2.4.1. Накопители на гибких магнитных дисках

НГМД является устройством со сменным носителем информации. Он был впервые разработан в фирме IBM для загрузки диагностического ПО, причем диаметр ГД составил 8 дюймов (203 мм). В настоящее время НГМД используется во всех ППЭВМ, да и не только профессиональных, а также в мини- и суперминиЭВМ.

В ПЭВМ ГД (дискеты) служат для долгосрочного хранения программ, которые при необходимости загружаются в ОЗУ для выполнения, и данных, используемых или формируемых выполняемыми программами. В связи с появлением НГМД эта функция приобрела характер вспомогательной. Вместе с тем ГД как сменные носители информации продолжают играть в ПЭВМ важнейшую роль. Сменные носители информации необходимы для решения таких задач, как:

- резервирование (дублирование) информации;

- обеспечение конфиденциальности данных;

- транспортирование информации;

- распространение ПО.

Более ёмкие и быстродействующие НЖМД, как правило, не обеспечивают смену МД, а следовательно, не могут использоваться для выполнения перечисленных функций.

НГМД называют ПУ, в которое устанавливается ГД и которое обеспечивает как считывание, так и запись информации на него. Принцип записи заключается в намагничивании участков поверхности диска, что распознается при считывании.

НГМД состоит из следующих узлов:

1)      механического привода, обеспечивающего вращение ГД;

2)      Блока магнитных головок чтения/записи;

3)      Системы позиционирования магнитных головок, которая служит для их перемещения относительно поверхности дискеты в радиальном направлении;

4)      электронного блока, обеспечивающего управление накопителем и преобразование сигналов.

Двигатель привода включается только при доступе к накопителю по чтению или по записи. Следовательно, диск непрерывно не вращается.

НГМД имеет щель для установки дискеты. После ввода ГД эта щель обычно закрывается откидной заслонкой или дверцей. НГМД традиционно монтируется в системный блок ПЭВМ, однако выпускаются и такие дисководы, которые подключаются к машине с помощью кабеля (внешние НГМД).

Количество магнитных головок зависит от обслуживания числа рабочих поверхностей дискеты. В данный момент НГМД являются двухсторонними. Имеется возможность в двухстороннем дисководе работать с односторонней дискетой, а в одностороннем – с двухсторонней, но только с единственной его поверхностью.

Для подключения НГМД к ПЭВМ служит устройство, обычно называемом контроллером, а не адаптером (хотя мы об этом в подразделе 1.3 и не говорили).

Устройство дискеты указано на рис. 2.5. Она содержит гибкий пластмассовый диск (1) с магнитным покрытием, который помещен в пластиковый конверт (2) квадратной формы толщиной 2 – 3 мм. В этом конверте обеспечивается возможность вращения диска, сам же конверт выполняет защитные функции. На внутренние стороны конверта наклеены специальные подкладки, которые препятствуют повреждению ГД, уменьшают трение при его вращении, а также очищают поверхность диска от пыли и остающихся частиц магнитного покрытия. Информация считывается с диска (записывается на диск) через окно (3) овальной формы, вырезанное в конверте (для двухсторонних дисков- с двух сторон). Магнитные головки непосредственно соприкасаются с поверхностью диска, что сокращает срок службы последнего. На одной из боковых сторон конверта имеется прямоугольный вырез (4) разрешения записи. Открытый вырез означает, что для диска разрешены как чтение, так и запись. При заклеивании выреза светонепроницаемой полоской запись на диск аппаратно запрещается, что препятствует непреднамеренному, ошибочному или умышленному изменению информации на нем. Обойти эту защиту невозможно, если не использовать специальный дисковод. Многие производители предоставляют ПО без вырезов. Диск и конверт имеют круглые отверстия (5) для привода и круглые отверстия (6) небольшого диаметра для определения начала оборота ГД распознаётся НГМД при совмещении отверстий 6 диска и конверта. Для придания большей механической прочности диск вокруг внутреннего отверстия усилен специальными металлическими кольцами (7). Две небольшие выемки (8) в конверте служат для фиксации дискеты в дисководе.

Рис. 2.5. Устройство дискеты

 Информация на ГД размещается вдоль концентрических окружностей, называемых дорожками. Дорожки с одинаковыми номерами на различных поверхностях диска (в общем случае – пакета дисков) образуют цилиндр. Доступ к информации, записанной в одном цилиндре, осуществляется без перемещения магнитных головок. Каждая дорожка содержит определенное число секторов. Под сектором понимают участок дорожки МД, хранящий минимальную порцию информации, которая может быть считана с диска или записана на него. Каждый сектор имеет уникальный адрес. Между секторами имеется межсекторный интервал. Для ГД ёмкость сектора обычно составляет 512 байт. Описанную схему размещения информации на дисках иллюстрирует рис. 2.6. Более детально этот вопрос будет обсуждаться в подразделе 5.12. В настоящее время используются четыре различных метода записи информации на МД.

Качество НГМД определяется совокупностью  нижеприведенных характеристик:

1)      поддерживаемой ёмкостью носителя информации (дискеты);

2)      диаметром носителя информации;

 Рис. 2.6. Схема размещения информации на дисках

 3)      продольный (вдоль дорожки) плотностью записи информации, измеряемой числом бит на единицу длины или количеством секторов стандартного размера на дорожке;

4)      радиальной (по радиусу диска) плотностью записи информации, измеряемой числом дорожек на единицу длины или количеством дорожек на поверхности диска определенного диаметра;

5)      средним временем доступа, являющимся суммой среднего времени позиционирования (установки) блока магнитных головок на дорожке и среднего времени ожидания, требуемого для подхода к головкам нужного сектора;

6)      временем перемещения блока магнитных головок на соседнюю дорожку;

7)      скоростью чтения/записи;

8)      габаритными размерами;

9)      массой;

10)  энергопотреблением;

11)  стоимостью.

Конечно, многие из перечисленных технических характеристик не являются независимыми.

Различают ёмкость неформатированного диска и ёмкость после форматирования (разметки), которая несколько меньше предыдущей. Мы будем говорить, как правило, о той ёмкости, которая доступна пользователю, т.е. о ёмкости отформатированного диска. Характеристики, указанные в пп. 8 – 10, для стационарных ПЭВМ решающей роли не играют. Однако они чрезвычайно важны для портативных машин. В настоящее время в ПЭВМ широко используется НГМД, поддерживающие дискеты, характеристики которых представлены в табл. 2.3. Основные параметры дискеты (тип и диаметр в дюймах) указываются на ее конверте.

 Таблица 2.3.

Основные характеристики дискет

DS - двухсторонние (double sided)

DD - двойной плотности (double density)

HD - высокой плотности (high density)

Следует отметить, что фирма IBM игнорирует стандарт дискет DS/DD диаметром 133 мм (5,25 дюйма) ёмкостью 720 Кбайт. Однако дисководы такого типа широко распространены. Так, производители IBM-совместимых ПЭВМ (в том числе СНГ) предлагают модели, оборудованные японскими НГМД для работы с этим форматом дискет.

Дискета меньшей ёмкости, как правило, может использоваться в дисководе, рассчитанном на большую ёмкость (но нужны соответствующие драйверы); обратное же утверждение в общем случае неверно. Например, не удается использовать диск HD в НГМД типа DD.

Подчеркнем, что для первых двух форматах записи применяются одни и те же дискеты DS/DD, но различные дисководы.

Наибольшей популярностью в мире пользуется НГМД для 89-мм (3,5-дюйовых) дисков, первоначально разработанные японской фирмой Sony. Фирма IBM считает их стандартными для моделей PS/2. На отечественные ПЭВМ устанавливаются пока только 133-мм дисководы.

Фирма Sony уже выпустила 51-мм НГМД, которые начинают применяться в портативных ПЭВМ. Такой дисковод работает с дисками повышенной ёмкости (800 Кбайт на 50-ти дорожках при односторонней записи), имеет массу 200 г и размер 66х25х96 мм. Время доступа невелико благодаря повышенной скорости вращения диска (3600 оборотов в мин. вместо стандартной скорости 360 оборотов в мин.). Каждая дорожка имеет 4 физических сектора по 4096 байт, которые могут использоваться как логические секторы размером 256, 512 или 4096 байт. Масса диска составляет всего навсего 8,7 г.

Находят применение также 63,5-мм дисководы.

Среднее время доступа для ГД зависит от скорости перемещения магнитных головок, размера диска и скорости вращения диска. Оно намного выше аналогичного показателя для ОП и лежит в пределах 200 – 1000 мс. Скорость чтения/записи невысока и составляет 30 – 40 Кбайт/с.

Габариты НГМД имеют немаловажное значение при размещении их в системном блоке ПЭВМ. Так, например, 133-мм дисководы обладают длинной 203 мм, шириной 146 мм и высотой 82 мм. В последние годы появились устройства с так называемой половинной высотой (их высота в два раза меньше, чем у обычных устройств). Это позволило размещать два дисковода один над другим вместо одного.

Ёмкость ГД не удовлетворяет пользователей ПЭВМ, в связи с чем фирмы-разработчики НГМД предпринимают усиленные попытки ее увеличения, которые дали ощутимые результаты. Определить следующие два направления работ: увеличение ёмкости за счет совершенствования подсистем НГМД и использование новых принципов записи информации.

В рамках первого направления можно выделить два следующих подхода.

Известно, что в настоящее время применяются дискеты, радиальная плотность записи на которых ограничивается не их возможностями, а возможностями НГМД, в частности системы позиционирования и блока магнитных головок. Если бы удалось устанавливать магнитные головки с большой точностью, то удалось бы и увеличить ёмкость ГД. Ряд производителей дисководов решили эту задачу. Так, японская фирма Y-E Data еще в 1987 г. выпустила 133-мм НГМД ёмкостью 2,4 Мбайт информации, и 89-мм НГМД ёмкостью 2 Мбайт для обычных 133-мм и 89-мм дискет DS/HD соответственно. Очевидно, такой подход не сможет привести к качественному скачку в повышении ёмкости НГМД.

Специалистам фирмы Iomega удалось повысить ёмкость диска на другой основе. В разработанном ими накопителе быстро вращаются ГД огибают магнитную головку, что обеспечивается возникающими при этом потоками воздуха. Уравнения для описания последних предложил швейцарский математик Д.Бернулли еще в XVIII веке. В результате такого аэродинамического эффекта между головкой и поверхностью ГД образуется зазор. Именно стабильность зазора и позволила повысить плотность записи, а следовательно ёмкость диска. Данный подход уже позволил создать 133-мм накопитель Bernoulli Box II 44, поддерживающий хранение на специальной кассете 42,4 Мбайт информации, а также дисковод Bernoulli Transportable 90 на 90 Мбайт. Накопители данного типа обладают повышенной надежностью в работе и высоким быстродействием (приближающимся или сравнимым с быстродействием НЖМД), а сам диск – долговечностью, так как он никогда не соприкасается с магнитной головкой. Однако дисководы типа Bernoulli весьма дороги. Так, изделие Transportable 90 стоит 1099 долл.

В рамках второго направления разрабатываются дисководы, основанные на магнитооптическом методе записи, который состоит в следующем. На ГД располагаются нестираемые серводорожки, при помощи которых оптическая сервосистема с замкнутой обратной связью осуществляет точное позиционирование магнитных головок на дорожке (даже при деформации диска). Запись же и считывание информации осуществляется обычным способом. Такие дисководы позволяют существенно повысить радиальную плотность записи, но при этом нужны специальные гибкие магнитооптические диски. По описанному пути пошла фирма-разработчик стандартной 133-мм дискеты Insite Peripherals,  выпустив 89-мм НГМД ёмкостью 20,8 Мбайт со средним временем доступа 65мс. Скорость вращения диска составляет 720 оборотов в мин., а скорость чтения/записи 1,6 Мбайт/с. В недалеком будущем планируется выпуск и 100-Мбайт НГМД. Уже в 1989 г. американская фирма Brier Technology объявила о разработке 89-мм магнитооптического дисковода, на котором можно записать 40 Мбайт информации.