Лекции по курсу Периферийные устройства компьютеров

Внешние
запоминающие
устройства

Классификация
и характеристики

внешних
запоминающих
устройств

План

1. Классификация
внешних запоминающих
устройств.

2. Основы магнитной
записи.

3. Схемы записи
и воспроизведения.

4. Представление
цифровой информации
на внешнем
носителе.

1. Классификация
внешних запоминающих
устройств

Для
эффективной
обработки
данных необходимо
обеспечить
при минимальных
затратах хранение
больших объемов
информации
и быстрый доступ
к ней. Эти требования
противоречивы
и при современном
уровне технологии
компромисс
между емкостью,
быстродействием
памяти и затратами
на нее достигается
за счет создания
иерархической
структуры,
включающей
в себя сверхоперативный,
основной, внешний
и архивный
уровни. Внешний
и архивный
уровни образуют
систему
внешней памяти.
В ее состав
входят разнородные
внешние запоминающие
устройства
(ВЗУ), контроллеры
ВЗУ, а также
носители информации
и хранилища
для них.

Контроллеры
ВЗУ, как
правило, размещаются
в системном
блоке ПЭВМ и
реализуют
функции контроля
исправности
ВЗУ, помехоустойчивого
кодирования,
обнаружения
ошибок при
считывании,
задания формата
данных, формирования
сигналов интерфейса
в соответствии
с протоколом
и др.

По
типу носителя
различают ВЗУ
с подвижным
и неподвижным
носителем. Если
поиск, запись
и считывание
информации
сопровождаются
механическим
перемещением
носителя, то
такие ВЗУ называют
накопителями
с подвижным
носителем. К
этой категории
относят накопители
на магнитных
лентах (НМЛ),
магнитных
дисках (НМД) и
оптических
дисках (НОД).
Накопители
на основе
цилиндрических
магнитных
доменов (ЦМД)
относятся к
накопителям
второй категории.
Реже во ВЗУ
используют
объемную запись
- полупроводниковые
ЗУ, приборы с
зарядной связью.

По
способу доступа
к информации
все ВЗУ делятся
на накопители
с последовательным
(НМЛ) и прямым
(произвольным)
доступом (НГМД,
НЖМД).

Основными
техническими
характеристиками
ВЗУ являются:

1) информационная
емкость
определяет
наибольшее
количество
единиц данных,
которое может
одновременно
храниться в
ВЗУ. Она зависит
от площади и
объема носителя,
а также от плотности
записи;

2) плотность
записи
- число бит
информации,
записанных
на единице
поверхности
носителя. Различают
продольную
плотность
(бит/мм),
т.е. число бит
на единице
длины носителя
вдоль вектора
скорости его
перемещения
(по дорожке), и
поперечную
плотность
(бит/мм), т.е. число
бит на единице
длины носителя
в направлении,
перпендикулярном
вектору скорости
(число дорожек);

3) время
доступа,
т.е. интервал
времени от
момента запроса
(чтения или
записи) до момента
выдачи блока.
Это время включает
в себя время
поиска информации
на носителе
и время чтения
или записи;

4) скорость
передачи данных
определяет
количество
данных, считываемых
или записываемых
в единицу времени
и зависит от
скорости движения
носителя, плотности
записи, числа
каналов и т.п.

2. Основы
магнитной
записи

Запись
и считывание
информации
происходят
в процессе
взаимодействия
магнитного
носителя и
магнитной
головки (МГ),
которая представляет
собой электромагнит.
Материал магнитного
покрытия можно
представить
множеством
хаотически
расположенных
магнитных
доменов, ориентация
которых изменяется
под действием
внешнего магнитного
поля (рис. 12.1),
создаваемого
МГ при подаче
в ее обмотку
тока записи.
Если МГ приводит
к ориентации
доменов в плоскости
носителя (рис.
12.1, б, в), то магнитную
запись называют
горизонтальной,
а если - к ориентации
доменов перпендикулярно
плоскости
носителя (рис.
12.1, г, д), то магнитную
запись называют
вертикальной.
Хотя вертикальная
запись потенциально
позволяет
добиться более
высокой плотности
записи, наиболее
распространена
горизонтальная
запись.

Для
регистрации
информации
используется
переход от
одного состояния
намагниченности
в противоположное.
Этот переход
является
«отпечатком»,
который может
быть обнаружен
с помощью МГ
чтения.

Для
горизонтальной
магнитной
записи МГ
записи имеет
небольшой
зазор, через
который замыкается
магнитный
поток. Под действием
тока в обмотке
домены носителя
ориентируются
в одном направлении.
Если изменить
направление
тока записи
Iw ,
то ориентация
доменов будет
противоположной
(рис. 12.2). Количество
переходов,
размещаемых
на единице
площади носителя,
называют физической
плотностью
записи.
Этот параметр
зависит от
метода магнитной
записи, величины
зазора в МГ и
ее конструкции,
расстояния
между МГ и покрытием
носителя и др.

Если
плотность
записи очень
большая,
то соседние
переходы влияют
друг на друга
и это должно
учитываться
при построении
схем записи
и воспроизведения.

Магнитная
головка чтения
позволяет
определить
моменты времени,
когда при движении
носителя под
ней оказываются
границы между
участками с
противоположными
состояниями
намагниченности.
Магнитный
поток, создаваемый
доменами носителя,
частично замыкается
через магнитопровод
МГ чтения. Для
сокращения
длительности
импульса
воспроизведения
уменьшают зазор
в головке, толщину
магнитного
покрытия и
расстояние
между МГ и покрытием.

Если
расстояние
от МГ до покрытия
равно нулю, то
реализуется
контактная
запись (НМЛ,
НГМД). Трение
между носителем
и МГ вызывает
их износ и
ограничивает
скорость движения
носителя. При
использовании
НЖМД реализуют
бесконтактную
запись, при
которой
МГ находится
на расстоянии
0,2-5 мкм над поверхностью
носителя.

3. Схемы
записи и воспроизведения

Чтобы
создать магнитный
поток МГ, в ее
обмотке должен
протекать ток
Iw или
-Iw
в процессе
записи, а чтобы
предотвратить
разрушение
записанной
информации
при хранении
и считывании,
ток записи
должен отсутствовать.
Этого можно
добиться с
помощью следующей
схемы (рис. 12.3,а).
МГ записи имеет
две обмотки
W1
и W2
, включенные
встречно. При
наличии разрешающего
сигнала записи
WR ток от источника
через резистор
R протекает по
обмотке W1
, переводя
носитель в одно
из состояний
намагниченности.
Противоположное
состояние
намагниченности
создается при
протекании
тока 2Iw
по обмотке W2.
Этот ток формируется
усилителем
записи при
наличии сигнала
разрешения
записи и сигнала
от схем кодирования.

Использование
элементов с
тремя состояниями
(Кл – ключ, переключатель)
позволяет
уменьшить
энергетические
затраты и несколько
повысить
быстродействие,
так как требует
коммутации
меньших токов
(рис. 12.3, б). При
считывании
необходимо
выделять слабые
полезные сигналы
на фоне помех
и амплитудно-частотных
искажений.

4.
Представление
цифровой информации
на внешнем
носителе

Способы
записи устанавливают
соответствие
отпечатков
на поверхности
носителя значениям
«0» и «1». Наиболее
распространенными
являются способы
записи без
возврата к нулю
(БВН), частотной
(ЧМ) и фазовой
(ФМ) модуляции,
группового
кодирования
(ГК). Трактом
или
каналом
записи-воспроизведения
называют совокупность
аппаратных
средств, позволяющих
при операциях
записи получать
отпечатки и
восстанавливать
записанную
кодовую последовательность
при операциях
чтения. При
магнитной
записи основными
компонентами
тракта являются
головка записи
и воспроизведения,
усилители
записи и воспроизведения,
детекторы
информационных
и синхронизирующих
сигналов, схемы
управления.

Рассмотрим
наиболее
распространенный
способ записи
– «без
возврата к
нулю».
Суть этого
способа состоит
в том, что при
записи «1»
направление
тока изменяется,
а при записи
«0» - не изменяется
и отпечатков
на поверхности
носителя не
остается. Запись
и чтение осуществляются
при постоянной
скорости перемещения
носителя. Для
воспроизведения
«0» и отделения
их от «1» используются
синхроимпульсы
(рис. 12.4), которые
при считывании
могут воспроизводиться
автономным
тактовым генератором
или считываться
как служебная
информация
со служебной
дорожки носителя.

Вопросы
к лекции

1.
Какие характеристики
пытаются улучшить
при разработке
ВЗУ для того
чтобы повысить
скорость передачи
данных? За счет
каких технических
решений это
достигается?

________________________________________________________________________________________________

Курс
«Периферийные
устройства»

(лекции)

-7-

Накопители
на гибких магнитных
дисках

План

1. Структура
накопителя
на гибких магнитных
дисках.

2.

3. Формат записи
информации
на гибком магнитном
диске.

4. Адаптер
накопителей
на гибких магнитных
дисках.

1. Структура
накопителя
на гибких магнитных
дисках

Устройство
накопителя
на гибких магнитных
дисках (НГМД)
(рис. 13.1) включает
ГМД, пять основных
систем (приводной
механизм, механизм
позиционирования,
механизм центрования
и крепления,
систему управления
и контроля,
систему записи-считывания)
и три специальных
датчика (датчик
индексного
отверстия,
датчик запрета
записи, датчик
дорожки 00).

Полезная
поверхность
диска представляет
собой набор
дорожек, расположенных
с определенным
шагом. Нумерация
дорожек начинается
с внешней стороны
(нулевой дорожки).
Позиция дорожки
00 определяется
в накопителе
с помощью
специального
фотоэлектрического
датчика. Сама
дорожка разбивается
на отдельные
участки записи
равной длины
- секторы. Начало
участков
записи-считывания
на дорожках
определяется
имеющимся на
диске специальным
круглым индексным
отверстием.
Когда индексное
отверстие при
вращении диска
проходит под
соответствующим
окном кассеты,
другой фотоэлектрический
датчик вырабатывает
короткий
электрический
импульс, по
которому
обнаруживается
позиция начала
дорожки.

Позиционирующая
система служит
для установки
магнитной
головки точно
над определенной
дорожкой на
поверхности
диска. Все
электрические
схемы размещаются
на печатной
плате, компонуемой
в корпусе НГМД.
Обычно в профессиональной
ПЭВМ к одному
адаптеру через
интерфейс можно
подключать
до четырех
НГМД. Электронные
схемы выборки
поэтому имеют
четыре входа.
Для подключения
определенных
НГМД применяются
микропереключатели.

2. Метод
записи данных
на гибкий магнитный
диск

В НГМД
используют
два основных
метода записи:
метод частотной
модуляции (ЧМ)
(рис. 13.2) и метод
модифицированной
ЧМ. В контроллере
(адаптере) НГМД
данные обрабатываются
в двоичном коде
и передаются
в НГМД в последовательном
коде.

Способ
частотной
модуляции
является
двухчастотным.
При записи в
начале тактового
интервала
производится
переключение
тока в МГ и
направление
намагниченности
поверхности
изменяется.
Переключение
тока записи
отмечает начало
тактов записи
и используется
при считывании
для формирования
сигналов
синхронизации.
Таким образом,
этот способ
обладает свойством
самосинхонизации.
Запись «1» и
«0» производится
в середине
тактового
интервала,
причем при
записи «1» в
середине тактового
интервала
производится
инвертирование
тока, а при записи
«0» - нет. При
считывании
в моменты середины
тактового
интервала
определяют
наличие сигнала
произвольной
полярности.
Наличие сигнала
в этот момент
соответствует
«1», а отсутствие
- «0».

3. Формат
записи информации
на гибком магнитном
диске

Организация
размещения
информации
на дискете
предполагает
расположение
данных пользователя
вместе со служебной
информацией,
необходимой
для нумерации
отдельных
областей, отделения
их друг от друга,
для контроля
информации
и т.д.

В
НГМД используют
стандартные
форматы информации
для унификации
(обобщения)
НГМД и их адаптеров.
Каждая дорожка
на дискете
разделена на
секторы. Размер
сектора является
основной
характеристикой
формата и определяет
наименьший
объем данных,
который может
быть записан
одной операцией
ввода-вывода.
Применяемые
в НГМД форматы
различаются
числом секторов
на дорожке и
объемом одного
сектора. Максимальное
количество
секторов на
дорожке определяется
операционной
системой. Секторы
отделяются
друг от друга
интервалами,
в которых информация
не записывается.
Произведение
числа дорожек
на количество
секторов и
количество
сторон дискеты
определяет
ее информационную
емкость.

Каждый
сектор (рис.
13.3) включает две
области: поле
служебной
информации
и поле данных.
Служебная
информация
составляет
идентификатор
сектора, позволяющий
отличить его
от других.

Адресный
маркер -
это специальный
код, отличающийся
от данных и
указывающий
на начало сектора
или поля данных.
Номер
головки указывает
одну из двух
МГ, расположенных
на соответствующих
сторонах дискеты.
Номер
сектора
- это логический
код сектора,
который может
не совпасть
с его физическим
номером. Длина
сектора
указывает
размер поля
данных. Контрольные
байты предназначены
для контроля
ошибок считывания.

Среднее
время доступа
к диску в миллисекундах
оценивается
по следующему
выражению:

tср=
(N-1)t1/3+t2
, (17.1)

где
N - число дорожек
на рабочей
поверхности
ГМД; t1
- время перемещения
МГ с дорожки
на дорожку; t2
- время успокоения
системы позиционирования.

4. Адаптеры
накопителей
на гибких магнитных
дисках

Адаптер
НГМД переводит
команды, поступающие
из ПЗУ BIOS, в электрические
сигналы, управляющие
НГМД, а также
преобразует
поток импульсов,
считываемых
с дискеты МГ,
в информацию,
воспринимаемую
ПЭВМ. Конструктивно
электронное
оборудование
адаптера может
быть размещено
на системной
плате ПЭВМ либо
совмещено с
оборудованием
других адаптеров
на отдельной
плате модулей
расширения.
Возможно
программирование
длины записи
данных, скорости
перехода с
дорожки на
дорожку, времени
загрузки и
разгрузки МГ,
а также передача
данных в режиме
ПДП или прерывания.

Один
из вариантов
построения
структурной
схемы адаптера
НГМД приведен
на рис. 13.4.

Дешифратор
адреса распознает
базовые адреса
программно
доступных
регистров
адаптера. Для
ЦП адаптер НГМД
доступен программно
через регистр
управления
и два порта
контроллера
НГМД - регистр
состояния и
регистр данных.
Значения отдельных
разрядов регистра
управления
определяют
выбор НГМД,
сброс контроллера,
включение
двигателя,
разрешение
прерывания
и ПДП.

Основным
функциональным
блоком адаптера
НГМД является
контроллер
НГМД, реализуемый
конструктивно
обычно в виде
БИС (интегральные
микросхемы
8272 Intel, 765 NEC и др.). Данный
контроллер
обеспечивает
управление
операциями
НГМД и определяет
условия обмена
с центральным
процессором.
Функционально
контроллер
подчинен ЦП
и программируется
им. В контроллере
имеется регистр
состояния и
регистр данных,
в котором
запоминаются
данные, команды
и параметры
о состоянии
НГМД. При записи
регистр данных
используется
как буфер, в
который побайтно
подаются данные
от процессора.
Контроллер
принимает
данные от регистра
и преобразует
их в последовательный
код, используемый
при частотном
методе записи.

Контроллер
НГМД выполняет
следующий набор
команд:
позиционирование,
форматирование,
считывание,
запись, проверка
состояния НГМД
и др. Каждая
команда выполняется
в три
фазы:
подготовительной,
исполнения
и заключительной.
В подготовительной
фазе ЦП
передает контроллеру
байты управления,
которые включают
код операции
и параметры,
необходимые
для ее исполнения.
На основании
этой информации
в фазе
исполнения
контроллер
выполняет
действия, заданные
командой. В
заключительной
фазе через
регистр данных
считывается
содержимое
регистров
состояния,
хранящих информацию
о результате
выполнения
команды и состоянии
НГМД. В ЦП передаются
условия завершения
операции.

Таблица
13.1

Назначение
сигналов интерфейса
НГМД