Накопители информации

Для записи данных на маг­нитный носитель необходимо сформировать код, который кроме непосредственно данных должен содержать и синхрони­зирующие сигналы. Предельно допустимую плотность измене­ния состояния намагниченности (Plux Density) определяют конст­руктивные особенности накопи­теля и физические свойства магнитного слоя. Эта плотность измеряется в количестве зон с различным состоянием намаг­ниченности на дюйм длины тре­ка (FCI — Flux Changes per Inch). В современных накопителях ве­личина FCI может достигать не­скольких тысяч.

Для записи информации на диск используются различные схемы кодирования (Data Encoding Scheme), различающи­еся по сложности реализации и эффективности работы. В пер­вых накопителях использова­лась частотная модуляция (FM — Frequency Modulation). При этом методе для каждого бита на треке отводится ячейка с ок­нами для представления бита и синхросигнала.

Модифицированная частотная модуляция (MFM — Modified Frequency Modulation) позволя­ет удвоить плотность записи при той же плотности измене­ния потока за счет того, что син­хросигнал вводится только при кодировании подряд следую­щих нулевых бит. Более эффективны схемы группового кодирования, при которых сектор предварительно разбивается на группы по не­сколько бит, которые кодируют­ся по определенным правилам.

Схема кодирования RLL (Run Length Limited) построена на ог­раничении длины неперемагничиваемых участков трека. Наи­более популярна схема RLL 2.7, в которой число таких ячеек ле­жит в диапазоне от двух до се­ми. Для накопителей с высокой плотностью используется, как правило, схема RLL 1.7, обеспе­чивающая большую надежность считывания.

Новое слово в технике запи­си и чтения информации с маг­нитных носителей привнесла технология PRML (Partial Response Maximum Likelihood), пришедшая из обла­сти телекоммуникаций. Тради­ционная технология считывания использует аналоговые пиковые детекторы сигналов воспроиз­ведения, последние декодиру­ются схемами считывания. Од­нако повышение плотности хра­нения данных приводит и к уси­лению межбитных помех, в ре­зультате чего задача считыва­ния усложняется. Технология PRML состоит из двух частей.

PR (Partial Response) — оциф­ровка аналогового сигнала с го­ловки и запись последователь­ности этих выборок в буфер. Для оцифровки больше всего подходит сигнал с магнитнорезистивной головки, поскольку его форма повторяет форму на­пряженности магнитного поля, в то время как индуктивные го­ловки имеют на выходе производную от напряженности. Следующий этап считывания предполагает цифровую фильтрацию записанного сигнала.

Вторая часть аббревиатуры— ML (Maximum Likelihood) — как раз и означает, что принятые фрагменты сигнала трактуются как группы закодированных бит по максимальной «похожести» формы отклика. Современная техника цифровой обработки позволяет выполнять высокоскоростное декодиро­вание PRML, обеспе­чивая скорость считывания да­же выше, чем при аналоговом декодировании RLL.

Структура трека — после­довательность секторов — за­дается при форматировании трека, а его на­чало определя­ется контролле­ром по сигналу индексного дат­чика. Нумерация секторов также задается контроллеру при фор­матировании и может быть дос­таточно произвольной, важен лишь тот факт, чтобы все секто­ра трека имели уникальные но­мера в пределах допустимого диапазона. При обращении к сектору он ищется по иденти­фикатору, если же после одного или нескольких оборотов диска сектор с требуемым номером не был найден, контроллер зафик­сирует ошибку SectorNotFound — сектор не найден. Задача по­иска сектора по его заголовку, помещение в поле данных сек­тора записываемой информации, снабженной контрольным кодом, считывание записанной информации и ее проверка лежит на контроллере накопителя. Кроме того, конт­роллер отвечает за поиск ука­занного цилиндра и коммутаци­ей головок в процессе выбора затребованного трека.

Существует несколько способов оптимизации дисков, имеющих конечной целью повышение производительности системы за счет увеличения сред­ней скорости обмена данными. Время, затраченное на обмен данными одного сектора, скла­дывается из времени поиска ци­линдра (Seek Time), времени ожидания подхода сектора к го­ловке (Latency Time) и времени обмена данными сектора между накопителем и контроллером и между контрол­лером и памятью компьютера, ко­торая является источником и пунктом назначе­ния хранимых данных.

Основ­ными факторами, определяющими эти параметры, являются факто­ры механические, такие как дости­жимая скорость позиционирования и скорость вращения диска. Последний па­раметр определяет и время ожидания диска, которое в сре­днем составляет половину от периода оборота диска, а также время непосредственной пере­дачи данных, которое примерно равно времени оборота диска, деленному на количество секто­ров на треке. Однако в силу то­го, что размер сектора невелик, одиночная передача сектора встречается довольно редко.

Таким образом, основной инте­рес представляет оптимизация процесса передачи некоторого блока данных, расположенного в соседних секторах. Вполне обычна ситуация, когда блок данных не умещается в преде­лах одного сектора. В этом слу­чае естественным было бы рас­положить продолжение блока на том же треке в секторе, имею­щем следующий номер, по­скольку для доступа к нему не­обходимо будет только дож­даться его подхода к головке. Когда емкость трека будет исчерпана, логично перейти на следующую поверхность того же цилиндра, для чего достаточно только пёреключить головки, что выполня­ется при помощи электроники. Когда все секторы цилиндра окажутся занятыми, необходи­мо перейти к следующему ци­линдру, что займет более замет­ное время для операции поиска, поскольку для этого требуется перемещение блока головок.

Существует целый класс дефрагментирующих программ, ко­торые занимаются тем, что раз­мещают все блоки файлов в по­следовательных секторах, то есть в секторах, упорядоченных по данному способу счета, впол­не обоснованно рассчитывая на то, что для дискового накопите­ля именно такой порядок запро­са секторов будет оптималь­ным.

При неизменных механичес­ких параметрах накопителя на магнитных дисках и том же чис­ле секторов на треке, имеется возможность повысить скорость обмена блоками данных за счет особого расположения секто­ров.

Представим себе ситуа­цию, когда необходимо считать (или записать) длинный блок данных, расположенный в вы­шеописанном естественном по­рядке на нескольких цилиндрах диска. Первым делом рассмот­рим пути и способы оптимиза­ции трека. В простейшем случае секто­ры на треке нумеруются после­довательно. После того, как тре­буемый сектор прошел под го­ловкой и содержащиеся в нем данные попали из накопителя в контроллер, который проверил их достоверность по контроль­ному коду, данные из контрол­лера передаются в память ком­пьютера, причем передача дан­ных может быть с записью в память контроллера и сквозной, без буферирования в контроллере. После анализа состояния опе­рации считывания, контроллер получает указание на считыва­ние следующего сектора, кото­рый к этому времени может ус­петь пройти под головкой, вследствие чего контроллеру придется ждать еще почти пол­ный оборот диска, прежде чем сектор не подойдет снова. Вы­ходом из подобной ситуации яв­ляется метод чередования сек­торов (Interleaving), при котором нумерация секторов на треке не является последовательной, а выглядит так, как показано ни­же.

_{1 9 17 8 16 7 15 6 14 5 13 4 12 3 11 2 10 1}

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

направление движения головки

Здесь изображена нумера­ция секторов в случае примене­ния фактора чередования (Interleaving factor) 2:1. В этом случае сектора с последова­тельными номерами располага­ются не последовательно, а че­рез один. Такие вставки необхо­димы для того, чтобы дать сис­теме время на обработку дан­ных, принятых из очередного сектора. Таким образом к мо­менту, когда к головке подходит следующий сектор, из которого необходимо считать данные, он как раз оказывается на подходе. Конечно, в данном способе оп­тимизации огромную роль игра­ет время обработки контролле­ром принятых данных, посколь­ку если контроллер обладает достаточными скоростными ха­рактеристиками, чтобы прини­мать цепочку секторов подряд, чередование секторов принесет лишь дополнительную задерж­ку, что ухудшит быстродействие системы.

Следует заметить, что в современных накопителях со встроенными быстродействующими контроллерами, способ­ными благодаря наличию бу­ферной памяти значительного объема произвести операцию записи или считывания всех се­кторов трека за один раз, чере­дование секторов не применя­ют, что, однако, можно рассмат­ривать и как применение фа­ктора чередова­ния 1:1. Тем не менее, на ста­рых компьюте­рах с медленны­ми контроллера­ми правильный выбор фактора чередования по­зволял увели­чить скорость обмена данными в несколько раз.

Рассмотрим теперь ситуа­цию, когда последний сектор трека считан и для продолжения считывания данных необходимо перейти на следующий трек. При переходе между треками в пределах одного цилиндра по­требуется всего лишь переклю­чение головок, на что уйдет по­рядка десятка микросекунд, од­нако дополнительную задержку при этом может вносить и сам контроллер. За это время пер­вый сектор следующего трека может успеть уйти, и опять при­дется ждать целый оборот дис­ка. Для того, чтобы этого не слу­чилось, применяют послойное смещение (Layer Skew) секто­ров, при котором начало следу­ющего трека цилиндра немного отстает от предыдущего.

Перемещение головок на со­седний цилиндр вносит более существенную временную за­держку — порядка нескольких миллисекунд. Для учета этой за­держки вводят радиальное сме­щение (Radial Skew) соседних цилиндров. При этом, если че­редование секторов довольно часто устанавливается про­граммно с указанием последо­вательности номеров секторов в команде форматирования тре­ка, то для задания послойного и радиального смещения обще­принятый программный интер­фейс отсутствует. Смещение применяют только для накопи­телей со встроенными контрол­лерами АТА или SCSI.

Допустимое количество сек­торов на треке определяется до­пустимой плотностью измене­ния магнитного потока, длиной трека и схемой кодирования данных. Длина трека определя­ется его диаметром: внешние треки, естественно, длиннее внутренних. В накопителях с внешним контроллером количе­ство секторов на всех треках принимается одинаковым. Это приводит к тому, что, поскольку число секторов на треке прихо­дится ограничивать по допусти­мой плотности магнитного пото­ка, внешние сектора оказывают­ся недогруженными. В накопи­телях с интерфейсом 57-506/412 для схемы кодиро­вания MFM на каждом треке размещали 17 секторов по 512 байт данных, а для схемы коди­рования RLL — 26 секторов.

В накопителях с интерфейсом ESDI, у которого сепаратор дан­ных с контроллера вынесли в блок накопителя, удалось увели­чить количество секторов на треке до 32-80. В накопителях на гибких дисках требование со­вместимости накопителей, у ко­торых могут несколько разли­чаться скорости вращения шпинделя, привело к снижению номинального числа секторов по сравнению с реально возмож­ным. По мере совершенствова­ния накопителей на гибких дис­ках этот резерв стали использовать для увеличения емкости носителя информации при нестандартном форматировании.

Зная количество секторов на треке, размер сектора и частоту вращения диска, не составляет труда определить максималь­ную скорость передачи данных между накопителем и контрол­лером. Посколь­ку линейная ско­рость поверхно­сти носителя от­носительно го­ловки на внут­ренних цилинд­рах меньше, чем на внешних, то для обеспечения нормальной за­писи при мень­шей скорости приходится при­менять так называемую предкомпенсацию записи. Для жест­ких дисков в CMOS Setup имеет­ся параметр WPcom (Write Precompensation), который пред­ставляет из себя номер цилинд­ра, начиная с которого контрол­лер должен вырабатывать сиг­нал предкомпенсации. В нако­пителях со встроенным контрол­лером этот сигнал игнорирует­ся.

Несколько уменьшить не­равномерность линейной плот­ности информации на внутренних и внешних цилиндрах удает­ся путем форматирования тре­ков с различным количеством секторов. Существенно увели­чить объем хранимой информа­ции по сравнению с фиксиро­ванным количеством секторов при тех же характеристиках но­сителя позволяет метод форма­тирования, называемый зонной записью (Zone Recording).

Суть данного метода заключается в том, что с учетом различия в длине треков ци­линдры разбива­ются на зоны, для которых при­нимается одина­ковое количест­во секторов на трек. Для внеш­них цилиндров количество сек­торов на трек принимается большим, чем для внутренних, при этом ско­рость передачи информации на внешних треках будет, естест­венно, больше, чем на внутрен­них, поскольку за один оборот диска между накопителем и контроллером будет передаваться большое количество секторов.

Встроенный в накопитель конт­роллер обычно скрывает от сис­темы физическое число секто­ров на треке, а для общения ис­пользуется логическая геомет­рия диска. Для накопителей с зонной записью затруднительно вычислить скорость передачи данных по числу секторов на треке и скорости вращения шпинделя, поскольку в докумен­тации обычно указывается чис­ло секторов. Иногда в паспорте к накопи­телям с зонной записью указы­вают максимальное и минимальное количество секторов на трек, что позволяет определить диапазон скоростей передачи данных.

Перед использованием магнитных дисков проводится низкоуровневоеформатирование (LLF - Low Level Formatting) — это процедура со­здания структуры секторов дис­ка. Процедура форматирования сводится к тому, что каждый трек диска размечается и проверяется. При разметке трека на нем фор­мируются заголовки секторов, а в поля данных записывается ка­кой-либо код-заполнитель. От­форматировать трек можно только целиком, за одну опера­цию должны быть записаны все его секторы. В процессе про­верки производится попытка считывания сектора, и если при этом возникает устойчивая ошибка, сектор помечается так дефектный.

Для гибких дисков низко­уровневое форматирование яв­ляется составной частью фор­матирования, которое выполня­ется при помощи утилиты Format или ей подобных. Во время форматирования жестких дисков производится формиро­вание структуры пакета дисков с учетом всех чередований, сме­щений и прочих тонкостей.

Низ­коуровневое форматирование накопителей со встроенными контроллерами (АТА, SCSI) про­граммными утилитами, не пред­назначенными для конкретной модели накопителя, недопусти­мо. Оно выполняется только из­готовителем при соблюдении всех тонкостей данного накопи­теля. Встроен­ные контролле­ры таких накопи­телей могут по-разному реа­гировать на ко­манду низко­уровневого форматирования. Эта команда мо­жет просто от­вергаться или контроллер мо­жет сделать вид, что формати­рование прошло успешно, не выполняя, однако, фактической переразметки секторов и, нако­нец, форматирование будет ре­ально выполняться, но при этом факторы смещения могут и не учитываться. В этом случае ре­зультатом выполнения команды в лучшем случае станет снижение скорости передачи данных в несколько раз, в худшем - полная потеря работоспособности накопителя.

Низкоуровневое форматирование, выполняемое пользователем с помощью обычных программ-утилит, допустимо лишь для накопителей с внешним контроллером, к которым относятся накопители на гибких дисках и винчестеры с интерфейсами ST-506/412 и ESDI. Для этих накопителей периодическое форматирование даже полез­но, поскольку их системы пози­ционировании разомкнуты и не имеют обратной связи, поэ­тому они постепенно уходят от начального расположения тре­ков.

По причине разомкнутости системы позиционирования подобных накопителей, их форматирование следует про­изводить в установившемся те­пловом режиме накопителя и носителя, по возможности при той температуре окружающей среды, при которой будет про­изводиться эксплуатация.

При переформатировании могут быть восстановлены в правах дефектные секторы, если они появились во время эксплуата­ции. Тем не менее бесперспек­тивно пытаться оживить секто­ры, помеченные дефектными изготовителем. Для накопите­лей с медленными контролле­рами интерфейсов ST—506/412 и ESDI, которые достаточно чувствительны к коэффициенту чередования, с помощью ути­литы форматирования можно найти оптимальное значение фактора чередования для кон­кретного накопителя в конкрет­ной системе, что может увели­чить его производительность.

Важнейшими критериями магнитных дисков являются:

- емкость,

- среднее время доступа,

- скорость передачи данных,

- объем аппаратной кэш-памяти (буфера).

Емкость стандартных гибких магнитных дисков диаметром 3,5¢¢ составляет 1,44 Мбайт (при двухсторонней записи на 80 цилиндров). Их среднее время доступа составляет 84 мс, максимальная скорость 62 Кбайт/с.

Емкость жестких магнитных дисков, более часто используемых для хранения информации, составляет несколько десятков Гбайт. Среднее время доступа около 10 мс, скорость передачи данных – до 20 Мбайт/с. Для увеличения скорости передачи данных используются диски с повышенной скоростью их вращения – до 10 000 об/мин. Увеличение скорости вращения приводит к заметному приросту передачи информации при больших объемах передаваемой информации.

Для подключения магнитных дисков используются два интерфейса: CSSI и IDE.

Устройства SСSI (Small Computer System Interface) подключаются через SCSI-контроллеры. Через один такой контроллер можно подключить до семи различных устройств. Как правило, SCSI - контроллеры имеют высокие скорости передачи информации.

Стандарт IDE (Integrated Device Electronics) имеет большее применение вследствие своей простоты изготовления и подключения устройств друг к другу.

Большинство современных жестких дисков поддерживают технологию SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology). С ее помощью жесткие диски могут самостоятельно проводить тестирование и отслеживать за многими своими неисправностями (до 253 параметров).

Все большее применение находят магнитооптические накопители (МО). Конструктивно они состоят из диска, покрытого слоем магнетика – материала с хорошими магнитными свойствами. Информация на диске представляется в виде чередующихся намагниченных участков – доменов, которые в зависимости от полярности кодируют либо логическую 1, либо 0.

Процесс записи информации в МО осуществляется путем нагрева лазерным лучом участков диска и намагничиванием этих участков магнитным полем противоположной полярности. При чтении данных используется поляризованный лазерный луч, который отражается от диска, изменяющего плоскость поляризации волны. Угол поворота определяется степенью намагниченности различных участков диска.

Емкость МО составляет – до 1 Мбайт, максимальная скорость чтения информации – до 4 Мбайт/с, время доступа – менее 28 мс.

Дата добавления: 2015-06-04