Полная версия

Главная arrow Информатика arrow Архитектура ЭВМ и систем

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

11.2. Накопители на гибких магнитных дисках

Общие сведения

Накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД, или FDD – Floppy Disk Drive) предназначен для хранения информации объемом порядка нескольких мегабайт. Его изучение позволит более глубоко понять принципы организации дисковых магнитных накопителей. В состав подсистемы памяти на НГМД входят:

  • дискета (Floppy Disk) – непосредственный накопитель информации. Одной из ее составных частей является гибкий магнитный диск. Название гибкий связано с тем, что сам диск, выполненный из тонкой пластиковой пластины с нанесенным магнитным слоем, является гибким. Гибкий диск помещается в специальный конверт-футляр;
  • дисковод (Disk Drive) – механическое устройство для записи информации на дискету и считывания с нее;
  • контроллер (Controller) – устройство управления дисководом в режимах записи/считывания;
  • • многожильный кабель иля подключения дисковода к контроллеру. Высокий уровень стандартизации аппаратных и программных средств позволяет использовать НГМД в качестве универсальных средств для обмена информацией между различными компьютерами.

Дискеты

Известно два формата дискет: 3-дюймовые дискеты с диаметром диска 3,5" и 5-дюймовые – с диаметром 5,25", где " – дюйм, при этом 1" = 25,4 мм.

Конструктивное оформление дискет. Дискета любого формата представляет собой конверт-футляр квадратной формы, в котором размещается пластмассовый диск с нанесенным на его поверхность магнитным слоем. Внутренняя поверхность конверта покрыта мягким материалом для защиты магнитного слоя от пыли и повреждений при вращении диска. В конверте имеется вырез, через который магнитные головки соприкасаются с магнитным слоем в процессе записи/чтения. В конструкции диска предусмотрены элементы для механической связи с электроприводом. Дискета располагает средствами защиты от записи.

На рис. 11.7,а показан вид 3-дюймовой дискеты с тыльной стороны. Конверт-футляр дискеты выполнен из пластмассы и надежно защищает магнитный диск от механических воздействий. Чтобы вставить дискету в дисковод с требуемой ориентацией сторон, один угол конверта имеет срез.

Вид 3-дюймовой дискеты с тыльной стороны (а) и логическая структура диска (б)

Рис. 11.7. Вид 3-дюймовой дискеты с тыльной стороны (а) и логическая структура диска (б)

В верхней части дискеты расположена скользящая крышка с окном для записи/чтения, которая предназначена для зашиты магнитного слоя диска от пыли и повреждений. После установки дискеты в дисковод скользящая крышка сдвигается вправо, открывая через окно и вырез в конверте доступ магнитным головкам к магнитному слою диска для записи/чтения.

В правой нижней части дискеты имеется окно защиты от записи. Если задвижка окна находится в нижнем положении, как показано на рис. 11.7,а, окно открыто и дискета защищена от записи. Запись разрешена в верхнем положении задвижки, когда окно закрыто. В левой нижней части дискеты имеется окно идентификации дискет емкостью 1,44 Мбайт. В дискетах емкостью 720 и 2880 Кбайт такое окно отсутствует.

Для механического сопряжения дискеты с приводом в конверте- футляре имеется вырез круглой формы, через который осуществляется связь диска с механизмом привода. Вырез прямоугольной формы в центральной части диска выполняет функции фиксатора.

Логическая организация дискет. Информация хранится в магнитных слоях, расположенных на обеих сторонах диска. Для упорядочения записи и чтения информации поверхность диска разбивается на отдельные участки, совокупность которых образует логическую структуру дискеты. Процесс создания логической структуры дискеты называется форматированием. Форматирование выполняется программным способом с помощью специальной команды. Например, для DOS используется команда FORMAT. В процессе форматирования поверхность диска разбивается на дорожки (Tracks) и секторы (Sectors). Количество дорожек и секторов определяется качеством материала магнитного слоя. На рис. 11.7,6 приведена логическая структура диска, имеющего 80 дорожек и 18 секторов. Дорожки, секторы и стороны диска нумеруются, начиная с нуля. Минимальной физической единицей, отводимой на диске для хранения информации, является сектор одной дорожки, или абсолютный сектор. Общее количество абсолютных секторов дискеты определяется произведением числа сторон N, числа дорожек D на стороне, числа секторов S на дорожке и для приведенной логической структуры (рис. 11.7,6) составляет:

Каждый сектор имеет собственный адрес, указанный в его заголовке. Секторы отделены друг от друга пробелами. Количество байт, которое можно записать в сектор, зависит от операционной системы. Для DOS размер сектора составляет 512 байт. Емкость V дискеты определяется произведением общего числа секторов Sa на число байт в секторе В:

Известно три стандарта 3-дюймовых дискет:

  • • стандарт двойной плотности (DD – Double Density). Такие дискеты имеют 80 дорожек и 9 секторов. Их емкость составляет 720 Кбайт;
  • • стандарт высокой плотности (HD – High Density). Такие дискеты имеют 80 дорожек и 18 секторов. Их емкость равна 1440 Кбайт. Основу магнитного слоя дискет составляет феррит кобальта, толщина слоя – 1 мкм;
  • • стандарт сверхвысокой плотности (ED – Extra-high Density). Такие дискеты имеют 80 дорожек и 36 секторов. Их емкость равна 2880 Кбайт. Основу магнитного слоя дискет составляет феррит бария, толщина слоя – 2,5 мкм. Толстый магнитный слой позволяет использовать способ вертикальной записи, при котором домены ориентированы перпендикулярно поверхности диска и располагаются более компактно, чем при горизонтальной записи, что повышает плотность записи данных.

Все 3-дюймовые дискеты имеют магнитный слой с обеих сторон диска (стандарт DS – Double Sided).

При форматировании на диске выделяются две области: системная область и область данных.

Системная область. Эта область находится в самом начале обеих сторон диска, занимая несколько килобайт. В системной области располагаются:

  • загрузочная запись, содержащая информацию о физических характеристиках диска (размер сектора в байтах, число секторов на дорожку, число абсолютных секторов, число головок и т.д.) для драйверов различных устройств и программу начальной загрузки, которая используется для пуска компьютера после включения питания или системного сброса. Эта программа проверяет наличие на диске системных файлов. При их наличии (диск является системным) инициируется загрузка операционной системы в память компьютера, после чего управление компьютером передается операционной системе. При отсутствии системных файлов компьютер выдает сообщение об ошибке. В этом случае необходимо удалить дискету из дисковода либо установить системную дискету;
  • таблица размещения файлов (File Allocation Table – FAT), предназначенная для идентификации информации на диске. В таблице содержится опись размещения всех данных (файлов и каталогов, или папок), хранящихся на диске. Единицей измерения данных служит кластер, который в зависимости от типа дискеты занимает один или два соседних сектора. Следует иметь в виду, что кластеры файла могут находиться в разных местах диска. Файл с таким размещением кластеров называется фрагментированным. Таблица содержит две колонки. В одной из них размещается список номеров (начиная со второго) кластеров из области данных, в другой – список чисел, дающий информацию о кластерах. Для каждой записи в FAT отводится 12 двоичных разрядов или 3 шестнадцатеричных разряда. Строка второй колонки может содержать одну из следующих записей, которые представим 16-разрядным кодом:
    • 000Н – кластер свободен;

ХХХН – номер следующего кластера в файле;

FF8 + FFFH – последний кластер файла;

FF7H – дефектный кластер;

FF0 + FF6H – зарезервированный кластер.

В табл. 11.1 приведен пример, иллюстрирующий особенности записей файлов А и В в FAT. Файл А располагается в кластерах 2, 5, 9, 10, 11, файл В – в кластерах 3, 4, 7, 8. Об этом свидетельствуют записи во второй колонке. Кластер 6 является дефектным, а кластеры 12, 13 – свободными.

Таблица 11.1

Номер кластера

Запись в FAT

Пояснения к записи в FAT

2

5

Номер следующего кластера файла А

3

4

Номер следующего кластера файла В

4

7

Номер следующего кластера файла В

5

9

Номер следующего кластера файла А

6

FF7H

Дефектный кластер

7

8

Номер следующего кластера файла В

8

FF8 – FFFH

Последний кластер файла В

9

10

Номер следующего кластера файла А

10

11

Номер следующего кластера файла А

11

FF8 – FFFH

Последний кластер файла А

12

000Н

Свободный кластер

13

000Н

Свободный кластер

Таблица размещения файлов настолько важна, что операционная система дополнительно создает ее копию, которая применяется для восстановления поврежденных дисков. Любое изменение данных на диске отражается в обеих таблицах FAT;

корневой каталог, представляющий собой сводку записей, каждая из которых имеет длину 32 байта и содержит информацию о файле или (под)каталоге. Для системного диска первые два файла в корневом каталоге содержат интерфейсные программы BIOS и ядро операционной системы. Как указывалось выше, они используются программой начальной загрузки. Для каждого типа диска размер корневого каталога фиксирован. Например, на диске формата 3,5" емкостью 1,4 Мбайт размер корневого каталога составляет 14 секторов (512 х 14 = 7168 байт). Поэтому максимальное число записей в корневом каталоге равно 7168: 32 = 224. Для размещения на диске большего числа файлов необходимо создавать (под)каталоги. В отличие от корневого каталога подкаталоги могут иметь любой размер и размещаться в любой области данных.

Каждая запись корневого (и любого другого) каталога содержит поля, под каждое поле отведено определенное количество байтов. В табл. 11.2 показано распределение 32-байтового слова по отдельным полям и приведено краткое их описание.

Таблица 11.2

Байты

Назначение

11

Имя файла в кодах ASCII. Имя файла разделено на 8-байтное основное имя и 3-байтное расширение. Между основным именем и расширением ставится точка.

Если первый байт имени файла состоит из нулей, то этот файл не используется и фиксирует конец записей каталога.

Если первый байт имени файла содержит код Е5Н = 229ю, то это является признаком удаления файла. При удалении файла в корневом каталоге остается номер начального кластера файла, его длина и сами данные в кластерах. Поэтому случайно удаленный файл можно восстановить, если в кластеры не записаны новые данные

1

Байт атрибутов файла. Единичное значение каждого из шести младших битов B5...B0 байта отражает один атрибут файла. Ниже приведены двоичные коды атрибутов:

  • 00000001 – файл только для чтения (запрещается изменение содержимого файла);
  • 00000010 – скрытый файл (не выводится в листинги каталогов);
  • 00000100 – системный файл (только для чтения);
  • 00001000 – метка тома до 11 символов (предназначена для идентификации диска);
  • 00010000 –каталог (имеет такое же имя, как и файл);
  • 00100000 – атрибут архивации. используемый при резервном копировании. Атрибут устанавливается после создания или модификации файла и сбрасывается после того, как программа архивации скопирует файл. Таким образом, всегда известно, с каких файлов снята копия, а с каких нет.

Файл может иметь несколько атрибутов одновременно

10

Резервные байты. Байты предназначены для будущего использования

2

Время создания или последней модификации файла. Отдельные биты #15.../¾ 2-байтового слова используются следующим образом:

#15#14#13#12#ц – число часов: 00, 01,02,..., 23;

#i0#9#s#7#6#5 – число минут: 00,01,02,..., 59;

#4#з#2#|#о – число секунд: 00, 02, 04,..., 58

2

Дата создания или последней модификации файла. Отдельные биты #15.../¾ 2-байтового слова используются следующим образом:

#i5#i4#i3#i2#i 1 – день месяца: 01,02, 03,..., 31;

#ю#9#8#7 – месяц: 01, 02,03,..., 12;

#б#5#4#з#2#| #о – год: 00, 01,02,..., 99

2

Номер кластера, с которого начинается файл на диске

4

Фактическая длина файла в байтах

Область данных. Эта область предназначена для хранения данных, содержащихся в файлах и подкаталогах. Необходимо иметь в виду, что файл на диске всегда занимает целое число кластеров. Например, если файл длиной 1024 байта занимает на диске один кластер

(1024 байта), то файл длиной 1025 байт будет занимать два кластера (2048 байт). Кроме того, данные файла могут располагаться в виде отдельных фрагментов в несмежных кластерах. Такие фрагментированные файлы увеличивают время доступа к данным. Для устранения указанного недостатка следует регулярно выполнять операцию дефрагментации файлов с помощью соответствующих программ (утилит).

Для более наглядного представления логической структуры дискеты на рис. 11.8 приведен пример размещения системной области и области данных на 720К-дискете. Следует отметить, что:

  • системная область занимает 12 секторов, причем в первом секторе размещается загрузочная запись, во втором и третьем – FAT1, в четвертом и пятом – FAT2, а остальные 7 секторов – корневой каталог, размер которого составляет 512 x 7 = 3584 байта. Поэтому максимальное число записей в корневом каталоге равно 3584: 32 = 112;
  • область данных занимает остальную часть диска. Данные хранятся в кластерах. Кластер является логическим элементом и включает в себя два сектора. Нумерация кластеров начинается с числа 2 и осуществляется с последовательным чередованием нулевой (0) и первой (1) сторон диска;
  • цилиндр представляет собой совокупность двух дорожек, расположенных с разных сторон диска и имеющих одинаковые номера. Нумерация цилиндров, как и дорожек, начинается с 0.

Дисководы. Основными компонентами дисковода НГМД являются:

  • привод с механизмом фиксации дискеты. В качестве привода используется шпиндельный двигатель. Скорость вращения двигателя для 3-дюймовых дискет составляет 300 об/мин. Среднее время запуска двигателя составляет 400 мс;
  • блок магнитных головок с механизмами прижима головок к диску. Блок головок содержит каретку с закрепленными на ней головка-

Размещение системной области и области данных на 720К-дискете

Рис. 11.8. Размещение системной области и области данных на 720К-дискете

ми записи/чтения и стирающими головками. Головки расположены с каждой стороны диска. Стирающие головки предназначены для уменьшения ширины дорожки при записи. Благодаря этому между записанными дорожками создаются размагниченные участки, что повышает качество считывания данных. В процессе позиционирования, записи/чтения магнитные головки соприкасаются с поверхностью диска, в паузах между записью и считыванием головки приподнимаются над поверхностью;

  • шаговый двигатель, вращательное движение которого преобразуется в поступательное движение каретки. С помощью шагового двигателя каретка с магнитными головками перемещается по поверхности диска в радиальном направлении фиксированными шагами. Величина шага зависит от плотности записи дорожек. В частности, при записи с плотностью 96 дорожек на дюйм (track per inch – tpi) величина шага соответствует повороту ротора шагового двигателя на 1,8°. Перемещение блока головок из одного положения в другое называется позиционированием. Максимальное время позиционирования при перемещении головок из одного крайнего положения в другое имеет значение порядка 100 мс, а между двумя соседними дорожками – порядка 3 мс;
  • умы управления дисководом:

■ логические схемы позиционирования головок, контроля, управления шпиндельным двигателем;

■ источники тока записи и стирания;

■ усилители;

■ датчики индекса, используемые для определения начала дорожки при форматировании дискеты;

■ формирователи индексной метки и выходного сигнала;

■ коммутатор головок и т.д.;

корпус, в котором размещаются перечисленные выше компоненты:

■ на лицевой стороне корпуса имеется окно-щель, в которое вставляется дискета, и индикатор, светящийся при вращении шпиндельного двигателя. Окно-щель 3-дюймовых дисководов закрыто шторкой. Для удаления дискеты из дисковода используется кнопка. Для блокирования 5-дюймовых дискет после установки в дисковод и разблокирования при удалении из дисковода предусмотрена защелка;

■ на тыльной стороне корпуса установлены 4-штырьковый разъем для подключения питания и 34-штырьковый разъем для соединения с контроллером.

В качестве примера на рис. 11.9,а приведена лицевая сторона корпуса 3-дюймового дисковода, на рис. 11.9,6 – тыльная сторона.

Лицевая (а) и тыльная (6) сторона корпуса 3-дюймового дисковода

Рис. 11.9. Лицевая (а) и тыльная (6) сторона корпуса 3-дюймового дисковода

Контроллеры. Контроллер выполняет функции сопряжения НГМД с процессором, при этом на процессор возлагается общее управление контроллером с помощью команд и слов состояния процессора, а на контроллер – непосредственное управление НГМД.

Основными составными частями контроллера являются:

  • буфер шины данных, предназначенный для трансляции данных при записи/чтении;
  • регистры, выполняющие функции временного хранения данных;
  • логическое устройство, на которое возлагаются функции центрального процессора контроллера. Оно обеспечивает режим обмена контроллера.

Контроллеры НГМД интегрированы в чипсеты системных плат. Дисководы подключаются к разъему на системной плате с помощью 34-жильного плоского кабеля (рис. 11.10). Перекрученные жилы кабеля позволяют присваивать разные имена приводам 3-дюймовых и 5-дюймовых дискет (А: или В:).

Подсоединение 34-жильного плоского кабеля к дисководам 3,5' и 5,25

Рис. 11.10. Подсоединение 34-жильного плоского кабеля к дисководам 3,5' и 5,25"

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>