Тех універ

ОБЧИСЛЮВАЛЬНА ТЕХНІКА ТА МІКРОПРОЦЕСОРИ

Принципи побудови мікропроцесорних систем.
Накопичувачі інформації.
Полтава – 2008

Навчальна література.
1.                Мюллер, Скотт. Модернізація і ремонт ПК, 16-е изд.: – М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. с. 677 – 723.

Вступ
Пристрої збереження даних (накопичувачі інформації) відносяться до зовнішньої пам'яті ПК -- вони дозволяють зберегти інформацію для наступного її використання незалежно від стану (включений або виключений) комп'ютера.

1 Загальні відомості про накопичувачі інформації. Накопичувачі на оптичних дисках
Зовнішня пам'ять принципово відрізняється від внутрішньої (оперативної і постійної) способом доступу процесора (програми, що виконується,) до цієї пам'яті. Накопичувачі оперують не байтами або словами, як, наприклад, оперативна пам'ять, а блоками інформації. Ці блоки (часто їх називають кластерами) звичайно мають фіксований розмір, кратний ступені числа 2. Блок може бути переписаний із зовнішньої пам'яті у внутрішню або назад тільки цілком, і для виконання будь-якої операції обміну з зовнішньою пам'яттю потрібна спеціальна процедура. Процедури обміну з пристроями зовнішньої пам'яті прив'язані до типу пристрою, його контролеру і способу підключення пристрою до системи (інтерфейсу).
У пристроях збереження даних можуть бути реалізовані різні фізичні принципи збереження інформації -- магнітний, оптичний, електронний у будь-яких їхніх сполученнях.
По методу доступу до інформації пристрої зовнішньої пам'яті розділяються на пристрої з прямим (або безпосереднім) і послідовним доступом. Традиційними пристроями з прямим доступом є дискові накопичувачі, і часто поняття "диск" і "пристрій зовнішньої пам'яті прямого доступу" вживають як синоніми. Так, наприклад, віртуальний диск в ОЗП і електронний диск на флеш -- пам'яті не мають ніяких круглих, а тим більше обертових деталей.
Традиційними пристроями з послідовним доступом є накопичувачі на магнітній стрічці (стрімери). Тут кожен блок інформації теж може мати свою адресу, але для звертання до нього пристрій збереження повинен спочатку знайти деякий маркер початок стрічки (тому), після чого послідовним "холостим читанням" блоків дібратися до необхідного місця і тільки тоді робити саме операції обміну даними. Звичайно, щораз повертатися на початок стрічки необов'язково, однак необхідність послідовного сканування блоків (вперед або назад) - невід'ємна властивість пристроїв послідовного доступу. Однак стрімери продовжують застосовуватися в зв'язку з високою надійністю збереження ними інформації.
Пристрої зовнішньої пам'яті можуть мати змінні або фіксовані носії інформації. Наприклад, накопичувачі на гнучких магнітних дисках (НГМД) використовують змінні носії -- дискети, а носії накопичувачів на твердих магнітних дисках (НЖМД) -- фіксовані.
Класифікація накопичувачів інформації представлена на рис. 1.
 SHAPE  \* MERGEFORMAT

Накопичувачі інформації.

З прямим доступом («диски»).

З послідовним доступом (накопичувачі на магнітній стрічці, стрімери).

Електронні (накопичувачі на флеш - пам'яті)

Магнітні

Магніто-оптичні

Оптичні CD-ROM, CD-W (CD-R), CD-RW, DVD, PD.

НГМД

НЖМД

Рис. 1. Класифікація накопичувачів інформації.
Основні характеристики пристроїв зовнішньої пам'яті
1.      Інформаційна ємність. Виміряється в кілобайтах, мегабайтах, гігабайтах і терабайтах.
2.      Час доступу. Визначається як усереднений інтервал від видачі запиту на передачу блока даних до фактичного початку передачі. Дискові накопичувачі мають час доступу від одиниць до сотень мілісекунд. Для електронних пристроїв зовнішньої пам'яті цей параметр істотно менше (частки мілісекунд або навіть мікросекунд), але сам запис або зчитування інформації може продовжуватися істотно довше, ніж у дискових накопичувачів.
3.      Швидкість запису і зчитування. Визначається як відношення обсягу записуваних даних, або даних, що зчитуються, до часу, затрачуваному на цю операцію.
4.      Швидкість передачі даних. Визначається як швидкість обміну даними, вимірювана після виконання пошуку даних.
5.      Відносна вартість збереження інформації. Визначається як відношення інформаційного обсягу носія інформації до його вартості.
1.1. Накопичувачі на оптичних дисках
Накопичувачі на оптичних носіях в основному призначені для вводу великих об'ємів інформацію в комп'ютер. Вони розділяються на наступні групи:
- CD-ROM -- Compact Disc Read-Only Memory – пам'ять тільки для читання на компакт-диску. Запис інформації проводиться на етапі фабричного виготовлення диска шляхом матричного копіювання і потім вона змінюватися не може.
- CD-R -- CD-Recordable – компакт-диск, що дозволяє запис. Випускається промисловістю в вигляді пустої болванки з сформованими доріжками для запису. Дозволяє проводити однократний запис на комп'ютері. Після запису інформація змінюватися або доповнюватися не може.
- CD-RW -- CD-ReWritable - компакт-диск, що дозволяє перезапис.
- DVD-ROM -- пам'ять тільки для читання на цифровому універсальному диску.
- DVD-R -- цифровий універсальний диск, що дозволяє однократний запис.
- DVD-RAM або DVD-RW, цифровий універсальний диск з довільним звертанням, або, інакше, цифровий універсальний диск, що дозволяє багатократний запис та читання.
Поверхня диску поділена на три області:
- вхідна (Lead In) – область в формі кільця, що ближче до центру диску. З цієї області починається читання диску, де розташовані: зміст диску (Volume Table of Contents – V); адреси записів; число заголовків, сумарний час запису (об'єм даних), назву диску (Disc Label).
- область даних.
- вихідна область (Lead Out), що має мітку кінця диску.
Вхідна область (Lead In) по стандарту ISO 9660 містить наступні поля:
1. Перші 16 секторів (з 0 по15) стандартом не визначені і можуть використовуватися для розміщення завантажника операційної системи.
2. Далі слідує головний паспорт тому, що находиться в логічному секторі 16, і містить:
-                     ідентифікатор системи, по якої записана інформація (32 байти);
-                     ідентифікатор тому (32 байти);
-                     ідентифікатор видавця (128 байтів);
-                     ідентифікатор особи, що відповідальна за видавництво тому, (128 байтів);
-                     імена трьох файлів, які можуть містить додаткову інформацію про диск;
-                     опис формату запису диску: розмір логічного блоку (звичайно 2048 байтів, але може бути 4096 байтів, 8192 байтів і більше); кількість блоків на диску; дата створення диску; дата закінчення строку служби диску;
-                     покажчик на кореневий каталог – номер блоку, в якому находиться каталог ;
-                     покажчик на каталог шляхів -  містить індексований список складу каталогів на диску, якій забезпечує для швидкого способу пошуку пунктів каталогу.
Запис даних на СD-ROM використовує наступні елементи:
- одиниця кодується перепадом між бугорком і впадиною на доріжки, ніль кодується або бугорком, або впадиною.
- байт записується RLL кодом, в якому для запису 8 біт даних використовується 14 біт коду плюс 3 біти злиття.
- кадр (Frame) – базова одиниця інформації, що включає 24 кодованих байтів плюс 180 біт для корегування помилок, тобто 1 кадр = 24´(14+3)+ 180 = 588 біт.
- сектор містіть 3234 кодованих байтів: 2352 інформаційних байтів та 882 байти для корегування помилок та управління. Така кількість надлишкових байтів для корегування помилок забезпечує якісне читання інформації з вірогідністю помилки на біт, рівної 10-10.
Основні фізичні та інформаційні характеристики оптичних носіїв представлені в таблиці 1.
Таблиця 1.

Тип диску	CD	DVD
Довжина хвилі лазеру, нм	780 (інфрачервоний)	650 та 635 (червоний)
Відстань між доріжками, мкм	1,6	0,74
Мінімальний розмір поглиблень, мкм	0,84	0,4
Швидкість обертання диску, об/хв	200 - 4200	570 – 1400
Ємність, Мбайт	680	4700 – одна сторона, один шар. 9400 – дві сторони, один шар. 8,5 - одна сторона, два шари. 17 - дві сторони, два шари.
Швидкість передачі інформації, Кбайт/с	150- 9000 (1х – 60х)	8300 – 10800 (CAV)

2. Накопичувачі інформації на магнітних дисках
2.1. Накопичувачі на гнучких магнітних дисках
Раніш у ПК використовувалися НГМД із дисками діаметром 5,25 дюйма. Сучасні НГМД (FDD -- Floppy Dіsk Drіve) використовують змінні носії -- гнучкі майларові диски з нанесеним на них магнітним покриттям діаметром 3,5 дюйми. Ці диски мають дві робочі поверхні, на кожній з яких розміщене 80 треків. Інформаційна ємність найбільш розповсюджених 3,5-дюймових дискет складає 1,44 Мбайт. Рідше використовуються дискети, що мають інформаційну ємність 720 Кбайт або 2,88 Мбайт. Частота обертання диска в НГМД складає 360 об/хв.
Голівки НГМД індуктивні. Голівка з нульовим номером розташовується знизу диска, перша голівка -- зверху. Голівки трохи зміщені відносно одна одної в радіальному напрямку, так що "циліндр" дискети насправді більше схожий на конус. У неробочому положенні голівки підняті над поверхнею диска на кілька міліметрів, а в роботі притискаються до поверхні диска пружинами.
Контролер гнучких дисків (FDC) звичайно розміщується на системній платі ПК. НГМД підключається до контролера через спеціальний стандартний інтерфейс. Контролер з інтерфейсним кабелем дозволяє підключати до ПК і адресувати два (рідше чотири, при наявності двох інтерфейсних кабелів) накопичувача, при цьому вони будуть мати імена А: і В:. В даний час НГМД вважаються морально застарілими накопичувачами і поступово витісняються оптичними накопичувачами і flash - пам'яттю.
2.2. Накопичувачі на жорсткому магнітному диску (НЖМД).
НЖМД (HDD - Hard Dіsk Drіve) є одним з основних компонентів будь-якого сучасного комп’ютера, і, крім того, одним із самих складних і ненадійних його компонентів. Тому для правильної експлуатації комп’ютера та зменшення імовірності втрат важливої інформації необхідно чітко уявляти собі конструкцію, принципи функціонування та можливості сучасних НЖМД.
Загальний устрій накопичувача
Конструктивно НЖМД складається з двох основних частин – герметизованого блока (HDA) і плати електроніки (PCB). У гермоблоці розташовані всі механічні компоненти (пакет магнітних дисків, насаджений на шпиндель двигуна, магнітні головки з системою позиціювання) а також мікросхема попереднього підсилювача-комутатора, що забезпечує підсилювання сигналу з головок та переключення між ними. Механічні компоненти гермоблоку зображені на рис. 2.

Рис. 2. Компоненти гермоблоку НЖМД.
На платі електроніки, яка розміщується за межами гермоблоку, встановлені мікросхеми, що керують механічними вузлами, кодуванням-декодуванням даних та прийомом-передачею інформації через зовнішній інтерфейс.
Структурна схема накопичувача зображена на рис. 3.

БМГ – блок магнітних головок; ШД – шпиндельний двигун; ПП – попередній підсилювач; КЗЧ – комутатор запису-читання; КГ – кварцовий генератор; ПЗП МП – постійна пам'ять мікропрограм; МБ – менеджер буфера; БОЗП – буферна пам'ять (або кеш-пам'ять НЖМД).
Рис. 3. Структурна схема НЖМД
Поверхня головки звичайно керамічна. У процесі функціонування НЖМД головки «летять» над поверхнею дисків на відстані у десяті долі мікрометра. Привод, що позиціює блок головок, складається з обмотки та постійного магніту, аналогічний за устроєм електродинамічному гучномовцю, тому і отримав назву Voice Coil (звукова котушка). За допомогою «звукової котушки», яка забезпечує безперервне, плавне переміщення головок, позиціювання виконується точніше, ніж за допомогою крокових двигунів, що використовувалися у якості позиціонерів головок НЖМД раніше.
Для запису інформації на ЖМД використовують різні методи частотної модуляції. Інформаційна ємність сучасних НЖМД досягає сотень гігабайт.

Форматування дисків
Вихідний стан будь-якого ЖМД після його виготовлення – це однорідна магнітна поверхня, яку умовно можна уявити як невпорядковану сукупність дібітів – елементарних ділянок, що можуть, за рахунок залишкової намагніченості, зберігати один біт інформації. Зрозуміло, що для організації зберігання інформації, її запису, пошуку та читання, необхідно цю сукупність яким-то чином впорядкувати.
Перш за все, групи дібітів об’єднуються у «інформаційні кільця» -- доріжки або треки (см. рис. 4). Зменшення відстані між доріжками збільшує інформаційну ємність диска, але воно не може бути занадто малим, із-за наявності взаємного впливу один на одного дібітів, які розташовані на сусідніх доріжках. Нумерація доріжок починається з нуля, нульова доріжка завжди розташована з зовнішнього боку диска.
Якщо накопичувач має декілька робочих поверхонь, (тобто на шпинделі розміщений пакет дисків, а в кожного диска можуть використовуватися обидві поверхні), то сукупність усіх доріжок з однаковими номерами називають циліндром. Для кожної робочої поверхні в накопичувачі є своя головка, що забезпечує запис і зчитування інформації.
Для забезпечення точного позиціювання БМГ на необхідну доріжку (циліндр) на поверхню диска наносяться сервісні мітки. Нанесення серворозмітки виконується тільки у заводських умовах і є базовим, найбільш низькорівневим елементом форматування ЖМД.
Взагалі розрізняють два типи форматування магнітних дисків – фізичне (або форматування низького рівня) і логічне (форматування високого рівня). Для жорстких дисків, на відмінність від гнучких, існує і третій етап, що виконується між фізичним та логічним форматуванням – розбивка диска на розділи.
Розглянемо основний вміст операцій, що виконуються на кожному етапі.

Індексний маркер

 

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

Дібіт

Доріжка

Сектор

Кластер = 2n секторів

Нульова доріжка

Рис. 4. Розмітка та елементи інформаційної структури жорсткого магнітного диска
Форматування низького рівня
Фізичне форматування ЖМД завжди виконується однаково, незалежно від властивостей операційної системи і параметрів форматування високого рівня (які можуть відрізнятися для різних операційних систем).

В процесі форматування доріжки диска розподіляються на сектори (см. рис. 4).
Сектор є мінімальним блоком інформації, що може бути записаний на диск або зчитаний з нього. Нумерація секторів починається з одиниці і прив'язана до індексного маркера.
Кожен сектор має визначену структуру (формат) та фіксований розмір (звичайно, 571 байт, з яких 512 байт доступні для зберігання даних користувача. Типовий формат сектора зображений на рис. 5.
Сектор звичайно складається заголовка (префікса), області даних і завершення (суфікса). Початок сектора визначається спеціальним байтом - адресним маркером (1). Далі йдуть комірки, що містять адресу сектора у спеціальному форматі CHS (2) та його контрольна сума -- для перевірки цілісності адреси (3). Дані користувача розмішуються у окремої області (4), до якої при запису додається декілька десятків байт «надлишкової» інформації, що призначена для корекції помилок читання за допомогою ECC-коду (5). Для перевірки цілісності даних користувача також використовується циклічна контрольна сума (6). Для більш надійного функціонування сектора при нестабільності швидкості обертання диску у структурі сектора є «порожні» області – «байти – пробіли» (7).

Заголовок (префікс)

Область даних

Завер-шення (суфікс)

Рис. 5. Формат сектора
В процесі форматування низького рівня виконується запис заголовків та завершень секторів, формуються інтервали між секторами та доріжками. Область даних кожного сектора заповнюється довільними (або спеціальними тестовими) наборами даних з формуванням відповідних контрольних сум, а також перевірка читаності кожного сектора шляхом порівняння (верифікації) відповідності вмісту області даних сектора та контрольної суми. У випадку виявлення непоправних помилок зчитування в заголовку сектора робиться позначка про його дефектність.
Форматування ЖМД низького рівня в повному обсязі може бути виконано тільки заводських умовах, або за допомогою спеціальних сервісних програм, що розповсюджуються фірмами-виробниками для сервісних центрів та ремонтних майстерень.

Розбивка диска на розділи
Розбивка диска на розділи дозволяє сполучати на одному НЖМД декілька операційних систем, що мають різні файлові системи. У таблиці 2 наведений перелік файлових систем, які використовують найбільш розповсюджені дискові операційні системи.
Таблиця 2

Операційна система	Файлова система
	File Allocation Table (FAT)	File Allocation Table, 32 bit (FAT-32)	Windows NT File System (NTFS)
MS DOS	+
WINDOWS 9X	+	+
WINDOWS NT (2000, XP)	+	+	+

Різні файлові системи використовують і різні методи розподілу файлів по логічним елементам, що мають назву кластерів. Кластер – це одиничний блок дискової пам’яті, що записується або зчитується як єдине ціле. Кластер складається з одного або декількох секторів (см. рис. 6), найчастіше – з 2ⁿ секторів.
Створення розділів на диску виконується за допомогою програм FDISK (MS DOS, WINDOWS 9X), або DISKPART (WINDOWS XP). Слід пам’ятати, що вбудовані у операційні системи програми FDISK і DISKPART не дозволяють змінювати розміри вже існуючих розділів – тільки створювати або видаляти їх зі знищенням інформації. Для управління розділами без знищення інформації можна користуватися, наприклад, програмою Partition Magic.
Форматування високого рівня
При форматуванні високого рівня операційна система створює логічну структуру диска, тобто структури для роботи файлами. Простір розділу розподіляється на кластери, в кожний розділ (логічний диск) записується завантажувальний сектор тому (Volume Boot Sector – VBS), дві копії таблиці розташування файлів (FAT) і кореневий каталог (Root Directory).
За допомогою цих структур даних операційна система розподіляє дисковий простір, стежить за розташуванням та цілісністю файлів, а також «обходить» дефектні ділянки диску. Таким чином, логічне форматування не знищує повністю інформацію на диску, а тільки очищує зміст розділу та таблиці розташування файлів. Форматування високого рівня виконується командою FORMAT (MS DOS), або аналогічними командами інших операційних систем.
Поняття про S.M.A.R.T.
Сучасні технології виробництва магнітних дисків не дозволяють виготовляти їх без дефектів поверхні. Крим того, у процесі експлуатації відбувається старіння магнітного покриття та зношування механічних частин НЖМД. Тому за останні 10 років виробники НЖМД запропонували набір технологій, що дозволяють не тільки «ховати» дефекти поверхні (bad-сектори), але і виконувати постійний контроль (моніторинг) стану визначених параметрів НЖМД і навіть пророкувати появу помилок та деяких пошкоджень накопичувачів.
Це, зрозуміло, суттєво ускладнило програмну (логічну) організацію НЖМД. По-перше, збільшилась кількість службових програм та інформаційних структур, необхідних для забезпечення функціонування диска. Крім формату низького рівня до службової інформації відносяться серворозмітка, резидентні службові мікропрограми (в тому числі і тестуючи), таблиці конфігурації і настройки НЖМЖ та інше. Частина цих програм та структур записується у ПЗП НЖМД, частина – у спеціальну службову область диску, що звичайно недоступна користувачу. Таким чином, виникла необхідність використання спеціального транслятора фізичного простору ЖМД у логічний – з метою «схову» від користувача деяких спеціальних областей диска. Типова організація логічного простору ЖМД зображена на
рис. 6. Логічний простір – це, фактично, робоча область диска, що доступна користувачу. Крім службової та робочої областей на диску завжди є резервна область. Сектори резервної області призначені для заміни пошкоджених секторів робочої області.

Рис. 6. Типова організація логічного простору НЖМД.
При виконанні заводського тестування нового НЖМЖ в службової області диска створюється таблиця дефектів (Primary List або P-List), у яку записуються адреси дефектних секторів робочої області. Потім, при виконанні форматування низького рівня, дефектні секторі ігноруються транслятором, тобто не отримують логічних адрес. У результаті логічний адресний простір секторів робочої області виявляється безперервним, а дефектні області поверхні – недоступними. Для вирівнювання інформаційної ємності накопичувача до стандартної, транслятор додає до робочої області частину секторів резервної області. Тому всі нові ЖМД мають «бездефектну» поверхню і інформаційний обсяг, заявлений виробником.
Якщо дефектні сектори виникають у процесі експлуатації НЖМД, заміна їх виконується аналогічним чином для більшості сучасних накопичувачів – автоматично. Але таки випадки регіструються та рахуються системою контролю S.M.A.R.T. і за допомогою спеціальних програм користувач завжди має можливість отримати інформацію про реальний стан поверхні ЖМД.
Взагалі, S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) – це виробничий стандарт, створений у 1995 році, якій описує методи пророкування помилок НЖМД. Якщо система S.M.A.R.T. активізована, вона слідкує за декількома (від 5-7 до десятків для різних моделей НЖМД) параметрами накопичувача і, на основі тенденції їх змінювання, визначає імовірність суттєвих збоїв НЖМД у найближчому майбутньому. Якщо ця імовірність висока, S.M.A.R.T. генерує звіт (попередження), який вказує користувачеві на необхідність резервного копіювання даних.
Для кожного параметра, який контролюється S.M.A.R.T., виробником встановлюється вихідне значення («ідеальний стан» по даному параметру, найчастіше використовуються значення 255 або 100 «умовних одиниць»). Це значення у процесі функціонування може поступово зменшуватися під впливом різних факторів. Друге значення кожного параметра, що встановлюється виробником і не може бути змінено – це граничне, «найгірше» значення. Досягнення деяким параметром граничного значення не означає негайної «катастрофи» з втратою даних, але вказує на неприпустиме зниження надійності НЖМД.
Нажаль, єдиного для всіх накопичувачів набора параметрів S.M.A.R.T. не існує, кількість параметрів, їх «ідеальні» та граничні значення визначаються фірмою – виробником і повної документації з цих питань, зрозуміло, також не існує. Але е деякий «базовий» набір, що підтримується більшістю виробників. Наприклад:
Raw Read Error Rate – частота появлення помилок при читанні з диска;
Reallocated Sectors Count – кількість «схованих» в процесі експлуатації диска пошкоджених сектрів;
Seek Error Rate – кількість помилок позиціювання БМГ;
Power-On Hours – загальна кількість часу знаходження у включеному стані.
Одною з найбільш простих та популярних безкоштовних програм для постійного S.M.A.R.T. – моніторингу НЖМД для операційної системи WINDOWS XP є HDD Health від PANTERASoft.

В И С Н О В О К
Пристрої збереження даних (накопичувачі інформації) відносяться до зовнішньої пам'яті ПК -- вони дозволяють зберегти інформацію для наступного її використання незалежно від стану (включений або виключений) комп'ютера.
Зовнішня пам'ять принципово відрізняється від внутрішньої (оперативної і постійної) способом доступу процесора (програми, що виконується,) до цієї пам'яті. Накопичувачі оперують не байтами або словами, а блоками інформації. Ці блоки (кластери) звичайно мають фіксований розмір, кратний ступені числа 2. Блок може бути переписаний із зовнішньої пам'яті у внутрішню або назад тільки цілком, і для виконання будь-якої операції обміну з зовнішньою пам'яттю потрібна спеціальна процедура (підпрограма).
У пристроях збереження даних можуть бути реалізовані різні фізичні принципи збереження інформації - магнітний, оптичний, електронний у будь-яких їхніх сполученнях.
Пристрої зовнішньої пам'яті можуть мати змінні або фіксовані носії інформації.
Для того щоб магнітний диск можна було використовувати для запису і зчитування інформації, він повинний бути відформатований. Процес форматування можна розділити на два етапи (рівня): низькорівневе форматування та форматування високого рівня.
В оптичних дисках принцип збереження інформації заснований на зміні оптичних властивостей поверхні носія.