Методическая разработка урока "Внешняя память ПК"

Внешняя память ПК

План

1. Внешняя память и ее виды

2. Жесткий диск состав и назначение.

3. Интерфейсы винчестеров

4. Принцип работы жесткого диска

5. Магнитный принцип чтения и записи информации

Внешняя память - это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен компьютер

Внешние запоминающие устройства весьма разнообразны, их можно классифицировать по целому ряду признаков:

• По виду носителя;

• по типу конструкции;

• по принципу записи;

• по методу доступа и т.д.

Рассмотрим классификацию ВЗУ по виду носителя.

Н оситель – это материальный объект, способный хранить информацию.

Жесткий диск, он же Hard Disk Drive, HDD, винчестер, накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД),Это запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.

Устройство НЖМД

1. Гермоблок

2. Блок электроники.

Блок электроники

Зелёная закреплённая винтами пластина с проступающим узором дорожек, разъёмами питания и SATA называется платой электроники или платой управления (Printed Circuit Board, PCB). Она выполняет функции электронного управления работой жёсткого диска. Её работу можно сравнить с укладкой в магнитные отпечатки цифровых данных и распознание обратно по первому требованию. Например, как прилежный писарь с текстами на бумаге. 

Теперь снимем печатную плату (понадобиться отвертка «звёздочка» T-6) и изучим размещённые на ней компоненты.

Первым в глаза бросается большой чип, расположенный посередине – Система на кристалле (System On Chip, SOC). В ней можно выделить два крупных составляющих:

1. Центральный процессор, который производит все вычисления (Central Processor Unit, CPU). Процессор имеет порты ввода-вывода (IO ports) для управления остальными компонентами, расположенными на печатной плате, и передачи данных через SATA-интерфейс.

2. Канал чтения/записи (read/write channel) – устройство, преобразующее поступающий с головок аналоговый сигнал в цифровые данные во время операции чтения и кодирующий цифровые данные в аналоговый сигнал при записи. Так же выполняет слежение за позиционированием головок. Иными словами, создает магнитные образы при записи и распознает их при чтении.

Чип памяти (memory chip) представляет собой обычную DDR SDRAM память. Объём памяти определяет размер кэша жёсткого диска. На этой печатной плате установлена память Samsung DDR объемом 32 Мб, что в теории даёт диску кэш в 32 Мб (и именно такой объём приводится в технических характеристиках жёсткого диска), но это не совсем верно. Дело в том, что память логически разделена на буферную память (кэш) и память прошивки (firmware). Процессору требуется некоторый объём памяти для загрузки модулей прошивки. Насколько известно, только производитель HGST указывают действительный объём кэша в описании технических характеристик; относительно остальных дисков, о реальном объёме кэша остаётся только гадать. В спецификации ATA составители не стали расширять ограничение, заложенное в ранних версиях, равное 16 мегабайт. Поэтому, программы не могут отобразить объем более максимального.

Следующий чип – контроллер управления шпиндельным двигателем и звуковой катушкой, перемещающий блок головок (Voice Coil Motor and Spindle Motor controller, VCM&SM controller). На жаргоне специалистов – это «крутилка». Кроме того, этот чип управляет вторичными источниками питания, расположенными на плате, от которых питается процессор и микросхема предусилителя-коммутатора (preamplifier, preamp), расположенная в гермоблоке. Это главный потребитель энергии на печатной плате. Он управляет вращением шпинделя и движением головок. Так же при отключении питания переключает останавливающийся двигатель в режим генерации и полученную энергию подает на звуковую катушку для плавной парковки магнитных головок. Ядро VCM-контроллера может работать даже при температуре в 100°C.

Часть программы управления (прошивки) диска хранится во флэш-памяти (на рисунке обозначено: Flash). При подаче питания на диск микроконтроллер загружает сначала маленькое boot-ПЗУ внутри себя, а дальше переписывает содержимое флэш-чипа в память и приступает к исполнению кода уже из ОЗУ. Без корректно загруженного кода, диск даже не пожелает запускать двигатель. Если на плате отсутствует флэш-чип, значит, он встроен в микроконтроллер. На современных дисках (где-то с 2004 года и новее, однако исключение составляют жёсткие диски Samsung и они же с наклейками от Seagate) flash-память содержит таблицы с кодами настроек механики и головок, которые уникальны для данного гермоблока и не подойдут к другому. Поэтому операция «перекинуть контроллер» всегда заканчивается либо тем, что диск «не определяется в BIOS», либо определяется заводским внутренним названием, но все равно доступ к данным не даёт. Для рассматриваемого диска Seagate 7200.11 утрата оригинального содержимого flash-памяти приводит к полной потере доступа к информации, так как подобрать или угадать настройки не получится (во всяком случае, автору такая методика не известна).

Датчик удара (shock sensor) реагирует на опасную для диска тряску и посылает сигнал об этом контроллеру VCM. Контроллер VCM немедленно паркует головки и может остановить вращение диска. Теоретически, такой механизм должен защищать диск от дополнительных повреждений, но на практике он не работает, так что не роняйте диски. Ещё при падении может заклинить шпиндельный двигатель, но об этом позже. На некоторых дисках датчик вибрации обладает повышенной чувствительностью, реагируя на малейшие механические колебания. Полученные с датчика данные позволяют контроллеру VCM корректировать движение головок. На таких дисках установлено, кроме основного, ещё два дополнительных датчика вибрации. На нашей плате дополнительные датчики не припаяны, но места под них есть — обозначены на рисунке как «Vibration sensor».

На плате имеется ещё одно защитное устройство – ограничитель переходного напряжения (Transient Voltage Suppression, TVS). Он защищает плату от скачков напряжения. При скачке напряжения TVS перегорает, создавая короткое замыкание на землю. На этой плате установлено два TVS, на 5 и 12 вольт.

Электроника для старых дисков была менее интегрированная, и каждая функция была разделена на одну и более микросхем.

Теперь рассмотрим гермоблок.

Гермоблок жёсткого диска - высокоточное устройство, в котором взаимодействую несколько очень важных компонентов. Данное устройство состоит из следующих компонентов - шпиндельного двигателя, пакета магнитных пластин, блока магнитных голов, находящихся на гибких подвесах, сервопривода, постоянного магнита и коммутатора - предусилителя.

Рассмотрим назначение каждого компонента по отдельности:

1. Шпиндельный двигатель - это устройство, состоящее из двух компонентов - двигателя, сделанного на жидкостных подшипниках и шпинделя, к которому крепятся магнитные пластины. Скорость вращения шпинделя у современных жёстких дисков составляет 5400, 5900, 7200, 10000 и 15000 тысяч оборотов в минуту. Скорость вращения напрямую влияет на некоторые аспекты производительности накопителя.

2. Пакет магнитных пластин - это то самое место, на котором хранится наша ценная информация. Магнитные пластины современных жёстких дисков изготавливают из специальных биметаллических сплавов, обладающих очень маленьким коэффициентом температурного расширения с нанесением специализированного магнитного покрытия. Некоторые производители жёстких дисков в качестве основы используют стекло с напылением магнитного слоя. К основным характеристикам магнитных пластин можно отнести плотность хранения данных и чем выше она, тем более производительным будет жёсткий диск. У некоторых моделей жёстких дисков производители специально занижают плотность, тем самым уменьшая объём жёсткого диска. Делается это для уменьшения количества брака, неизбежно возникающего в результате производства. Поэтому, например, жёсткие диски Seagate 7200.12 ёмкостью 500Gb и 160Gb будут иметь разную производительность, естественно не в пользу младшего собрата.

3. Поворотная рамка сервопривода (позиционера) и постоянный магнит образую так называемый сервопривод. Это устройство занимается тем, что перемещает магнитные головки по поверхности магнитных пластин.

4. Блок магнитных голов. Прямым назначением данного устройства является чтение и запись информации. На устройство блока магнитных голов необходимо обратить особое внимание. Размер каждой головки меньше спичечной и это при том, что каждая из головок состоит из "канала чтения" и "канала записи". Переключением режимов чтения, записи, а так же выбором активной головки занимается специализированная микросхема, именуемая "коммутатор - предусилитель". Ещё одним немаловажным моментов является то, что у современных жёстких дисков головки "плавают" над поверхностью пластин на расстоянии несколько нанометров, а у самых современных, сделанных по технологии перпендикулярной записи ещё и могут изменять расстояние до магнитной пластины. Такие маленькие расстояния к сожалению очень пагубно сказываются на удароустойчивости современных жёстких дисков. В результате падения, либо сильной тряски магнитные головки могут задеть поверхность магнитных пластин и тогда происходит либо прилипание голов к пластине, либо обрыв магнитных голов, либо просто их повреждение. В некоторых случаях повреждаются и пластины - остаются царапины, которые нельзя отполировать, отшлифовать, программно обойти и т.д. К сидению !!! Подвесы, на которых находятся магнитные головки гибкие и во время работы головки "плавают" только за счёт воздушного потока, создаваемого вращением пластин !!! По этому будьте осторожны при работе с ноутбуком либо портативным жёстким дисков !!!

Интерфейс жесткого диска компьютера

Для начала давайте дадим определение понятию "интерфейс". Говоря простым языком (а именно им я и буду по-возможности выражаться, ибо блог то на обычных людей рассчитан, таких как мы с Вами), интерфейс - способ взаимодействия устройств друг с другом и не только устройств. Например, многие из вас наверняка слышали про так называемый "дружественный" интерфейс какой-либо программы. Что это значит? Это значит, что взаимодействие человека и программы более легкое, не требующее со стороны пользователя большИх усилий, по сравнению с интерфейсом "не дружественным". В нашем же случае, интерфейс - это просто способ взаимодействия конкретно жесткого диска и материнской платы компьютера. Он представляет собой набор специальных линий и специального протокола (набора правил передачи данных). То есть чисто физически - это шлейф (кабель, провод), с двух сторон которого находятся входы, а на жестком диске и материнской плате есть специальные порты (места, куда присоединяется кабель). Таким образом, понятие интерфейс - включает в себя соединительный кабель и порты, находящиеся на соединяемых им устройствах.

Виды интерфейсов

1. IDE

2. SATA

3. SCSI

Принцип работы жесткого диска

Информационные носители магнитного типа имеют довольно сложное строение, а вот принцип их функционирования довольно прост. Что нужно знать:

1. Двигатель, который вращает диск, включается при подаче питания на устройство и остается включенным до его снятия. Получается, если девайс включен в ПК, он работает, пока пользователь не выключит системник.

Примечание: если в разделе под названием «Power Management» в БИОСе был изменен параметр отключения HDD в случае отсутствия обращения к нему, то двигатель может выключить сама подсистема.

2. Каждая пара головок одета на «вилку», которая обхватывает каждый диск. Эта «вилка» перемещается над поверхностью. За это отвечает специальный серводвигатель — не шаговый, хотя такое заблуждение встречается довольно часто. 

3. У всех хдд есть запасные сектора. Схема управления аппаратом задействует их, если повреждается какой-то из основных.

Информация пишется на магниточувствительный материал. Такое покрытие очень тонкое (несколько микрометров) и обладает доменной структурой.

Совет: если нужен вместительный носитель, например, для видеоигр, то трехтерабайтный WD30EFRX подойдет. Он способен передавать 1200 Мбит данных в секунду.

Такой домен является малюсенького размера областью, которая содержится в ферромагнитных образцах и намагничена однородным образом. Она отделена от соседних с ней таких же зон тоненькими переходными прослойками. Их называют границами.

Винты записывают и считывают инфо по такому принципу:

• В то время, пока действует наружное силовое поле, его линии движутся в направлении, которое соответствует доменным областям. После того, как прекращается воздействие, остаются участки, которые становятся намагниченными. За счет этого и осуществляется сохранение данных.

• Когда записываются файлы, головка формирует наружное поле, о котором говорилось в предыдущем пункте. Когда данные прочитываются, области остаточной намагниченности, которые оказались напротив, образуют в ней электродвижущую силу.

• Направленность ЭДС меняется за конкретный временной промежуток. Такой процесс представлен в виде единицы в двоичной системе. Если же ничего не меняется, процесс отождествляется с 0.

• Закрепленная на кронштейне головка движется над требуемой дорожкой. Когда диск поворачивается, она размещается как раз над нужным сектором.

• Все головки движутся в одно и то же время, при этом они считывают данные с одинаковых треков различных пластинок.

• Внутренняя поверхность хранилища представляется размещенными подряд точечными позициями, которые представляют собой биты информации. Так как точное их местоположение нельзя определить, чтобы записать данные, нужны метки. Они наносятся заранее и играют роль навигатора. Чтобы их создать, диск и разбивается по трекам и секторам — форматируется.

• Организация доступа к данным, которые расположены на хдд, осуществляется благодаря передвижению головки по радиусу диска, а также за счет увеличения оборотов шпинделя.

Вопросы:

1. Перечислите основные компоненты накопителя на жестких дисках

2. Компонент который предотвращает повреждения и замыкания на плате жесткого диска

3. Перечислите интерфейсы винчестера и их отличия

4. Принцип работы жестких дисков, методы записи данных

5. Форматирование жесткого диска

.