками. Основным свойством и назначением накопителей информации является ее хранение и воспроизведение. Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения воспроизведения/записи цифровой информации. Поэтому, в связи с видом и техническим исполнением носителя информации различают: электронные, дисковые и ленточные устройства.
Обратим особое внимание на дисковые магнитные накопители – накопители на жестких магнитных дисках.

Магнитные дисковые накопители

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов. Как правило, магнитные запоминающие устройства состоят из собственно устройств чтения/записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек, расположенных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Запись производится в цифровом коде.Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Дисковые устройства делят на гибкие (Floppy Disk) и жесткие (Hard Disk) накопители и носители.

Гибкие магнитные диски

Гибкий магнитный диск – покрытая ферромагнитным слоем пластина из гибкого пластика, заключенная в корпус, защищающий носитель от повреждений.
В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращает диск с постоянной угловой скоростью.
При этом магнитная головка дисковода устанавливается на определенную концентрическую дорожку диска, на которую и производится запись или с которой производится считывание информации. Информационная емкость современной дискеты невелика и составляет всего 1,44 Мбайт. Скорость записи и считывания информации также мала (составляет всего около 50 Кбайт/с) из-за медленного вращения диска (360 об./мин). (2)

Жесткие диски

Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель (носители) и устройство чтения/записи, а также, нередко, и интерфейсную часть, называемую собственно контроллером жесткого диска. Типичной конструкцией жесткого диска является исполнение в виде одного устройства - камеры, внутри которой находится один или более дисковых носителей насаженных на один шпиндель и блок головок чтения/записи с их общим приводящим механизмом.
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.
Во время работы все механические части накопителя подвергаются тепловому расширению, и расстояния между дорожками, осями шпинделя и позиционером головок чтения/записи меняется. В общем случае это никак не влияет на работу накопителя, поскольку для стабилизации используются обратные связи, однако некоторые модели время от времени выполняют рекалибровку привода головок, сопровождаемую характерным звуком, напоминающим звук при первичном старте, подстраивая систему к изменившимся расстояниям. (1)

Основные параметры жестких дисков

1. Частота вращения шпинделя. Определяет, сколько времени будет затрачено на последовательное считывание одной дорожки или цилиндра. Частота вращения измеряется в оборотах в минуту (rpm). Чем выше скорость вращения, тем выше скорость обмена данными. Следует только учесть, что при возрастании скорости вращения увеличивается температура корпуса жесткого диска.
2. Среднее время доступа к данным. Время, проходящее с момента получения запроса на операцию чтения/записи от контроллера до физического осуществления операции.
3. Физический и логический объем накопителей. Носители жестких дисков, в отличие от гибких, имеют постоянное число дорожек и секторов, изменить которое невозможно. Эти числа определяются типом модели и производителем устройства. Поэтому, физический объем жестких дисков определен изначально и состоит из объема, занятого служебной информацией (разметка диска на дорожки и сектора) и объема, доступного пользовательским данным. Физический объем жесткого диска, также, зависит от типа интерфейса, метода кодирования данных, используемого физического формата и др. (3)

Интерфейсы жестких дисков

Интерфейсом накопителей называется набор электроники, обеспечивающий обмен информацией между контроллером устройства (кэш-буфером) и компьютером.
На сегодняшний день существует огромное количество различных технологий и интерфейсов жестких дисков. Например: IDE, ATA, Serial ATA, SCSI, SCSI II, Wide SCSI II, Ultra SCSI II, Ultra Wide SCSI II, Ultra2 SCSI, Ultra160 SCSI, Fibre Channel, IEEE 1394, FireWire, iLink, USB, RAID, 5400rpm, 7200rpm, 10,000rpm, 15,000rpm.

1. IDE/ATA. IDE (Integrated Drive Electronics) - это название типа жестких дисков, имеющих интерфейс ATA (AT Attachment). Один канал ATA может поддерживать до двух дисков, первый - master и вторичный - slave. Стандарт Serial ATA. Скоростные возможности интерфейса - до 150 МБ/с, помехоустойчивость интерфейсного кабеля, простота разводки. Например, производительность самых современных версий интерфейсов - USB 2.0 (480 Мбит/с) и FireWire (в варианте IEEE 1394b - до 800 Мбит/с), не идёт ни в какое сравнение с возможностями SATA 1.0 (теоретически - 1,5 Гбит/с).
2. SCSI. SCSI давно стал стандартным интерфейсом для рабочих станций и серверов. И хотя по деньгам SCSI обходится существенно дороже IDE, за эти деньги мы получаем гораздо большую пропускную способность, поддержку большего количества устройств на одном канале, гораздо большую длину кабелей (до 12 метров), поддержку внешних устройств и многозадачность. Обычная шина SCSI может нести на себе до 8 устройств, а широкая (wide) до 16. Сам SCSI контроллер занимает один адрес, а остальные 15 оставляет для подключаемых устройств (соответственно на узкой шине для устройств остается 7 адресов). Главное преимущество, главная сила SCSI выражается емким иностранным словом high-end, то есть самые быстрые, самые объемные жесткие диски имеют интерфейс SCSI. (5)

Технологии записи данных

1. Метод продольной записи. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. При этом вектор намагниченности домена расположен продольно, то есть параллельно поверхности диска. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности. Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.
2. Метод перпендикулярной записи. Метод перпендикулярной записи — это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных (на 2009 год) образцов — 400 Гбит на кв/дюйм.
3. Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording, HAMR). На данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». (1)

Современное состояние и перспективы развития жестких дисков

Жёсткий диск - компонент противоречивый. С одной стороны, он показал впечатляющий прирост ёмкости до современного уровня 1,5 Тбайт. С другой стороны, производительность росла совсем не с такой скоростью, с какой ёмкость. В результате жёсткие диски по-прежнему являются самым медленным компонентом любого современного компьютера.
Тенденция перехода на меньшие форм-факторы началась ещё много лет назад, когда 5,25" винчестеры были вытеснены 3,5" моделями, которые были легче в обслуживании, быстрее и надёжнее. Более высокие плотности записи позволили сократить потенциальные бреши в ёмкости, поскольку пластины меньшего размера хранят меньший объём данных при равных плотностях записи.
Однако при последующем уменьшении размера жестких дисков увеличится конкуренция с твердотельными накопителями. стоимость гигабайта хранения информации у флэш-накопителей улучшается быстрее, чем у компактных жёстких дисков. Вместе с тем и корпоративный сегмент начинает переходить на флэш-накопители, поскольку высокопроизводительные версии твердотельных накопителей обходят любые механические жёсткие диски.
Жёсткие диски не исчезнут в ближайшее время, но производителям жёстких дисков придётся фокусироваться на областях, где флэш-память не может обойти механические винчестеры: по стоимости на гигабайт в ёмких 3,5" настольных винчестерах; бытовых и корпоративных near-line системах хранения; а также по уровню стоимости в расчёте на производительность в корпоративных хранилищах.(4)

Заключение

На данный момент накопители на магнитных дисках и жесткие диски в частности остаются лидерами по использованию в PC, но постепенное снижение стоимости flash-накопителей может изменить положение дел.
Однако flash-память все еще не может соперничать с жесткими дисками по объему хранимой информации. Так что можно предположить, что магнитные накопители будут использоваться еще долгое время, по крайней мере для хранения больших объемов данных.

Список источников

1. Википедия, URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Жесткий_диск
2. gdpk.narod.ru, URL: http://gdpk.narod.ru/blok/discovod.html
3. Cyberguru, URL: http://www.cyberguru.ru/hardware/drives/hdd-faq.html
4. Tom’s hardware Guide, URL: http://www.thg.ru/storage/future_hdd_technologies_2008/index.html
5. storelab.ru, URL: http://www.storelab.ru/transport.htm